（通信与信息系统专业论文）支持模拟矩阵的视频监控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：模拟视频监控系统也就是模拟矩阵监控系统，其特点是全部通过模拟方式 将摄像机的视频信号传输到监视器上，模拟矩阵是其中的核心设备，可以用来控 制切换，即决定是哪个监视器浏览哪个摄像机，可以上下左右移动摄像机，放大 缩小摄像机的倍数，给摄像机调焦等，能够实现少数的监视器，浏览多个摄像机 的功能 目前，视频监控系统已经发展到以数字化、网络化为核心的全数字时代。与 传统模拟视频监控系统相比，数字监控系统基于t c p i p 网络协议，以分布式的概 念出现，将监控模式拓展为分散与集中的相辅相成，拓展了监控的范围 由于市场上大力推广全数字的视频监控系统，对于曾经采用过模拟监控系统 的企业行业来说，无疑是一个很大的冲击，因为他们可以看到数字系统的巨大优 越性，但是原来费很大功夫建立起来的模拟系统又不想抛弃。我们设计的支持模 拟矩阵的视频监控系统，可以很好地为他们解决这个问题，因为该系统不仅完全 具备数字监控系统的优点，又可以很好的兼容模拟环境，最大程度的避免了资源 浪费和重复建设，是值得积极推广的新特性和新技术。 本文的主要工作是深入研究视频监控系统的几项关键技术，包括视频压缩标 准m p e g - 4 和s a n 网络存储技术。研究和设计了全数字的视频监控系统，该系统 以m 网络、i p 视频应用及i ps a n 存储为基础，可以实现大规模社会资源的实时 监控，海量视频信息的高质量可靠存储，对复杂监控系统的有效管理和维护，能 够降低线路运营费用等，并且在此基础上，开发出支持模拟矩阵特性的视频监控 系统提出了如何实现不同厂商之间按照统一标准实现互通的方法，为视频监控 系统朝着可兼容，可互通的方向发展提供了有意义的探索思路。 关键词：m p e g - 4 ；s a n ；视频监控；模拟矩阵 分类号；t n 9 1 9 8 a b s 汀ra c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a t e d m o l o g i e s a n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e s ，v i d e os u r v e i i l a n c os y s m , i sb e c o m i n gal l c wd i s i t a lm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e d0 1 1c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s , v i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g i e sa n dr e a lt i m e l l a l l s p o r tt e c h n o l o g i e s d i 鲥a jv i d e os u r v e i i l a n c os y s t e mc a l l o v c i v o d l ct h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a l a n a l o gs u r v e i l l a n c e $ y s t c m f i r s t , d i g i t a lv i d e oc a n b ed e i i v v r e do v c l c o m p u t e rn e t w o r k 1 1 l cd a t au a n s p o r tw i l li i c v c i b ec o n f i n e db yd i s t a n c ea n dt h ns i g n a lw i l ln c v c tb e d i s t u r b e de a s i l y , s ot h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fv i d e op i a u r cw i l lb cp r o m o t e dg r e a t l y s e c o n d l y , d i g i t a lv i d e oc a l l $ h a j a gt h eb a n d w i d t ho f t h en e t w o r k , s ow cd on o tn e e dt ol a y o u td u p l i c a t e dl i n e s t h ev i d e om o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc 雏b ee a s i l yc e n t r a l i z e d t h e r ej l l ef o u rp a r t si nt h ep a p e l r 1 1 圮f i r s tp a r ti sas