（通信与信息系统专业论文）变电站视频监控系统的设计与研究.pdf

硕士论文变电站视频监控系统的设计与研究 摘要 视频监控是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观方便、信息内容丰富而被广泛应 用于许多场合。 远程视频监控系统分为监控端和服务器端两部分。在监控端完成图像的采集、转换、压 缩编码和网络发送功能。而在服务器端部分，负责视频数据的接收、解码、并显示出来。 本课题以变电站监控应用为背景，论述了个应用于变电站的无人值守视频监控系统。 本论文主要研究视频图像的采集、i - l 2 6 3 视频压缩协议的基本原理和特点，实现了h 2 6 3 格 式的视频流的编码解码和显示功能。分析了变电站视频监控系统的设计框架和设计方案，并 在v c 平台e 对监控终端软件进行了具体的开发实现。最后对论文进行了总结，并对未来的 研究和进一步的开发进行了展望。 关键词：监控系统，视频采集，h 2 6 3 协议，视频压缩 颂士论文 变电站视顿监控系统的设计与研究 v k l e om o n i t o r i n gi sa l x w e , y s 趾a p p l i e dm e h n o l o g yw h i c hp e o p l ep a yal o t 剐扯耐o nt o i ti s w i d e l y u s e d b y c o n v e r g e n c e a n d a b u n d a n t h f o r m a t i o n r e m o t e v i d e o m o n i t o rs y s t e m h a s t w o l ：翘 t s ：s e r v e r p m t m 】c l r e m o t e m o n 蛔- m g p a r t v 蜘a l d a m i sc o l e c t 酿c o n v m e c t , c o m p l 谢a n d 鼢l dt on e 帐o r ki nm o n i t o r i n gp a 鸣t h ex r m u a ld a t ai s r e c e i v e d b y s e r v e r p a r l t h e n i t w i l l b e 酬a n c l 幽, l a y e d o ns a 七吼 o n 恤b a s i so fm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h es u b s t a t i o n , t h i st h e s i sd i s c u s sav i d e om o i l 缸l r i r 培 s y s 嗡mu s e df o ru - 锄s f o n n e r 鼠】b g 哪d o nt h et h e s i sm a i n l yf o c u s0 1 1v i d e oc a p t u r e 艳c h n i q u e ，h 2 6 3 p r o t o c 0 1 i d e s i g n e d a s o i h r a m m e t h o d o f h 2 6 3 v 砌s a e a m p l a y b a c k s y s t e m ，w h i c h w a s r e a l i z e d i l lv c + 十l a a l g u a g e w ep u tf o r w a r dad e s i g np l a no f t h i ss y s t e ma n dr e a l i z e dr e 咀v c f 血a l l y , a 1 1o f l l l e 啪出i i l 恼m 醯i s 舢m n m e d u p t h c f 匝鹏麒翰r c h o f 啦嘞i s 脚) s p 吼 l 蛔州o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m , v i d e oc i p 嘛，h 2 6 3p r o t o c o l , v i d e o c o m _ p r e s s i o n ，i y1 0 0 u 2 8 s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，。也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：玉! 童盗训年6 月媚 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 里里羔堡_ 窒皇! ! ! ! 堡竺丝至竺箜堡生皇! 塞 1 引言 1 1 课题背景 在i 殳字图像压缩技术日益成熟以及计算机网鸯各j 姝商嬲的今天【1 1 ，远程图俐2 f 字监 控技术给人们带来了极大的便利。随着国民经济和科学技术的发展以及人民生活水平的提高， 人 门对日常工作的剩牛和环境也在不断提高着要求。在i 拆计青况下，对于以往逝伽滋 恶劣，地理位置较远或者有可能危及人员身体健康甚至生命的场合，采用无人职守作业的要 求就日益突出。 