无线视频监控技术的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.88MB 68 页 15积分

摘要

Abstract

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 研究背景 ...................................................................................................1

§1.2 无线视频监控应用开发意义 ...................................................................1

§1.3 研究内容及论文结构安排 .......................................................................3

第二章嵌入式无线视频监控系统总体方案设计 .........................................................5

§2.1 总体框架设计 ...........................................................................................5

§2.2 系统硬件设计 ...........................................................................................6

§2.3 系统应用软件设计 ...................................................................................8

第三章嵌入式 Linux 操作系统及开发环境的建立 ................................................... 10

§3.1 嵌入式 linux 操作系统 .......................................................................... 10

§3.2 交叉开发环境的建立 .............................................................................11

§3.2.1 GNU 开发工具集 .........................................................................12

§3.2.2 建立宿主机交叉开发环境 ..........................................................13

§3.3 系统引导和内核启动 .............................................................................13

§3.3.1 Bootloader 开发 ............................................................................13

§3.3.2 嵌入式 Linux 内核启动过程 ...................................................... 16

§3.3.3 ARM-Linux 内核移植 ..................................................................18

§3.3.4 文件系统移植 ..............................................................................20

§3.4 基于嵌入式 linux 的上层软件开发模式 .............................................. 21

§3.4.1 应用程序的开发 ..........................................................................21

§3.4.2 应用程序的调试 ..........................................................................22

第四章视频数据采集 ...................................................................................................23

§4.1 摄像头驱动程序 .....................................................................................23

§4.2 视频数据采集模块设计 .........................................................................23

§4.2.1 Video4Linux 简介 .........................................................................23

§4.2.2 V4L 数据结构 .............................................................................. 24

§4.2.3 视频截取方式 ...............................................................................25

§4.2.4 视频帧采集的具体实现 ...............................................................27

第五章视频编码程序开发 ...........................................................................................31

§5.1 视频压缩基本原理 .................................................................................31

§5.2 视频压缩标准 MPEG4 ......................................................................... 32

§5.2.1 MPEG4 的核心思想 .................................................................... 32

§5.2.2 关键技术 .......................................................................................33

§5.2.3 主要优点 .......................................................................................36

§5.3 基于 XviD 的编码实现 ..........................................................................37

§5.3.1 XviD 发展历史 .............................................................................37

§5.3.2 XviD 的技术特点 .........................................................................38

§5.3.3 基于 XviD 编码的程序设计 ........................................................39

第六章无线网络视频传输 ...........................................................................................43

§6.1 IEEE802.11g 无线局域网 ...................................................................... 43

§6.1.1 802.11 协议 ...................................................................................43

§6.1.2 网络拓扑 .......................................................................................45

§6.1.3 传输方式 .......................................................................................46

§6.1.4 网络接口 .......................................................................................47

§6.2 流媒体传输—RTP/RTCP 协议 .............................................................47

§6.2.1 RTP 协议介绍 .............................................................................. 48

§6.2.2 RTCP 协议介绍 ............................................................................50

§6.2.3 RTP/RTCP 协议栈设计思想 ........................................................50

§6.3 基于 RTP/RTCP 的MPEG4 视频流传输 ............................................. 52

§6.3.1 初始化操作 ...................................................................................52

§6.3.2 视频数据的发送 ...........................................................................52

§6.3.3 视频数据的接收 ...........................................................................53

§6.4 视频的解码显示及保存 .........................................................................53

§6.4.1 视频的解码 ...................................................................................53

§6.4.2 SDL 库分析 .................................................................................. 55

§6.4.3 基于 SDL 库的显示播放 ............................................................. 57

§6.4.4 视频图像的保存 ...........................................................................58

第七章实验系统测试与分析 .......................................................................................59

§7.1 实验方案 .................................................................................................59

§7.1.1 系统实验平台 ...............................................................................59

§7.1.2 测试项目 .......................................................................................60

