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1、电视应用基于v x W o r l【s 的视频监控系统系统设计芮雨。余松煜(上海交通大学图像通信与信息处理研究所，上海2 0 0 0 3 0)【擅翼】在分析了现有系统的优缺点之后，提出了一种基于V x w o r k s 的视频监控系统的设计与实现方法。系统由远端和中心两部分组成。远端基于h k r k B 操作系统，在收到报警信号之后完成视频采集和压缩，接着通过通信接口将压缩数据传给中心。中心基于W i n d o w s 操作系统，在接收到远端传来的压缩码流后解压缩，然后显示出来。同时，中心还能够以压缩或者原始的形式保存视频数据。目前，系统支持3 种连接方式(网络、双绞线和无线)和2种图像
2、格式(Q c I F 和c l F)。【美t 词1 视频监控；视簇采集；税频编码；h 硒，0 r b 操作系统【A h 由d】啊地山嘶4 r l d i m p l 既帆n 协d 0 0 f t l l ev i d 8 I v e i l l a n 日y 蜘b|1 日e d 曲V x l o r k i l d c d b e d 柚艘a n衄a 蜘i B0 f t l I e a d v a n 诅窖柚dd i 明d 朔m a g e 日0 f m e j 娟l l g 町砒e m T h e6 y 或啪c 0 珊i 咖0 f t w o p 呐：t l l e 瑶田咖e n d n d
3、 t l I ec 删e L1 h e 陀m 0 I e 删d b I 睁时明V x W 曲p e d 妇试如c 8 p t I l r e 蚰dc o d j“ga f I e rr e c e i v i“gt h ew 盯l l i“g 菌g a LT I l i t盹曲t h ec o m p r 曲驿d 曲n t o l l l e c 口k r b y t h ec 毗叫m I 玎j 训叽i n 忙由c e T h e c e n t e r，h L o e do n w i n d a 帅，d t 崩妇t h e c o m-p m s 8 e dB 曲m m 盯r e i v
4、i 雌n 趴dd i 自p l a p i L M 曲珊出k t h ec e n I 盱咖8 日忙t h e“d e o u|i 唧t 1 ec 佃叩地e d0 f o d 庐衄l l 细砒N o w t l l e 町日t c m 阴即呻3 啪泽0 f c 鲫删(珊忡。止t w j 酬p a i r 卸d 删螂)l l l d 2k i n d B0 f i m 萨如呻_ 蛔(Q c I F a n dc I F)【K e y 钾o r d s】v i d 叭丌础衄e。；v i d c 哪t m。；v i d c o d i n g；V x w o r k 8随着视频压缩技术的不断发展，视
5、频技术在通信领域获得了广泛的应用，在这其中，监控系统正是其主要的应用领域之一。现有的视频监控系统主要分为两类：模拟的和数字的。模拟视摄监控系统是将远端摄像头采集的模拟视频信号通过电缩直接发送到监控中心的监视器上。模拟系统设计制造都比较简单，缺点是传送距离比较短，安装、使用以及数据的保存都比较麻烦。而数字视颍监控系统是先将远端摄像头采集的模拟视频信号数字化，经过压缩处理。再传输给监控中心的主机，中心主机将压缩的视频信号解压缩，就能重现远端的图像。数字系统比较难以设计，但是却有模拟系统不可比拟的优势，例如，传送距离远、图像质量好、安装、使用以及数据的保存都很简单，而这些正是视频监控系统的基本要求。
