【正文】 需要的地方布署數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備，建立新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)充性。利用3G通信技術(shù)，可以將多個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)與中央控制中心連接起來，且搭建迅速，可以在最短的時(shí)間內(nèi)迅速建立起無線鏈路。 在我國，隨著3G移動(dòng)通信系統(tǒng)走向?qū)嵱?，高?MHz的帶寬將為無線視頻監(jiān)控提供更加強(qiáng)有力的支持，此時(shí)視頻的質(zhì)量將會(huì)有極大的改善。，在視頻監(jiān)控方面有著非常大的前景。[1]采用了高精度、多模式預(yù)測(cè)技術(shù)用來提高壓縮比以降低碼流。，網(wǎng)絡(luò)抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò)友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸[2,3]，從而保證了視頻傳輸?shù)挠行?。，將其?yīng)用于TI DM6446芯片。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)階段【52】： 20世紀(jì)90年代初及以前，主要是以模擬設(shè)備為主的閉路電視系統(tǒng)，稱為第一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其采用模擬視頻線將來自攝像機(jī)的視頻連接到監(jiān)視器上，視頻矩陣主機(jī)進(jìn)行切換和控制。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于模擬視頻信號(hào)的傳輸對(duì)距離十分敏感，通常只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，而且無法進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，只能采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，使得布線工程量極大，局限性十分明顯【53】。 20世紀(jì)90年代中期，利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行視頻的采集和處理，較大地提高了圖像質(zhì)量，增強(qiáng)了視頻監(jiān)控的功能。這種基于多媒體計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)稱為第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即模擬/數(shù)字混合型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。模擬/數(shù)字混合型視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際工程中有著廣泛應(yīng)用，但由于系統(tǒng)中信息流的形態(tài)仍為模擬視頻信號(hào)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是一種單功能、單向、集總方式的信息采集網(wǎng)絡(luò)，要求介質(zhì)專用，因此系統(tǒng)的擴(kuò)展能力較差。 20世紀(jì)90年代末至今，網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲(chǔ)容量迅速提高，視頻信息處理技術(shù)快速發(fā)展，視頻監(jiān)控進(jìn)入了全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，稱為第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，嵌入式技術(shù)在硬件和軟件方面都出現(xiàn)了多次飛躍，能夠滿足更加復(fù)雜和靈活的應(yīng)用需求。利用嵌入式技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸控制技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、處理速度、功能、價(jià)格、擴(kuò)展性等方面都有著突出的優(yōu)勢(shì)。 目前在國內(nèi)外市場(chǎng)上，主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品。前者技術(shù)發(fā)展己經(jīng)非常成熟且性能穩(wěn)定，而后者正迅速崛起，但仍需進(jìn)一步完善和發(fā)展。視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在數(shù)控模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用并逐漸向全數(shù)字系統(tǒng)過渡的階段【54】。 國外對(duì)圖像壓縮編碼技術(shù)的研究比較成熟，ITUT（國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組）下屬的視頻編碼專家組VCEG（video Coding Experts Group)，[4]、[5]、+、++等。而ISO/IEC下屬的活動(dòng)圖像專家組MPEG(Motion PictureExpertsGroup)則主要制定了MPEGX標(biāo)準(zhǔn)，如MPEG1/2/4等。 MPEG1[6]制定于1992年，是MPEG第一階段的成果。，從而可以在CDROM、可寫光盤等介質(zhì)上進(jìn)行存儲(chǔ)，也可以在局域網(wǎng)、ISDN上進(jìn)行視頻與伴音信息的傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)采用了幀內(nèi)編碼和幀間編碼相互結(jié)合的編碼方法，支持I,P,B,DC四種幀類型，其編碼速率最高可達(dá)45Mbits/s，但隨著速率的提高，其解碼后的圖像質(zhì)量有所降低。