（系统工程专业论文）嵌入式网络视频监控系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - - _ 一i - - _ - 一 摘要 随着计算机网络、通信技术以及多媒体技术的不断发展，传统的p c 机 加视频压缩卡的监控系统方案，由于本身的局限性，已不能满足某些应用的 要求。目前，嵌入式系统应用于视频监控领域已成为一大趋势，基于嵌入式 技术的网络视频监控系统具有良好的应用与发展前景。 本文提出并研究设计了一种基于g 0 7 0 0 7 s b 芯片的嵌入式网络视频监控 系统方案，该方案由前端网络摄像机和远程客户端两大部分组成。相对于传 统方案，本文提出的嵌入式网络视频监控系统方案，具有体积小、成本低、 稳定性高和组网方便等优点。 、 论文首先给出了基于g 0 7 0 0 7 s b 芯片的前端网络摄像机硬件方案，并具 体介绍了各个硬件功能模块的作用。在此基础上，选定u c l i n u x 作为网络摄 像机的软件开发平台，给出了整个视频监控系统的软件结构，并从功能的角 度对网络摄像机软件和远程客户端软件进行模块划分。 本方案采用的视频数据压缩标准为m p e g - 4 ，由于前端网络摄像机采用专 用视频压缩芯片硬件压缩，本文重点在于远程客户端软件对从网络接收到的 m p e g 一4 格式的压缩视频流进行软件解码播放。该软件选择w i n d o w s 2 0 0 0 操作 系统作为软件开发平台，选用v s u a lc + + 作为软件开发工具，引入了面向对 象的编程思想，并将多线程技术和模块化设计结合起来，实现了采用单播、 多播和r t p 三种方式相结合的办法实时传输m p e g - 4 格式的视频流；提出了 一种简单的音视频数据分组和打包算法：设计并实现了单播类 c u n i c a s t c h a n n e l 、多播类c m u l t i c a s t c h a n n e l 、视频解码类c v i d e o d e c o d e 、 视频显示类c v i d e o r e n d e r 、视频窗口类c v i d e o w n d 等多个封装类；给出了软 件各模块的流程图及具体实现方法。最后介绍了这套视频监控系统的测试情 况，并做了一些总结和展望。 本文的研究工作围绕如何实现基于g 0 7 0 0 7 s b 芯片的嵌入式网络视频监 控系统进行论述，可供从事视频监控研发的工程技术人员阅读参考。 关键词嵌入式系统：m p e g 一4 标准；g 0 7 0 0 t s b 芯片；视频监控系统；u c l i n u x 舀南交通大学磺士搿 突警掌僚沦文第l l 委 _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ i i i i -i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h e t r a d i t i o n a lv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m w i t hi m a g e c o m p r e s s i o nc a r dp l u sp cc a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n to fs o m ea p p l i c a t i o n s 。a tp r e s e n t ，t h el a s t e s tt r e n di s t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e 畦s y s t e mi nv i d e om o n i t o r i n gf i e l d ，t h e n e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mh a sg o o d a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d t h i s p a p e r i n t r o d u c e sa ne m b e d d e dn e t w o r k v i d e o m o n i t o t i n g p r o j e c t b a s e do ng 0 7 0 0 7 s bc h i p + t h ep r o j e c t c o n s i s t so ff r o n t a l n e t w o r kc a m e r aa n dl o n g d i s t a n c e c l i e n t c o m p a r i n g w i t ht h e t r a d i t i o n a ls y s t e m ，t h ep r o j e c to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e dh a st h e m e r i t so fs m a l ls i z e ，t o wc o s t s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d c o n v e n i e n t b u il d i n gn e t w o r ke t c + t h eh a t d w a r ep r o j e c to fn e t w o r ke a m e r ab a s e do ng o ? o o t s bc h i pis b r o u g h tf o r w a r df i r s t l y ，t h e ni n t r o d u c e s t h ef u n c t i o no fe a c hh a r d w a r e m o d u l e 。