u m m a r yo f t h et e c h n o l o g i e so f s u n , c i l l a n c cs y s t c m , s u c h 舔m p e g - - 4a n ds a n t h ns e c o n dp a r ti n t r o d u c e sh o wt o d e s i g nad i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m 1 1 f o l l o w i n gp a r td e s c r i b e sas p e c i a lv i d e o s u r v e i l l a n c os y m ms u p p o r t i n ga n a l o gm a t r i xa n dh o wt of u l f i l lt h n 罐啦e 札f i n a l l y , w i g e x e c u t eas y s t e mt e s ta n dd i s c u s st h er e s u l t x e y w o r d s ：m p e g - 4 ；s a n ；v i d e os u r v e i l l a n c e ；a n a l o gm a t r i x c l a s s n o ：t n 9 1 9 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：茵研 签字日期：埘卵年r z 月7 4 日 导师签名： 签字日期：d - 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名： 甓研 签字日期：伽曰年，2 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来孙强 老师对我的关心和指导。 在公司实习和撰写论文期间，同事们对我论文中的研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情，研究生期间朝夕相处的同学也是宝贵的财富，感 谢张红霞、孙大娟、孟凡双、李宝、宋明等同学以及各位师弟师妹让我得到了日 积月累的真挚友情，不论是有形的图文还是无形的记忆，都会珍藏着我们的欢声 笑语，永不磨灭。感谢通信五班所有同学，感谢所有的朋友很幸运能够认识你 们，我的学习生活因你们而更加丰富多彩 最后感谢我的家人，你们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 想到你们总会让我的心里安详而温暖，你们的哺育之恩、爱护之情我当永世不忘， 祝你们身体健康，永远年轻! 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完 成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的 谢意1 1 引言 人类接受的信息大多是来自视觉，视觉图像具有确切、直观、具体生动、真 实和高效等特点，所以很早人们就开始在各种工业场合应用视频监控系统随着 社会的发展，视频监控系统经历了模拟和数字两个发展阶段 模拟视频监控系统也就是模拟矩阵监控系统，其特点是全部通过模拟方式将 摄像机的视频信号传输到监视器上，模拟矩阵是其中的核心设备，可以用来控制 切换，即决定是哪个监视器测览哪个摄像机，可以上下左右移动摄像机，放大缩 小摄像机的倍数，给摄像机调焦等，能够实现少数的监视器，浏览多个摄像机的 功能但是模拟系统存在许多局限性：首先，有线模拟视频信号的传输对距离十 分敏感，当传输距离较大时，信号容易产生衰耗、畸变、群延时并且易受干扰， 使图像质量下降。其次，有线模拟视频监控无法联成网络，只能以点对点的方式 监视现场，使到布线工程量极大。另外有线模拟视频信号数据的存储会耗费大 量的存储介质( 如录像带) ，而且录像资料的保存和查询工作十分烦琐。 目前，视频监控系统已经发展到以数字化、网络化为核心的全数字时代。与 传统模拟视频监控系统相比，数字监控系统基于t c p i p 网络协议，以分布式的概 念出现，将监控模式拓展为分散与集中的相辅相成，拓展了监控的范围。在硬件 设备方面，数字监控系统运用了更为先进的d a , a d 转换设备视频服务器，或内 置处理器的网络摄像机把图像处理( 采集、压缩、协议转换、传输) 设置在监控点， 利用无处不在的互联网和局域网，达到全网范围内的即插即用，实现了从图像采 集、传输、录像、最终输出的全过程数字化，因而是真正意义的全数字网络监控 系统特别是在现场环境的恶劣或不便于直接深入现场的时候，可以完美的解决 跨地域的监控需求。 我主要参与了全数字视频监控系统项目的研究与开发，并对与视频监控相关 的各项关键技术都做了细致深入的研究；而且参与了支持模拟矩阵的视频监控系 统的设计与实现，主要负责数字系统和模拟系统之间互联互通的调试工作。设计 支持模拟矩阵的视频监控系统的意义在于，日前市场上大力推广全数字的视频监 控系统，对于曾经采用过模拟监控系统的企业行业来说，无疑是一个很大的冲击， 因为他们可以看到数字系统的巨大优越性，但是原来费很大功夫建立起来的模拟 系统又不想抛弃，此时的模拟系统，犹如鸡肋一般，食之无味，弃之可惜。