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云计算-基于改进H.264运动估计算法的车载无线视频监控系统.pdf
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云计算-基于改进H.264运动估计算法的车载无线视频监控系统.pdf
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ces by using China Unicom 3G core network, vehicular DM6446 front end, monitoring mana
gement platform and monitor display device. And the test proves the possibility of the system
stability and large scale deployment.Based on the improved H.264 algorithm, vehicular
wireless video surveillance system with combination of video codec technology, mobile
communication technology and high performance multimedia processing system DM6446
improves performance of the real-time video monitoring, presents a broad market prospect in
intelligent traffic, public security, logistics and other fields and has a very important
significance.
Keywords:Vehicle Video Monitoring H.264
Motion Estimation DaVinci Technology
Wireless Network
Thesis :Application Research
目录
I
目 录
1 绪论 ....................................................................................................................................1
1.1 课题研究背景及意义...................................................................................................1
1.2 国内外研究现状及水平...............................................................................................2
1.2.1 车载无线视频监控系统的研究现状 ...................................................................2
1.2.2 视频压缩技术在视频监控系统应用的研究现状 ................................................2
1.3 论文工作及结构安排...................................................................................................4
1.3.1 论文结构框架......................................................................................................4
1.3.2 论文主要内容......................................................................................................4
2 H.264 视频压缩算法的研究...............................................................................................6
2.1 H.264 视频编解码技术................................................................................................6
2.1.1 H.264 编码技术概述 ...........................................................................................6
2.1.2 H.264 中的关键技术 ...........................................................................................7
2.2 H.264 测试模型的选择..............................................................................................10
2.3 改进的 H.264 运动估计算法 .....................................................................................11
2.3.1 运动估计技术....................................................................................................11
2.3.2 H.264 编码器运动矢量估计方法 ......................................................................12
2.3.3 递归搜索算法....................................................................................................13
2.3.4 改进的 VBS-DRS 算法设计..............................................................................14
2.4 改进的 H.264 运动估计算法的实验结果及分析 ......................................................17
2.4.1 比特流长度的比较 ............................................................................................17
2.4.2 编码时间的比较 ................................................................................................17
2.4.3 信噪比的比较....................................................................................................18
2.4.4 算法测试实验结论 ............................................................................................19
2.5 本章小结....................................................................................................................19
3 音视频数据传输核心技术................................................................................................20
3.1 IP 网际协议 ...............................................................................................................20
3.2 TCP 和 UDP...............................................................................................................21
3.3 无线网络传输标准 ....................................................................................................23
3.4 网络视频传输 ............................................................................................................23
3.5 本章小结....................................................................................................................24
4 车载无线视频监控系统需求分析 ....................................................................................25
4.1 系统功能....................................................................................................................25
4.2 系统技术指标 ................................................................................................................................26
目录
II
4.3 系统整体设计 ................................................................................................................................27
4.4 本章小结 ......................................................................................................................................... 29
5 车载无线视频监控系统硬件架构设计 ............................................................................30
5.1 高性能多媒体处理系统 DM6446 ............................................................................................ 30
5.1.1 达芬奇系统结构.................................................................................................................. 30
5.1.2 DM6446 ARM 处理器 ....................................................................................................... 31
5.1.3 DM6446 DSP 处理器......................................................................................................... 32
5.1.4 ARM 和 DSP 的硬件集成 ................................................................................................ 34
