基于3g的图像传输技术研究毕业论文.docx
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基于3g的图像传输技术研究毕业论文
第一章.绪论...................1
1.1课题研究的背景
1.1.1数据图像传输技术的发展现状
1.1.2嵌入式系统的发展现状
1.1.3嵌入式LINUX的现状
1.2课题的研究意义
1.3课题的主要工作内容
第二章.3G网络及图像数据传输的研究与介绍..............................7
2.13G网络及其多媒体业务简介
2.2主要图像压缩方法介绍
第三章.基于3G的图像采集和传输模块的设计............................14
3.1 实时视频网络传输系统设计
3.2 实时监控系统实现模块
3.3实时监控系统工作流程
3.4 系统服务质量的保证
3.5 结束语
参考文献.......................21
第一章绪论
图像的获取是由视频采集部分来完成的，采集的图像可以分成模拟图像和数字图像两种。
图像的转换和播放是由终端的计算机或者其他嵌入式产品程序完成，属于对图像的应用范畴。
很显然，图像的采集与对图像展开的应用常常不是在一个地方完成的，因此有一个通信过程：
负责将前端采集的模拟或者数字图像进行有效、可靠的传输，特别是针对图像应用而进行的通信研究被称为图像通信。
随着3G技术的日渐成熟和Internet网络的普及，随时随地查看需要的图像资料或者监控图像称为一个趋势，有着极其广泛的市场和应用。
而计算机技术是通信技术发展的强大技术支撑，信息社会是这两大技术完美融合的产物。
计算机的硬件系统有朝着面向应用的片上系统（SOC：
SystemOnChip）发展的趋势，片上系统就是指将某类应用有关的常用外设与计算机的CPU集成在一个芯片上，做到系统与其他外设的无缝衔接。
计算机操作系统也有朝着面向应用的嵌入式操作系统发展的趋势：
嵌入式操作系统是指可以由用户根据应用的变化而自行裁剪的操作系统。
图像通信与嵌入式硬件系统相结合，将能够给人们提供一个灵活的、编写的、功能丰富的应用终端，能够开展丰富的图像应用服务，因此对基于嵌入式的传输系统展开研究是非常有意义的。
1.1课题研究的背景
图像传输概念广泛，包括多种用途：
可视通话、图像监控等等，基于安防需求的实时远距离视频监控系统有着很广泛的应用价值，是图像传输的典型运用，本课题的提出时针对图像数据监控的新需求，采用微处理器设计实现的远程监控系统。
本章将主要介绍图像监控系统的发展现状以及所用到的嵌入式系统和微处理器的发展现状。
1.1.1图像数据传输的发展现状
90年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，数据传输技术的发展也日新月异，这些技术的发展特别是图像压缩技术的出现和发展，使数字图像的存储和传输称为可能。
基于PC的图像传输系统是先将摄像头采集的模拟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PC机，监控终端PC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。
数字信号的传输可靠性较高，且数字化的图像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PC的图像监控系统具有:
传送距离远、图像质量好、数据的保存成本低等特点。
而且监控人员无需在现场就可以监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的效率和灵活性。
基于嵌入式技术的网络化图像传输和视频监控系统应运而生。
1.1.2嵌入式系统的发展现状
嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。
简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与BIOS的工作方式。
具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。
从功能应用特征上定义，嵌入式系统则是以应用为中心、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。
嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，因为计算机芯片是嵌入在有关的设备中的，所以没有自己独立的外壳。
二十一世纪无疑是一个Internet时代，这一时代的到来正在不可避免地逐步改变人们日常的工作、学习和生活习惯，以手持电脑、机顶盒、网络电话、住宅网间连接器等为代表的移动办公设各和家庭网络产品将在不久的将来形成时尚，在未来的信息社会中扮演重要的角色。
嵌入式系统接入Internet是一种必然的发展趋势。