o nt h eb a s e ，w ec h o o s eu c t i n u xa st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo fn e t w o r kc a m e r a ：i n t r o d u c et h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h e w h o l ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ；m o d u l a r i z et h en e t w o r kc a m e r as o f t w a r e a n dc l i e n ts o f t w a r ef r o mt h ep o i n to ff u n c t i o n t h es y s t e ma d o p t s 擎歉 4v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，b e c a u s eo f h a r d w a r ec o m p r e s s i o nb yv i d e oa s i ci nn e t w o r kc a m e r a ，t h i sp a p e r e m p h a s i z e s t h ec l l e n ts o f t w a r ew h i c hd e c o d e sa n dp l a y st h em p e g 一4 v i d e os t r e 撇r e c e i v i n gf r o mn e t w o r k t h es o f t w a r ec h o s ew i n d o w s2 0 0 0 a st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m , a n dc h o s ev s u a l0 + 十a ss o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l k i t ，i m p o r t st h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r m 糍n i n gt h o u g h t ， a d o p t s t h em u l t i t h r e a d t e c h n o l o g y a n dm o d u l a r i z a t i o n d e s i g n ， i m p l e m e n t st h ec o m b i n a t i o nm e t h o do fu n i c a s t ，m u l t i c a s ta n dr t pt o t r a n s m i tt h em p e g - 毒v i d e os t r e a m ；b r i n g sf o r w a r das i m p lep a c k i n g a l g o r i t h m ；d e s i g n s a n d i m p l e m e n t s s o m e w r a p p e r c l a s s e ss u c ha s c u n i c a s t c h a n n e l ，c m u l t i c a s t c h a n n e l ，c v i d o o d e c o d e ，c v i d e o r e n d e r ， c v i d e o w n de t c t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ef l o wc h a r lo fe a c h s o f t w a r em o d u t ea n dt h ei m p t e m e n t a t i o nm e t h o di nd e t a i l f i h o l l y ，t h e p a p e ri n t r o d u c e st h et e s t i n gr e s u l to ft h ee m b e d d e dn e t * - o r kv i d e o lj l l l l l l l _ _ _ _ o _ _ _ _ _ - _ 嚣凑交逯大学硕士磅突生学僚论文 繁l ll 耍 m o n l t o r i n gs y s t e m t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e r 瑶a i n l yd i s c u s s e st h em e t h o dt o i m p l e m e n t t h ee