6、因此，数字视鹱监控系统正在全面取代模拟系统。但是，目前开发的数字视频监控系统还存在很多问题。基于D s P 的系统性能、价格和体积都比较合适，但是开发难度高，适应面比较窄，有时增加一个功能就必须对系统作全面的改动。而基于通用平台(啻吐如P c 机)的系统，开发难度低，也始根据需要灵活地加以变动，但是由于这些系统大多基于D O s 或者W i n d 0 操作系统，所以其性能尤其是实时性和稳定性方面无法与基于专用芯片的系统相比，而且价格、体积方面也难以控制，无法完全适应监控系统的严格要求。而且，目前大部分视频监控系统采用的都是比较简单的压缩技术，增加了传输和存储成本。针对现在视频监控系统存在的一
7、系列问题，设计并实现了一套新的基于实时操作系统h 册D f k 一的视频监控系统，它综合了现有系统的优点，在性能、体积方面都能完全满足监控应用的需要，且性价比高。2总体分析基于v x 啊砒s 的视频监控系统由远螭和中心两部分组成，中心的一台主机能够与远端多个系统连接，同时监控多个场景。图l 给出了系统的功能框图。远墙中心图l 系统功能框图考虑到工作环境和任务的不同，对远端和中心的配置也不同。远靖的工作环境较为恶劣，需要选择稳定的硬件平台和操作系统；而中心的条件较为竟松。可以选择通用的平台。2 1 硬件系统结构远端和中心都是基于I n I d1 8 6 的系统。对于本系统的基母器重荤 万方数据电
8、视应用本配置而言，中心是一台配有M O D E M 的标准P c 机，而远端系统以一块具有P e n t i u mM M x(或者以上级别)c P u 的工控板为基础，并配有视频采集卡和M O D E M，代码存储在电子硬盘中。由于远端使用的是纯电子设备，因此，能适应恶劣的监控环境。另外。根据应用场合的不同需要，系统配置可以改变或者扩展。例如，可以用网卡代替M O D E M，在远端增加特殊的报警接口。这样的硬件结构其优点是显而易见的。首先，I m e lx 跖体系结构的高性能保证了其对视频处理的胜任，这主要归功于其内部集成的M M x(多媒体扩展)指令集；其次，由于x 嘶体系结构的广泛应用
9、，其软硬件赍漾十分丰富，人们对它也非常熟悉，因此，选择x 跖c P u 作为系统的核心，能够降低开发难度，缩短开发周期。同时x 跖体系结构的规模效应使以其为核心的系统价格较为低廉；而远靖系统的小型化也比较容易解决，事实上，现有的小尺寸工控板或c P【I 卡就能满足大部分应用的要求。2 2 软件开发环境监控系统不同于一般的系统，尤其是对远靖设备的稳定性和实时性要求很高，般的操作系统无法达到这些要求。因此，远端使用的是实时操作系统V x w 幽及其集成开发环境T 0 m 耐o，而中心的软件则是在W i n d 仉帖操作系统上用V i 8 u 晶IC+开发的。v x W 0 r h 是由W R s(
10、W i n d 彤v e r 跏t 衄幛I n c)公司开发的一套具有徽内核、高性能、可伸缩的实时操作系统，支持广泛的网络通信协议，并能够根据用户的需求进行组合，其开放式的结构和对工业标准的支持使开发者只需做最少的工作即可设计出有效的适合于不同用户要求的系统。除了性能出众的操作系统之外，w R s 公司还提供了优秀的实时操作系统开发工具T 0 山。T 0 r n d o 由3 个高度集成的部分组成：T o r n a d o 工具。一整套强有力的交叉开发工具；V x w m b运行实时系统，是运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统；连接目标机和宿主机的通信选项。如以太网、申行线路、在线仿
11、真或R O M 仿真等。T 0 r m d 0 自B 够支持几乎所有的工作平台和目标处理器，所提供的的工具可用于所有目标机，并具有两种调试模式(系统模式和任务模式)。除了基本的功能和开发工具外，T 0 m a d o 还具有先进的系列阿络产品，极大地扩展了T 0 m-d o 的罔络特性，并增强了嵌入式徽处理器的网络特性。v x w o r l c 8 的所有机制和功能都是基于“C 子程序”这种简单机构的，即：v 娜他的所有功能都是由c 程序库提供的，任何c 程序都能够从T 0 d o 的命令和调试环境中交互式地调用，任何c 程序都能够作为V x W 0 血的一个任务从T o m d 0 主机工