嵌入式系统连接到Internet上面，可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。
将嵌入式系统与Internet结合起来主要的困难在于，Internet上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分32位处理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，若支持TCP/IP等Internet协议将占用大量系统资源，或根本不可能。
因而采用高性能的嵌入式处理器成为设计嵌入式Internet系统的关键。
随着技术的小断发展，高性能的嵌入式处理器不断涌现，如IBMPowerPC,MotorolaPowerPC.Intelx86,MIPS,ARM等系列。
因此采用高性能的嵌入式处理器设计嵌入式Internet成为可能。
1.1.3嵌入式LINUX的现状
随着嵌入式系统的发展，提出了对嵌入式实时操作系统的需求。
于是出现了很多商用的产品，如VxWorks,pSOS,QNX,Neculeus和WindowsCE等。
这些商用的操作系统虽然功能强大，但是价格昂贵，而且协议栈等等开发资源都是由相应的公司提供的，使得开发者受制于提供操作系统的公司。
Linux的出现打破了这一局而。
Linux的开发都是在GPL（GNUPublicLicense）的版本控制之下，因此Linux内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。
1.2课题的研究意义
近年来随着国民经济的持续快速发展，输电电压等级不断提高，电网的分布也越来越广，电力安全问题也表现得尤为突出。
输电线路具有分散性大、距离长、难以维护等特点，近年来事故逐年上升，传统的巡视方式已不能满足现有的安全需求。
因此，急需一种有力的监控、监测手段对输电线路上的重要设备和周边状况进行全天候监测，使输电线路运行于可视可控之中。
本课题要求利用嵌入式系统、图像
压缩及成熟后的3G网络可进行随时随地的将监控图象传送到远程监控中心和用户的PDA手机中，完成实时的图像采集和浏览。
1.3论文的主要工作内容
在经过对3G网络的学习和深刻理解后，对于嵌入式系统的整体架构进行了设计，并进行了可实现性的分析和调研，对于整体工作架构进行了完整的设计和分工，对其中的核心部分（基于嵌入式Linux系统的ARM控制器）进行了电路设计和软件设计，并对3G网络和视频压缩系统进行了有效的替代和模拟，不仅完成了视频数据在网络中的传输，而且对于一些细节问题在实际的实验中对一些原有的东西进行了改进。
1.4本课题的主要工作
1.熟悉嵌入式Linux开发环境。
2.研究了3G网络的业务特点，主要对其中的关于视频传输的业务进行了解。
3.对图像压缩的相关技术进行了研究。
4.研究并了解图像监控和图像传输系统。
5.研究Linux下Socket通信编程。
第二章
3G网络及视频传输的研究与介绍
本章首先对3G网络进行了详细的研究，并结合多种图像压缩技术和图像传输技术，最终结合3G网络、图像压缩标准及图像传输方法得出，利用H.264视频编码标准，利用流媒体视频传输技术在3G无线网络上传输远程视频的系统。
2.13G网络及其多媒体业务简介
2.1.1第三代移动通信系统（3G）
20世纪70年代末至80年代初，集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论所应用，许多国家纷纷推出以频分多址FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）和频分双工技术为基础的第一代模拟移动通信系统（1G），采用技术。
具有代表性的有美国的AMPS系统、英国的TACS系统、北欧的NMT系统和日本的NAMTS系统等。
第一代模拟移动通信系统存在着频谱利用率低、容量有限、制式太多、互不兼容、只能提供语音业务、不利于漫游等缺点，逐渐被数字蜂窝移动通信系统所代替。
20世纪90年代以来，随着数字技术的发展，以数字传输、时分多址/频分双工、码分多址/频分双工为主体的第二代数字移动通信系统（2G）逐渐代替了第一代模拟移动通信系统。
其技术进步表现在以下几个方面:
完善了呼叫处理和网络管理功能、频谱效率提高、系统容量增大、保密性好、标准化程度高。
第二代数字移动系统的成功不仅体现在技术上，在商业上也取得很大的成就，国际上商用的2G系统有欧洲的GSM系统、日本的PDC和美国的CDMA（IS-95）等。
国内目前2G系统有两大运营商，中国移动采用GPRS华北电力大学硕士学位论文系统（（GSM升级版），而中国联通采用CDMA系统。
1998年起，ITU-T综合标准化组织综合各国标准化组织提出的建议，开始制定和不断完善第三代移动通信标准IMT-2000。
第一、二代蜂窝移动通信系统主要针对传统的语音和低速率数据业务，而第三代移动通信系统（3G）主要面向高速率数据业务。
