论文office 排版.docx
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论文office排版
分类号：
密级：
硕士研究生学位论文
基于3G网络的嵌入式高速公路H.264视频监控服务器的设计与实现
专业：
计算机应用技术
研究方向：
计算机检测与控制
研究生：
XXX
指导教师：
XXX教授
论文起止日期：
2009年4月至2010年4月
分类号：
密级：
硕士研究生学位论文
基于3G网络的嵌入式高速公路H.264视频监控服务器的设计与实现
专业：
计算机应用技术
研究方向：
计算机检测与控制
研究生：
XXX
指导教师：
XXX教授
论文起止日期：
2009年4月至2010年4月
Embedded3GnetworkbasedonH.264videosurveillanceserverHighwayDesignandImplementation
Major：
ComputerAppliedTechnology
DirectionofStudy：
ComputerTestandControl
GraduateStudent：
Supervisor：
Prof.MaiChengGuo
SchoolofComputerScience
YangtzeUniversity
April,2009toApril,2010
摘要
随着国民经济的迅速发展，交通量的日益增多，在我国高速公路的某些区段必然会出现常发性和偶发性的交通拥挤。
高速公路临近系统简介高速公路视频监控系统一般分为收费监控和道路监控两部分。
收费监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。
道路监控系统主要是对高速公路干线、互通立交、隧道等高速公路重点路段进行监视，掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给予引导，保证高速公路的安全通畅。
目前高速公路中对视频信号的监控和管理自下而上可分为以下几层：
（1）收费站：
各收费站需要对本地的视频信号进行监控。
各收费站所辖的摄像机信号全部引入本地视频监控系统，收费站对本地所有图像进行监控管理。
（2）监控分中心：
一条高速公路通常设置几个路段监控分中心，分别对某一路段进行监控和管理。
各收费站图像根据路段监控分中心要求选择几路上传，路段监控分中心对路段中各收费站上传的图像进行统一监控和管理。
（3）监控中心：
（有些不设此级）多条高速公路的统一管理通常根据地域划分为若干个片区来进行。
一个片区对某一区域内相临或相连的几条高速公路进行统一的监控和管理。
这几条高速公路的监控分中心根据片区监控中心的要求上传图像，片区监控中心对各路段监控分中心上传的图像进行统一监控和管理。
（4）省监控中心：
各省高速公路管理局需要对省内所有的高速公路进行统一监控、管理和调度。
各片区监控中心将自己所辖区域内的视频信号选择上传到省中心，由省中心统一监控和管理。
省中心、监控中心、监控分中心之间采用联网分级控制。
控制信号采用逐级转发的形式转发到需要控制的设备。
作为高速公路智能交通系统应用的一个主要方面，交通监控智能化是发展的大趋势。
同时，随着IP智能监控技术的迅速发展，计算机和图像处理技术的革新，先进成熟的IP智能监控系统将成为公交系统监控的主流。
特别是近年来基于3G无线通信技术的迅速发展，无线远程视频监控系统以其移动装备监控网络化、数字化以及移动性等特点，集合数字采集、影像压缩、存储、数据处理、报警信号的采集、无线数据远程网络传输等功能，将前端的模拟信号处理成高清晰的实时数字图像通过3G无线发布到网络管理中心，实现异地远程移动视频监控。
荆州市作为湖北省重要的交通枢纽城市，荆襄、荆岳等一批高速公路先后建成通车，对这些高速公路更好的管理便提上了日程。
作为一名交通系统的职工，本人有幸参与到了该项目课题的研究。
通过参阅大量课题相关资料、借鉴目前成熟的技术和算法，于是，便有了本论文的出现。
本课题所设计的视频监控服务器由前端视频采集模块、DM6446为核心的嵌入式DSP、3G无线模块组成。
前端视频采集模块采集的实时图像信息经过数模转换，将信号传入DM6446DSP处理芯片，DSP将前端采集的实时信号经过植入的H.264算法进行视频的压缩并封包，最后将已经封包的压缩编码通过3G网络将经过处理的图像发送至客户端。
在设计阶段，首先介绍了国内外相关技术的现状，并介绍了视频压缩关键技术，然后进行了H.264算法选择及讨论，在目前三大开源H.264编解码算法进行了适当改进，以期达到误码率小，图像清晰的目的；第二步，进行了芯片选型与开发平台选择，并对硬件平台做了适当的内存管理改进，以期达到快速运算的目的；第三步，进行了基于DSP平台的H.264编码算法的讨论；第四步，介绍了适应3G的封包技术，并介绍了适应3G平台的封包算法；第五步，将改进的编码算法与数据封包算法移植到芯片中；第六步，进行了嵌入式视频监控系统的软件设计。
采用基于H.264压缩编码技术和3G技术实现网络视频监控系统，在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势，具有重要的学术意义与实用意义。
关键词：
DM6446，H.264，3G