12、具或者应用程序中产生，而且c 程序能够与中断、看门狗定时器或辅助定时器相连。V 妈h k s 的这种统一性使T o m a d o 成为一种有效的开发系统，因为用户不必再编写特殊的代码来与系统陷阱接口，也不需要进行特殊的处理来建立一个任务，更不需要编写特殊的用户接口程序或交互式的测试程序来测试新代码，用户只要编写子程序就能够完成所有这些工作。3 功能模块远端与中心都有相应的模块实现其功能，但是考虑到远端与中心不同模块之间的联系，下面将分类描述这些模块。3 1 外部报警外部报警信号通常只是简单的电平输入，而且发生的频率和产生的速度都很低，因此，利用c P u 板上现成的并行打印机端口实现了报警信
13、号输人的功能，而没有采用价格较高的数据采集卡。这样不仅降低了成本，减小了开发难度，而且简化了系统结构，避免了系统体积的增大。3 2 视囊采囊视频采集是由摄像头、视频采集卡及其驱动程序共同完成。视频采集卡是一块以C 眦m 公司的酗淞 跚为核心的P c l 圄总线插卡，量多支持4 路复合视频 1 人。在设备驱动程序的控f 悄下，视频采集卡将摄像头，1 人的模拟视频信号转换成视频编码所需要的数字信号格式为Q c I F(1 7 缸1“)或者c I F(3 5 2 蛇8 8)，而且Y u V 比倒为4：2：0。驱动程序提供了视频采集卡与上层视频编码程序之问的接口，为视频编码提供图像数据和当前帧数，图像
14、数据用于压缩，而当前帧数用于码率控制。在整个系统中，由于视频采集的速度通常高于应用软件取得数据并处理的速度，为了保证视频数据的连续性，特别在驱动程序中采用了三缓存结构。缓存 是B t 8 4 8 A 视频采集的目标地址，由B o 8 直接控制，采集的数据都先存在这个缓存中；缓存B 和c 组成“乒乓”式结构，循环往复使用：当某一帧数据采集完毕后产生中断，在中断服务程序中将缓存 的数据复制到缓存B(或c)中。然后采集下一桢，当下一帧数据采集完后，再将缓存A 中的数据复制到缓存c(或B)中。当应用程序需要数据时，就从缓存B 或c 中读取最新一帧图像。缓存B 和c 交替使用，能够保证应用程序从缓存读数
15、据的操作和驱动程序向缓存写数据的操作不会发生冲突，避免了散据的损坏和迟延。3 3 视囊簟解码视频编码是按照H 2 6 3 协议实现的。H 2 6 3 是基于H 2 6 1 标准的面向低比特率(低于6 4k b p)的视频压缩国际标准。它的核心技术是：帧问预测加帧内分块D c T 变换，然后是量化和可变长编码以形成符合标准的码漉。另外，通过引入半像素运动估计，同时增加先进预测模式、不受限制的运动矢量模式、基于语义的算术编码模式和阳帧模式这4个高级选项，从而进一步降低码率，提高编码质量。然而，实现H 2 6 3 所需要的计算量非常大，要在信道比较窄(即码率比较低)的情况下，能够编码尽可能多的帧数，
16、同时保证一定的图像质量，并且又要能做到实时，难度非常大。为了解决这个问题，可从算法和编程两方面同时人手。首先考虑编程方面。分析H 2 6 3 视频编解码算法之后发现，算法中存在大量小整数类型、高额宰的小型循环运算、高频率的乘法和累加运算，以及高度并行的操作，最花费时间 万方数据日莹视应用TVA P P L I(A 田【o N S的部分都是计算密集型算法，例如D c T，I D c T 和运动估计的“计数”段表示当前发送帧数，“数据”段包含真正的数据，等。针对这种情况，在编写实现视频编解码的代码中采用了“校验”段包含所发送数据的c R c 校验码。M M x 技术o。M M x 是I n t e