m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n g s y s t e m b a s e do n g 0 7 0 0 7 s bc h i p ，a n dm a yh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rt e c h n i c i a n sw h o e n g a g e i nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv i d e om o n i t o r i n g k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m ：m p e g 一4s t a n d a r d ；g 0 7 0 0 7 s bc h ip ；v i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m ；u c l i n u x 掰南交通大学硕士研究生学位论文第1 掰 第一章绪论 1 1 引言 在社会信息化日菔发展的今天，计算机拽术、网络技术、通信技术以及 多媒终技术已经渗透剿久类生存、溪裁戆各个镁域孛。 税频箍控系统怒- - r 7 集计算枫技术、通信技术和数字视频技术于一髂豹 综合系统。它以其直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛应用于工业生 产、交遇、电力、银彳亍、智能办公大楼等场所。它正从传统的安防监控向锻 瑾、叟产整整发暴，莠逐步与警臻傣患系统稳缝合，达戮资滚共享，爻警壤 者提供挺直观、更有效的决策信息，跨络视频滚控不仅符合社会信息化的发 展趋势，而且代表了般控行业的发展方向。 网络视频监控系统的一般过攫是：在一些黛要的场所安放一个或若干个 摄豫撩，摄像穰；采集簸控瑗甥甏羧数据，著经j 霪莲缩编疆箍壤螽，遂蓬定 的传输网络( 线缆、觅线、光纤或以太网) ，传到指定的篮控中心。监控中心 可以远糨监控现场豳像，并可通过存储介质保存现场视频数据供日后查询取 证。丽孵，还可；奠擐据不同器要谯监控现场安装其它的探测装置作为监控系 统豹辘麓设备。 1 2 视频监控系统的发展概况 隧赣计算杌技术、网络技术、遥信技术秘多媒体技术等的发展，视频监 控技零邈褥到了逮逮发震。撬簇簸羟袭零豹发袋文致胃分为三令陵段“l ，帮 本地模拟视频监控系统，基于p c 的视频监控系统，基于嵌入式技术的网络 视频监控系统。下面分别做详细介绍。 ，2 。 本地模拟毒羹频监控系统 到嗣前为止，模拟视频监控系统的技术已经很成熟，筒风应用也非常广 泛。典溅的模拟视频监控系统一般由图像摄影部分( 模拟摄像机、镜头、云 台、麦兜风等) 、图像传输部分( 电缆、光缆、射频等) 、系统控制部分( 搡 雩# 键纛、视频分配嚣、视频矩阵嘲换器、云螽攘潮解弱器、字符叠蕊器麓) 和显示记录部分四犬部分组成0 3 。 模拟监控系统目前已经达到了很高的水平。摄像技术、传输技术、嚣添 技术、系统控制技术都取褥了长怒戆逶步，毽怒其鑫赛毒缀大夔是黢蛙： ( 1 ) 监控的蕊潮锻有限。由予模数线路不可能很长，新驻信号传输凝离 有限，仅局限于同一建筑物或工厂内0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 ( 2 ) 模拟信号占用通讯线路较大，而且开放性较差。 ( 3 ) 监控质量不高。由于模拟信号很容易受干扰，所以监控图像质量不 好。 ( 4 ) 扩展能力差。如果要新增监控点，往往是牵一发而动全身，新的设 备很难添加到原有的系统之中。 ( 5 ) 成本较高。对于每个监控中心都需要配置一套监控设备，而且信息 的存储方式是利用录像带、磁带等设备，这些存储设备耗量大，成本较高“3 。 由于存在以上的缺点，所以传统的模拟视频监控系统已远远不能满足越 来越高的生产和管理监控的需求“1 。 1 2 2 基于p c 的视频监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，视频技术的发展 也日新月异，这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展，使数字视 频的存储和传输成为可能。计算机技术的日益成熟，微机的普及化，也为基 于p c 的视频监控创造了条件。 基于p c 的视频监控系统是先将摄像头采集的模拟视频信号转化为数字 信号，利用专用压缩卡对数字信号进行压缩处理后，通过网络传输给作为监 控终端的p c 机，监控终端p c 机利用专用解压卡对数据进行解压后，就能够 重现远端的图像m 。 数字信号的传输可靠性较高，且数字化的视频流数据可以通过各种方式 被连接在网络上的计算机共享。所以与模拟视频监控相比，基于p c 的视频 监控系统具有传送距离远、图像质量好、数据的保存成本低、灵活性高等特 点。因此基于p c 的视频系统，自出现后就得到了广泛的应用，占据了监控 系统的主要市场并正在逐步取代模拟监控系统网”1 。 但是基于p c 的视频监控系统还存在很多问题： ( i ) 体积大、功耗高。由于需要利用专用压缩解压卡对视频信号进行 压缩和解压缩处理，所以使监控系统体积较大，功耗较高“1 。 ( 2 ) 监控现场需要专人值守，维护烦琐。 ( 3 ) 实时性不高和稳定性较差。 ( 4 ) 成本较高。 ( 5 ) 可扩展性差，采用专用的压缩卡和解压缩卡对视频数据进行压缩和 解压缩，只能支持一种编码格式，无法提供对其他编码方式的支持叫。 