基于AVS的视频监控系统毕业设计文档格式.docx
《基于AVS的视频监控系统毕业设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AVS的视频监控系统毕业设计文档格式.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
视频解码。
第一章绪论
随着计算机、网络、通信等多种技术的迅速发展，网络视频监控系统得到越来越广泛的应用，目前已渗透到教育、政府、娱乐场所、医院、酒店、运动场馆、城市治安等多种领域。
为满足日益广泛的用户需求，有必要开发一种新的网络实时监控系统。
在监控系统的发展初期，由于计算机硬件和软件技术和产品等方面条件的限制，监控系统开发和生产厂家采用的是独立开发的路线。
软件和硬件、通信规约都由各厂家独立开发，其主要问题是系统开发、生产成本高，价格高，不能大量推广使用；
另外，各系统之间不能互连互通，系统的可扩展性和可维护性差。
随着微型计算机的普及应用和软件技术、硬件技术的进步，监控系统厂家的分工日益明确，有的从事通用软件的开发和生产，如组态软件，有的从事硬件板卡的设施和生产，有的从事系统的集成。
与监控系统相关的技术标准的制定和贯彻实施推动了监控系统的技术发展和监控系统产业群的形成。
在我国，监控系统产业群的整体实力还不能和国外的势力抗衡。
主要问题是监控开发的软件和硬件基本上依靠进口，大部分厂家定位在初级的系统集成层次。
随着中国加入WTO的迫近，我们将面临越来越激烈的竞争。
如何走出一条有我国特色的监控系统产业发展的路子，是我们必须回答的问题。
加快创新是形成和保持竞争优势的一个灵魂，要加快创新，既包括核心技术的创新，也包括非核心技术和体制的创新，这是非常重要的思路。
如海尔，很多是非核心技术的创新，海尔的小洗衣机，别人没想到，夏天洗衣少，把大洗衣机改成小洗衣机，这种创新就非常好，取得了较好的经济和社会效益。
联想的PC机做得很成功，但联想的核心技术CPU不是它的，同样运用非核心技术，也获得了成功。
政策环境与市场
随着中国加入WTO和中国经济的快速发展以及信息技术的高速发展，给监控系统产业带来了前所未有的机遇和挑战。
现在大家比较流行用“机遇与挑战并存”这种词，龙永图部长讲过一句化，“机遇和挑战不一定是固定的，而是动态的，是可以转变的，不是机遇等着你去抓就行了，你不去抓机遇，它就不是机遇”。
那么，在信息化时代，我们应怎样去抓机遇呢？
机遇和挑战的优势方面，我认为机遇主要表现在以下两个方面。
政策环境
国务院总理朱镕基在2000年《政府工作报告》中强调指出，要大力开发和推广对传统产业升级起关键作用，有共性的高新技术。
推动优势科技力量，参与企业技术改造和重大项目引进的消化吸收与创新工作。
在《中共中央、国务院关于加速科学技术进步的决定》中，提出了发展高新技术及其产业。
指出“发展高科技、实现产业化，是带动产业结构升级、大幅度提高劳动生产率和经济效益的根本途径。
国家产业政策和发展规划要把发展高技术产业摆在优先位置，在财税、信贷和采购等政策上给予重点扶持。
要努力提高国产高技术产品的性能、质量和市场竞争力，提高高技术产业的规模效益和在国民经济中的比重，使一些高技术产业逐步成为国民经济的支柱产业。
”“知识经济”是保持我国经济持续、高速、健康、稳定发展的基础
863计划从世界高技术发展的趋势和中国的需要与实际可能出发，坚持“有限目标，突出重点”的方针，选择了生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术和新材料7个高技术领域作为我国高技术研究发展的重点（1996年增加了海洋技术领域），其中在自动化和信息领域的投入均占相当的比例，且成逐年上升趋势。
这些都说明，国的政策给监控技术的创新、发展、产业化提供了良好的环境，为监控技术的产业化发展铺平了道路。
庞大的市场