无人职守作业已经成为许多行业的迫切需要，在电力系统也是如此。鉴于现今变电站( 所) 的位置和环境要求，如夥蝴隔几十甚至几百公里距离之夕 的变电站每天溉人去进行现场值 班工作既浪费人力物力财力，也不便于管理和处理突发情况，所以用于远程的无人职守监控 系统的设计就被提了出来。对于远距离无人职守的变电站，为了及时了解现场的工作情况， 这就需要1 巍蚴系统，使之自彩对变电站的桩危险区域j 口油位仪、高压开关、电容 器室等关崩空制区域以及变电站四周图像的j 法入侵进行捌脚缈 监控，荆i 能够对 现场发生的异常情况进行自蒯畏警，以便远蒯直班中，嵘作人员及时匆卿解决故障这样 就大大提高了变电站运行和维护的安全性和可靠性，并可逐步实现电网的可视化监控和调度， 使电网调控运行更为安全、可靠。在电力系统，这种监控系统也被称为“遥视系统，。 通过公用或者专用的网络，将远程现场展现在远端控制中心值班人员面前或者对远程现 场情况进彳亍实时录像，并对异常情况能进i 亍报警提示开发具有这样功能的卜脚空系统 可以大大提高变电站的工作效率，减少开销。 随着时f 弋的发展，尤其是在刚刚步入2 1 觑的今天，自动化、无慷作已经戎了工业、 服务行业、乃至各行各业的发展趋势。它可以节省人力、物力，降低生产成本和提高生产效 率。图像监控直是人们关注的热点眩用技术，它以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛 应用与许多场合。比如变电站无人值守、银行柜台监控、远程医疗等等。可以说，图像监控 已经深入到我们的生活中来了。 1 2 监控系统的发展 早在黑白摄像机、电视机出现的那天起，原始的黑自图像监视系统就己诞生。它被广泛 应用于保安、生产管理等场合，尽管它的功能单一，图像质量低，但由于其直观方便的特性， 人们投入了不少的心血，使之不断地提高完善，成为实用的系统。很快地它便由最初的单点、 单线传嶝淘：变成了多点监控系统，并且人们利用当时并不先进的电子技术，开发出多种相关 硕士论文变电蛄视频监控系统的设计与研究 设备，摄像机也针对不同场合的应用要求出现了不同的种类，但这些仍然是较低分辨率的模 拟摄像机。当时的监视系统大多采用模拟方式传输，最简单的是将图像基带信号直j 妾i 羞入视 频电缆进行传递。而且一次只能对一路信号进行观测。后来，为了适应在个地点传送多台 摄像机的图像信号，减少电缆路数的要求，采用模拟射频调制的方法。将各路视频信号调制 在不同的射频目# 波匕通过合路器送入一条电缆当中，传送到控制中心。在控制中心，将射 频电缆送来的多路调制信号，通过高频头分离，再分别进行解调，还原出各路视频。由于采 用了调制方式，图像信号的抗干扰能力得以加强，图像质量明显提高。采用模拟调制的方法， 显然比单根电缆直接传送图像基带信号先进了步，但是由于模拟调制无法抵抗噪声的干扰， 图像质量仍然不理想，并且传输距离有限，使应用受到了限制。 到了二十世纪七、八十年代，随着新技术革命的兴起，微处理器技术的进步普及和发 展，控制系统有了质的飞跃。同时伴随着彩色图像技术的普及与应用，原来的黑白图像变成 了富有生机的彩色图像，一时又带来了一次图像监控发展的高潮。然而，当数字视频技术出 现以后，微处理器日渐显示出其处理速度慢、能力查的缺陷，限制了视频技术的发展。 进入八十年代，数字化技术的发展给图像监控带来了一次技术革命。人们开始利用计算 机的数据处理能力与显, - 7 - 4 f ，的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中，显示 在显示器上，大大提高了图像的画质。尽管它有良好的人机界面，但是它不能称为真正的多 媒体系统，因为大部分时间里，计算机只能充当个外部监视器的角色。由于网络技术的落 后，般的监控系统还是以本地为主，另外计算机的运行速度较低，而数字视频的数据量又 很大，无法实现实时压缩传输，这样就限制了利用一台p c 机同时处理数字视频信号的能力， 很难组建大型监控系统。 数字视频压缩编码技术的日益成熟与图像终端微机化平台的支持为多媒体应用提供了条 件，新的监控技术完全打破了传统的结构，依靠功能日益强大的计算机，不仅可以处理文本、 数据、图形等，还可以处理视频、声音等信息，成为真正的多媒体监控终端。再加上网络和 通信技术的发展，多媒体信息的交互和共享趋向更广阔的空间。在监控应用中，生产管理者 也不仅仅满足于过去的数据、文本、图形等信息，希望有更加丰富的内容支持他们的生产、 管理活动，需要了解远方现场的各种情况，犹如身临其境。影音信息是不可缺少的部分，而 且对各种多媒体信息的使用趋于综合化、交互化。对监控所涉及的区域范围也不断地扩大， 从局域到广域，从个城市到另个城市，从个国家到另个国家，都能完成在现场所能 完成的切任务。 网络化的第三代视频监控技术，与传统的模拟监控技术相比较，还具有：便于模块化，通 用性、可扩展性强，便于智能化、支持远程控制，监控效率更高，信号抗干扰强、便于对信 号进行存取、查找、再次处理、易于安装管理维护，等优点。第三代网络视频监控技术，融 合了新兴的网络技术、多媒体技术、视频技术，是技术发展和社会进步的一次巨大飞跃，具 有深远的现实意义。