1 2 3 基于嵌入式技术的网络视频监控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文警3 贾 随着芯片、网络技术的进步，现在出现了一种新型的网络视频监控系 统，即基于嵌入式技术的网络系统视频监控系统。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统“”。嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好，支持以 太网等优点，成为工控领域的新热点。基于嵌入式技术的网络视频监控系统 有效地将嵌入式技术和视频技术结合在一起，可以很好地解决基于p c 的视 频监控系统中存在的问题。 基于嵌入式技术的网络视频监控主要的原理是：采用嵌入式实时多任务 操作系统，高效压缩芯片和功能强大的c p u ，将视频压缩与传输处理工作全 部内置到芯片上。摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩， 通过内部处理后转到网络或服务器上。网络上用户可以通过专用软件或者直 接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户可以控制摄像机云台 镜头的动作或对系统配置进行操作。 在监控现场利用嵌入式技术，采用专用芯片和实嵌入式实时操作系统， 有效地提高了系统的实时性和稳定性。而且把视频压缩和网络传输功能集成 到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即看，省掉各种 复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，无需专人值守。 在监控终端，远程监控人员只需拥有一台安装了监控终端软件的p c 机， 无需安装特殊的硬件设备，就可以在世界的任何一个地方，对监控现场进行 实时远程监控。这样大大降低了系统的成本，极大地方便了整个监控系统的 操作和维护。 目前，虽然基于p c 的视频监控系统仍然占据监控系统的主要市场，但 是它具有结构复杂，稳定性、可靠性不高，价格高昂、操作烦琐等缺陷。特 别是很多场合需要在一个监控现场安装多个摄像头，并需要在监控终端同时 对多个监控现场进行实时监控。对于这种需求，如果仍然采用基于p c 的远 程监控技术，利用专用的压缩解压卡来实现视频数据的压缩和解压，就需要 大量的压缩解压卡，使整个系统更加复杂，稳定性和可靠性更低，而整个系 统的成本也变得更加昂贵。 另外基于p c 的视频监控系统对视频图像的处理一般都直接使用库函数， 不便于对视频图像做进一步的研究分析。所以，嵌入式网络视频监控系统成 r 当前的研究热点。目前国外许多公司都在从事嵌入式网络视频监控方面的 厅发，并且已经有了产品。如瑞典的a x i s 、美国的v i d e o j e t 以及v t e l 等。 总之，与基于p c 的视频监控系统相比，螭于嵌入式技术的网络视频监 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 控系统具有体积小，安装方便，现场无需专人值守，成本低，稳定性高等特 点，因此基于嵌入式技术的网络化视频监控系统必将有良好的应用与发展前 景，由它代替当前普遍应用的基于p c 的视频监控系统将成为必然趋势“。 1 3 视频监控系统的发展趋势 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公 认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础， 所以，视频监控发展的最大的特点就是数字化、网络化和智能化。 ( 1 ) 数字化。视频监控系统的数字化是指将系统中信息流( 包括视频、 音频、控制等) 从模拟状态转为数字状态，彻底打破了经典闭路电视系统是 以摄像机成像技术为中心的结构。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协 议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统问实现无缝连接，有利于实 现系统集成。 ( 2 ) 网络化。视频监控系统的网络化将具有微内核心技术的实时多任 务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成分 布式监控系统。它在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量限 制，将使整个网络的系统硬件和软件资源达到共享以及负载均衡。 ( 3 ) 智能化。视频监控系统的智能化是指系统将采用一些智能化处理技 术。如图像序列运动检测技术和报警，基于生物特征的身份识别技术等。 1 4 课题背景和论文主要工作 1 4 1 课题背景 本论文的相关课题是与某研究所合作项目嵌入式网络视频监控系统开 发。系统主要由两部分组成：前端网络摄像机和远程客户端，网络摄像机 基于嵌入式技术开发，软件平台为u c l i n u x ，客户端工作在w i n d o w s 环境下， 视频采用m p e g 一4 标准编码压缩，并且引入采用a d p c m 编码压缩的音频。音 视频数据的网络传输遵循t c p i p 协议和r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 协议，音 视频码流可根据网络带宽状况自适应调整。 