系统应用到工业生产和事物管理的领域主要有：
楼宇自动化；
无人工作站系统；
无线通讯基站网；
邮电通讯机房空调网；
电力系统配电网；
铁路系统电力系统调度网；
铁路系统道口，信号管理系统；
坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网；
石油和天然气等各种管道监控管理系统；
地铁、铁路自动收费系统；
交通安全监侧；
城市供热、供水系统监控和调度；
钢铁工业高炉安全监控系统；
环境、天文和气象无人检测网络的管理；
各种工业锅炉监控保护系统；
其它各种需要实时监控的设备。
机械人、机件臂系统用于监视和控制机械人的生产作业；
其它生产行业如大型轮船生产运营、粮库质量和安全监测、设备维修故障检测、高速公路流量监控和记费系统等。
经过分析研究，我们认为电力、冶金、环保、交通等几个主要领域“十五”对监控系统的需求都有较大的增长。
这些市场，蕴含着无穷的产业化发展机遇。
以城市轨道交通的建设为例，我国目前已在北京、天津、上海、广州建成运营的城市轨道交通路线，总里程120公里，车辆总数1000辆；
2000年，国家计委已经批准包括深圳、重庆、南京等在内的15个城市进行城市轨道交通的建设，共21条线路，总里程524公里，约需投资2000亿元，其中轨道车辆需要2000辆。
这给各专业的制造商带来了巨大的商机，自动化系统当然也是其中很重要的一个部分。
据国外轨道交通工程的造价分析，一般土建工程造价占50%~55%，轨道占2%~7%，车辆站13%~17%，机务段占5%~6%，牵引供电占7%~10%，通信信号占10%~12%。
而我国的深圳地铁造价构成为：
土建工程造价占53%，轨道占2%，车辆占13%，机务段占6%，牵引供电和通信信号占26%。
对其中所包括的前述各部分的自动化系统进行分析，车辆及车站自动化系统、通信和信号系统涉及的总价格构成大约占地铁总造价的15%左右，这意味着在五年内共有约300亿元人民币的市场。
再如，铁路方面，“十五”期间，我国除完成“九五”期间已经开工的几条电气化铁路工程外，还将改造既有线路如广深四线、京沪线和新建内昆线、宁西线等电气化铁路，总里程达8000公里。
预计到2005年，我国电气化铁路建设里程将达2万公里，2010年达2.6万公里。
这对铁路电气化监控系统及其技术的产业化提供了舞台。
因此，监控系统产业的前景是美好的，而且有助于实现监控系统等高新技术对传统产业的优化升级。
监控系统产业面临的挑战
监控系统面临的技术挑战
监控系统的技术研究将以上述监控系统的新需求和特征为出发点，以智能控制技术、现代通信技术和计算机技术为基础，以三者的有机融合为目标，进行关键技术的应用基础研究和开发，为传统产业的升级改造、生产和管理过程的自动化、信息化和智能化提供强有力的技术支持。
信息化时代监控系统涵盖了计算机技术、现代数字信号处理、现代网络通信技术及智能控制技术等较多领域，在这些领域的诸多新技术还须深入研究才能融入和集成到监控系统产品之中，新产品的可靠性还需要不断的提高，这无疑给我们带来了技术上的挑战。
市场的挑战
随着我国市场经济的完善，过去的行业保护将不复存在。
国内厂商将站在同一起跑线上展开竞争。
另外，伴随中国加入WTO带来的市场开放，我们将直面众多的国外自动化厂商的
竞争。
市场竞争归根到底是质量和价格的竞争。
在当前形式下，决定质量的要素是：
技术的标准化程度、开放性、可维护性、可扩展性、可靠性等以及售后服务。
一句话，技术含量是决定产品质量的一个关键因素。
不断变化的用户需求
随着监控系统系统规模越来越大，用户要求监控系统具有开放性和动态可扩展性，要求系统容易维护，要求系统安全、可靠和不间断地运行。
这些要求是永恒的，可以归纳为系统的在线扩展、在线维护和在线容错特性。
而传统的系统结构无法满足这些要求。
事实上，用户的更高要求是推动技术进步的一个要素。
研究策略
（1）深入研究监控系统智能化技术