视频监控技术具有广阔的发展前景和巨大的商机，加之其强大实用的功 2 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与研究 能，可拓展的技术空间，良好的社会价值，是当前信息产业发展的热点之一。 1 3 课题的基本任务 监控系统可以分成以现场监控为主和以网络监控为主的系统。在现场监控时，系统采集 各个监控点的图像和数据，在本地计算机匕进行监视、存储、管理。在网络监控时，系统音 视频数据和监控数据由前端的处理系统采集编码，并将编码后的数据t c p i p 网络传输到 监控中心。网络客户端接收编码后的音视频数据和监控数据，并进行监视、存储、管理等操 作。多媒体电力监控系统为实现变电站的无 、或少人值守，从而为推动电力网的管理逐步向 自动化、综合化、智能化方向发展提供有力的技术保障。 本课题的主要研究内容和方向是针对监控系统中的关键技术进行研究和分析，提出监控 系统的设计方案和开发步骤，对关键部分进行具体的开发实现，具体的来说有： ( 1 ) 在对监控系统的组成和工作流程进行了解的基础匕进行硬件设备的选择。 ( 2 ) 视频图像的采集，图像采集是所有的视频压缩、视频传输等后续处理的基础，本论文 将介绍两种视频图像采集的方法：种是基于w i n d o w s a p i 函数，另种是基于视频采集卡 提供的s d k 二次开发包，具体将采用相对效率较高的v l s u a lc h 语言来实现。 ( 3 ) 对视频监控系统信号的压缩传输中，普遍存在着传输通道带宽限制和图像质量要求之 间的矛盾，所以选择套恰当的通信协议和种适合的压缩方法是必要的。根据实际睛况要 求和线路质量条件，选用压缩比高f 阻可以动态进行调整地压缩协议，采用合适的网络协议 进行网络传输，是完成本系统所需要考虑的个重要环节，同时也是个难点，本课题主要 讨论在监控背景下采用何种视频压缩算法比较合适。并就具体的标准进行讨论和研究。 ( 4 ) 本论文还对视频监控的软件模块进行设计和讨论以实现一定的监控功能。 ! 里型壁- _ 一一! 堕竺塑堡堕丝墨竺塑望生兰竺塞 摄像机安装在各个监控点以采集实时的图像信息( 摄像枫包括带云台控制的彩色变焦摄 像机和不带云台的彩色普通摄像机。摄像机镜头的伸缩、拉长和云台的移动由解码器控釉。 _ i 瞪i 生捌髁集卡将采集到的图1 | 象l 至摄像机的棚赡号线干专i 差至p c 机进行实日寸压缩。p c 栅丕 可趴匾过软件来设计实现摄像机到监视器的视频矩阵切换、录像、云台和镜头的控制、通过 串口连接报警设备的报警信息等。 计算机将视频信号和控制信号等信号按照一定的j | 哽序发送至网卡芯片，然后控制网卡将 信息打包并以数据包的形式向网络发送，同时接收从网卡传递回来的控制信息，并将其相应 的传送至解码器以进行摄像机和云台的控制动作。可以通过网卡芯片的控制接口将该网卡绑 定护地址，在网络遄榭辩崂可以通过该p 地址与网卡建= 数嗽来进行数据的传渝。 监控中心可通过网络接收压缩包数据，遥控各外围站点，查看所需的监测信息，控制云 台镜头，选择观看输入的所有摄例几的图像，控制前端的报警氏动开关动作前端如发生报 警可自动按设定的方案向主站报警，在主机e 提示报警信息，用户可以选择是否需要进步 调看图像，还可选用高清晰度照片抓拍模式，获得现场静止照片用于取证和存盘。监控中心 的工作流程如图2 1 3 所示： 接收 z = = 冷 z = 冷 信号监控报警 乏= 冷 发送控制数据 图2 l 3 监控中一b 工作流程图 监控中心可分为网络接口模块、视甥弹码模块、窗口显示模块、报警模块和录像模块等。 网络接口模块负责服务器的连接工作，包摘西信的建立、数据格式的约定以及视频和控带吖言 息的传递。视频解码模块负责前端的多路数据流信息的实时解码工作。窗口显示模块将来自 前端的多路信号同时显示在用户窗口上。报警模块即数字视频序列的运动检测，它负责监控 各路实时图像，将报警信息及时传递到用户界面，报警模块还包括烟雾、红外等其它报警功 能视频录像模块包括将无人监控的图像信息保存在硬盘匕等待用户的处理，还包括报警 前后段时间的视频回放以及对小型录像文件数据库的管理，在硬盘空间不够时或者按照用 户的设置自动删除最早的录像数据。 2 2 系统开发的硬件设备选择 视频采集卡直接安装在计算机匕，通过它可以将模拟视频信号、音频信号实时数字化并 玉缩编码，然后交由计算机直接处理，这样通过软件就可以实现对视频的显示、动态存储、 实时捕获、实时发送等功能。 本系统中，主要通过视频采集卡将摄像机所拍摄的视频图像信号传输到p c 机上，因此 视频采集卡是基于p c 机的数字视频监窿系统中的关键设备，块卡往往支持一路到四路的 视频信号，一台计算机可以插上一到四块卡，从而可以支持一路到十六路的视频采集。典型 的基于p c i 总线的图像采集系统主要由视；员解码器、采样保持、a d 转换、同步控制、帧存 体以及外围电路和p c i 总线控韦幡等组成。图像采集的系统结构框图如图2 2 1 1 所示。 系统p c i 总线 图2 2 1 1 图像采集系统的结构 6 一行的开始，应该立即启动采样。显然，启动时间越短越好。锁相控制的作用就是保证锁相 的相位最大扰动减小到晶振振荡周期的一半。