我们 设计的支持模拟矩阵的视频监控系统可以很好地为他们解决这样一块心病，因 为该系统不仅完全具备数字监控系统的优点，又可以很好的兼容模拟环境，最大 程度的避免了资源浪费和重复建设，是值得积极推广的新特性和新技术 本文的结构如下： 第一部分是引言，主要介绍了视频监控系统的发展历史，并对作者的工作和 论文的结构进行了简要介绍。 第二部分是对作者在项目期问深入研究过的，与视频监控系统有关的几项关 键技术的介绍，包括用于视频图像压缩的m p e g - 4 标准，以及对图像资源进行网 络存储的s a n 技术 第三部分是介绍数字视频监控系统的体系结构和设计，着重介绍视频监控系 统服务器的实现，并给出真实的应用场景和组网实例。 第四部分是介绍支持模拟矩阵的视频监控系统的设计与实现，对模拟和数字 系统之间如何实现互联互通，信令如何交互，组网拓扑如何规划等都作了详细说 明 最后给出系统测试结果，并对全文作了分析和总结，提出了工作中的不足和 未来需要改进和完善的方向 2 视频监控的关键技术 2 1m p e g - 4 图像压缩技术 视频图像压缩标准包括静态图像压缩标准j p e 0 可视电话视频会议的压缩标 准h 2 6 1 和h 2 6 3 ；运动图像压缩标准m p e g 1 、m p e g - 2 、m p e g - - 4 j p e g ：制定于1 9 9 1 年，它是致力于研制彩色和单色、多灰度连续色调静态数 字图像压缩的通用国际标准。这个标准广泛的运用于卫星图片、医疗图像、新闻 图片的保存和传输，目前在网上看到的* j p g 图像文件就是采用本标准。在基于 m 。r p 的w e b 浏览服务中网页中的图片大多按此种格式传输 m p e g - 1 ：m p e g 是m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p 的缩写，该标准包括三个组 成部分：m p e g 视频，m p e g 音频和m p e g 系统，m p e g 涉及的问题是视频压缩， 音频压缩以及多种压缩的复合和同步。其中m p e g - i 制定于1 9 9 3 年，针对1 5 m b s 。 m p e g - l 标准详细说明了电视图像和声音的压缩、解压缩的方法，以及播放m p e g 数据时所需的图像和声音的同步，主要是针对光盘数据存储，v c d 就是遵循此种 标准 m p e g - 2 ：制定于1 9 9 5 年，针对3 1 0 0 m b s ，在i s o n e c l 3 8 1 8 中详细规定了 针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层。m p e g - 2 不是m p e g - 1 的简单升级它在系统和传送方面做了更加详细的规定和进一步的完 善。m p e g - 2 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和 h i ) i v 的编码标准，m p e g 2 还兼顾了与a t m 信元的适配问题，目前的d v d 遵 循此种标准。 h 2 6 1 ：h 2 6 1 标准制定于1 9 9 0 年，专门针对研究电视电话和会议电视的编 码问题而提出的。h 2 6 1 标准简称p x 6 4 ，当p = i 或2 时，编码率屉大为1 2 8 k b p s ， 由于码率太低只能传输清晰度不太高的图像，所以只能适用于面对面的电视电话 当p - - 6 时码率 = - 3 8 4 k b p s ，可传输清晰度较好的图像，所以适用于电视会议。 h 2 6 3 ：制定于1 9 9 4 年，是盯u - t 关于比特率低于6 4 k b p s 的窄带视频编码 标准，是在h 2 6 1 标准的基础上发展起来的，h 一2 6 3 标准应j l j 的网络是p s t n 和 移动网络，最高速率限制在6 3 k b p s 以下 m p e g 4 ：m p e g 4 标准专家组成立于1 9 9 3 年 1 1 【2 】【3 】，该标准的目标为：支 持多种多媒体应用( 主要侧重于对多媒体信息内容的访问) ，可根据不同的应用要 求现场配置解码器。m p e g 4 旨在采用面向对象的视频音频编码模式使对图像或视 频音频的存取更为便利。这种对视频，音频对象的存取被称为内容的存取，基于 j e 塞奎通态堂硒芏位论奎捏援监控鲍羞壁拄查 内容的检索是它的一种特殊的形式 在m p e g - 4 图像和视频标准中，视频表示工具的目的是为多媒体环境中的纹 理、图像和视频数据的有效存储、传输以及管理提供标准化的核心技术。