MPEG1技術(shù)最成功的應(yīng)用為VCD，也被用于數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸。 MPEG2[7]制定于1994年，是在MPEG1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展成的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要目標(biāo)是針對(duì)廣播級(jí)的高質(zhì)量音視頻以及更高的傳輸率。MPEG2能夠很好的處理隔行掃描的數(shù)字視頻源，支持多輸入視頻序列的采樣格式，并支持幾種可選擇的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模式。其所能提供的傳輸率在310MB/s之間，在NTSC制式下的分辨率可達(dá)720*480。MPEG2技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)DVD的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，還可用于為廣播、有線電視網(wǎng)、電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播提供廣播級(jí)的數(shù)字視頻。 為了適應(yīng)多媒體通信的快速發(fā)展，ISO于1994年開始制定MPEG4標(biāo)準(zhǔn)[8]，MPEG4標(biāo)準(zhǔn)主要由MPEG4系統(tǒng)、MPEG4音頻和MPEG4視頻等基本部分和擴(kuò)充的部分組成。MPEG4視頻編碼的主要目標(biāo)在于提供一種通用的編碼標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)不同的傳輸帶寬、不同的圖像尺寸和分辨率、不同的圖像質(zhì)量等，進(jìn)而為用戶提供不同的服務(wù)。與傳統(tǒng)的基于像素的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)不同，MPEG4采用基于對(duì)象的視頻編碼方法，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的高效壓縮，還可以提供基于內(nèi)容的交互功能。此外，為了使壓縮后的碼流具有對(duì)于信道傳輸?shù)聂敯粜裕琈PEG4還提供了用于誤碼檢測(cè)和誤碼恢復(fù)的一系列工具，這樣采用MPEG4標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)可以用于帶寬受限、易發(fā)生誤碼的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。 ，制定于1992年，常稱為Px64K標(biāo)準(zhǔn)，其中P是取值為1到30的可變參數(shù)。P=1或2時(shí)支持四分之一中間格式((QCIF)的幀率較低的視頻電話傳輸；P=6時(shí)支持通用中間格式(CIF)的幀率較高的電視會(huì)議數(shù)據(jù)傳輸；Px64K視頻壓縮算法也是一種混合編碼方案，即基于DCT的變換編碼和帶有運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)差分脈沖編碼調(diào)制((DPCM)的預(yù)測(cè)編碼方法的混合。，借助于電信行業(yè)提供的Px64K帶寬的通信線路，實(shí)現(xiàn)異地多方參加的電視會(huì)議。目前國際、國內(nèi)幾乎所有的(電信、政府、企業(yè)等)。 ，制定于1996年。它是基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄PCM的混合編碼，在運(yùn)動(dòng)搜索的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，然后運(yùn)用DCT變換和Z“Z字形掃描游程編碼，從而得到輸出碼流。，將運(yùn)動(dòng)矢量的搜索增加了半像素點(diǎn)搜索，同時(shí)又增加了無限制運(yùn)動(dòng)矢量、基于語法的算術(shù)編碼、高級(jí)預(yù)測(cè)技術(shù)和PB幀編碼等四個(gè)高級(jí)選項(xiàng)，從而，達(dá)到了進(jìn)一步降低碼速率和提高編碼質(zhì)量的目的。，并對(duì)信道誤碼提供一定的魯棒性，從而成為新的低碼率視頻編碼的主流標(biāo)準(zhǔn)。、視頻郵件、銀行、企業(yè)及智能化住宅的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。 VCEG和ISO/IEC MPEG聯(lián)合組成的JVT開發(fā)的最新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其基本草案在2002年10月形成，最后的批準(zhǔn)工作于2003年3月完成。，如統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼、高精度且多模式的位移估計(jì)、基于4x4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。，在相同的重建圖像質(zhì)量下，%左右的碼率。同時(shí)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。 ，本文隨后將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。國內(nèi)對(duì)圖像壓縮編碼技術(shù)的研究發(fā)展迅速，AVS[3](由數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組開發(fā))是中國自主制定的音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS工作組成立于2002年6月，當(dāng)年8月開始了第一次的工作會(huì)議。經(jīng)過7次AVS正式工作會(huì)議和3次視頻組附加會(huì)議，經(jīng)歷一年半的時(shí)間，審議了182個(gè)提案，先后采納了41項(xiàng)提案，2003年12月19日AVS視頻部分終于定稿。