基于MPEG-4的嵌入式网络视频监控系统研究
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摘要
视频监控系统在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用，目前新兴的基于嵌入式技术的网络视频监控系统与传统的视频监控系统相比具有体积小、成本低、稳定性高、实时性好等优点，具有良好的应用与发展前景。因此研究并开发一种嵌入式网络视频监控系统具有重要的实际意义。
本文在研究了当前视频监控系统的基础上，构建了一套基于MPEG-4压缩标准的嵌入式网络视频监控系统。此系统由两部分组成，分别是前端嵌入式网络视频终端子系统和后端客户端子系统。这两个子系统通过传输网络进行数据的交互和信息的传递，传输网络可以是Internet或Intranet。
文中首先介绍了视频监控的发展历程，然后对嵌入式网络视频监控系统中的相关技术予以讨论，包括视频和音频的数字化及编码、嵌入式系统技术以及视频的网络传输技术等。随后研究了嵌入式视频监控系统总体结构，对前端嵌入式网络视频终端子系统以及后端客户端子系统的硬件及软件总体结构进行了论述。在此基础上，详细论述了系统硬件的各组成模块，包括基于MCF5307的主控模块、基于以太网和RS485的通信接口模块、基于SAA7114H和CS5340的音视频采集处理模块及基于IME6400的音视频编码压缩模块。系统的软件主要分为前端视频终端子系统软件和后端客户端子系统软件。前端视频终端子系统软件首先介绍系统软件dBUG Bootloader和μClinux嵌入式操作系统，以此为基础，研究分析运行在μClinux上为完成前端视频终端子系统功能的应用软件，主要包括音视频采集、音视频压缩、音视频发送、云台与镜头控制、用户管理和系统配置等模块。后端客户端子系统软件主要实现网络音视频流的接收、播放、保存、回放，以及实现相应的视频监控系统服务器的配置，如云台控制、对客户端访问的控制以及前端摄像机的功能配置。
最后，在总结全文的基础上，提出了若干有待进一步深入研究和探讨的问题，并对今后的研究工作提出了一些建议。
Video monitoring is applied widely in industry production and daily life.At present new and developing network video monitoring system based on embedded technology have the advantages of smaller volume,lower cost,higher stability and better real time nature than traditional video monitoring,and have fine application and developping prospect.So researching and developing a embedded network video monitoring system has great significance.
This dissertation designs a embedded network video monitoring system based on MPEG-4 on the basis of researching current video monitoring system.The video monitoring system is composed of two parts. One is the fore-end embedded network video terminal subsystem,the other is the back-end client subsystem.The two subsystems transmit information and exchange data by transfer network which can be Internet or Intranet.
Firstly the dissertation introduces the progress of the video monitoring.The correlative technologies of the embedded network video monitoring system are discussed,including the digitization and coding of audio and video,technology of embedded system and network transmission.Then we research and discuss the overall structure of embedded video monitoring system including the hardware and software of the fore-end and back-end subsystems.On this basis the modules of hardware system are detailed discussed,including the host control module based on MCF5307,communication interface module based on Ethernet and RS485,audio and video collection module based on SAA7114H and CS5340,audio and video coding module based on IME6400.The software of system can be divided into two parts,which are fore-end video terminal subsystem software and back-end client subsystem software.About fore-end video terminal subsystem software the system software dBUG Bootloader andμClinux embedded operating system are first introduced.On this basis,the dissertation analyzes application software which is running onμClinux,including audio and video collection,coding and sending module,Pan/Tilt and camera lens controlling module,user management module and system configuration module.Back-end client subsystem software is used to receive,play,save,replay network audio and video stream,configure server such as Pan/Tilt controlling,accessing controlling and vidicon function configuration.
Finally, on the basis of summarization of the research work, some problems which should be discussed deeply are put forward and some suggestions for the future researches are also given.