1 4 2 论文主要工作及内容安排 论文中所做的工作： ( 1 ) 对m p e g 一4 视频压缩编解码技术有一定的研究，在监控客户端用纯 软件方式实现m p e g 一4 视频码流解码： ( 2 ) 对网络视频传输技术有一定的研究，利用t c p i p 协议和r t p 协议， 西南交通失常硕士研究擞学位论文 警5 萌 采用单播、组播及r t p 相结合的传输方式，实现视频码流的网络传输； ( 3 ) 瑟嵌入式羧零套一定戆骚究； ( 4 ) 对d i r e c t s h o w 技术有一定的研究； ( 5 ) 对整个监控系统的功能加以完善，并加入了部分辅助功能模块。 全文的内容安排如下： 第一章绪论。会绍了筏蒙蔽控系统豹发壤过程及趋势。 第二章嵌入式网络视频监掇系统中的主骚技术。介绍了系统中常用的 主要技术，如嵌入式系统技术、视频压缩编码技术、视频网络传输技术、 w i n s o c k 编程、d i r e c t s h o w 技术以及多线程鼓沭。 餐三章鼗入式瓣络褫蒙鏊撩系统静总体方案设毒手。奔绍了本系统虢总 体结构，并详细介绍了系统的硬件结构和软件结构。 第四章嵌入式网络视频监控系统的软件实现。介绍了网络摄像机端的 软传模块，特裂详缓褥接述了毒巍频数据分缀与努包篓法秘窖声装较传足个 主要软件模块豹实糯细节。 第五章系统总体测试。介绍了该系统的测试环境和测试结果。 论文的最后对该项目进行总缎，并做了展耀。 西南交通大学硕士研究擞学位论文 第6 页 第二章嵌入式网络视频监控系统中的主要技术 程嵌入式网络视频监控系统中，涉及到纳相关技术有擞要有嵌入式系统 技术、音视频压缩编码技术、脊视频网络传输技术、w i n s o c k 编程技术、 d i r e c t s h o w 技术以及多线程技术等。下厦将分别详细介缨。 2 。1 嵌入式系统技寒 2 1 1 嵌入式系统的构成 嵌入式系统熬慧诲结魏“”分淹霾大餐分，瞧撬：豢入戏疑理器、存撩箍、 系统输入输出辩软件( 嵌入式搽作系统及箕威甩软件) 。嵌入式系统酌结构 框图如图2 - 1 所豕。 图2 - i 嵌入式系统的缩构框图 邋常，在实际皮鼹上，嵌入姣系统教理孵为由嵌入式诗薄枧系统辩执行 装受祷大都势缰成。嵌入式诗冀梳系统是嵌入式系统豹核心，由硬佟藩、审 闻层、软件层和功熊层组成；执行装置负责接收嵌入式计算机系统发出的控 制命令，执行相应的操作或任务。下面简要介绍嵌入式计算机系统的组成： ( 1 ) 硬传层；疆转层由嵌入斌处理器、存镰嚣、1 0 接氍( 矗i d 、d a 、i o 等) 粒通躅设备接髓( r s 2 3 2 、u s b 簿) 组成，其核心为嵌入筑处理器。 ( 2 ) 中间层。中间层，也被称为硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ， h a l ) 域板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，由嵌入式系统初始化和 硬搏设器驱动两考分褥藏，受责撩关硬 孛戆麓始纯、疆译浚备戆琵耋、数据 静输入输出等任务。 ( 3 ) 软件层。软件层由嵌入戏实时操作系统( e r t o s ，e m b e d d e dr e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 、文件管理系统、图形用户接口( g u i ，g r a p h i c su s e r i n t e r f a c e ) 窝逯震缀俘摸头等缀袋。e r t o s 楚汝入式应爱较释麓基穑秘开发 平台，它把c p u 辩钟、中断、i o 、定时器等资源封装起来，向使用者提供 标准勺a p i 函数接网，从而保证旗于e r t o s 开技的应用软件具有良好的可移 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 植性。 ( 4 ) 功能层。功能层由基于e r t o s 开发的应用软件组成，实现对被控对 象的控制功能。 2 1 2 嵌入式系统开发平台的选择 嵌入式系统开发平台的选择“”包含硬件平台和软件平台的选择，其中硬 件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，软件平台的选择主要是嵌入式操 作系统的选择。 1 、硬件平台的选择 嵌入式系统硬件平台的选择主要取决于应用领域、用户需求、成本、开 发难度等诸多因素。由于硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，在实 际选择上通常需要充分考虑系统外围设备的配置情况以选择合适的嵌入式 处理器。下面列出了实际上选择嵌入式处理器需要考虑的要素“： ( 1 ) 系统的运行速度和寻址空间； ( 2 ) 系统总线的需求，满足总线带宽的要求； ( 3 ) 系统是否需要通用串行接口、通用外设接口、以太网接口： ( 4 ) 系统内部是否需要i 总线、s p i 总线； ( 5 ) 系统是否需要a d 、d a 转换器； ( 6 ) 系统是否需要片上存储器。 目前，市场上嵌入式处理器的种类繁多，典型芯片型号主要有 a r m s t r o n g a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等。 ( 1 ) a r m s t r o n g a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 。