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,theincreasingtrafficinChinaisboundtocertainsectionsofhighwayoftenfatandsporadiccongestion.Applicationofintelligenttransportationsystemasahighwayasamainaspectofintelligenttrafficcontrolisthetrendofdevelopment.Meanwhile,withtheIPtechnology,therapiddevelopmentofintelligentcontrol,computerandimageprocessingtechnology,innovation,advancedandmatureIPintelligentmonitoringsystemwillbecomethemainstreampublictransportsystemmonitoring.Especiallyinrecentyearsbasedon3Gwirelesscommunicationstechnologyisdevelopingrapidly,wirelessremotevideomonitoringsystemforitsmobilenetworkequipmentmonitoring,digital,andmobilitycharacteristics,acollectionofdigitalcapture,videocompression,storage,dataprocessing,alarmsignalacquisition,long-rangewirelessdatanetworktransmissionandotherfunctions,thefront-endanalogsignalprocessingintoahigh-resolutionreal-timedigitalimagereleasedby3Gwirelessnetworkmanagementcentertorealizetheremoteremotemobilevideosurveillance.
JingzhouCity,HubeiProvinceasanimportanttransporthub,Jingxiang,Jing-yuhasanumberofhighwayopenedtotraffic,bettermanagementofthesehighwayswillbeputontheagenda.Asatransportsystemworkers,Ihadthehonortoparticipateinresearchprojectsintheproject.Seealotofrelevantinformationbytopic,referencethecurrentmaturetechnologyandalgorithms,so,therewastheemergenceofthisthesis.
ThissubjectisdesignedvideosurveillanceserverbytheDM6446embeddedimageserverasthecore,3Gwirelessmodule.Embeddedimageserver,real-timeacquisitionimagescompressedusingH.264encodingalgorithm,andthe3Gnetworkwillbeprocessedbytheimagesenttotheclient.Inthedesignphase,thefirstchoicefortheH.264algorithmanddiscussioninthecurrentthreemajoropensourceH.264codecalgorithmwasimprovedinordertoachievetheerrorrateissmall,theimageclearpurpose;thesecondstep,carriedoutchipselectionanddevelopmentplatformselected,thesystemusesahigh-speeddual-coreTIDM6446socchip,andwillmigratetochipH.264algorithm,3Gtransmissionmoduleusingthepopular3Gwirelessnetworkcardstoachieve;Thethirdstepwasembeddedvideosurveillancesystemsoftwaredesign.CodingbasedonH.264compressiontechnologyand3Gtechnologynetworkvideomonitoringsystem,stability,function,costandscalabilitysoallhaveoutstandingadvantages,animportantacademicsignificanceandpracticalsignificance.
Keywords：
DM6446，H.264，3G
目录
第1章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1视频监控系统的发展2
1.2.2图像压缩编码技术的研究现状3
1.3本课题研究的内容与技术特色点5
1.4论文的组织结构6
1.5本章小结6
第2章H.264算法及其在3G中的应用7
2.1H.264算法概述7
2.1.1H．264编码器结构8
2.1.2H.264的档次和级9
2.1.3H.264的核心技术12
2.1.4H.264的研究现状21
2.2H.264编码技术在3G中的应用24
2.2.13G移动通信系统中的视频业务24
2.2.23G系统及信道特性24
2.2.3H.264编码在3G中的应用25
2.3本章小结27
第3章基于3G的H.264的封包方法28
3.1传统流媒体系统简介28
3.2流媒体传输协议29
3.2.1RTP/RTCP29
3.2.2RTSP31
3.2.3RSVP32
3.3H.264的RTP封装32
3.3.2H.264NAL视频流格式33
3.3.4H.264视频流传输控制算法34