m p e g - 4 尤其强调这些工具对图像和视频内容的原子单位( 称为视频对象v o ) 的编解码能 力要能对任意形状的视频对象进行有效的表示，以支持所谓基于内容的功能集 为达到这样一个目标，而不是局限在过窄的应用面中，m p e g - 4 把各种应用中相 似的功能分门别类集中起来，以工具和算法的形式解决这些问题其中主要的功 能类有： 1 ) 图像和视频的有效压缩 2 ) 纹理的有效压缩用于二维和三维网格上的纹理映射 3 ) 隐含的二维网格的有效压缩 4 1 控制网格运动的时变几何参数的有效压缩 5 1 对各种可视对象的有效随机存取 回对图像和视频序列的扩展操控管理功能 n 图像和视频基于内容的编码 8 ) 纹理图像和视频基于内容的可伸展性 9 ) 空间时间和质量的可伸展性 1 0 ) 在易错环境下的鲁棒性 1 ) 多媒体传送总体框架( d i m f ) d m i f ( t h ed e l i v e r ym u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ) 即多媒体传送总体框架， 主要解决交互网络中、广播环境下，以及磁盘应用中的操作问题，通过传输多路 合成比特信息来建立客户端和服务器端的握手和传输。 通过d m i f ，m p e g - 4 可以建立起具有特殊品质的服务q o s 信道和传输面向 每个基本流的带宽，m p e g - 4 用它来管理多媒体数据流。所以m p e g - 4 标准本身 即是为实时传输设计的，但实际应用中可能会遇到下面的情况：应用系统自己已 经具各流的管理功能，此时不冉需要使h jm p e g - 4 系统的类似功能；系统中采用 的编码格式不只m p e g - 4 编码一种，而m p e g - 4 载荷需要与其他非m p e g - 4 载荷 一起以通片j 的方法进行处理和传输。针对这种情况适用于m p e g 4 流的r t p 载荷 格式被提出。m p e g - 4 的这部分功能在实际中用r t p 协议实现 2 ) 数据平面 m p e g - 4 中的数据平面分成传输关系和媒体关系两个部分。为了使基本流和 a v 对象在同一场景中出现，m p e g - 4 引用了对象描述o d 和流图桌面s m t 的概 念。o d 传输和特殊a v 对象相关的基本流的信息流图桌面把每一个流与一个 c a t ( c h a n n e l a s s o c i a t i o nt a g ) 柏连，实现流的顺利传输 3 ) 缓冲区管理和实时识别 m p e g - 4 定义了一个系统解码模式s d m ，该解码模式描述了一个理想的处理 比特流句法语意的解码装置。这是一种实时模式，它要求特殊的缓冲区，通过有 效的管理实现缓冲区空间的有效利用 4 ) 音频编码 。 m p e g - 4 的优越之处在于它不仅支持自然声音，而且支持合成声音。m p e g - 4 的音频部分将音频合成编码和自然声音的编码相结合，同时支持音频的对象特征 5 ) 自然声音编码 m p e g 4 研究比较了现有的各种音频编码算法支持2k b i t s - - 6 4k b i t s 的自然 声音编码8k h z 采样频率的2k b i t s 一4k b i t s 的语音编码，以及8k h z 或1 6k h z 采样频率4 k b i t s - 1 6 k b i t s 的音频编码，一般采用参数编码；而6 k b i t s - 2 4 k b i t s 的 语音编码，一般采用码激励线性预测c e l p ( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i v e ) 编码 技术：而从1 6 k b i t s 以上码率的编码，则可采用时频( t f ) 变换编码技术。这些技 术实质上借鉴了已有的音频编码标准如g 7 2 3 、g 7 2 8 以及m p e g - i 和m p e g - 2 等 6 ) 合成声音编码 在合成声音编码当中，m p e g 4 引入了两个极有吸引力的编码技术：文本到语 音编码和乐谱驱动合成编码技术。这为网络上低比特率下交互带有语音的游戏铺 平了道路。事实上，合成声音编码技术是一种基于知识库的参数编码。特别值得 一提的是m p e g 4 的乐谱驱动合成技术，在该技术中，解码器是由一种特殊的合成 语言结构化的音频管弦乐团语言s a o l ( s t r u c t u r e da u d i oo r c h e s t r al a n g u a g e ) 驱动的。其中的。管弦乐团”是由不同的“乐器”组成的。当解码器不具有某一 “乐器”时。m p e g 4 还允许解码器从编码器下载该“乐器”到解码器，以恢复合 成声音。可见，m p e g 4 不是提供一组m i d i 音乐标准中的“乐器”。而是提供了一 个可随时扩充的“管弦乐团”，因此，其可演奏的乐谱自然更加丰富多彩。 7 ) 视频编码 与音频编码相比m p e g - 4 也支持对自然和合成视觉对象的编码。合成的视觉 对象如2 d 、，d 动画，人的面部表情动画等，这些合成图像单独编码，不仅可有 效压缩，而且还便于操作。对自然视觉对象的编码也是m p e g - 4 的重点。对于静 止图像，m p e g 4 采用零树小波算法( z e r o t r e ew a v e l e ta l g o r i t h m ) 以提供高压缩比， 同时还提供多达1 1 级的空间分辨率和质量可伸缩性。可见，m p e g 4 为了支持基 于对象的编码，引入了形状编码模块。