a r m 处理器具有三大特 点：体积小、功耗低、性价比高；1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴。 其产品包括：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 和s e c u r c o r e 。a r m 7 是低功耗的 3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它包括应用于实时环境的 a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，应用于开放平台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支 持j a v a 的a r m 7 e j 。目前a r m 己成为移动通信、手持设备、多媒体数字嵌入 式解决方案的r i s c 标准； ( 2 ) m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 。 m i p s 是m i p s 公司开发的一种处理器内核标准，其定位很广，产品线非常丰 富，覆盖从低端到高端。m i p s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理 器内核( c o r e ) m i p s3 24 k c 与高性能6 4 位处理器内核m i p s6 45 k c 。2 0 0 0 年，m i p s 公司发布了针对m i p s3 24 k c 的新版本以及未来6 4 位m i p s6 q2 0 k c 处理器内核。 两南交通大学硕士研究生学位论文第8 萌 ( 3 ) p o w e r p c 。p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 楚瑾器貊耪疆多，溪蠢逶强懿照瀵器，又毒嵌入式控裁器耪内羧，应雳蕊溱 非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产晶 到大型邋信设备，无所不包。目前基于p o w e rp c 架构的嵌入式处理器包含： 主频3 5 0 m h z 7 0 0 嘲z 的p o w e r p c7 5 0 c x 和7 5 0 c x e ，主频4 0 0 m h z 静p o w e r p c 4 4 0 g p 镣。 2 、嵌入式操作系统的选择 一般嵌入式操作系统通常具脊这样一些功能：内存管理、进程调度、文 件系统、进程通讯等，这些功能足以支撑我们鼹嚣要实现我燹杂任务。毽怒 在嵌入式设备审采掰操 乍系统将会造成系统成零舞毫。舞串邃鎏考虑，逡簿 一种合邋的嵌入式操作系统既能够满足功能要求同时又兼顾成本。 嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方颇考虑n ”： ( 1 ) 操终系统豹骥律支持，惫旗操痒系统艉孬支持墨掾硬传平台，基予 该选择鹣操作系统土歼发酌嵌入茂应用软 牛是磷具有缀好魏两移植性； ( 2 ) 开发工具的支持程度，包括在线仿真器( i c e ) 、编译器、汇编器、 连接器、调试器等能鞭支持操作系统： ( 3 ) 疲惩器求，毯疆撵终系统瓣毪缝、兼褰程、技零支持等。 目前世界上嵌入斌操作系统种类繁多，大体上分为两种：商雨型和免费 型。商阁型的嵌入式操作系统功能强、可靠性离，有完善的技术支持和售后 服务，价格昂贵，其典型代表包括v x w o r k s 、w i n c e 等；免费型的实时嵌入 式系统滚璃公嚣，努教往努，凌徐珞主吴奢缀大甓势，荬荚鍪我表惫攥 u c l i n u x 、u c o s - i i 等。下面简要介绍这几种熊型的嵌入式搡作系统“。 ( 1 ) v x w o r k s 。v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司的高性能可扩展的实时操作系 统，具肖嵌入实时威用中最瓤一代驰开发和执行环境，支持多种处理器翻开 发孚台，并有多释嚣发工吴，系统可靠性褰、实辩毪强、胃裁剪缝努，爨强 前嵌入式系统领域种使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。 ( 2 ) w i n c e 。w i n c e 产品家族包括w i n d o wc e 3 0 和其后继产品w i n d o w s c e n e t ，其支持众多始硬件平台，拥毒与桌上熬w i n d o w s 家羧一致的程序拜 笈赛两，荔于建立支持其有丰富斑瘸程旁帮驻务的3 2 蕴嵌入式系统，搿穰 据用户糯求提供灵活的解决方案，弗通过支持鼹快的产品上市速度提高产品 的竞争力。但嵌入式操作系统追求高效、节省，w i n c e 在这方面是笨拙的， 它占鹰瘫存过大，应用程序庞大。 ( 3 ) u c l i n u x 。l i n u x 是一静缀受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容， 开放源代码。它原本被殴计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而驱 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 赁 大的影响农f 它正逐渐的应用于嵌入式设备。u c l i n u x 正是在这种氛围下产 生的。