3.4本章小结37
第4章嵌入式视频监控服务器的硬件设计38
4.1嵌入式监控服务器系统结构38
4.2系统硬件设计39
4.2.1DM6446处理器简介39
4.2.2硬件电路设计40
4.3本章小结41
第5章软件平台介绍及改进算法42
5.1软件平台介绍42
5.1.1Davinci技术概述42
5.1.2Davinci的程序开发框架43
5.1.3DSP算法开发44
5.1.4映象文件及编解码器引擎的集成44
5.1.5ARMLinux应用程序开发45
5.2Davinci的内存管理及改进算法45
5.2.1达芬奇的内存管理方式45
5.2.2达芬奇的内存管理的不足46
5.2.3改进的内存管理策略47
5.3本章小结49
第6章系统软件设计50
6.1嵌入式操作系统的设计50
6.1.1引导程序bootloader的实现50
6.1.2嵌入式Linux内核及文件系统的实现50
6.1.3ARM／DSP驱动程序的实现51
6.2H.264算法的API函数实现53
6.3视频图像传输模块的实现55
6.4本章小结56
第7章总结与展望57
参考文献58
致谢62
个人简介63
研究生学位论文原创性声明和版权使用授权说明64
基于3G网络的嵌入式高速公路H.264视频监控服务器的设计与实现
第1章绪论
1.1研究背景及意义
从上世纪九十年代开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，尤其是1998年中国实施积极的财政政策以来，中国公路建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。
从1990年到2003年的14年间，中国公路建设累计投资近2万亿元，其中仅2003年就达3715亿元，创历史新高。
2004年1至9月，中国公路建设完成投资比去年同期又增长了26．6％。
到2003年底，中国公路通车总里程达181万公里，居世界第三位，其中44％是最近14年内修通的。
截止到2004年已突破3万公里，高速公路总里程位居世界第二。
“十五”全国共新增公路里程25万公里，其中高速公路2.47万公里，超过了2000年以前高速公路建设的总和。
交通部有关负责人说，针对公路交通事业的长远发展需要，交通部提出了8.1万公里国家重点公路建设规划，计划到2020年完成，并与目前的国道主干线共同构成国家骨架公路网。
届时，中国高速公路将达到7万公里【51】。
高速公路是一个国家现代化水平的重要标志之一，它与一般公路相比，具有线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，如不采用先进的管理措施，在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故和交通阻塞。
为此，在一些车流量非常大的高速公路上部署全程的监控系统就是必不可少了。
高速公路监控系统也从无到有、从小到大、从模仿国外到完全自行设计并制定适合我国的相关标准，也取得了相当大的成绩，但是，与国外相比我国高速公路监控技术水平处于初级阶段。
近几年，随着嵌入式计算机技术、自动化控制技术和3G通信技术的发展，高速公路监控系统的技术结构也随之发生变化，本课题正是在这样的背景下提出的。
高速公路监控系统它主要分为收费站监控、隧道／特大桥梁监控和路面监控三大组成部分。
对于收费站监控，仍采用原有的基于有线的监控方案，而对于隧道／特大桥梁监控和路面监控，由于监控点分布在较广阔的范围内，并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，或者因为物理因素难以架设线缆，如遇到河流山脉等障碍时，本监控方案可很好地解决上述问题。
采用本方案无需铺设网络电缆，可迅速方便地在各种需要的地方布署数字摄像设备，建立新的视频监控系统或对现有的视频监控系统进行扩展，具有很强的灵活性和可扩充性。
利用3G通信技术，可以将多个被监测点与中央控制中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线链路。
在我国，随着3G移动通信系统走向实用，高至2MHz的带宽将为无线视频监控提供更加强有力的支持，此时视频的质量将会有极大的改善。
作为目前最新的视频编码技术H.264，在视频监控方面有着非常大的前景。
H.264标准[1]采用了高精度、多模式预测技术用来提高压缩比以降低码流。
H.264标准针对网络传输的需要设计了视频编码层VCL和网络提取层NAL结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。
H.264标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输[2,3]，从而保证了视频传输的有效性。
本课题主要采用了在现有H.264算法的基础上做了适当改进的算法，将其应用于TIDM6446芯片，通过3G无线网卡实现了实时H.264视频通过3G网络的传输。
1.2国内外研究现状
1.2.1视频监控系统的发展
视频监控系统的发展大致可划分为三个阶段【52】：
20世纪90年代初及以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视系统，称为第一代视频监控系统。
其采用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，视频矩阵主机进行切换和控制。
模拟视频监控系统由于模拟视频信号的传输对距离十分敏感，通常只适合于小范围的区域监控，而且无法进行联网，只能采取点对点的方式，使得布线工程量极大，局限性十分明显【53】。
20世纪90年代中期，利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，较大地提高了图像质量，增强了视频监控的功能。