AVS視頻當(dāng)中具有特征性的核心技術(shù)包括:8x8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、二維墑編碼、去塊效應(yīng)濾波等。AVS的主要特點(diǎn)[3]是應(yīng)用目標(biāo)明確，技術(shù)有針對(duì)性。因此在高分辨率應(yīng)用中，其壓縮效率比現(xiàn)在在數(shù)字電視、光存儲(chǔ)媒體中常用的MPEG2視頻提高一個(gè)層次。在壓縮效率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，又較MPEG4 mainprofile的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大為降低。目前，AVS視頻壓縮編碼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度(CCIR601或相當(dāng)清晰度)、低清晰度(CIF,SIF)等不同格式視頻的壓縮。 本課題研究的內(nèi)容與技術(shù)特色點(diǎn) 本課題主要的內(nèi)容為:根據(jù)目前圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，采用了高效的視頻壓縮算法。熟練運(yùn)用基于SOC的DSP的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)以TI DM6446處理器為核心的系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具有視頻采集、壓縮編碼與3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能的嵌入式視頻監(jiān)控服務(wù)器。主要包括: 根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r與課題的目標(biāo)要求，并充分考慮本課題所選用的核心芯片與視頻編解碼算法的特點(diǎn)，進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體規(guī)劃。以TI DM6446處理器為核心，結(jié)合所需的外設(shè)接口與功能模塊，完成其定制與連接。 盡可能地查閱中英文資料，針對(duì)硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的特性，采用高效且易于實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮編解碼算法。除系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設(shè)計(jì)等大量工作外，本文擁有較為突出的技術(shù)特色點(diǎn): 采用DM6446架構(gòu)的SOC來構(gòu)建嵌入式圖像服務(wù)器的核心部分從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作與并行處理，較大程度地提高了系統(tǒng)的工作效率。 提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用率。 論文的組織結(jié)構(gòu) 本文的組織結(jié)構(gòu)為:第一章介紹視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展、圖像壓縮編碼技術(shù)以及3G標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，概述本文的內(nèi)容與特色點(diǎn)。第四章進(jìn)行核心芯片的選型與硬件設(shè)計(jì)。第五章軟件平臺(tái)介紹及針對(duì)本系統(tǒng)所作的改進(jìn)算法的介紹。第八章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第九章總結(jié)全文所做的工作，指出系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，對(duì)進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化進(jìn)行展望。 本章小結(jié)本章闡述了課題的研究背景和意義，介紹了國際上現(xiàn)有的一些視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)及其特點(diǎn)，視頻壓縮編碼原理，三大3G標(biāo)準(zhǔn)比較及3G上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)。最后提出了論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排。 第9頁（共77頁）第2章 第2章 ，被命名為AVC(AdvancedVideoCoding)，也稱為ITUT ，于2003年3月正式被ITUT討論通過并在國際上頒布。，而且具有良好的網(wǎng)絡(luò)親和性。(VideoCodingLayer)和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL(NetworkAbstractionLayer)兩個(gè)具有不同概念的層次。視頻編碼層VCL主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行高效編解碼，提供具有高質(zhì)量、高壓縮比、健壯性、可分級(jí)等特性的視頻編碼碼流。網(wǎng)絡(luò)提取層NAL主要負(fù)責(zé)將視頻編碼層VCL產(chǎn)生的視頻編碼數(shù)據(jù)正確地映射到不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)中去。當(dāng)VCL產(chǎn)生的編碼視頻比特流將在某種特定網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，NAL針對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)及其傳輸協(xié)議的特性，對(duì)VCL的編碼碼流進(jìn)行適合該網(wǎng)絡(luò)及其傳輸協(xié)議的封裝。，靈活的提供不同的封裝方式，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。 