5.2 FX-DM6446-1000 开发板硬件规格........................................................................................ 34
5.3 视频处理前端(VPFE)和视频处理后端(VPBE)....................................................................37
5.4 DM6446 系统的外设介绍.......................................................................................................... 37
5.5 本章小结 ......................................................................................................................................... 38
6 车载无线视频监控系统软件设计 ....................................................................................39
6.1 软件系统的整体框架及模块设计............................................................................................39
6.1.1 视频模块程序设计 .............................................................................................................39
6.1.2 音频模块程序设计 .............................................................................................................41
6.1.3 网络模块程序设计 .............................................................................................................42
6.1.4 控制管理模块程序设计 .................................................................................................... 43
6.2 软件系统的实现............................................................................................................................ 44
6.2.1 DM6446 开发平台的驱动安装 .......................................................................................44
6.2.2 Linux 操作系统的裁剪与定制 ........................................................................................51
6.2.3 DSP 端的平台移植与优化 ............................................................................................... 56
6.2.4 DM6446 开发平台的启动 ............................................................................................... 58
6.3 达芬奇软件体系............................................................................................................................ 59
6.4 本章小结 ......................................................................................................................................... 60
7 系统测试与分析 ...............................................................................................................61
7.1 系统实现的环境配置 ..................................................................................................................61
7.2 车载视频监控系统功能测试.....................................................................................................61
7.3 本章小结 ......................................................................................................................................... 64
8 总结与展望.......................................................................................................................65
8.1 总结 ................................................................................................................................................. 65
8.2 展望 ................................................................................................................................................. 65
致 谢 ...................................................................................................................................67
参考文献 .............................................................................................................................68
附 录 .................................................................................................................................71
1 绪论
1
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
视频监控系统以信息内容丰富、直观等特性被广泛用于各种场合,成为人们越来越
关注的热点应用技术。视频监控系统是电子设备和传输介质组成的有机整体,主要由视
频采集、视频编解码、网络传输三部分组成。其中,视频编码技术的优劣对视频图像的
影响最为突出。而在所有的视频编码技术中,H.264以图像质量高、容错能力强等优势
成为视频监控系统应用最广的编码标准,但由于其算法的高复杂度,编码时间长,无法
满足很多监控系统对视频图像的实时性要求。如何改进H.264编码算法,提高编码效率,
成为广大研究人员越来越关注的问题。
受客观条件限制,人们不能进入所有场合进行直接观察,则需要使用视频监控设备
来代替完成。随着各行业对视频监控的需求日益增大,各种系统解决方案层出不穷。但
是对于有线网络无法到达的地方或经常处于移动状态的目标(如车、船等),有线监控
已无法满足系统功能需求,或因解决方案不完善、系统运行费和建设费用较高而无法普
及。
交通安全问题是当今社会的热点问题,而车辆的安全行驶更是其中的关键所在。车
辆行驶路况、驾驶员行为(如疲劳驾驶)、特殊车辆的车内环境(如120的院前急救情
况、公交车的乘客状态等)都是影响车辆安全行驶的主要因素
[1]
。这就对视频监控系统
提出更高的标准,一般的有线视频监控存在较多缺陷,首先有线视频监控的路况监控范
围中有较多盲点、盲区存在;其次,受客观因素影响,有线视频监控系统的改造及扩充
难度较大;并且,有线系统监控点灵活度不足,无法达到按需布控的要求。
基于以上所述,本文提出了一种基于改进 H.264 运动估计算法的车载无线视频监控
系统,能较好地解决这些问题:①针对 H.264 实时性不高的特点,优化了视频图像的运
动估计算法,提高了编码时间;②可以针对车辆移动性高、车内环境存在突发事件等特
点,按照功能需求,进行实时的视频监控;③针对有线网络监控区域的局限性,可以对
有线网络无法到达或受客观条件影响无法架设有线监控的路段,通过车载无线监控的方
法进行视频监控。对已存在有线车辆监控设备的地段,车载无线视频监控系统可以对其
进行补充,不仅实时的了解车外现场控制和发展的情况,还可以实时监控车内环境的变
化情况,在监察执法、流动巡防、急救指挥等实战中发挥关键作用,为指挥人员提供详
尽的决策依据。例如在 120 院前急救过程中,当突发事件发生时:如车辆抛锚、随车医
疗资源短缺,同时应急救护车驶向现场,监控中心可以通过摄像头的缩放、旋转、采集
到车、内外真实的情况。也可将监控摄像头放置到车顶摄像头拍摄不到的区域,对部分
1 绪论
2
视角盲区进行数据填补,最后通过无线网络将现场视频数据及时传回指挥监控中心。
1.2 国内外研究现状及水平
1.2.1 车载无线视频监控系统的研究现状
车载视频监控系统在智能交通系统中占有重要地位,是智能交通系统的分支。智能
交通系统由交通信息服务系统、电子收费系统、交通运输管理系统、车辆控制系统、公
共交通系统、以及紧急救援系统等组成。智能交通系统是目前的新兴产业。发达国家中,
美、欧、日等在智能交通行业正处于大范围应用和产业化成型阶段,与中国智能交通系
统的发展相比,均处于领先水平
[2]
。澳大利亚、韩国、香港等国家和地区的智能交通系
统也取得了很快的发展。目前,全球正在形成一个新的智能交通产业系统,有着惊人的
发展速度且规模逐渐壮大。
二十世纪九十年代以前,城市交通信号控制系统被引进到我国一些大型城市。自九
十年代起,GPS 车辆监控调度系统逐步得到广泛应用,并经历了缓慢而坎坷的发展
[3]
。
表 1.1 呈现了九十年代后我国车辆监控系统的发展过程。
表1.1 车载无线视频监控系统在我国的发展历程
发展时间 发展状态 技术的发展情况
最终结果 原因分析
1994至1995 首次发展高峰
众多公司开始抢
占市场
成功的很少
1、 市场处于雏形
2、 技术不完善
1996至1999 提高和整顿期
在原有系统的基
础上进行改造
建成多个有较
高水平的集群
系统
1、 市场的初步形成
2、 原有系统的改进
2000至2005 新一轮飞速成长期
移动通信技术
GSM的采用
GSM的使用受
到限制
1、GSM的数据传输速
度太低
2、无法提供用户体验
好的应用
2006至2008 新一轮发展期
CDMA技术的采
用
CDMA成为车
载监控系统的
主流技术
1、市场需求逐渐增大
2、CDMA技术的不断
完善
近几年,3G技术的发展已逐渐成熟,以3G技术为核心的车载无线监控系统的发展
成为主流趋势。
随着高速公路里程的增长、市内交通的拥挤,加上交通事故的发生具有突发性和随
机性,导致很难预防,由此而造成的各种损伤越来越多。如高速公路行车时间过长而造
成的疲劳驾驶、120院前急救受交通影响发生的治疗延误等。因此,我国很多行业为了
降低车辆事故发生率、提高行业效率,对车内车外实时监控的需求越来越大。
移动性、灵活性、可扩展性是应急指挥系统的主要需求。GPRS和GSM的通信方式
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programxh
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