这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统，即模拟/数字混合型视频监控系统。
模拟/数字混合型视频监控系统在实际工程中有着广泛应用，但由于系统中信息流的形态仍为模拟视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，要求介质专用，因此系统的扩展能力较差。
20世纪90年代末至今，网络带宽、计算机处理能力和存储容量迅速提高，视频信息处理技术快速发展，视频监控进入了全数字化的网络时代，称为第三代视频监控系统。
同时，嵌入式技术在硬件和软件方面都出现了多次飞跃，能够满足更加复杂和灵活的应用需求。
利用嵌入式技术、视频压缩编码技术和网络传输控制技术为核心实现网络视频监控，在稳定性、实时性、处理速度、功能、价格、扩展性等方面都有着突出的优势。
目前在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。
前者技术发展己经非常成熟且性能稳定，而后者正迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。
视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并逐渐向全数字系统过渡的阶段【54】。
1.2.2图像压缩编码技术的研究现状
国外对图像压缩编码技术的研究比较成熟，ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组）下属的视频编码专家组VCEG（videoCodingExpertsGroup）主要制定了H.26X系列标准，包括H.261[4]、H.263[5]、H.263+、H.263++等。
而ISO/IEC下属的活动图像专家组MPEG（MotionPictureExpertsGroup）则主要制定了MPEG-X标准，如MPEG-1/2/4等。
MPEG-1[6]制定于1992年，是MPEG第一阶段的成果。
它规定视频信息与伴音信息经压缩之后的数据速率上限为1.5Mbit/s，从而可以在CD-ROM、可写光盘等介质上进行存储，也可以在局域网、ISDN上进行视频与伴音信息的传输。
该标准采用了帧内编码和帧间编码相互结合的编码方法，支持I,P,B,DC四种帧类型，其编码速率最高可达4-5Mbits/s，但随着速率的提高，其解码后的图像质量有所降低。
MPEG-1技术最成功的应用为VCD，也被用于数字电话网络上的视频传输。
MPEG-2[7]制定于1994年，是在MPEG-1的基础上进一步发展成的音视频编码标准，主要目标是针对广播级的高质量音视频以及更高的传输率。
MPEG-2能够很好的处理隔行扫描的数字视频源，支持多输入视频序列的采样格式，并支持几种可选择的运动预测模式。
其所能提供的传输率在3-10MB/s之间，在NTSC制式下的分辨率可达720*480。
MPEG-2技术就是实现DVD的标准技术，还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。
为了适应多媒体通信的快速发展，ISO于1994年开始制定MPEG-4标准[8]，MPEG-4标准主要由MPEG-4系统、MPEG-4音频和MPEG-4视频等基本部分和扩充的部分组成。
MPEG-4视频编码的主要目标在于提供一种通用的编码标准，以适应不同的传输带宽、不同的图像尺寸和分辨率、不同的图像质量等，进而为用户提供不同的服务。
与传统的基于像素的视频压缩标准不同，MPEG-4采用基于对象的视频编码方法，它不仅可以实现对视频图像数据的高效压缩，还可以提供基于内容的交互功能。
此外，为了使压缩后的码流具有对于信道传输的鲁棒性，MPEG-4还提供了用于误码检测和误码恢复的一系列工具，这样采用MPEG-4标准压缩后的视频数据可以用于带宽受限、易发生误码的网络环境中。
H.261是ITU-T提出的作为H.320终端使用的视频编解码建议，制定于1992年，常称为Px64K标准，其中P是取值为1到30的可变参数。
P=1或2时支持四分之一中间格式（（QCIF）的帧率较低的视频电话传输；P>=6时支持通用中间格式（CIF）的帧率较高的电视会议数据传输；Px64K视频压缩算法也是一种混合编码方案，即基于DCT的变换编码和带有运动预测差分脉冲编码调制（（DPCM）的预测编码方法的混合。
H.261主要应用于ISDN网上的视频会议系统，借助于电信行业提供的Px64K带宽的通信线路，实现异地多方参加的电视会议。
目前国际、国内几乎所有的（电信、政府、企业等）电视会议系统采用的压缩技术均源自H.261标准。
H.263是ITU-T提出的作为H.324终端使用的视频编解码建议，制定于1996年。
它是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和Z“Z"字形扫描游程编码，从而得到输出码流。
H.263在H.261建议的基础上，将运动矢量的搜索增加了半像素点搜索，同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和PB帧编码等四个高级选项，从而，达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。
H.263标准能够满足现有信道所需要的压缩性能，并对信道误码提供一定的鲁棒性，从而成为新的低码率视频编码的主流标准。
H.263已广泛应用于可视电话、视频邮件、银行、企业及智能化住宅的远程视频监控等领域。
H.264是由ITU-TVCEG和ISO/IECMPEG联合组成的JVT开发的最新一代视频压缩标准，其基
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