就是说锁相控制能保证在行同步信号有效后立 即启动，并且保证用于驱动采样的时钟的相位扰动不超过晶振振荡周期的一半，即锁相控制 保证采样是均匀进行的。 帧存体 模拟视频信号经过a ，i d 转换后已经成为数字图像。数字图像是后续计算机图像处理的对 象。但是，计算机在读取数字图像的时候不能每得到个像素的数据就进行次读取，这种 方式会造成很大的资源浪费。更理想的读取是一次读取若干像素的数据，从而提高资源利用 7 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与铲究 率。这样就需要个缓存来暂时存储部分数据，完髓扑功能的就是帧存体。其主要作用 除了缓存所采集的数字图像信息，待计算机作进步的加工处理夕i - ，还能保证实时地输出数 字图像。 由于图像的数据量很大，而又有实时性的要求，所以帧存体通常采用读取时间翅_ 般要 小于4 0 n s ) 的s r a m ( 静态存储器) ，或者同时具有s r a m 和d r a m ( 动态随机访问存储器) 的双口r a m 。 p c i 总线控制器 p c i 总线控制器用于实现p c i 总线规范。p c i 局部总线由于其速度高、可靠性强、成本 低及兼容性好等性能，在各种计算机总线标准中占主导地位，采用基于p c i 标准的接口设计 已成为各种项目开发中的优先选择。但是，由于p c i 总线规范和接口定义较为复杂，从而使 得传统的、以中小型规模器件开发接口电路的方法难以实现。鉴于此，许多厂家推出了专用 的p c i 总线接口芯片，下面简单介绍下a m c c 公司生产的s 5 9 3 3 系列芯片。 $ 5 9 3 3 芯片具备强大、灵活的p c i 接口功能，适用于网络、数字视频和多媒体等高速数 据传输场合。该芯片主要特点是主持p c i 主、从两种工作方式，支持多种数据传输方式，有 高低字节顺序调节功能，支持并行和串行的b o o t r o m ，$ 5 9 3 3 芯片提供了三个物理接口： p c i 总线接口，a d d - o n 总线接口和外部非易失性存储器( n v r a m ) 接口，数据传输可以在 p a 总线和a d d - o n 总线与i i v r a m 之间进行。高速数据传输应在p c i 总线和a d d - o n 总线之 间进行，外部设备可挂接在a d d - o n 总线上，a d d - o n 总线可以设为8 、1 6 或者3 2 位宽度。 目前，市面上可供选择的视频采集卡种类比较多，所实现的功能也不尽相同，通过仔细 比较，综合考虑系统需求、采集卡性能、价格等多方面因素，决定采用天敏公司的1 0 m o o n s s d 】( - 2 0 0 0 视频采集卡。该采集卡有如下性能： 采用p c i 总线技术，能够兼容w m d m 聘，即插即用 视频采集每秒钟可达3 0 帧图像，显示画面流畅不间断 显示分辨率能够达到6 4 0 * 4 8 0 ，2 4 位真彩色 影像窗口大小随意调整，可以全屏显示视频图像 能动态捕捉影像以静态图像方式存盘，提供多种存盘格式 符合i t uh 3 2 4 视讯会汉标准，完全兼容流行的视讯会议软件，性能稳定画质清晰 能够兼容w m d o w s w 软件架构和w d m ( w m d o w s 驱动程序模型 模式，提供功能全 面的二次开发包 该采集卡对系统的基本要求； a u 最低要求1 0 0 h z 1 碌他以上的系统内存 支持d i r e c t x 的v g a 显示卡 w i n d o w s 9 5 或者以上的视窗操作系统 。 8 硕士论文 变电站视频监拧系统的设计与研究 2 2 2 监控计算机的选择 本监控系统的基本配置如下： 处理器：p d m im 嗄41 7 g ： 内存：2 5 6 m ； 显卡：g f 2 显卡，3 2 m 显存； 显示器：1 5 寸显示器； 硬盘：7 2 0 0 转8 0 g ； 网绍饯 接口：l a nl 呱吖1 0 0 0 讧t c p p ； 2 2 3 其他设备的选择 构成套完整的监控系统，还需要很多其他的设备，如：解码器、摄像机( 半球摄像机、 智能高速球型摄像机等) 、传感器( 红外双鉴传感器、红外对射传感器、温湿度传感器书、警 笛等等设备，这些设备都是市场上非常成熟的产品，而且往往是根据不同项目的需求来进行 选择，本文在这里就不累述，但总体原则是：选择满足项目技术性能需求的、性价比最 高的市场产品。 由于时间关系，本课题主要实觋本地的视频监控功能，通过将来的系统改进，还可以通 过i n m m e t 使系统具有网络监控的功能。 2 3 系统开发工具_ c 十+ 语言和v i s u a lc + + 开发工具 2 3 1c 惰言 c h 语言是种独立的语言，它是以面向对象为核，d 概念进行程序设计的，把c 语言这种 以面向过程为杨0 概念的传统软件设计方法向前推进了一大步。c + + 中发展和扩充了类( c l a s s ) 的理论，类是进行面向对象的程序设计的基础。面向对象的程序设计方法提供了许多强有力 的工具，帮助程序员达至0 预期的目标( 编制和调试应用程序) ，这种方法比以前面向过程的设 计方法更富有效率，面向对象的设计把程序封装在个安全的外壳中，并使它们具有活动性， 变量自己能够对自己进行主动的操作而非玻动的等待程序中的代码对它们进行操作。 