在u c l i n u x 这个英文单词中u 袭示m i c r o ，小的意思，c 表承c o n t r o l ， 控翻鹣意惑，酝疆u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o l l e t l i n u x ，字嚣上戆理解裁 是针对微控制领域而设计的l i n u x 系统。 u c l i n u x 是一个源粥拜放的操作系统，面向没有删( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 的硬件平台。它怒l i n u x 的一个变种，同标准l i n u x 相比，它集成了 裾雍l i n u x 掇传系统羲稳定往、强大添终凌戆帮窭热匏文舞系统镣主要优熹， 主要的区别在于两者的内存管理机制和进程调度管理机制。为了适应嵌入式 应用的需求，它采用了r o m f s 文件系统，并对l i n u x 上的c 语富库g t i b c 做 了趋化。对一些复杂的威熙，如开发p d a 朝互联髑连接终端等较为复杂的系 统，u c l i n u x 其有耱当後势。餐是由予没有醚瓣( 内存管瑾擎元) ，其多任务 的实现需襄一定技巧，针对新处理器的移植相对复杂。 ( 4 ) u c o s i i 。u c o s i i 具有如忡f 特点：源代码全部公开；能够在绝大 多数豹e 蹦上运行，针对薪处理器的移撞籀对篱摹。系统霹载势，透过条件 编译屏蔽誉辩要酶系统服务；支掩多强务管瑾，采麓占先式实辩内核，禳器 任务优先缀进行任务调度；具有可确定性，函数调用与服务的执行时间都是 可知的；不提供a p i 函数，用户篙黉根据应用需求自行开发成用软件对 u c o s i l 游行鞠应戆功熊扩震。曩懿蜒魑一 i 己褒诲多行韭上褥裂应援劳 获得成功，证实该内核实用性和可靠僚。 2 1 3 嵌入式系统的开发模式 密圭戡基掭掇( h o s t - t a r g e t ) 模式“7 3 ( 显强2 - 2 ) 是嵌入式系统豢用豹 开发模式。麓中宿主梳爨籀完成操俸系统的裁剪翻旋羯软佟酶帮发的计算机 ( 包括台式桃和工作站) ，目标机通常怒指待开发去实现对被控对象智能化控 制的硬件平台。其实现滕理：在宿主机上完成软件功能，然后通过串口或网 西涛交叉壤浮生袋豹翼撅鼗避簧输势下载裂嚣糠枫主，势在篮控稷痔或者操 作系统的支持下和用交叉调试器进行分析和调试，溅后目标枫在特定环境下 脱离宿主机单独运行。 线 脚 目标机 潮2 - 2 宿主褫一嚣稼氍舜发模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 采用宿主机一目标机开发模式进行嵌入式系统开发，具有整体思路清 晰，便于系统分工，容易同步开发的特点。在宿主机一目标机开发模式中， 交叉编译和远程调试是系统开发的重要特征”。 ( 1 ) 交叉编译。宿主机上的c p u 结构体系和目标机上的c p u 结构体系是 不同的。为了实现裁剪后的嵌入式操作系统和应用软件能在目标机上正常运 行起来，这就需要在移植它们之前，在宿主机上建立新的编译环境，进行和 目标机c p u 相匹配的编译，这种编译方式称为交叉编译。新建立的编译环境 称之为交叉编译环境。交叉编译环境下的编译工具在宿主机上配置编译实 现，必须是针对目标机c p u 体系的编译工具。只有这样，才对源代码编译生 成的可执行映像，才会被目标机的c p u 识别。 ( 2 ) 远程调试。远程调试是一种允许调试器以某种方式控制目标机上被 调试进程的运行方式，并具有查看和修改目标机上内存单元、寄存器以及被 调试进程中变量值等各种调试功能的调试方式。调试器是一个单独运行的进 程。在嵌入式系统中，调试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的 进程运行在目标机的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者 网口进行通信，调试器可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前 状态，并能够改变被调试进程的运行状态。 2 1 4 嵌入式系统的开发流程 嵌入式系统是一个复杂而专用的系统，在进行系统开发之前，必须根据 系统的需求明确定义系统的外部功能和内部软硬件结构，然后进行系统总体 结构的设计和系统各模块的分割，分别实现硬件的规划与设计，应用软件的 规划与设计以及操作系统的裁剪。在完成操作系统的裁剪和应用软件的开发 后，通常还需将它们移植到同系统结构的硬件平台上进行系统调试、功能模 拟，明确系统调试无误后，才将操作系统及相关应用软件移植到自己开发的 专用硬件平台上，完成系统的集成。其开发流程如图2 3 所示“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 3 嵌入式系统的开发流程 2 2 视频压缩编码技术 多媒体信息的压缩编码技术是多媒休计算机、多媒体通信、多媒休数据 库等领域的关键技术之一。音视频信号数字化后，数字量极其巨大，如不经 过压缩，庞大的视频数据将占用大量的带宽，对于网络控制的实时性是不容 许的。因此。运用数字信号处理技术对音视频信号的压缩是音视频在现有网 络条件下进行实时传输首要解决的问题“。 