对于监控系统，往往具有多个控制、操作和管理任务，在技术研究时，我们把这些任务按如下层次进行划分：
管理层---全局优化与智能决策，计划与调度---计划、调度，高级控制---局部优化、智能故障诊断，常规控制---监控、顺序控制，数据采集---高速数据采集、测量。
不同层次的任务由不同的子系统来完成，系统的不同层次具有相互依赖性，一个子系统中产生的事件将影响其他系统。
在一个系统的所有层次，需要实现数据采集的自动化，对数据和知识进行管理。
因此，系统智能化技术研究的总体目标应按数据和知识管理、从数据中挖掘知识、向用户恰当地表达知识、提供优化策略和决策支持由底层到高层的层次进行。
（2）系统研究信息系统与监控系统的综合集成技术
大型生产厂家面临的一个问题是产品多样化的需求。
要占领并控制市场，就必须充分了解市场，积极迅速捕捉信息。
往往市场需求变化非常之快，一种新产品没上市多久，就被更新的产品所替代。
厂家想要追求更高的经济效益，必须及时调整生产计划、改造工艺。
这就要求企业的信息系统和监控系统实现综合集成，并根据信息系统的反馈信息监控系统能做出相应的调整。
传统的监控系统自然不具备此种能力。
采用TCP/IP等标准的通信协议，可以实现不同操作系统、不同硬件平台计算机间的集成和互操作。
但对于信息系统和控制系统等属性完全不同的系统（应用级的异构系统），如何在保护系统的自律性的前提下，实现增值集成是殛待系统研究的技术课题。
开发策略
用户要求控制软件和现场设备具备开放性、互操作性。
这就对过程控制软件的开发提出了新的要求，只有功能强大、开放、可互操作的过程控制软件才是一个成功的系统。
1.1概述
监控系统主要由控制主站、通信系统和远方终端装置（RTU）三部分构成。
控制主站包括主机、备用主机（可选）、人机接口、通信接口等；
通信系统包括MODEM、传输介质、局域网、广域网等；
RTU由通信接口、数字I/O模块、模拟I/O模块、计算机、PLC、当地控制台、自诊断测试、数据库维护等构成.
视频监控发展最大的特点就是数字化和网络化。
数字化是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，它是网络化的前提。
在视频监控系统中，数字化从根本改变了信息采集、数据处理、传输和系统控制等的方式和结构形式。
其中编解码是数字化的一个关键环节。
而网络化是监控系统从集总式向集散式发展的关键因素，它使得监控系统打破了布控区域的界限，扩展设备方便，逐渐向大地域、多领域延伸。
监控系统，大致可以分为前端设备、通信设备和后端设备三部分，系统的网络化使整个系统的硬件和软件资源可以共享，任务和负载也可以共享。
第二章视频监控系统的设计
2.1视频监控系统框架
通用的视频监控系统，大致可以分为前端设备、通信设备和后端设备三部分。
其中前端设备主要包括视频服务器及其相关设备，如摄像机，云台控制器，报警设备等。
视频服务器负责将视频数字化，对图像进行压缩编码，并可以通过接收到的控制信号对云台进行调整。
后端设备包括视频监控服务器和监控主机，前者接收前端视频服务器发送过来的压缩视频，完成解码后转发到相应的监控主机。
图1系统框架
系统中，前端设备为采集图像的摄像头，视频采集卡将输入的模拟图像转换为数字图像。
采集到的数字图像送到编码器进行视频压缩，压缩后的码流通过IP网发送。
监控服务器端从网络接收到码流后，进行相应的解码，然后显示在主机中。
在本系统中，关键技术集中在编码器，解码器以及网络通信上。
编码器和解码器对应了数字视频压缩编解码，而网络通信则是要保证压缩视频码流能够在IP网络上传输。
本文重点研究解码器与网络通信这两方面。
2.2AVS编解码原理
它是国内第一个拥有自主知识产权的数字音视频编解码标准，因此研究AVS标准，对推动我国的多媒体产业的发展具有重要的意义。
