【正文】 目 錄不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 I 摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 網(wǎng)絡攝像機技術發(fā)展概況 1 DSP技術的發(fā)展概況 1 嵌入式Internet技術的發(fā)展概況 3 數(shù)字圖像編碼技術的發(fā)展概況 4 我國視頻監(jiān)控技術的發(fā)展概況 5 網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品概況 7 本課題主要研究內(nèi)容及工作 7 本文結構 8第2章 DSP原理及視頻評估算法 10 DSP芯片特點及應用 10 DSP芯片的特點 10 典型DSP芯片比較 11 TMS320DM642 12 實時傳輸視頻的評估標準 15 失真度（D） 15 峰值信噪比（PSNR） 16 塊效應程度（B） 16 帶寬利用率（UT） 16 本章小結 17第3章 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸原理 18 OSI參考模型結構 18 TCP/IP協(xié)議 19 TCP/IP協(xié)議的體系結構 19 網(wǎng)絡層協(xié)議分析 21 傳輸層協(xié)議分析 22 基于TCP/IP應用層的網(wǎng)絡實時傳輸協(xié)議簡介 24 TCP/IP實時視頻流網(wǎng)絡傳輸?shù)乃惴▽崿F(xiàn) 25 實時視頻傳輸中的問題和算法分析 25 實時視頻傳輸?shù)膶崿F(xiàn) 26 本章小結 28第4章 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 29 硬件的總體設計 29 網(wǎng)絡攝像機的整體架構 29 DSP最小系統(tǒng)設計 31 硬件電路的設計 33 時鐘系統(tǒng)設計 33 視頻輸入解碼模塊 35 PCI總線驅動控制模塊 36 存儲器電路 37 IIC總線 38 電源設計 38 網(wǎng)絡傳輸模塊的實現(xiàn) 39 網(wǎng)絡功能基本模塊 39 DM642與以太網(wǎng)收發(fā)器接口設計 41 實時傳輸視頻的算法和解決方案 42 寬帶估計 42 碼率分配 42 本章小結 44第5章 系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn) 45 軟件系統(tǒng)整體設計 45 軟件流程框架 45 CCS軟件開發(fā)平臺 46 DSP/BIOS開發(fā)工具 46 驅動程序開發(fā) 47 系統(tǒng)初始化 47 視頻口驅動程序 49 網(wǎng)絡傳輸驅動程序 49 帶有網(wǎng)絡通信功能應用程序的設計 51 本章小結 53結論 54參考文獻 56攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術論文 59致謝 60千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 IV 第1章 緒論 課題背景視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應用于安防、交通、公安、銀行、水利等各個領域，幾乎覆蓋各行各業(yè)，視頻監(jiān)控的技術和手段也在不斷的發(fā)展和提高，尤其是近年來，隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展、Internet的普及、多媒體處理手段的提高、視頻壓縮技術的成熟、網(wǎng)絡傳輸技術的迅猛發(fā)展，促使視頻監(jiān)控技術正向全數(shù)字化網(wǎng)絡化方向發(fā)展，網(wǎng)絡攝像機（WebCamera）越來越受到遠程監(jiān)控領域的關注。傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡攝像機是將攝像頭采集到的視頻信號送入與攝像頭連接的PC中，通過PC機安裝的相應軟件將數(shù)據(jù)進行編碼、壓縮和網(wǎng)絡傳輸。這種方法不僅成本高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也非常低，由于普通PC并非是專門用于處理視頻數(shù)據(jù)的，因此系統(tǒng)的整體效率會很低。本文所討論研究的網(wǎng)絡攝像機是通過模擬采集的方法，將實時的視頻數(shù)據(jù)流采集到系統(tǒng)的緩存中，通過軟件編程對數(shù)據(jù)進行編碼和壓縮，最后將系統(tǒng)作為一個網(wǎng)絡結點接駁于符合TCP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡中（如Internet）。