17、 l 公司为了提高其x 8 6 体系结构的通信过程采用简单的“发送一应答”方式，如果出错就重c P u 在多媒体和通信方面的处理能力而推出的一种新技发，重发超过一定次数，就认为出现故障，处理的方法有3术，新增5 7 条指令和4 种数据类型，能充分利用算法的并行种：挂起、重新启动、降低传输速度减小帧长度后重试。另外，性等特点。同时完全兼容现存的操作系统和各种应用程序。为了保证系统的鲁棒性，设置了超时检测功能。远端每次发M f x 的单指令多数据(s I M D)技术能在一个时钟周期内同出数据后都立即启动定时器，收到中心的应答后就关闭定时时完成对多个数据的运算操作，这使 咖x 指令在处理并行器，一
18、旦超时就重发。重发超过一定次数，也认为出现故障小整数时的速度是一般汇编语言的2 4 倍。本系统对视频编处理的方法与出错时相同。码中的运动估计和补偿、图像内插重建及D c T 与m c T 等模在数据帧中，为了避免接收方错误地判断结束位置，必块用M M x 指令进行了优化，这些模块的代码长度约占整个须在发送前对“数据”段和“校验”段进行处理，方法是在会产系统的1“，运算量却占整个系统的踟左右。对这些模块生歧义的位置插入个转义符。假如“结束”段中的结束标志的优化使系统整体性能显著提高，而开发工作量增加不多。为m 1 0 0 3，那么就扫描“数据”段和”校验。段，在每个恤1 0算法必须与编程同时考虑
19、。对于视频编码中的主要摸之后插入畦l o。这样，接收方只有在检查到m 1 0 0 3 并且连块，例如D c T，l D c r、运动估计和补偿，存在很多快速算法。续的弧1 0 不超过个时，才能确定是正确的结束位置。然后但是这些算法并不都适合用M M x 指令实现。这一点在实现再扫描。数据”殷和“校验”段，除插入的阪1 0，就舱获得正I D c T 时尤为突出。由于M M x 指令能在一个时钟周期内完确的数据和校验码。成一次加法和乘法运算，而且其单指令多敷据的特点要求教3 5 量示据简单、对称，以适台并行处理，所以在选择算法时不必为减中心所采用的w 蜘操作系统是作为一种商用操作少乘法运算而大量增
20、加加法运算，否则无法发挥M M x 指令系统设计的。为了系统的安全性和编程的方便，在应用程序的优势。因此选择了c h 船的算法嘲D c T 和I D c T。和底层硬件之间增加了一个屏蔽层，使用户难以直接访问底在采用了h 删x 技术和适当的快速算法之后，已经能够层硬件。在图形显示方面W i d 嗍采用专用的图形设备接在具有I I 岫l P 衄t h 瑚M M x 2 c P u 的系统上以8 一1 0 轴的日以位图方式实现，速度慢且占用了大量的c P u 资源。这一速度对Q c I F 格式的图像序列进行缠码。采用高性能的视频点在显示视频时更加突出。为了解决该问题，采用了擞软公编码技术使本系统
21、在图像质量方面远远超过了那些传送静司专为解决图像快速显示而推出的D j m n m“r 技术。通过调止图像的低速系统。占用的带宽却很窄。用D i A D r 所包含的应用程序接口，就能直接对显存与显3 4 通信接口卡操作充分利用显卡上的硬件加速功能，快速显示图像而本系统最大的特点之一就是接口灵活，适用于多种场占用系统资源很少。合，目前，系统能够利用网卡、M O D E M 和无线M O D E M 实现3 6 存储远端与中心之间的网络、双绞线和无线连接。网络接口是利为了保存所监控场景的内容以便日后察看，在中心实现用s o c k e t 编程实现，M O D E M 的控制是通过串口缩程和发送