为了支持高效压缩，m p e g 4 仍然采用了 m p e g i 、m p e g 2 中的变换、预测混合编码框架。对于实时的极低比特率的应用， 如可视电话，m p e g 4 视频编码采用v l b v ( 极低比特率视频) 核进行编码、类似 于r r u 的h 2 6 3 直接对矩形视频编码，而不采用形状编码模块。同时，也提供一 些高层特性，如基于内容的编码。与此同时，m p e g - 4 还支持有误码信道传输下 的健壮性，提供了更好的同步和误码恢复机制 8 ) 场景描述 m p e g - 4 提供了一系列工具，用于组成场景中的一组对象一些必要的合成信 息就组成了场景描述这些场景描述以二进制格式b i f s ( b i n a r yf o r m a tf o rs c e n e d e s c r i p t i o n ) 表示，b i f s 与a v 对象一同传输、编码。场景描述主要用于描述各 a v 对象在一个具体a v 场景坐标下如何组织与同步的问题 为了支持高速压缩、基于内容的交互，以及基于内容分级的扩展( 空域分级、 时域分级) ，必然要求m p e g - 4 4 1 要以基于内容的方式表示视频数据因此， m p e g - 4 中引入了视频对象( v o ) 的概念来实现基于内容的表示v o 的构成依赖于 具体应用和系统实际所处的环境：在要求超比特率的情况下，v o 可以是一个矩形 帧，从而与原来的标准兼容；对于基于内容的表示要求较高的应用来说，v o 可能 是场景中的某一物体或某一层面，如新闻节目中的解说员头肩像；v o 也可能是 计算机产生的二维、三维图形等。在m p e g - 4 中，v o 主要被定义为画面中分割出 来的不同物体，每个v o 有三类信息来描述：运动信息、形状信息、纹理信息。 v o 的生存期是一个视频会话。m p e g - 4 首先对视频序列进行镜头切分，对一 个镜头中的每一帧进行物体分割，得到各个v o 。 绽码的第一步是v o 的形成，先要从原始视频流中分割出v o ，之后由编码控 制机制为不同的v o 以及各个v o 的三类信息分配码率，之后对各个v o 分别独 立编码，最后将各个v o 的码流复合成一个位流。其中，在编码控制和复合控制 阶段可以加入用户的交互控制或由智能化的算法进行控制解码器过程基本上为 编码器的反过程。 现在的m p e g - 4 包含了基于模型的编码和s p r i t e 技术。在进行图像分析后， 先观察每个v o 是否符合一个模型，典型的如人头肩像，如是就按模型编码：再 考虑背景是否采用s p r i t e 技术，如是则将背景生成一副大图，为每帧产生一个仿 射变换和一个位置信息即可；最后才对其余的v o 按上述流程编码。 6 2 1 3m p e g - 4 视频编码中的数据结构类 v s ( v i d e os e s s i o n ) ：视频场景， 视频序列可以由几个v s 组成。 v o ( v i d e oo b j e c t ) ：视频对象， 时问上连续的许多帧构成。 它位于数据结构层次的最高层；一个完整的 是场景中的某个物体，它是有生命期的，由 v o l ( v i d e oo b j e al a y e r ) 视频对象层，v o 的三种属性信息编码于这个类 中，这个类的引入主要用于来扩展v o 的时域或空域分辨率。 v o p ( v i d e oo b j e c tp l a 蝣) ：视频对象平面，它可以看作是v o 在某一时刻的 表象，即某一帧的v o 2 1 4v o p 编码 前面提到，某一时刻，v o 以v o p 的形式出现，编码也主要针对这个时刻该 v o 的形状、运动、纹理这三类信息来进行，因此，m p e g - - 4 的主要编码工具就是 对这三类信息进行编码的工具 1 ) 形状编码 相对以前的编码压缩标准来说，m p e g - 4 是第一次引入形状编码的压缩算法。 编码的形状信息有两类；二值形状信息和灰度级形状信息。二值形状信息就是用0 、 1 的方式表示编码的v o p 形状，0 表示非v o p 区域，l 表示v o p 区域：灰度级 形状信息可取值0 - 2 5 5 ，类似与图形学中的a 平面的概念：0 表示非v o p 区域， 1 2 5 5 表示v o p 区域透明程度的不同，2 5 5 表示完全不透明。灰度级形状信息的 引入主要是为了使前景物体叠加到背景上时不至于边界太明显，太生硬，进行一 下“模糊”处理，m p e c “中采用位图法来表示这两类形状信息，v o p 被一个边 框框住，边框长、宽均为1 6 的整数倍，同时保证边框最小。这样位图表示法实际 就是一个边框矩阵，取值为0 - 2 5 5 ，矩阵被分成1 6 1 6 的形状块，允许进行有损 编码，一这要通过对边界信息进行子采样实现，同时允许使用宏块的运动向量来做 形状块的运动补偿，这种方法被认为压缩效率高且计算量小 2 ) 运动估计和补偿 运动图像大多数情况下只是其中很小一部分图像在运动，在同一场景相邻的 两幅图像之间在内容上的差异不会太大，或者说后。帧的内容与前一帧重复的部 分很多。