因此只要遠程計算機擁有相應的訪問權限，即可實現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡實時監(jiān)控。本系統(tǒng)以TI公司的DM642為核心，并設計出將視頻采集、視頻編碼處理和網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ芗捎谝惑w的網(wǎng)絡攝像機。通過這一系統(tǒng)，可以利用計算機對非本地的現(xiàn)場進行多點監(jiān)控，節(jié)省了大量人力物力。 網(wǎng)絡攝像機技術發(fā)展概況 DSP技術的發(fā)展概況DSP的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了70年代的理論先行、80年代的產(chǎn)品普及、90年代的突飛猛進和現(xiàn)如今的全領域應用四個階段。在DSP出現(xiàn)以前，實時信號處理一般是在通用處理器中完成的。隨著集成電路制造工藝的不斷提高，二十世紀70年代末出現(xiàn)了專門的可編程數(shù)字信號處理器。世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布誕生的S2811，1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是一個主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片必須擁有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有硬件乘法器的商用DSP芯片。如今，TI公司的TMS320系列產(chǎn)品已經(jīng)成為目前最有影響的DSP芯片，包括了定點、浮點和多處理器3個類型的產(chǎn)品，每個類型又有不同性能和價格的具體系列可供用戶選擇。TI公司已經(jīng)成為世界上最大的DSP供應商，占有很大的市場份額。除TI公司的TMS320系列外，其它具有代表性并應用較廣泛的產(chǎn)品主要有ADI的ADSP21xx和Blackfin系列，Motorola公司的DSP56000、DSP96000，ATamp。T公司的DSP1DSP32等。現(xiàn)如今隨著DSP應用的不斷擴展和深入，DSP器件的發(fā)展兼顧了3P的因素，即性能（Performance）、功耗（Power Consumption）和價格（Price）。當今的DSP技術已經(jīng)進入了嶄新的時代。第一，可編程DSP將是主導產(chǎn)品。可編程DSP能給生產(chǎn)廠商提供較大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個DSP平臺上開發(fā)出各種不同型號的系列產(chǎn)品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP為廣大用戶提供了便捷的升級途徑。第二，定點DSP成為主流。雖然從理論上講浮點DSP的運算精度更高，動態(tài)范圍更大，但定點DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點的可編程DSP器件仍是市場上的主流產(chǎn)品。第三，系統(tǒng)級集成DSP是潮流?？s小DSP芯片的尺寸、追求更高的運算速度和進一步降低功耗始終是DSP的技術發(fā)展方向。在生產(chǎn)工藝上，采用1μm以下的CMOS制造工藝技術和砷化鎵集成電路制作技術，使集成度更高、速度更快、功耗更低，從而使高頻、高速的DSP處理器得到更大的發(fā)展。第四，通過并行和存儲器構架的變化提升DSP芯片的性能。高速、高性能的DSP器件將以RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）結構和單片機并行計算機基本結構為主導，以完成并行處理系統(tǒng)操作。脈沖陣列和數(shù)據(jù)流陣列也將成為并行處理器的主要體系結構。隨著芯片主頻的不斷攀升，存儲器的訪問速度日益成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸。為了解決存儲器速度與CPU內(nèi)核速度不匹配的問題，高性能的CPU普遍采用Cache（高速緩存）機制，新的DSP芯片也開始采用這種結構。第五，DSP與可編程器件相結合。DSP的許多新應用需要更加強大的數(shù)字信號處理能力，借助PLD（可編程邏輯電路）和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來扮演像DSP加法器或協(xié)處理器一樣的角色，可以滿足日益提高的信號處理需求。此外，將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺，將成為DSP技術發(fā)展的一種新潮流。