AVS采用与H.264相同的混合编码体系，如图1所示，包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测和环路滤波等技术模块[2]，这也是目前主流的编码体系。
输入视频的帧或场以宏块为单位被编码器处理。
图2AVS编码框架
与H.264类似，AVS视频标准也定义了I帧、P帧和B帧三种不同类型的图像。
图中S0是预测模式选择开关。
对于I帧中的宏块，只进行帧内预测，而P帧和B帧的宏块则需要进行帧内预测或帧间预测。
经过预测之后的残差图像进行8×
8整数变换（ICT）和量化，然后对量化系数进行zig-zag扫描（隔行编码块使用另一种扫描方式），得到一维排列的量化系数，最后对量化系数进行熵编码，得到输出的比特流。
解码过程是编码的逆过程，解码流程如图2所示。
编码器输出一个AVS压缩码流，码流经过网络传输或存储后作为解码器的输入。
AVS压缩比特流经过熵解码得到量化扫描后的变换系数，重新排列，再反量化、反变换，得到残差图像。
只进行帧内预测的图像帧直接进行环路滤波，重新构建恢复图像。
而进行过帧间预测的图像帧，需要将残差与预测块相加，再经过滤波，重构图像。
图3AVS解码框架
在视频编码标准中，P帧为前向预测帧，B帧为双向预测帧。
P帧和B帧编码需要进行帧间预测，而解码的时候也依赖于参考帧。
在传统的视频编码标准中，P帧的参考帧为一帧，B帧参考帧为两帧。
而H.264采用了多参考帧技术，允许P帧和B帧有多个参考帧。
鉴于AVS标准的目标是要以较低复杂度实现视频编解码，故采用的参考帧为两帧。
第三章系统设计与实现
一个视频监控系统的监控服务器端的基本功能模块有网络接收模块，解码模块，以及显示模块。
在实验中，为了便于研究，将视频监控服务器与监视主机设置为同一台计算机。
监控服务器工作流程如图4所示：
。
图4监控服务器工作示意图
3.1系统设计
网络接收模块：
由于视频监控系统的应用需求，视频监控服务端通常需要监控多路图像。
对于不同的监控区域，在监控的过程中，他们要能够相互独立，单独操作。
基于以上要求，在网络接收的时候，采用一个socket监听端口并负责建立连接，另一个socket负责接受数据。
各路视频分别定义了一个设备号，以标志视频来源的摄像头的编号。
有了这个编号就可以区分各种视频，在接受到数据以后，根据其设备编号不同，创建其各自的解码线程进行解码显示。
解码模块：
解码基于AVS参考源码rm进行设计，多路解码采用多线程进行设计。
选用多线程而不使用开启多个进程的原因是，线程间的通信更方便，因此解码后的重建图像显示在主线程中更容易。
由于rm不能支持多线程，因此系统的解码模块对rm进行了修改。
不同的线程中可能同时运行解码的代码，因此在解码的过程中要保证线程的同步即需要保证解码模块中的公共资源不被多个线程同时访问。
在课题的设计中，处理了解码程序中的大量全局变量，使各路解码的资源分配相互独立，互不干扰。
显示模块：
由于传输的视频图像是YUV格式的，而计算机显示的是RGB图像，因此需要将YUV转换成RGB色彩空间再显示。
在系统中，此转换的过程通过查表完成，而不是利用变换矩阵进行换算，这样能有效提高转换的效率，减少显示的时间，能更好地保证视频的实时显示。
3.2系统实现
系统的实现重点在于视频监控服务器端软件的实现。
服务器端软件的主要功能模块是网络模块，解码模块和显示模块，这三个模块保障了视频码流的顺利解码。
3.2.1网络模块
系统的网络环境是IP网络，因此网络传输需要符合TCP/IP协议。
TCP/IP网络中，传输层协议有面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。
前者建立了一条逻辑通信信道，尽管IP网络本身是不可靠的，但TCP连接仍然可以看做是建立了一条全双工可靠信道。
而无连接的UDP协议，建立的是不可靠的逻辑通信信道。
对于视频应用来说，通常采用的是无连接的UDP协议。
UDP传输数据前不需要先建立连接，因此效率高。