c + + 的建立应归功于b j a r n es r o u s t r u p ，他发展了c + 十语言，使程序中的事件成为现实中 事件的模拟。c + + 的个优越之处在于它基于一种广泛流传的语言：c 语言。c 抖不能被称为 纯粹的面向对象语言，以为它是由面向过程的语言脱胎而成。它也不是草草设计的面向对象 语言，而是以c 为坚实基础的，设计者把许多他们认为有用的c 中的东西移植到了c + + 中。 9 硕士论文变电站视频监控系统的设计与研究 c h 向下兼容，全面支持c 的语句，用c 编写的程序在c + + 的编译器中基本上都能得到通过。 对于c 语言的许多不足之处，如：编译器的查错能力较弱、不支持代码重用机制、结构不适应 开发大型程序的需要能方面都进行了克服。 对于代码重用，对于对象的类的封装，c + + 使得程序员的编程效率得到了很大的提高，也 使得代码更为简洁高效。 2 3 2v i s u a lc 抖开发工具简介 目前软件开发的工具种类很多，而且大多数功能比较强大，在w i n d o w s 操作平台上常用 的代表产品有m i c r o s o i t 公司的s 1 1 a 1c - h ，以及b o r l a n d 公司的b o r l a a d c + + b u i l d e r 等。、r s u a l c 娟0 是m i c r o s o i t 公司开发的在w m d o w s 下运行的可视化的c ，m 言的编译软件，具有 强大的功能，、b u a da 嘶0 是现在流行的个版本，在它之前s l l a lc 啪0 和v i s u a lc + + 5 0 都是负有很好声望版本，6 0 版本更是具有功能强大和便于操作的美誉。 v l s u a la _ h 6 0 不仅拥有个编译软件应有的功能，而且还有其他许多特点。它支持面向 对象的设计方法，充分利用类的技术把大量与用户界面设计有关的w m d o w s a p i 函数封装起 来，以m f c ( m i c r 0 9 mf o u n d a t i o nc l a s s 微软基础类) 的形式提供程序开发人员使用，大大加 强了模块化的程序设计方法。v m u a lc + + 6 0 的a p p w 赋i 称为应用程序开发向导，在它的引 导下可以很容易地生成m f c 应用程序的框架，程序员只需在这些框架内填入适当的内容， 就可以建立各种不同用途的应用程序，在c 1 锻 w 泌时洪向导) 的指引下，用户可以方便地对 类进行管理和操作。并且，s i | a l a 娟0 还为语言在多方向的应用提供了极大的方便，利用 v 1 s u a la 嘶0 不但可以生成般的w i n d o w s 应用程序，还可以方便的生成h l t e r n e t 网站中频 繁使用的h t m l 网页文件，可以用v l s u a la 嘶o 编写a c f i v e x 控件、动态链接库0 ) ii ) 、静 态库4 l i b ) , 数据库程序和多媒体程序等。并且因为它是由微软开发，对w l , r l o w s 有着良好支 持，所以也就拥有更强的稳定性能。 总之，v 塔u a lc _ 晰0 具有很好的执行效率，具备面向对象的开发特征，支持多线程，对 多媒体和网络通信有很强的支持能力，同时也能够对硬件进行很好的操作，进行系统软件的 开发。 鉴于以上原因，在系统的开发设计中最终选择了m i c r o s o i t 公司的v l s u a l a _ h 6 0 作为了 本软件系统的开发工具。 1 0 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与研究 3 视频图像采集技术及实现 没有图像采集，所有的后续处理者粥成为无源之水，无从谈起。视频图像的采集是所有 的视频压缩、视频传输等后续处理的基础，也是所有的视频压缩标准( 比如船e g - 4 ，h2 6 3 等) 真正的应用到实际中的首要条件。 3 1 基于v f 霄技术的视频采集 3 1 1v 冈技术的背景 w i n d o w s 对多媒体的支持是从对w i n d o w s 3 0 增加了多媒体扩展部分开始的。w i n d o w s 3 1 的多媒仁e 控制接口m c i ( m u l t i m e d i ac o n t r o li n t e r f a c e ) 使w i n d o w s 具有设备独立性，从而 允许多媒体硬件生产厂家用d d k ( d e v i c ed r i v e r sk i t ，设备驱动程序开发包) 开发w i n d o w s 下的驱动程序，将多媒体葡酐跏到w i n d o w s 中，从而实现视频功能。1 9 9 2 年，m i c r o s o f t 公 司发布了v i d e of o rw i n d o w s ( 以下简称v f w ) ，这样任何p c 机都能够在无特定硬件支持的条件 下播放视频画面。 3 1 2v f w 技术的特点 在v f w 出现之前，采集和处理数字视频是项复杂的工作。