在許多嵌入式應用領域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有強大功能的DSP，也需要在智能控制方面技高一籌的MCU。這種DSP與MCU相結合的系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的獨特優(yōu)勢，又具有應用目標所需要的技術特性。 嵌入式Internet技術的發(fā)展概況如今Internet技術已經(jīng)成為數(shù)據(jù)交換共享和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞胶洼d體，而嵌入式系統(tǒng)也開始與以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口相接合組成嵌入式網(wǎng)絡終端。通過TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)通過以太網(wǎng)與遠程PC進行網(wǎng)絡通信。嵌入式網(wǎng)絡終端相比于PC，具有更高的安全性、可靠性，擁有更強大的數(shù)據(jù)運算能力，及更專業(yè)化的處理進程，同時也具有PC機的兼容性和擴展性。最重要的是嵌入式網(wǎng)絡終端可以利用網(wǎng)絡減少操作的復雜性并降低使用成本，同時通過設置權限可以使用網(wǎng)絡相關資源，提高計算能力。借助嵌入式Internet技術，可以將數(shù)量眾多的嵌入式終端設備接入廣域范圍的互聯(lián)網(wǎng)絡環(huán)境，將Internet的應用從傳統(tǒng)的桌面PC機延伸到生產(chǎn)、控制現(xiàn)場的8位、16位、32位單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、遠程控制、自動報警、上傳/下載數(shù)據(jù)文件、自動發(fā)送Email等功能，從而大大擴展Internet的應用范圍。嵌入式Internet技術的出現(xiàn)歷史雖然不是很長，但是發(fā)展速度卻非常的快。不少專家對此做出預測：21世紀將是嵌入式Internet的時代，將會產(chǎn)生比PC機時代成百上千倍的服務器和超級嵌入式服務器。這些服務器將與我們能想到的各種物理信息、生物信息相鏈接，并通過Internet自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息的對象。將來通過Internet傳輸?shù)男畔?，將有大部分來自小型嵌入式系統(tǒng)。因此，嵌入式Internet將有很好的發(fā)展前景和廣闊的市場，未來的Internet將由嵌入式Internet占主導地位。目前，基于Internet的嵌入式系統(tǒng)己成為人們研究的熱點。典型的嵌入式系統(tǒng)接入有三種方式[1]：第一，采用專用嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議的EMIT（嵌入式Internet網(wǎng)絡技術）。EMIT由emNet和emGateway兩部分組成，emNet協(xié)議運行在嵌入式系統(tǒng)MCU內(nèi)部，使得集成emMicro的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式網(wǎng)關emGateway進行通信。emGateway運行在計算機中，應用系統(tǒng)要通過emGateway與Intemet聯(lián)接。這種方式對嵌入式系統(tǒng)的MCU要求較高，同時需要PC機做網(wǎng)關，目前已很少應用。第二，使用專用芯片，如Webchip。Webchip是獨立的專用網(wǎng)絡接口芯片，嵌入式系統(tǒng)的MCU通過它與網(wǎng)關連接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠程傳來的命令或將數(shù)據(jù)交給Webchip發(fā)送出去。和EMIT相比不需要PC機作網(wǎng)關。第三，在處理機中加入TCP/IP協(xié)議方式的支持。這其中又包括兩種方式：利用MCU或者DSP的可編程特性，使用高級語言編程的方式直接處理TCP/IP協(xié)議和采用固化了TCP/IP協(xié)議的專用網(wǎng)絡硬件芯片，如Seiko Instruments公司的S7600A等。處理機加TCP/IP協(xié)議的方式最為靈活，能按用戶需求實現(xiàn)很多復雜的功能，更不需要PC機作網(wǎng)關，這種方式已經(jīng)成為現(xiàn)如今嵌入式Internet的主流解決方案。 數(shù)字圖像編碼技術的發(fā)展概況數(shù)字信號有很多優(yōu)點，但當模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬，一路6MHz的普通電視信號數(shù)字化后，其碼率將高達167MbPs，對存儲器容量要求很大，占有的帶寬將達80MHz左右，這樣將使數(shù)字信號失去實用價值。