本文在研究了当前视频监控系统的基础上，构建了一套基于MPEG-4压缩标准的嵌入式网络视频监控系统。此系统由两部分组成，分别是前端嵌入式网络视频终端子系统和后端客户端子系统。这两个子系统通过传输网络进行数据的交互和信息的传递，传输网络可以是Internet或Intranet。
文中首先介绍了视频监控的发展历程，然后对嵌入式网络视频监控系统中的相关技术予以讨论，包括视频和音频的数字化及编码、嵌入式系统技术以及视频的网络传输技术等。随后研究了嵌入式视频监控系统总体结构，对前端嵌入式网络视频终端子系统以及后端客户端子系统的硬件及软件总体结构进行了论述。在此基础上，详细论述了系统硬件的各组成模块，包括基于MCF5307的主控模块、基于以太网和RS485的通信接口模块、基于SAA7114H和CS5340的音视频采集处理模块及基于IME6400的音视频编码压缩模块。系统的软件主要分为前端视频终端子系统软件和后端客户端子系统软件。前端视频终端子系统软件首先介绍系统软件dBUG Bootloader和μClinux嵌入式操作系统，以此为基础，研究分析运行在μClinux上为完成前端视频终端子系统功能的应用软件，主要包括音视频采集、音视频压缩、音视频发送、云台与镜头控制、用户管理和系统配置等模块。后端客户端子系统软件主要实现网络音视频流的接收、播放、保存、回放，以及实现相应的视频监控系统服务器的配置，如云台控制、对客户端访问的控制以及前端摄像机的功能配置。
最后，在总结全文的基础上，提出了若干有待进一步深入研究和探讨的问题，并对今后的研究工作提出了一些建议。
Video monitoring is applied widely in industry production and daily life.At present new and developing network video monitoring system based on embedded technology have the advantages of smaller volume,lower cost,higher stability and better real time nature than traditional video monitoring,and have fine application and developping prospect.So researching and developing a embedded network video monitoring system has great significance.
This dissertation designs a embedded network video monitoring system based on MPEG-4 on the basis of researching current video monitoring system.The video monitoring system is composed of two parts. One is the fore-end embedded network video terminal subsystem,the other is the back-end client subsystem.The two subsystems transmit information and exchange data by transfer network which can be Internet or Intranet.
Firstly the dissertation introduces the progress of the video monitoring.The correlative technologies of the embedded network video monitoring system are discussed,including the digitization and coding of audio and video,technology of embedded system and network transmission.Then we research and discuss the overall structure of embedded video monitoring system including the hardware and software of the fore-end and back-end subsystems.On this basis the modules of hardware system are detailed discussed,including the host control module based on MCF5307,communication interface module based on Ethernet and RS485,audio and video collection module based on SAA7114H and CS5340,audio and video coding module based on IME6400.The software of system can be divided into two parts,which are fore-end video terminal subsystem software and back-end client subsystem software.About fore-end video terminal subsystem software the system software dBUG Bootloader andμClinux embedded operating system are first introduced.On this basis,the dissertation analyzes application software which is running onμClinux,including audio and video collection,coding and sending module,Pan/Tilt and camera lens controlling module,user management module and system configuration module.Back-end client subsystem software is used to receive,play,save,replay network audio and video stream,configure server such as Pan/Tilt controlling,accessing controlling and vidicon function configuration.
Finally, on the basis of summarization of the research work, some problems which should be discussed deeply are put forward and some suggestions for the future researches are also given.