m i c r o s o f t 推出的v f w 软件 开发包给视频处理带来了极大便利田，它以纯软件的方式从模拟视频源采集数字视频信号并 将其存储到文件中或直接对视频缓存进行处理。v f w 使用的是和视频设备驱动程序直接通信 的方式，这种方式在计算机中为视频硬件提供与设备无关的接口函数，所以程序员即使不用 了解视频设备提供的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包) 也能开发出功能强 大的视频应用程序。 v f w 的个关键思想是播放时不需要专有硬件。为了解决数字视频数据量大的问题，需 要对数据进行压缩，它引进了a v i ( a u d i ov i d e oi n t e r l e a v e ) 文件标准，规定了视频和音频 数据以交织的方式进行存储。这种按交替方式组织视频和音频数据的方式可使得读取视频数 据流时能更有效地从存储媒介得到连续的信息。 w i n d o w s 本身包括了v f w ，当用户在安装w i n d o w s 时，安装程序会自动地安装配置视频所 需的视频组件，如设备驱动程序、视频压缩程序等。 在v f 霄开发包中自带了个视频捕获的工具v i d c a p ，它使用了y f w 视频捕获模块a v i c a p 的大量a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口) 函数实现实时的视频捕获。 目前，v f w 已经被m i c r o s o f t 作为w i n d o w s 操作系统的个有机组成部分，所以可i 三u 砒 1 l 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与铲究 w i n d o w sa p i 来访问视频设备，只需要在程序中链接头文件“v f w h ”并将“v f w 3 2 1 i b ”连 接到应用程序中。 3 1 3v f 霄技术的主要功能模块 为了视频采集的功能，v f w 以消息驱动方式对视频设备进行存取，可以很方便地控制设 备数据流的工作过程。 v f w 主要由以下几个模块组成： ( 1 ) a v i c a p d l l ：该动态链接库主要实现视频捕获功能。它包含了用于视频捕获的函数， 为a v i 文件输入输出和视频、音频设备驱动程序提供个高级接口。 ( 2 ) m s ，i d b 0 d l l ：用套特殊的d r a w d i b 函数来处理屏幕上的视频操作，能够将视频捕获 窗口与捕获驱动设备连接起来。， ( 3 ) 婀i “i d r v ：它包含了对v f w 的m c i 命令解释器，实现回放功能。 ( 4 ) a v l f i l e d l l ：支持由标准多媒体i 0 函数提供的更高的命令来访问a v i 文件。 ( 5 ) i 例( i n s t a l l a b l ec o m p r e s s i o nm a n a g e r ) ：即压缩管理器，提供对存储在a v i 文件中 视频图像数据的压缩、解压缩服务。 ( 6 ) a c m ( a u d i oc o m p r e s s i o n m a g e r ) ：即音频压缩管理器，提供与i c m 相似的服务，不 同之处是它适用于波形音频。 m i c r o s o f t 的v i s u a lc + + 从4 0 版本开始支持v f w ，在此开发平台上，程序员可通过多 媒体控制接口实现与声音、视频等多媒体信息打交道，开发出多媒体应用程序。 3 1 4a p i 函数和视频采集相关结构体 下面将介绍几个常用的与视频采集相关的w i n d o w sa p i 。 ( 1 ) c p 1 1 取e p 鼬i s 结构体 结构体功能：该结构体主要包括控制视频流采集过程的参数。通过本结构体可以得到或 者可以设置视频采集速率、采集过程中所用的缓存、采集结束条件等等。 c a p t u r e p a r m s 结构体非常庞大，不需要对其属性全部设置。通常只需要设定我们关心的 参数，比如帧率、时间、内存分配等就可以了，其他参数采用系统默认值就可以了。 ( 2 ) 函数c a p c r e a t e c a p t t m e w i n d o w 0 功能：创建个捕捉窗口。 调用格式如下： 唧n dv f 霄a p ic a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w ( l p c s t ri p s z w i n d o w n a m e ， 捕捉窗口的名称 d w o r dd w s t y l e ， 捕捉窗口的风格 1 2 预士论文变电站视频监控系统的设计与研究 i n tx ，捕捉窗口的左上角坐标 i n ty ， 捕捉窗口的左上角坐标 i n tn w i d t h ,捕捉窗口的宽 i n tn h e i g h t ， 捕捉窗口的高 h w n dh w n 捕捉窗口的父窗口句柄 i n tn i d捕捉窗口的i d ) ： 返回值：创建成功则返回窗口句柄，否则为n u l l ( 3 ) 函数c a p d r i v e r c o n n e c to 功能：将视频采集装置与捕捉窗口连接。 