但对于一个视频监控系统，需要监控我们希望看到的监控点信息，而不希望截获到网络上其他对系统来说无用的信息。
而UDP只是向整个网络发送数据报，并不管谁接收它，因此不能很好的保证上述需求。
另外采用UDP的方式，也不便于验证用户注册信息，确认用户身份。
尽管TCP传送数据前必须要建立连接，因此增加了许多开销，占用了一定的资源，但是TCP的面向连接的传输服务，可以很好地保证用户在注册成功以后，监控服务器才开始接收视频码流，并能根据用户信息确定显示的窗口位置。
虽然TCP连接的开销不利于实时传输，但是对于系统使用的局域网环境，网络条件相对较好，因此可以保障面向连接的实时视频传输。
综上所述，系统采用TCP连接进行网络通信。
发送端与接收端通信过程如图5所示。
图5建立网络连接过程[3]
在发送端发起连接请求之前，监控服务器程序需要启动，并开始监听网络。
点击发送端连接按钮后，发送注册端口和数据端口两个端口的到目的地址的连接请求。
收到服务器响应程序连接注册成功后，就可以发送注册信息。
这一信息的发送是为了告诉服务器端本次连接来自哪个设备，以便监控服务器程序从多个监控点中识别出这一次的连接对应到哪一个监控点，显示时依靠这一信息解码后视频显示在对应的窗口中。
3.2.2解码模块
（1）解码多任务模式
由于视频监控系统工作时是同时监控多路视频，因此要求解码的模块必须要能同时解码多路视频压缩码流。
即是说，对于每一路视频码流的解码显示都是一个独立的任务。
实验采用的WindowsXP操作系统平台，是基于WindowsNT架构的，支持两种形式的多任务：
基于进程（process）的多任务和基于线程（thread）的多任务。
在计算机系统中，一个进程是一个正在执行的应用程序。
系统为每个正在执行的应用程序创建并仅创建一个进程。
基于进程的多任务，是将每个任务都设计为进程。
多个进程，也就是多个应用程序可以并行执行。
而线程是进程的一条执行路径，是一个可分离的执行代码片段。
每个进程至少有一个线程，但也可以有多个线程。
WindowsXP允许多个线程并行执行，即允许一个程序的两个或多个部分同时执行。
进程之间可以采用IPC（InterProcessCommunication）进行数据的交换和消息的传递。
而对于从属同一进程的多个线程，就可以通过全局共享缓冲区交换数据，其效率远高于IPC。
因此，采用基于线程的多任务所实现的应用程序，要比采用基于进程的多任务运行效率高。
对于视频监控系统，各路视频码流的解码过程虽然相互是独立的，但是他们均需要与用于显示的界面进行数据的交互，因此，采用多线程的设计更为有效。
（2）AVS解码技术要点
AVS码流的解码过程包含了图像、条带、宏块和块各个层次的解码。
在解码程序的实现中，解码过程有四个重要的API，分别是,GetOneFrameBitsFromBuffer,DecOneFrameFromBuffer，CloseAVSDec和OpenAVSDec。
以下是各个函数的主要功能：
OpenAVSDec：
检查码流的序列起始码；
为参考图像分配内存空间；
初始化解码器。
GetOneFrameBitsFromBuffer:
找到起始码，读出序列头，从中获取图像参数；
读取完整的一帧的数据。
DecOneFrameFromBuffer:
获取图像头信息，对一帧图像进行解码，包括条带，宏块和块的解码。
CloseAVSDec:
销毁解码器。
这一函数在解码结束以后必须调用，以便释放内存资源。
这四个函数对应了解码的四个重要步骤，即创建解码器，读取待解码图像数据，解码图像和销毁解码器。
下面从这四个步骤来进行详细的介绍。
3.2.3显示模块
解码恢复后的图像还不能直接显示，因为这里涉及了计算机系统与视频码流色彩空间不同的问题。
通常，输入的视频是YUV格式，而计算机显示的是RGB色彩空间，因此需要对视频的色彩空间进行调整后再显示。
YUV与RGB相互转换
升级会员 