3G有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输，除了语音和数据传输业务，还能提供高达2Mbps的高质量多媒体业务。
根据无线空中接口技术的不同，现有3G技术大致可以分为3类:
由欧洲和日本提出的WCDMA系统、由美国提出的CDMA2000系统和由中国提出的TD-SCDMA系统。
其中WCDMA-FDD系统采用码分多址、频分双工的工作方式，上下行频率间隔为95MHz，采用直接序列（DS）作为信息扩频方式。
而WCDMA-TDD系统和TD-SCMDA系统都采用码分多址/时分多址、时分双工的工作方式，两者的区别在于扩频码的速率不同，前者采用高码片速率3.84Mcps，而后者采用地码片速率1.28Mcps。
CDMA2000采用码分多址、频分双工的工作方式，在下行链路传输中，定义了直扩和多载波两种工作方式，码片速率分别为3.6864Mcps和1.22Mcps。
而在欧洲，采用WCDMA作为无线空中接口技术的3G系统又被称为通用移动通信系统UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem）。
现有支持IMT-2000的标准化组织主要是3GPP和3GPP2。
其中3GPP称为3G合作伙伴项目，负责制定以原有GSM核心网络演变的3G标准，以WCDMA,TD-SCDMA为空中接口技术。
3GPP目前己经存在多个版本，每一个版本都有不同之处，目前最成熟的是R5版，正在制定的是R6版。
3GPP称为3G合作伙伴项目，负责制定ANSII-41核心网为基础，CDMA2000为无线空中接口的3G技术规范。
现在成熟的3GPP2版本主要有CDMA2000-1X和CDMA2000-1XE，其中后者是前者的增强技术。
从以上的描述和表2.1可以看出，在与之前的网络相比，3G网络有着带宽高，交换快的优点。
非常适合视频传输，而目前所提供的2.5G网络还远远达不到视频传输所需要的带宽，我们有理由相信，3G网络的到来代表着视频传输的新时代到来。
2.2主要图象压缩方法和视频压缩标准介绍
将模拟视频信号转化为数字视频信号包括不少技术问题。
模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。
模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模数转换器对三个分量分别进行数字化，最后转换成RGB（Red,Breen,Blue，三原色）空间。
根据电信号的特征，亮度信号的宽度是色度信号带宽的两倍。
因此其数字化时可采用幅色采样法，即信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。
用Y:
U:
V来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有4:
1:
1,4:
2:
2和4:
4:
4三种。
电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪图像的方式要复杂的多。
分量采样时采集到的隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本采样点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。
2.2.1图象压缩的主要基本方法简介
随着数字通信技术和计算机技术的发展，数据压缩技术日臻完善，适合各种应用场合的编码方法不断产生。
目前常用的压缩编码方法可以分为两大类:
一类是无损压缩法，也称冗余压缩法或嫡编码法;另一类是有损压缩，也称嫡压缩法。
1.帧内和帧间压缩
帧内数据是指一帧画面内水平和垂直方向取样点的集合，或称图像空间。
把只利用空间冗余度的技术归类为帧内编码技术。
帧内编码的例子有帧内预测编码（DPCM）、二维离散余弦变换（DCT）、矢量量化（VQ）、子带编码和塔形编码等。
由于帧内编码不涉及时间维的信息量，不能获得如帧间编码那样高的压缩水平。
在帧间方法中，需要同时考虑空间和时间的冗余度。
然而，帧内编码的实现相对而言比较简单，编码器中不需要用以处理相邻帧数据的存储器，不需要在1个帧的间隔时间内处理来自多帧的信息。
2.预测编码
预测编码的原理是由邻近的像素值预测当前的像素值，然后对当前的像素和预测像素的差值进行量化和编码。
考虑到在高性能和复杂性之间的折衷，通常用于帧内预测的邻近像素的个数并不多（不超过4个），使用更多的像素并不会显著改进预测性能。
对于帧间预测，一般只用相邻帧的对应像素进行预测。
图像的相关性越大，预测误差就越小，取得的压缩比也就越大。
相对说来，DPCM是一种比较容易实现的压缩方法，但在较低速率时，其压缩能力一般不如变换编码好。
3.变换编码
正交变换的理论证明，通过某种正交变换，可以把数据从图像域映射到变换域中去，总能量不变，但其分布则发生改变，集中分布在少数区域，形成一种更紧凑的形式。