§7.2 实验结果及分析 .....................................................................................61

§7.3 论文总结 .................................................................................................62

§7.4 研究展望 .................................................................................................63

参考文献 .........................................................................................................................64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................66

致谢 .............................................................................................................................67

第一章绪论

§1.1 研究背景

在当今信息技术和网络技术高速发展的时代，嵌入式系统已广泛渗透到科学

研究、工程设计、军事工业等诸多领域，以及人们日常生活的方方面面。现在每

个人都生活在嵌入式产品的世界里，在手表、手机、照相机、汽车，甚至运动鞋

里都有嵌入式系统的身影。嵌入式系统小到一个芯片，大到一个标准的 PC 板，

种类繁多，形式各异。事实上，嵌入式设备在数量上远远超过了各种通用计算机。

PC 的各种输入输出和外部设备均是由嵌入式处理器控制的，每台 PC 的外部设备

中包含了 5～10 个嵌入式微处理器，而一些高档汽车中则包含了 30 到50 个甚至

更多的嵌入式微处理器，在工业流水线控制、通讯、仪器仪表、船舶、航空航天、

军事装备等领域更是嵌入式系统的天下。

嵌入式系统的发展离不开通信和网络等技术的支持，嵌入式设备的联网成为

必然趋势。面向 21 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口，

如Blueooth,CAN,GPRS 或IEEE802.11 无线网卡等无线网络接口，同时也需要提

供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，在这样的趋势下，嵌入式 Internet

(Embedded Internet)技术应运而生。

嵌入式 Intenret 是指设备通过嵌入式模块而非 PC 接入 Intenret，以 Intenret

为介质实现信息交互的技术[1]。例如，工业远程监测系统是利用 Internet 技术和总

线控制技术实现远程数据采集、分析并实时监控设备运行，从而降低成本，提高

效率；手持智能设备通过 GPRS 等无线接入方式和 Internet 相连，代替 PC 在Internet

进行个人数据传输、处理和存储，如收发邮件，下载资料，即时聊天等；远程视

频监控系统是利用 Internet 以及视频压缩等技术将实时视频数据传到监控中心，

其应用范围极为广泛。嵌入式 Internet 带来的不仅是传输方式的改变，更重要的

是拓宽了传统设备信息交流的范围。通过 Internet，任何地点，任何时间，任何两

个设备的信息交换都将成为可能，从而真正步入了“信息化” 社会。本文所设计

的系统正是基于上述嵌入式 Internet 的应用背景和需求而提出的，并利用新一代

的技术理念进行设计和开发。

§1.2 无线视频监控应用开发意义

研究表明，人类通过视觉所获取的信息约占到其获取的总信息量的 70%，视

觉信息具有直观、可靠等一系列优越性。近年来，随着计算机、网络及通信技术

无线视频监控技术的研究与实现

的迅猛发展，整个世界对网络视频方面的投入逐年加大，相关应用也越来越广泛，

形成了具有巨大发展潜力的市场，日益受到人们的重视和关注。

视频监控系统的发展基本上是从早期的模拟闭路电视监控系统向数模结合的

视频监控系统和现在的数字视频监控系统演变的过程[2]。其中，利用网络实现视

频监控己成为一种趋势，传统的模拟视频监控技术正在逐步向数字化、网络化、

智能化、无线化发展。可以说，视频监控进入了全数字化的网络时代。

模拟视频监控系统中的信息流为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一

种单功能、单向的信息采集网络，因此系统尽管己发展到很高的水平，已无太多

潜力可挖，其局限性依然存在。模拟监控系统的主要缺点有:

(1)通常只适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电

缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于 1Km，双绞线的距离更短，这就

决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所；

(2)系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，工程繁

琐复杂，新的设备也很难添加到原有的系统之中；

(3)无法形成有效的报警联动，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很

难互通，联动只能在有限的范围内进行。

数字视频监控系统将系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转

为数字状态，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制

等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控

系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管

理和控制。

另一方面，无线传输视频的需求正在兴起，视频压缩技术的发展，使得传输

视频信号需要的带宽越来越低，同时随着无线通信技术的发展，使得无线通信方

式下传输的数据速率越来越大。例如，基于 IEEE802.11g 标准实现点对点传输的

速率可以稳定在 2M 左右，可以看出二者在传输速率上已经有了重复的地方，所

以可以理论上实现无线的视频传输，其最直接的一个应用就是无线视频监控系统。

将监控的功能和无线网络技术完美地结合，拥有强大的技术优势，而这里面的核

心部分就是一个可以直接连入无线网络的视频采集设备，提供实时的图像采集、

压缩和传输的功能[3]。研制出这样一种通用的网络视频采集设备，将具有十分广

泛的应用前景，以它为核心，结合不同的应用需求，可以构筑出各种各样的数字

视频监控系统。

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网络视频监

控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到

第一章绪论

广泛应用；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监

控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。

嵌入式方式的视频监控系统主要是依靠嵌入式视频监控终端来提供视频监控，具

有布控区域广阔、几乎无限的无缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、性

能稳定可靠等特点，必将成为今后视频监控领域的主流产品。

当前的嵌入式无线视频监控系统对视频的压缩是基于硬件实现的，视频传输

采用 GSM、GPRS 等传输方式，普遍存在传输速率不高、传输图像不稳定等问题，

视频监控终端的成本较高[4]。而随着宽带无线通信新技术的成熟和嵌入式处理器

技术的发展，高性能嵌入式处理器的价格一直在下降，在高性能处理器上开发完

全基于软件编解码的视频监控终端，并采用遵循 IEEE802.11g 标准的高速无线局

域网技术传输视频数据，从而实现具有高性价比和适应于不同场合的视频监控系

统[5]。

§1.3 研究内容及论文结构安排

本课题的研究内容是设计一个点到到点的视频传输系统，为最终实现一个多

点到点的无线视频监控系统打下良好的基础。本系统的无线传输模块采用基于

IEEE802.11g 的USB 无线网卡，视频的编解码采用成熟的 MPEG4 标准，流媒体

传输采用 RTP/RTCP 协议。基于 IEEE802.11g 的无线网卡最高传输速率达 54Mbps，

MPEG4 的压缩效率为几十倍，将二者与本系统采用的高性能 Intel PXA270 嵌入

式平台及 RTP/RTCP 实时流媒体传输协议相结合，实现一个由软件完成编解码的

实时视频传输系统。

论文的结构安排如下：

第一章绪论中，通过对课题背景的描述，引出了课题的研究范畴及意义，并

分析了本课题的核心技术及其在相关领域的发展和应用。

第二章针对监控系统的一般应用，通过方案比较、视频压缩技术的选择提出

了一套适用于无线视频监控的系统总体设计方案，包括硬件结构设计、应用软件

设计，并提出了系统实现目标与特点。

第三章重点介绍了嵌入式 Linux 及其在监控系统上的移植过程以及内核引

导启动过程，同时也描述了基于嵌入式 Linux 的软件开发环境的建立步骤。

第四章分析了视频数据的采集流程，在内存映射的基础上实现了对视频数据

的采集。

第五章介绍了视频压缩的基本原理，分析了本系统采用的视频压缩标准

MPEG4 及基于 MPEG4 的开源编解码软件 XviD，实现了系统的 XviD 编码。

无线视频监控技术的研究与实现

第六章介绍了 IEEE802.11 无线局域网标准及 RTP/RTCP 实时流媒体传输协

议，在此基础上对流媒体的传输进行了分析和设计，本章的最后介绍了视频数据

在客户端的解码显示及保存。

第七章对系统的试验结果进行了分析和测试，总结了本论文的工作并提出了

下一步的研究方向。

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