對(duì)于系統(tǒng)中處理與傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，可將其從宏觀到微觀分為視頻序列、圖像幀、片((slice)、宏塊(macroblock)、子塊(subblock)五個(gè)層次。視頻序列由若干個(gè)圖像幀組成，有利于抑制錯(cuò)誤的蔓延，提高了解碼的容錯(cuò)能力。片必須進(jìn)一步劃分為16X16像素的宏塊，每個(gè)片所包含的宏塊個(gè)數(shù)是不定的。宏塊還可根據(jù)需要?jiǎng)澐譃楦〉淖訅K。 為提高壓縮效率，去除圖像序列的時(shí)間冗余度，同時(shí)滿足多媒體等應(yīng)用所必須的隨機(jī)存取要求，、P幀和B幀。I幀為幀內(nèi)編碼幀，編碼時(shí)采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和變換編碼。P幀為預(yù)測(cè)編碼幀，采用前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和預(yù)測(cè)殘差的變換編碼，由前面已解碼的參考幀進(jìn)行預(yù)測(cè)。B幀為雙向預(yù)測(cè)編碼幀，采用雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)殘差變換編碼。此外，新標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)版本中提出了SP和SI幀的概念，用來實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)編碼碼流中任意切換。 、高級(jí)運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償、4X4整數(shù)變換與量化、熵編碼、環(huán)路濾波等。其中熵編碼有兩種方案:一種是基于ExpGolomb碼的一致變長編碼(UVLC)和基于上下文的變長編碼(CAVLC)相結(jié)合的變長編碼(VLC)，編碼主要采用查表的方式，其中UVLC的表是固定的，而CAVLC在編碼過程中會(huì)跟據(jù)周圍宏塊以及在之前編碼的數(shù)據(jù)信息，選擇不同的表，具有上下文自適應(yīng)功能。另一種是基于上下文的自適應(yīng)算術(shù)二進(jìn)制編碼(CABAC)，為基于概率模型的統(tǒng)計(jì)估算。 H．264編碼器結(jié)構(gòu)H．、都是采用DCT變換編碼加DPCM的差分編碼方式。即混合編碼結(jié)構(gòu)。其核心思想是利用幀間預(yù)測(cè)編碼消除圖像序列中的時(shí)域冗余，利用變換編碼消除頻域冗余。[11]。圖21 Figure21 encoder block diagram，也是把當(dāng)前編碼圖像劃分為多個(gè)宏塊，再對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)或使用幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，所得到的殘差圖像經(jīng)過變換、量化、熵編碼等處理后得到最終碼流。、但它在很多環(huán)節(jié)做了改進(jìn)，主要體現(xiàn)【12】在：(1)高精度估計(jì)。，采用的是1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量模式。(2)多宏塊劃分模式估計(jì)。一個(gè)宏塊(MB)可劃分成7種不同模式的尺寸。(3)多參數(shù)幀估計(jì)。最高允許5個(gè)參考幀。(4)小尺寸44的整數(shù)變換。不僅減少了圖像變換過程中的計(jì)算量，還減少了運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差。(5)更精確的幀內(nèi)預(yù)測(cè)。每個(gè)44塊中的每個(gè)像素都可用17個(gè)最接近先前已編碼的像素的不同加權(quán)和來進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)。(6)豐富的熵編碼方式。主要包括基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)和基于上下文的自適應(yīng)變長編碼(CAVLC)。 ，提供了不同的檔次(Profiles)和級(jí)(Levels)。不同的Profile提供了不同的算法要求和限制，而對(duì)一個(gè)指定的Profile，又分為不同的Level。Level的選擇一般都是根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和內(nèi)存容量決定的。不同的Level支持不同的分辨率和數(shù)據(jù)碼率。 ,其檔次關(guān)系如圖22【11】所示。每個(gè)檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應(yīng)用。圖22 Figure22 grade diagram 基本檔次(Baseline Profile)主要用于可視電話、會(huì)議電視、無線通信等實(shí)時(shí)視頻通信。其解碼器支持以下特性：(1)I片和P片類型；(2)去塊濾波；(3)l/4像素精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)；(4)CAVLC熵編碼模式；(5)4：2：O的色度塊采樣率；(6)支持冗余片(Redundant Slice)；(7)支持任意片順序(Arbitrary Slice Order)編碼；(8)支持zigzag掃描方式：(9)支持逐行掃描(progressive)；(10)支持靈活塊順序(Flexible Macroblock Order)編碼方案；(11)不支持宏塊幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼。主要檔次(Main Profile)主要用于數(shù)字廣：播電視與數(shù)字視頻存儲(chǔ)。其解碼器支持以下特性：(1)支持B片；(2)CABAC嫡編碼：(3)自適應(yīng)雙向預(yù)測(cè)；(4)支持場(chǎng)編碼；(5)支持幀場(chǎng)自適應(yīng)編碼；(6)支持逐行掃描(progressive)和隔行掃描(interlaced)；(7)不支持片組與任意片次序編碼；