这使得图像在变换域中可以用更少的比特数表示，以此获得压缩。
尽管正交变换有许多种，但实用中大都选用二维DCT（离散余弦变换）进行变换编码。
这是因为其性能优越，接近最佳的K-L变换。
将一幅图像分割为多个相邻小方块，对每个单独的图像方块进行DCT变换。
图像块尺寸的选择是在图像质量、压缩效率和实现难度之间进行折衷而决定的。
在实际应用中，常选8X8或16X16的图像块。
4.变长编码
它包括2部分，即一维游程编码和霍夫曼编码。
图像经DCT（离散弦变换），变换和量化后形成为数众多的零系数，而且这些系数大部分集中在高频部分。
为了充分利用这一点，在进行游程编码时，对8X8图像块的DCT系数采用曲折扫描顺序处理，以期获得较长的连零值，有利于其后的游程编码。
游程编码将曲折扫描后的系数变成若干对（游程一幅值）数据这里，游程是指连零的个数，幅值是指非零系数的值。
5.运动估计
为了提高图像的压缩比，在帧间预测时采用了运动估计的方法。
在前帧中的一个运动物体在现帧中运动了，如果采用通常的帧间预测的方法，前后帧对应位置的像素相减，这一部分的帧差必然较大。
然而，通过计算该运动物体在前后两帧之间的相对位移（运动矢量）来估计其运动的大小，可以使图像数据（一般为1个图像块）最好地和前一帧图像相匹配（这一最佳匹配的运动矢量也需要送到解码器）。
这样，现帧中的运动物体和前帧对应的部分的帧差要比没有运动估计的情形下两帧相同位置时的帧差小。
在对有运动估计的帧差进行压缩编码时，其压缩比当然会有所提高。
第三章
基于3G的图像采集和传输模块的硬件设计
无线远程监控系统指的是利用无线传输网络实现远程现场视频信号传输的系统。
无线传输网络可以是微波、卫星或移动通信网络。
其中,成本最低、灵活性最强的是移动通信网络。
目前最常用的无线数据网络有GPRS或CDMA1.x。
无论是CDMA1.x还是GPRS网络,其上行带宽均在100kbps以下,监控画面的图像格式要求在320×240以上。
通常情况下传输的是一幅幅采集时间间隔为几秒的图像,图像连续性差,还无法传输实时连贯的画面。
而3G（第三代移动通信系统）是一种
能提供多种类型、高质量的多媒体业务,能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力。
在准静止条件下能够达到2Mbps的速率,即使在高速的列车上,传输速率也可以达到144kbps,能够支持音频或低速率视频等多媒体业务。
由于3G网络的发展,实现远程视频的无线传输已不再是遥远的梦想。
假设在最差状态下,3G网络的传输速率为144kbps,监控画面图像格式采用320×240像素,且每个像素采用24bit,则
每帧的数据量为320×240×24=1843200bit/帧,压缩比采用
250∶1,则压缩后的数据量为1843200bit/250=7372.8bit/
帧,那么用3G无线网络传输可达的帧数是144kbps/737218bit/帧=20帧。
由此可以看出,即使在最差的情况下,视频通信还能够保证以20fps的传输速率,完全满足高质量实时视频要求。
本文提出一个基于3G无线网络的高质实时远程视频监 无线远程监控系统指的是利用无线传输网络实现远程现场视频信号传输的系统。
无线传输网络可以是微波、卫星或移动通信网络。
其中,成本最低、灵活性最强的是移动通信网络。
目前最常用的无线数据网络有GPRS或CDMA1.x。
无论是
CDMA1.x还是GPRS网络,其上行带宽均在100kbps以下,监控画面的图像格式要求在320×240以上。
通常情况下传输的是一幅幅采集时间间隔为几秒的图像,图像连续性差,还无法传输实时连贯的画面。
而3G（第三代移动通信系统）是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务,能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力。
在准静止条件下能够达到2Mbps的速率,即使在高速的列车上,传输速率也可以达到144kbps,能够支持音频或低速率视频等多媒体业务。
由于3G网络的发展,
实现远程视频的无线传输已不再是遥远的梦想。
假设在最差状态下,3G网络的传输速率为144kbps,监控
画面图像格式采用320×240像素,且每个像素采用24bit,则
每帧的数据量为320×240×24=1843200bit/帧,压缩比采用
250∶1,则压缩后的数据量为1843200bit/250=7372.8bit/
帧,那么用3G无线网络传输可达的帧数是144kbps/737218bit/
帧=20帧。
由此可以看出,即使在最差的情况下,视频通信还能够保证以20fps的传输速率,完全满足高质量实时视频要求。
本文提出一个基于3G无线网络的高质实时远程视频监控系统。
1 实时视频网络传输系统设计
本系统是利用3G无线网络传输视频信号的新一代视频监控系统（图1）。