2 2 1 视频编码标准 国际电联i t u t 与国际标准化组织国际电工协会i s 0 i e c 是制定视频 编码标准的两大组织，i t u - t 的标准包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，主要应用 于实时视频通信领域，如会议电视：m p e g 系列标准是由i s o i e c 制定的，主 要应用于视频存储( d v d ) 、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等“。1 。 ( 1 ) h 2 6 1 h 2 6 1 最初是针对在i s d n 上实现电信会议应用特别是面对面的可视电 话和视频会议而设计的。实际的编码算法类似于m p e g 算法。h 2 6 1 在实时编 码时比m p e g 所占用的c i ，u 运算量少得多，此算法引进了在图像质量与运动 幅度之间的平衡折中机制，也就是说，剧烈运动的图像比相对静止的图像质 量要差。因此这种方法属于恒定码流可变质量编码。“。 ( 2 ) h 2 6 3 h 2 6 3 是最早用于低码率视频编码的i t u t 标准。h 2 6 3 的编码算法与 西南交通大学硕士研究生学健论文 第 2 页 2 6 1 一样，但做了一必改善和改变，以提高性能和纠错能力。h 2 6 3 能够 在报低的码攀下保证鳃码图像的质量。随后出现的第二版( h 。2 6 3 + ) 、第三 舨( t t + 2 s 3 + + ) 增鸯羹了诲多选矮，使荬稠毒更广泛鹣逶薄莲“。 ( 3 ) h 2 6 4 h 2 6 4 怒运动图像专家组( m p e g ，m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 和i t u 的视频编码专家组共同开发的薪产品。鞭2 6 4 建议舱技术特点可以归纳为三 个方嚣，一戆注重实震，采鬻藏熬豹技术，遥隶曼巍戆编码效率，篱潼静表 现形式；二是注重对移动和i p 网络的适应，采用分层技术，从形式上将编 码和信道隔离开来，实质止是在源编粥嚣算法中更多地考虑到储遒的特点； 三是在混合缡玛器豹基零框架下，对冀生要关键部传都徽了重大改进，如多 禳式运裁依计、帧内预溅、多鲼预溅、统一v l c 、4 x 4 二维整数变换等。霞 其具有更高的压缩比，更好的信道适威性，必将在数字视频的遇倍或存储领 域得到越来越广泛的应用，其发展潜力不可限量。假是h 2 6 4 优越性能的获 缮不是没寄健诠豹，其代份是计算复杂发豹大大增嘉羹，掇馈计，续玛豹计算 复杂度大约栩当予拜2 6 3 豹3 倍，解弼复杂度大豹褶当予 l 。2 6 3 黥2 倍。 h 2 6 4 舆有广阔的应用前景，例如实时视频通信、因特网视频传输、视 频流媒体服务、异构网上钧多点通信、压缩视频存储、视颓数攒麾等汹1 。 跫) 鹾p 黼l m p e g l 标准制定予1 9 9 2 年，是用予c i f 格式的褫频及其裔颓在速率约 1 5 m b i t s 的各种数字存储介质上的编码表示。在这个标准中，它规定了已 编码位流的裳示语法和解码方法。该语法支持的操作有运动估算、运动补偿、 d c t 、羹纯黟交长缡玛。m p e g - i 算法没蠢定义产生会法数据滚豹译缀算法， i 面是在编硝器设计中，掇供了大量的炙活性。它也没有对运动估算算法和压 缩模式选择准则统一标凇。另外定义融编码位流和解码器的一系列参数都包 含在位流本身中。这一特点允许算法埘以蠲于不同丈小_ 耜宽高比豹图像，也 j 虿敬矮在王传速率范鋈缀大豹售道窝设备上”。 ( 5 ) m p e g - 2 m p e g 一2 标准制定于1 9 9 4 年，是m p e g - i 标准的浆容扩展，针对标准数字 皂视帮离溥磁发电视在各糖应用下数壤缀方寨和系统屡进行了谨细豹援定， 编码码率豹整围是3 秘it s l o o m b i t s 。m p e g 一2 帮m p e g l 最大静不溺点在 pm p e g 一2 支持伸缩性编码，可伸缩性包含三个方瑚的内容：一是空间可伸 缩性，它是指同一个数据流中可以包禽不同分辨率的图像；二是数据率可伸 缩缝，它可以羝速或裹遮蟪遴行霆缘数爨豹虱艘；三是疆蓬静可传缩牲，宅 增不同的象素其有不同陶分辨奉。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 - l _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l _ l - _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - _ l _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ _ - - - l _ _ - 。- - _ 一i ( 6 ) m p e g 一4 m p e g 一4 于1 9 9 3 年7 月开始制定，在1 9 9 9 年初和2 0 0 0 年正式公布了版 本1 和2 。m p e g 一4 标准支持i p e g - 1 、i “p e g - 2c p 的大多数功能，提供不同的 视频标准源格式、码率，同时也支持基于内容的图像编码。它不只是具体压 缩算法，它是针对数字电视、交互式绘图应用( 影音合成内容) 、交互式多 媒体( w w w 、资料撷取与分散) 等整台及压缩技术的需求，基于第二代音视 频编码技术而制定的国际标准。 m p e g - 4 编码理念是：它是采用基于对象的编码理念，即在编码时将一幅 景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频对象，分别编码后，再经 过复用传输到接收端，然后再对不同的