22、了存储功能。所存储的数据既可以是由远靖传来的压缩码A T 指令集实现而无线M O D E M 也是通过串日绾程和发送流，也可以是将其解压缩之后得判的图像序列。其相应的指令集实现。为了保证数据的正确传输，通信双方必须遵守统一的通信协议。为此制定了个较为f 觯的通信协议，图2 给出了其中的帧格式。传输过程中使用了两种帧：散据帧和控制帧。两种帧都是由帧格式中的“起始”段表明一桢的开始。由。结柬”段表明一帧的结束，由“类型”段表明本帧是数据帧还是控崩帧。如果是控制帧，“类型”段还表示了控制的具体内容。例如请求发送、应答、发送完毕、中断发送、发送出错等等。而数据帧中数据槲式叵亚控钳帧格式图2 通信协议中
23、的帧格式4 结论在分析了现有视频监控系统的优缺点之后，提出了一种新的基于V x w o r k 8 的视囊监控系统。这种系统由远端和中心两部分组成。远靖使用的是纯电子设备以及实时操作系统V x w o r b，这使远螭的稳定性、实时性、可扩晨性都远远超过了现有的系统，同时系统的体积又能得到有效控制。而H 狮视频翁码标准和m 技术的采用又使系统的图像质量显著提高，而占用带竟很窄。中心采用的是P c 机和W i n d o 操作系统，利用 呶和D i t e c 棚r w 技术实现高速的视频解码和显示，并且视囊数据能够以压缩或直接的方式保存起来。远端和中心之间有多种连接方式，包括网络、双绞线和无线
24、。这一系列特点使本系统具有重大的使用价值和广泛的应用前景。(下转第7 6 页)万方数据电视应用(3)供电方式由主机统一提供1 2v 直流电压给每台控制分机，控制分机再稳压到5V(工作电压)。每台分机工作电流约2 0 m A，主控机满负载电流在lA 左右。(4)通信方式主控机与4 8 个教室控制分机采用并联双向传送方式，用5 芯线电缆，其中两根是1 2V 供电线与地线，一根是数据码控制信号线，另两根作对讲通话线。为接线方便，连接可靠。这里采用6 芯扁平电话线与6 芯水晶头。多出一根再作为地线用。控制平台电脑与主控机采用1 2 位数据并行通信，通过打印口进行连接，其中高4 位作为动作码，低8 位作
25、为地址码。控制平台分二次发送数据，第一次是低8 位，第二次是高4 位。(5)控材平台电脑配置由于有活动彩色图像监视窗口，因此必须要用5 拍电脑，c P U 耍1 3 3 M m 以上，内存1 6 M B，显示卡要有8 蛐显存的真彩卡，视频捕捉卡最好用双芯片的。如蓝宝石兀J-V I D E 0 一E Z 型。(6)主控机由并申行数据转换、输入输出接口、译码、切换、红外遥控等电路组成。(7)教室控制分机主要由输入输出接口、译码、编码、键盘等电路构成。(8)摄像机云台镜头控制解码器主要由译码、视音频切换等电路组成。4 结束语本文舟绍的系统功能比较多，可以完全满足教学管理的需要。由于实现了多媒体的远距
26、膏控制。因此只需少量的多煤体l 殳备，就能使得所有教室除了投有视凝展示台之外都可以成为多媒体综合电教教室。该系统的设计可称得上是个投资步、见效大的设计方寨。但随着国民经济和教育事业的发晨，多媒体电脑价格的不断下降，相信在不久的将来舍逐步被上了因特网的电脑网络系统所代替。(定藕日期加帅-0 B _ 勰)(上接第7 l 页)【4】r n-TR 船咖即d 吐i 叩H 2 6 3-1 9 9 6，v i d c o d i 玛hl 州参考文献脯竺删。嘲h I e I C O I l 一帆I n l e l I c l l i 僦舾M 嗽T e c 岫胁【1】w j 丑dR i T 口掣咖眦l n c
27、V x w 幽舯舯姗呐d e5 3 1，1 9 9 7 2】B 咖k c 叫 d 吡蚴4 枷4 8 “9 野n g l e-C 哳V i d C p t l m hP c I，1 9 蛙【3】P c Is p e c m l n 删G 哪P c I b 融B ms p“6 叫i 呻呻讪m i V 硎R 蒯互l，l 螂(上接第7 4 页)查这个主机用户是否有权加人多播组并接收效据。高级用户不仅可以作为基准主机发送网络流量信息。身份验证以及用户的权限控制全部交由通信服务器来管理，以减轻网络客户方与服务方主机的数据处理量。这样方便了高级用户可以不必在监控中心也能掌握监控现场的动态。再卸皿臂勺R c|