调用格式： b 0 0 屯c a p d r i v e r c o n n e c t ( h 吼d ，捕捉窗口的句柄 i i n d e x ) ：捕捉驱动的索引，范围o _ 9 返回值：连接成功返回1 1 j r e ，否则返回f a l s e 。 ( 4 ) 函数c a p o v e r l a y o 功能：设定是否启用o v e r l a y 模式。若启用，则视频显示通过硬件层叠实现，不占用系 统资源，c p u 占用率低，显示速度快。 调用格式： b o o lc a p o v e r l a y ( d 捕捉窗口的句柄 f o v e r l a y 标志，兀r e 启用，f a l s e 禁用 ) ； ( 5 ) 函数e a p g r a b f r a m e 0 功能：捕捉当前帧并在窗口进行显示，捕获后o v e r l a y 模式无效。 调用格式： b o o lc a p g r a b f r a m ( h w n d 捕捉窗口的句柄 ) ： 返回值：成功则为t u r e j 否则为f a l s 已 ( 6 ) 函数c a p d l g v i d e o s o u r s e0 功能：显示采集卡驱动设置对话框，用户可以在此设置视频源，亮度，色度，饱和度等 信息。 调用格式： 硕士论文变电站视频监控系统的设计与研究 b o o lc a p d l g v i d e o s o u r c e ( h w n d 捕捉窗口的句柄 ) ： 3 1 5a v l c a p 窗口类 a v i c a p 窗口类是完成控制视频捕获硬件获取数据，并按照需要的格式进行存储、转换 的重要手段。它提供了个访问视频采集硬件的简便的、基于消息的接口，通过回调函数实 现视频采集。回调函数星类特殊的函数，它的功能类似于中断函数。 在系统回调函数中常用的为为状态设置、出错处理、流捕获和帧捕获等回调函数，它们 的注册是通过相应的宏完成的网。c a p s e t c a l i b a c k o n e r r o r 将系统出错处理的回调函数注册到 系统中，当系统出错是自动调用进行处理。具体处理的内容由用户自己编写。 a v i c a p 窗口类具有以下几个方面的主要功能： 动态查询视频和音频设务。 实时的视频流捕捉。开发者可以直接对视频流数据进行处理，也可以 将视频流和音频流压缩保存到个a v i 文件中。 在视频流捕捉的过程中，可以采用实时叠加( o v e r l a y ) 或( p r e v i e w ) 方式显示视频图像。 在视频捕捉的过程中，为用户提供视频源选择对话框，并可以显示由硬件设备驱动程 序提供的设置视频捕获速率、视频格式以及视频压缩的对话框。 在实时视频捕捉的过程中，与i 例和a 叫配合工作，可以直接压缩音频和视频流数据。 按用户的设置进行视频单帧捕捉，并将单帧图象以d i b 格式的文件保存。 创建、保存和载入r g b 格式下的调色板。 将捕获图象和相关的调色板拷贝到剪切板上。 a v l c a p 窗口类提供了套函数，还定义了_ 些重要的回调函数，宏和结构。v f w 编程主 要是通过这些静爱函数、回调函数、宏和结构实现的。 3 1 6 利用v f i r 进行视频采集的基本流程 利用v f w 进行视频采集的基本流程如图3 1 6 1 所示： 1 4 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与研究 i 创建视频捕捉模块 弋夕 注册系统回调函数 i 弋夕 l 与视频采集设备连接 ll 弋夕 获取视频采集设备的 状态信息 之乡 i 捕捉图像到缓冲中进 行处理 之乡 i 中止采集并与视频设 备断开连接 图3 1 6 1 基于? w 的视频采集基本流程图 ( 1 ) 创建捕获窗口 捕获窗口也就是被采集到的图像的预览窗口，它是其他捕获工作的基础。通过函数 c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w 可完成捕获窗口的创建，并取得该捕获窗口的句柄。 ( 2 ) 注册回调函数 在a v l c a p 窗口类中，回调函数是类特殊的函数，功能类似于中断函数，不是由程序员 显式调用，而是当满足某特定的条件时，操作系统自动调用该回调函数。回调函数的具体 内容则由用户自回调函数由开发人员预先定义好，事件发生时由操作系统来调用，调用的接 口也是由系统定义好的。a v l c a p 中定义了多个的回调函数的形式。 ( 3 ) 与视频采集设备相连接 可以直揍用宏c a p d r i v e r c o n n e c t ( h w n d i n d e x ) 将采集窗口和指定的采集设备连接起来 3 2 1s d k 进行二次开发的些设置 本系统采用的是天敏公司的1 0 0 0 m o o n ss d k - 2 0 0 0 的视频采集卡，该采集卡设有 d s s t r e a n l d l l 的动态链接库，除此以外还有库文件d s s l r e a m h b ，和头文件d s s t r e a m h 。