对于相关的视频图像，发送端不一定必须把每帧图像上所有的像素都传 给接收端，而只是将物体或摄像头的运动信息告知接收端接收端，就可以根据运 动信息和前一帧图像的内容来更新当前帧图像，这比传送每帧图像的具体细节所 需的数据量要小的多 要这么做，首先要解决的问题是如何从序列图像中提取有关物体运动的信息， 这个过程称为运动估计，其表达方式是运动矢量。运动估计研究的丰要内容是如 何快速有效的获得有足够精度的运动矢量，而把前一帧相对应的运动信息根据运 动矢量进行补偿的过程称为运动补偿。 运动估计的基本思想是将图像序列的每一帧分成许多互不重叠的宏块，并认 为宏块内所有象素的位移量都相同，然后根据一定的匹配准则在当前帧的相邻帧 的某一给定搜索范围内找出与当前块最相似的块，即匹配块，由匹配块与当前块 的相对位置计算出运动位移，所得运动唯一即为当前块得运动矢量。利用搜索到 的运动矢量在参考帧上进行运动补偿，补偿残差经d c t 变换、量化、行程编码后 与运动矢量一起经过熵编码，然后以比特率传输出去 类似于以前压缩标准的三种帧格式：i 帧、b 帧、p 帧，m p e g4 中的v o p 也有三种相应的帧格式：i - v o p 、b - v o p 、p - v o p ，表示运动补偿类型的不同。 v o p 也如形状编码那样，外加了边框，边框分成1 6 1 6 的宏块，宏块内分 成8 x 8 的块运动估计和补偿既可以基于宏块也可以基于块。 运动估计算法的效率体现在图像质量、压缩码率和搜索速度三个方面。运动 估计越准确预测补偿的图像质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需的位 数越小，比特率越小：运动估计速度越快，越有利于实时应用提高图像质量， 加快估计速度，减小比特率是运动估计算法研究的目标。 影响运动估计算法效率的因素来自三方面：块匹配准则的选择、初始搜索点 的选择、搜索规则。 块匹配准则常用的有最小绝对差m a d 、最小均方误差m s e 、归一化互相关函 数n c c f 三种。运动估计中，这三种匹配准则对精度影响相差不是很大。m a d 方 法没有乘法计算，节约了计算量，使用较多。 起始点的选择可以考虑分别求出当前块和相邻块的s a d 值，取较小的模块作 为预测值，这种方法精度较高但计算s a d 的计算量较大。由于序列图像的运动矢 量在空间、时间上具有很强的相关性。若考虑时间相关性，保存前一帧运动矢量 计算搜索起点，但所费存储空间较大。所以一般仅仅考虑空间相关性，即用同帧 相邻块的运动矢量值计算当前运动块的搜索起点。 搜索策略对运动估计的准确性和计算速度影响最大。有关搜索策略的研究主 要解决运动估计中存在计算复杂度和搜索精度的矛盾。运动估计的算法包括全搜 索法，二维对数法，三步搜索法，交叉法，四步搜索法，基于块的梯度下降搜索 法，菱形搜索法。 m p e g - 4 的运动估计和补偿与h 2 6 3 非常相近，采用了h 2 6 3 中的“半像素 搜索”技术和“重叠运动补偿”技术。为了使h 2 6 3 的运动估计和补偿算法能适 用于任意形状的v o p 区域，引用了所谓的“重复填充”和“修改的块匹配”技术。 每个影像都是由一个一个象素所组而合成的，但由于在处理p 帧找寻运动矢 量时，我们可利用“半像素”的技术使得运动矢量以0 5 为基本单位作更精细的 调整。可是在原本影像中，颜色是以数位的方式储存，不会有“半点”产生在点 与点中间，此时我们要利用h 2 6 3 的标准公式来帮我们作图像的扩张，这样一来， 两点之间就会产生一个象素，使原本的影像变成长宽扩大一倍的影像，由于 m p e g - 4 中有任意形状的 c o p 所以在v o p 边缘的块的运动估计时就不是矩形区 域匹鬣，而是多边形匹配参考v o p 需要采用宏块的重复填充技术 3 ) 纹理编码 一个视频平面的纹理信息可以表示为亮度y 和两个色度成分c r ，c b 。在帧内 情况下，纹理信息直接包含有亮度和色度成分，在运动补偿的情况下，纹理信息 表示经过运动补偿后的残差。 纹理编码的对象可以是帧内编码模式的i - v o p ，也可以是帧问编码模式b - v o p 或p - v o p 运动补偿后的预测误差编码方法基本上仍采用基于8 * 8 像素块的d c t 方法在帧内编码模式中，对于完全位于v o p 内的像素块，则采用经典的d c t 方法：对于完全位于v o p 之外得像素块则不进行编码；对于部分在v o p 内，部 分在v o p 外的像素块则首先采用图像填充技术来获取v o p 之外的像素值，之后 再进行d c t 编码帧内编码模式中还将对d c t 变换的d c 及a c 因子进行有效的 预测。 在帧问编码模式中，为了对b - v o p 和f v o p 运动补偿后的预测误差进行编码， 可将那些位于v o p 活跃区域之外的像素值设为1 2 8 ，此外，还可采用s a d c t 方 法对v o p 内的像素进行编码，该方法可在相同码率下获得较高的编码质量，但运 算的复杂程度稍高。变换之后的d c t 因子还需经过量化( 采用单一量化因子或量化 矩阵1 、扫描及变长编码，这些过程预先与标准基本相同。 2 2s a n 技术 2 2 1 网络存储n a s n a s ( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ) 是部件级的存储技术，它将存储设备通过标 准的网络拓扑结构连接到计算机群上，从服务器的后面去掉存储器，将它连接到 信息网络或者服务器所在的l a n 中。