數(shù)字壓縮技術很好地解決了上述困難，壓縮后信號所占用的頻帶大大低于原模擬信號的頻帶。因此說，數(shù)字壓縮編碼技術是使數(shù)字信號走向實用化的關鍵技術之一。隨著數(shù)字視頻技術的發(fā)展，使得數(shù)字圖像編碼在各個方面得到廣泛的應用，但各種編碼方法只有標準化后才能降低編解碼硬件的價格和解決不同廠商設備之間的相互操作問題。ITUT與ISO/IEC是制定視頻編碼標準的兩大組織，、主要應用于實時視頻通信領域，如可視電話、會議電視。MPEG系列標準是由ISO/IEC制定的，主要應用于視頻存儲（DVD）、廣播電視、因特網(wǎng)或流媒體等，廣泛使用的有MPEGMPEGMPEG4等編碼標準。兩個組織也共同制定了一些標準，[2]。H263建議的是低碼率圖像壓縮標準，支持碼率小于64Kbis/s的應用。+++己發(fā)展成支持全碼率的應用，這一點從它支持眾多的圖像格式就可以看出，如SubQCIF、QCIF、CIF、4CIF以及16CIF等格式。（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG的聯(lián)合視頻組開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準，又是ISO/IEC的MPEG4的第10部分。在技術上，如統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計，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量下，%左右的碼率。，增加了差錯恢復能力，能夠很好的適應IP和無線網(wǎng)絡的應用，是目前最具有發(fā)展前景的視頻壓縮編碼標準。MPEG2是MPEG組織于1994年推出壓縮標準，以實現(xiàn)視/音頻服務與應用互操作的可能性。MPEG2標準是針對標準數(shù)字電視和高清晰度電視在各種應用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細規(guī)定，編碼碼率從每秒3兆比特到100兆比特，標準的正式規(guī)范在ISO/IEC13818中。MPEG2不是MPEGl的簡單升級，MPEG2在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細的規(guī)定和進一步的完善。MPEG2特別適用于廣播級的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認定為SDTV和HDTV的編碼標準。MPEG4也是由ISO/IEC下的“動態(tài)圖象專家組”制定的圖像壓縮編碼標準，于1999年初正式成為國際標準。它是一個適用于低傳輸速率應用的方案。實際上，MPEG4對64Kbis/s以下、64Kbis/s至384Kbis/s和384Kbis/s至4Mbis/s三種比特率范圍作了明確的最佳化處理。低比特率是MPEG4的一個主要的目標，有關誤碼的校正，也給予了極大的關注，這將使MPEG4非常適合于易產(chǎn)生誤碼的環(huán)境中使用，例如個人手持式傳輸設備。當然。與MPEG1和MPEG2相比，MPEG4更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性，它利用強大的工具開發(fā)出了全新的多媒體編碼概念，使之適用于互操作性和更大范圍內(nèi)的應用，己成為目前廣泛使用的壓縮系統(tǒng)[3]。 我國視頻監(jiān)控技術的發(fā)展概況遠程視頻監(jiān)控是指遠端的監(jiān)控系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)對現(xiàn)場系統(tǒng)進行監(jiān)測與控制，其目的在于突破地域和環(huán)境上的限制，實現(xiàn)集中和高層監(jiān)控，最終實現(xiàn)生產(chǎn)資源和社會資源的優(yōu)化配置。視頻監(jiān)控技術在中國的發(fā)展已有10年的歷史了。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下三個重要的階段[4]。第一階段，傳統(tǒng)模擬圖像監(jiān)視系統(tǒng)。這是圖像監(jiān)控系統(tǒng)的早期實現(xiàn)方式，系統(tǒng)主要由攝像機、監(jiān)視器、視頻線纜、控制線纜等組成，采用模擬方式傳輸，因此傳輸距離較短，主要應用于小范圍監(jiān)控的場合。傳統(tǒng)模擬圖像監(jiān)視系統(tǒng)的主要優(yōu)點是圖像清晰、不丟幀、延遲小。但其功能單一、易受干擾、成本較高、無法升級、系統(tǒng)的擴展能力差，無法形成有效的報警聯(lián)動。第二階段，基于PC機的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)。基于PC