在编 写采集程序的时候需要将d s b - g e a m _ h 加入工程文件中。 在编写采集程序时，需要先把d s s t r e a m h 加入工程文件中，之后，将d s s t r e a m h 文件 的路径加入到工程设置中。同样的，还要添加d s s r e a m h b 文件路径。需要将该路径添加到 l i n k 中的姊m 中的a d 删o n a i l i h 町p 甜l 中。最后，再将d s s 嗽i l d l l 文件自入到工程并 将该文件复制到系统可以找到的目录下。本系统中( w m d o w s 2 0 0 0 ) ，系统路径为“c ：w i n n t 、 硕士论文变电站视频监控系统的i 殳计与研究 s y s t e m 3 2 。 完成这些设置后，我们就可以直接在程序中调用动态链接库提供的函数，实现些特定 的功能。 & 2 2 利用s d k 进行视频采集的基本流程 利用s d k 进行视频采集的基本流程图如下： l 初始燃锚口参数 多 i 得徽黼数量 d 多 i连接到视频捕捉卡 多 l 得到采集卡的各个属性 0 多 l设置说频图像的各个属性 。多 l 设置录像时的输出文件 多 让采集卡开始停止录像 之多 启动或停止数据流回掉 图3 - ? - 2 1 基于s d k 的视频采集的基本流程 下面结合视频采集卡来介绍s d k 所提供的函数，以此为基础介绍动态链接库的调用， 颂士论文 变电站视频监控系统的设计与研究 并选择部分关键函数给出其相应的程序。 ( 1 ) 函数h r e s i ) i ：r d s s 魄n 埘五a l i z e o 功能：初始化采集卡以及接口参数，是开始使用动态库的第个函数，未经初始化其他 的函数调用无效。 ( 2 ) 函数 玎璐u 】丁d s s w m mc o r m e c t d e v i c e ( m ti c a r d i d , b o o lb o v e r l a y , h w n d h p a r e n t w n d ) 功能：连接视频捕捉卡。只有连接后，才能对卡进行其他的操作。 相应程序： b o o lc m u l t i c a r d a p p ：i n i t l n s t a n c e 0 腑龇s d k h r e s u l t h r , i mi c 删m n b e c d s s t r e a m _ i n i t i a l i z e 0 ； 调用初始化函数 h r = d s s l r e a m _ 删u m b e r ( & i c a r d n t n n b e r ) ；侑到采集卡的数量 遁f a t l e d ( h r ) 0i c a r d n t n n b e r = 0 ) a f x m e s s a g e b o x ( s 【) k 初始化失败，m b _ o k i m b _ i c o n s t o p , 0 ) ； e x i t n s t a n c e o ； r e t t m lf a l s e ； ) ( 3 ) 函数 玎璐u l t d s s 缸e a md i s 0 0 衄e c 忱v c o a m i c a r d ) ) 功能：断开与视频捕捉卡的连接。视! 目瞒捉卡的所有属性将被还原。 相应程序： v o i dc c h i l d f r a m e ：o n o v e r l a y 0 m _ b o v e d a y = ! m _ b o v e d a y ； 尉e c t 藏 o e t o i e n t r e e t ( & r e ) ； 先断开，再连接 d s s 扛馏md i s o 删c e ( mi c 已唰d ) ； 砒s u l th = d s s 嘞hc c 啪| c c l d 刚c e ( mi c 赋，m _ b o v e r l a y , mh w n d ) ；重 新连接采集卡 。 研瑚l e d ) 脚臌失败 1 8 1 9 硕士论文变电站视频监控系统的设计与研究 m e s s a g e b o x ( 。开始数据流回调失败! t ) ： r e t u r n ； 通过本章节的讨论，已经可以通j 虹次开发包的函数来调用摄像机采集的图像，视频采 集得到的图像如图3 2 2 2 所示。 图3 2 2 2 视频采集抓图 认为图像是完好的。 ( 4 ) 结构冗余 有些图像存在非常强的纹理结构，通常这种情况称为存在结构冗余。在实际运用中，我 们见到的视频压缩方法基本上都是从消除这几种冗余数据出发的。 屯2 图像压缩基本方法 数据之所以能够压缩是基于原始信源的数据存在着 艮大的冗余度。信息理论认为：若信 2 l 硕士论文 变电站视频监控系统的设计与研究 源编码的熵大于信源的实际熵，该信源中一定存在冗余度。去掉冗余不会减少信息量，仍可 原样恢复数据；但若减少了熵数据则不能完全恢复。不过在允许的范围内损失一定的熵， 数据可以近似为恢复。 衡量种数据压缩技术的好坏有三个重要的指标： ( 1 ) 压缩比要大。 ( 2 ) 恢复效果要好，要尽可能地恢复原始数据。在保证定观看质量的情况下尽量提高