28、南捌D M 眦I I a I，l 蚺6 同c h w I h h m g，S 面I l IC l I|响m，F r a l j 吐Sc F 喊C 哪p u t t i o n l k 眦i 山mf 叫t h en i 帅r e 忙C 0 s i n eT 舢-h m，巩E ET I“C l n i c a d 1 9 9 7。C O M-2 5(9)：l0 0 扣l 啷1 定藕日期加O O 0 卜)1】圆5 结束语【3】当前。因特网和内联同常被用来传播大量相同的信息，口多播是一种比传统的点对点交互作用更有效的、从一组。主机发送和接收信息的技术。它刨建了一种单独的欺据瘴给一用户订阅，可以用很少的
29、服务流给大量的用户提供服务。由。于仅仅运送数据中的一个样品到多个目的地，砰多播碱少1了对带宽的要求。不过I P 多播在传输的可靠性方面还有所。欠缺，所以它现在多用于通过口的音频栅会议以及图像。监控系统等试验中。最近I E T F 已经建立了个工作组来解r n决这个关于协议和工具的难题。随着计算机和通信网络技术。的发展，口多播技术必将拥有广阔的应用前景。参考文 皿聃t r 哪gS，-h i 茁A，M 踞u I l oK M u l 删I h n p 嘣P I o t c c 0 1 1 t F c l 3 0 1，1 9 9 2 2 s c b l b I I n eH，C 嗽S，n a a 盯
30、i c kR 哦a 1 I U P：T h I 地p 呲h 巾o“hR“T i 啦A p p l i c a 由n R F 1 8 鹕，1 9 9 5 1 1 1 S o，c1 1 1 7 2-1 9 9 3。C o d i 吣o fM 耐雌H c t I l r 惦 n d i 舢e d u d i o 蛔D i 削s t 叫】噼黜 ml l pt oB h 叽n1 5 碑吴晓蓉，葛仁伟，张文俊菩于D i g i t B l2 1 2 3 0 芯片的数字图像监控系统电视技术。1 9 蚺(1 2)：4 2 椰地睇珊G o 鼬山曲，K 妯哼N i k 著，九一工作组译口多路广播技术与应用J E
31、京：电子工业出版社，2 0 0 0 A 卫血yJ，J i m 伪h l n d 著，京京工作室译W i D 曲同络编程技术j B 京：机械工业出版社，2 o 周明天，汪文勇编著代P，舻网络原理与技术北京：清华大学出版社，1 9 9 3 万方数据基于VxWorks的视频监控系统基于VxWorks的视频监控系统作者：芮雨，余松煜作者单位：上海交通大学图像通信与信息处理研究所上海 200030刊名：电视技术英文刊名：TV ENGINEERING年，卷(期)：2000(12)被引用次数：9次 引证文献(9条)引证文献(9条)1.李华 基于MPEG-4的视频监控系统设计和实现学位论文硕士 20062.陈
32、立红.曾文火 基于VxWorks的成像跟踪系统随动控制研究期刊论文-微计算机应用 2005(2)3.顾永建.高守乐 基于嵌入式系统的网络数字视频监控系统期刊论文-信息技术与信息化 2005(1)4.冷文鸿.祝浩鹏.李晓飞 基于VxWorks的视频会议系统期刊论文-电子工程师 2005(3)5.官振伟 基于GPRS的数字图像采集与传输系统研究学位论文硕士 20056.李萍 关于数字视频监控系统视频流调度的研究学位论文硕士 20057.刘坚 基于MPEG-4和RTP的视频监控系统的研究学位论文硕士 20058.刘灿.刘克.刘春瑞.孙志刚 新型数字视频监控系统DVSS的结构与功能期刊论文-计算机应用研究 2004(6)9.文凤霞 视频图像GPRS传输技术的研究与实现学位论文硕士 2004 本文链接：http:/