n a s 通常被理解为专用数据存储服务器，包 括存储设备和内嵌软件。n a s 通常在一个l a b 上占有自己的节点，允许用户在网 9 络上存取数据，提供跨平台文件共享功能。由于n a s 可以集中管理和处理网络上 的数据从而减轻了应用或企业服务器上的负载。 n a s 是网络技术在存储领域的延伸和发展，数据以文件的形式按照网络协议 在客户机与存储设备之间流动，它可以利用n f s 实现异构平台的客户机对数据的 共享，集成在存储设备内的专用文件服务器提高了文件的i o 速度 n a s 在适用性方面具有优势。首先，n a s 可以不需要服务器就可以直接上网， 不依赖通用的操作系统，而是采用一个面向用户设计的、专门用于资料存储的简 化的操作系统，它内置了与网络连接所需要的协议。因此，整个系统的设置和管 理较为简单；第二，n a s 是真正的即插即用的产品，物理位置灵活，既可放置在 工作组内，也可放在其它地点与网络相连第三，存储设备直接挂网，实现文件 级的资料共享，不同厂家的设备互连性好，可扩展性好 n a s 解决了并行s c s i 总线存在韵几个问题首先，n a s 不需要繁琐的 s c s i h b a 配置以及传统的s c s i 服务器连接所需的并行电缆和端接另外，n a s 将存储器从直接连接变为一个特殊的服务器，一个可寻址的网络设备，从而解决 了跨操作系统的文件共享第三，存储阵列完全从单个的服务器中解放出来，那 么通过网络取得存储设备上的数据而不消耗服务器资源的设想就可以实现了。 虽然克服了并行s c s i 结构的许多缺点，但是，当资料存储发展到一定规模， n a s 的缺陷就显露出来，如数据服务器和数据管理形成了网络的双重负担；磁盘 阵列必须配置专用的文件服务器，后期扩容成本高：一般文件服务嚣没有高可用配 置，存在单点故障：通过网络协议的访问方式，对存储系统的资料安全构成威胁； 另外，在n a s 系统里，客户端通过传统的网络访问n a s ，而传统的网络并不是为 了在可靠的链路上传输大批量的资料而设计的，因此有很多传输检验，这些工作 会消耗大量的c p u 资源，增加客户机的负担；而且，n a s 仅仅完成多台服务器文 件系统级的共享，比较适合文件服务器。显然，n a s 技术不能满足当前网络2 4 小 时* 3 6 5 天的不间断的高可靠性的要求。由此可见，n a s 技术虽然可以直接将存储 设备挂在网上，具有良好的共享性、开放性、可控制性。但缺点是与l a n 共享同 一物理网络，容易形成拥塞而影响性能。特别是在做资料备份时，严重消耗带宽， 因而性能较低，这就影响了它在企业级存储中的地位。 n a s 不仪可以满足中小企业和政府部门现在对存储设备的需求，还具有足够 的扩展空闻，以适应他们未来的发展需求。相关技术的成熟是n a s 产品快速发展 的重要因素，尤其是i d e 硬盘技术的飞速发展和i d er a i d 技术的引入，可以说 是n a s 产品发展的一个里程碑。它们不仅使n a s 的产品更加成熟也使其成本 不断降低。目前，各厂商的n a s 产品几乎都以存储服务器的形式出现，并且都把 操作系统和内存固化到产品中。n a s 聚焦的用户主要有i s p a s p 、c a d c a m 、中 1 0 小型企业、视频制作、政府、医疗、教育等等 2 2 2 存储区域网络s a n 1 ) s a n 的架构 s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) 是继n a s 之后出现的一种网络存储新技术。它 的主要思路是通过专用的集线器、交换机和网关建立服务器( s e r v e r ) 和磁盘阵列 ( s t o r a g e ) 之间的直接连接，将l a n 上的存储事务转换到主要由存储设备组成的 s a n 上s a n 并非一种产品，它是配置网络化存储的一种方法，这种网络技术支 持远距离通信，并允许存储设备真正与服务器隔离，使存储成为可由所有服务器 共享的资源。s a n 也允许各个存储子系统，如磁盘阵列和磁带库，无需通过专用 的中间服务器即可互相协作 s a n 解决了n a s 数据访问对网络带宽占用的问题，使得数据的访问、备份和 恢复不影响l a n 的性能，在有大量数据访问时，不会大幅度降低网络性能 在s a n 架构中，s e r v e r s t o r a g e 问的通讯采用s a n ，而c l i e n t s e r v e r 间的通讯 采用的是l a n 。采用s a n 适合s e r v e r s t o r a g e 间大容量数据传送，c l i e n t s e r v 盯 问的数据交换，l a n 又可以发挥其灵活的优势 典型的s a n 环境通常由4 部分组成：最终用户平台、服务器、存储子系统和 互连设备其中的存储子系统需要具有f c ( f i b e rc h a n n e l ) 连接性以外，还有一 些特别要求：高容错性、远程管理性和可扩展性 s a n 的互连设备是通过高带宽光纤通道连接的。