该系统主要由三部分组成,即视频采集压缩模块、无线的数据传输模块和远程的监控中心。
视频采集压缩模块采用TMS320VC5416作为中央处理器,OV7620完成现场图像的采集,由ADV611负责图像的压缩和编码,CPLD完成各种接口逻辑和时序匹配的控制系统。
无线数据传输模块采用3G无线modem,它内部存放有3G的网络连接端口协议,并嵌入式地实现了TCP/IP协议、POP3/SMTP协议,同时支持动态
IP,完成与3G基站的无线连接与数据交换。
远程监控由PC机和相应的解压及视频软件组成,如图1所示。
整个视频流的处理、传输和接收过程是:
在视频发送端,OV7620对模拟视频进行采样,获得数字视频信号,ADV611对数字视频信号进行视频编码,生成适应网络传输的视频码流,DSP可以根据网络反馈信息,估计网络的可用传输带宽,自适应地调整ADV611编码器的编码输出速率,使得视频码流能够满足当前网络可用带宽;视频码流通过调制由3G无线网络传送到监控中心;在监控中心,对接收的视频流进行解码、重构视频信号、计算当前网络传输参数（如传输过程中丢包情况和出
错情况等）,然后根据该信息发出反馈控制信息。
该系统采用功能强大的数字处理芯片和高效的压缩芯片,将视频压缩与传输处理工作分别内置到芯片上。
由现场图像采集芯片传来的视频信号数字后由高效压缩芯片压缩和编码后,通过数字处理芯片内部处理后通过USB控制器传输到3G无线modem,最后通过3G无线网络转发到远程监控中心上。
监控中心的用户可以通过专用软件或直接用浏览器观看Web服务器上摄像机图像,并且授权用户可以控制终端动作。
2 实时监控系统实现模块
针对视频信号的速度快及数据量大的特点,图1中的数字处理芯片采用TI公司的高速定点TMS320VC5416。
这样既可以满足对各芯片控制速度的要求,同时,具有较多的内部RAM可满足图像处理的一般要求。
本系统另一个关键芯片是图像压缩芯片ADV611,它是采取小波变换进行图像压缩的。
小波变换可以将图像分解为低频成分与高频成分,从而更加有利于对图像的分析和处理。
并且,利用小波变换可以消除传统DCT变换带来的方块效应。
2.1.1 视频采集模块
本系统的视频采集芯片采用OV7620。
OV7620芯片是美国OmniVision公司的CMOS图像传感芯片,包括664×492的感光阵列。
感光阵列输出原始的R、G、B彩色图像信号,经模拟处理电路进行曝光、gamma校正、白电平调整等处理后根据输出要求还可转换成YUV等多种信号输出格式。
它包括664×492高分辨率图像数组,一个模拟信号处理器,双10bitA/D转换,模拟视频合成,数字数据格式化和视频输出,SCCB接口和寄存器,数字控制包括定时块、扫描块和白平衡。
该芯片可提供015～30fps,640×480像素点阵CMOS的彩色或黑白数字图像,工作频率为27MHz,像素时钟为27MHz。
2.1.2 视频编/解码模块
本系统采用了基于小波变换的ADV611编/解码芯片。
ADV611是AD公司推出的新一代基于小波理论的视频压缩/解压缩芯片,是一种低价、单机、多功能、全数字的CMOS2VLSI器件。
支持对CCIR2611数字视频进行高画质实时压缩解压缩。
ADV611在压缩时,其视频信号的奇偶场是单独进行的,压缩比可以从4∶1～7500∶1,在不同的图像质量要求选择不同的压缩倍数,并获得比较好的主观评价效果。
视频信号压缩数据率由输入数据率和选择压缩率决定。
ADV611内部有一个小波变换核,压缩算法使用基于双正交（7,9）的小波变换,每场独立进行子代编码。
ADV611采用Mallat快速算法,首先通过滤波将一帧视频分成42个分离的频带,然后再进行相应压缩,最优化每个频带使之只包含那些肉眼能看到的频率分量（对应有用的信息）,由于人眼对高频分量不敏感,就没有必要压缩和存储这部分信息,色度分量占总频带数的三分之二即28个频带,亮度占剩下的14个频带[1]。
ADV611片内集成了一片SRAM,用做变换时的高速数据缓存,保证视频信号能实时处理。
3 实时监控系统工作流程
实时监控系统视频信号处理流程如图2所示。
系统启动后,DSP（数字信号处理芯片）对各芯片进行初始化操作,设置各芯片的工作参数后,各芯片便开始工作（OV7621图像采集芯片和ADV611图像压缩芯片,图2未画出）。
CPLD利用OV7621和ADV611的输出信号参数对信号的行和列进行计数,送出符合要求分辨率的图像信号,并产生双口RAM的地址、读和写的选通信号。
将压缩编码后的图像写入双口RAM中,写完一帧图像后发出中断信号通知DSP读取,DSP响应中断信号,从双口RAM中读取该帧图像,对该帧图像作相应处理后通过USB控制器转发图像数据到3G无线模块中,最终通过3G网络传输到远程的视频监控中心。
4 系统服务质量的保证
视频信号传输和一般的网络数据传输有明显的区别,主要表现在:
一般的网络数据对传输延时和
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