光纤通道( f c ) 是当前构建 主干网的首选，它已经成为s a n 接口的工业标准，对所有组成s a n 的部件的第 一个要求是具有f c 连接性。对服务器而言，必须安装f c 主机总线适配卡以及兼 容设备驱动程序。对诸如r a i d 或磁带库等存储子系统来说，即意味着支持f c 或 是通过f c z 至s c s i 桥将传统的s c s i 设备连接到s a n 上。 从逻辑角度上来说，一个s a n 的逻辑运行要求有应用程序和管理工具的参与， 这些工具能够对多个主机系统中的存储资源进行管理。这种逻辑管理体系结构包 括从数据管理应用程序到设备管理在内的几个层次，以及每一层中的管理控制。 2 ) s a n 的拓扑结构 s a n 技术借用了许多现有的网络拓扑结构，并将其应用到数据存储中。其拓 扑结构主要有3 种： ( 1 ) 点到点拓扑结构 它是最简单的s a n 连接，两个节点端口问采用铜缆或光纤直连，连接距离可 达1 0 k m ，主机设备通过登录建立初始连接，然后保持固定连接并占用全部带宽， 就实际的应用上来说，系统能够做全双工( f u l lv u p t e x y 传输的枫会不是很大。所以， 点对点的连接架构，虽然也算是s a n 的一种，但是充其量只是直接连接储存系统 d a s 的一种而已，只不过把s c s i 或i d e 换成f i b r ec h a n n e l 而已。点对点连接的 架构，仅适合在储存系统建置初期，在容量需求还不是很大的时候，做一个保守 的投资，但是又保留将来系统的扩充能力( s c a l a b i l i t y ) ( 2 ) 仲裁环拓扑结构 仲裁环是光纤通道常用的拓扑结构在一个逻辑环状网络上，它提供对公用 通道的共享，允许环上设备共享带宽。在环内，一个传输发起者在传输前必须通 过仲裁光纤通道环的访问权s a n 在一个环状中使用的网络设备称为集线器，它 可以级联。但不是通过多层交换级联，而是通过增加环的逻辑圆周尺寸来级联环 在个仲裁环中的所有装置，都共同分享整体带宽，因此回路架构越大( 即装置总 数越多) ，每个装置分享到的带宽也就相对越小。当然，在同一时间点上，并不是 回路上的每一个装置都需要传输数据，因此，真正活跃节点( a c t i v en o d e s ) 的数目， 决定了整个回路的平均带宽 ( 3 ) 光纤通道交换式拓扑结构 交换式s a n 是采用网络交换机构建的存储网络，交换机类似数据网络中的交 换机，但采用不同机制，在建立点对点通信方面，类似点对点网络，不同处在于， 它所建立的点对点连接不是永久性的。而是可同时并发多个点对点的虚连接。光 纤通道通过光纤通道交换机进行链路缀交换，提供多个并发的点到点连接交换 式s a n 的速度很快，具有很强的扩展性能，是目前最为广泛采用的s a n 拓扑结 构 2 2 3s a n 的功能 。1 ) 可实现大容量存储设备数据共享 在目前的计算机应用中，要求的存储量越来越大。如数据库中存储了大量图 片文件，网络服务中存储了多个用户的多种数据，视频制作中有大量的声音和图 像文件等等都需要百个g b 甚至几个t b 的磁盘存储容量。s a n 提供了大容量存储 设备共享的解决方案。 2 ) 可实现高速计算机与高速存储设备的高速瓦联 计算机的主频每年都要翻一倍，内存容量和存储设备容量也在不断提高，这 就要求存储设备的传输速度必须适应计算机整体性能，光纤通道正是为了打破这 一瓶颈提出来的。s a n 采用光纤网，不但提供了主机和存储设备之间c 茹g a b i t 的高 速互联，而且在设备数量和传输距离上有较大提高。为基于c l i e n t s e r v e r 或 i n t e r n e t i n t e m e t 结构的大容量数据的频繁访问及快速处理，奠定了完备的物理基 础。 3 ) 可实现灵活的存储设备配置要求 主机和存储设备的分离是当今计算机发展的一大趋势。这主要是由于存储容 量的不断提高，存储设备己不再是某个计算机的外设，而是很多计算机的共享设 备。通过f c - a l 的h u b 和s w i t c h 可以建立星型连接。在s a n 上的设备、主机、 存储设备和磁带设备，不但在物理位置安捧上十分灵活，而且可以将不同用途的 设备划分为不同的区，分别建立虚拟专用网，使得主机访问s a n 上的存储设备十 分方便 4 ) 可实现数据快速备份 数据备份对于大型存储设备是非常必要的，由于重要的数据都在存储设备中， 数据丢失会造成不可估量的损失。所以在数据库的应用中，进行数据备份是必要 的日常维护工作。传统的数据备份有两种方式，一种数据备份是通过数据镜像的 方法，将一个存储设备通过l a n w a n 镜像到另一个存储设备，在一个存储设备 上的数据修改要及时传输到另一个存储设备上，极大地增加了l a n 的负担另一 种数据备份是通过磁带，备份时占用大量的l a n 资源，而且需要进行多个小时才 能完成，且存储量越大备份的时问就越长。s a n 提供了理想的快速备份工具，如 果两个存储设备( 如一个磁盘阵列，一个磁带库) 都在s a n 上，进行数据备份式镜 像十分理想，可不占用l a n w a n 的带宽，直接通过s a n