引文
[1] 刘富强．数字视频监控系统开发及应用．北京：机械工业出版社，2003
[2] 万加福．网络监控系统原理与应用．北京：：机械工业出版社，2003
[3] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用．北京：清华大学出版社，2002
[4] 桑楠．嵌入式系统原理及应用开发技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[5] 宋磊．视频监控若干关键技术的初步研究：[硕士学位论文]．北京：北京工业大学，2003
[6] 黎洪松著．数字视频技术及其应用．北京：清华大学出版社，2002
[7] 孙景琪．视频技术与应用．北京：北京工业大学出版社，2003
[8] 章霄．数字图像处理技术．北京：冶金工业出版社，2005
[9] 黄超等．LINUX应用开发基础．北京：机械工业出版社，2002
[10] Daniel P. Bovet Marco Cessati. Understanding The Linux Kernel. First Edition. America: Reilly & Associates. Inc. 2001. 11: 364～412
[11] 张大波．嵌入式系统原理、设计与应用．北京：北京：机械工业出版社，2005
[12] 赵炯．linux内核完全注释．北京：机械工业出版社，2005
[13] Kevin Dankwardt. Real-Time and Linux, Part 3: Sub-Kemels and Benchmarks. Embedded Linuxjoumal. 2002.5:: 27～31
[14] 高焕．MPEG-4视频编码的研究及软件实现：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2005
[15] (美)Stephen J．Solari著，陈河南等译．数字技术：数字视频和音频压缩．北京：电子工业出版社，2000
[16] (美)A．H．萨达卡著，卢燕飞等译．压缩视频通信．北京：科学出版社，2004
[17] 卫峰，宋克柱，杨小军．基于嵌入式技术的视频监控系统的设计．电子技术应用．2003，6：21～23
[18] 单品，魏明亮．组播技术在实时视频传输系统中的应用及其实现．计算机科学．2000，27：20～24
[19] 陈孝莲．基于IP组播的数字视频传输系统的研究：[硕士学位论文]．常州：河海大学，2003
[20] 涂杰．郭晓辉．盘细平．郭建新．MPEG-4在数字视频远程监控系统中的应用．计算机应用与软件．2004．21(2)：22—24
[21] W．Richard Stevens 著．TCP/IP详解．北京：机械工业出版社，2005
[22] 王英杰，陈祥献，耿晨歌．嵌入式网络化多媒体视频监控系统的设计与实现．工业控制计算机．2003，5(16)：21～22
[23] IME6400 MPEG4 Encoder Hardware Manual, InTime Corp in Korea. 2004
[24] Motorola, Inc. MCF5307 ColdFire Integrated Microprocessor User Manual. 2001
[25] Crouch, A. L; Mateja, M.; McLaurin, T. L.; Potter, J. C.; Tran, D. TestDevelopmentfor a Third-Version ColdFire Microprocessor. IEEE Design and Test of Computers. 2000. 17(4): 29～37
[26] Metrowerks, Inc. CodeWarrior IDE User Guide. 2000
[27] http://www.freescale.com/
[28] (美) Yao Wang，Jorn Ostermann，Ya-Qin Zhang著，侯正信译．视频处理与通信．北京：电子工业出版社，2003
[29] 余兆明，李晓飞，陈来春．MPEG标准及其应用．北京：北京邮电大学出版社，2002
[30] Jerry Whitaker著，邱绪环译．数字技术：数字电视原理与应用．北京：电子工业出版社，2000
[31] Hong-Taek Ju. Embedded Web Server Auchitecture for Web-based. Element and Network Management. Department of Computer Science and Engineering. 2001
[32] 徐学兵．嵌入式MPEG4视频监控系统的设计：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2004
[33] 闫红刚；戚文芽．MPEG4音、视频编码芯片IME6400及其应用．国外电子元器件．2004，8：30～33
[34] Lafruit, G; Ngoc, N P; Raemdonck, W van; Tack, N; Bormans, J. TRANSACTIONS PAPERS- Animation-Terminal QoS for Real-Time 3-D Visualization Using Scalable MPEG-4 Coding. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2003. 13(11): 1136～1143
[35] 李炳林．流媒体技术及应用．电力系统自动化，2001．12：68～71
[36] Warren W．Gay著，詹俊鹊，于卫译．实战Linux Socket编程．西安：西安电子科技大学．2002
[37] 裘英．流媒体在嵌入式视频监控系统中的设计利研究：[硕士学位论文]．北京：中国农业大学，2005
[38] 怀石工作室著．Linux上的C编程．北京：中国电力出版社，2000
[39] Kurt Wall等著，张辉译GNU／Linux编程指南．北京：机械工业出版社，2000
[40] Schlett, Manfred, Trends in Embedded-Microprocessor Design, IEEE-computer, Aug, 2002.4: 445～452
[41] 刘浩，胡栋．基于协议的IP视频系统设计与实现．计算机应用研究．2002．19(10)：140～143．
[42] Jia Haitao, Cao Li. A remote dataacquisition Conference, system based on SMS. Systems, Man and Cybernetics, 2004 IEEE International Brighton, 2004: 615～619
[43] 田年杰．嵌入式Linux在网络视频监控系统中的应用：[硕士学位论文]．成都：西南交通大学，2005
[44] Kurt Wall著，张辉译．GNU／Linux编程指南．北京：清华大学出版社，2003
[45] 陆其明．DirectShow开发指南．北京：清华大学出版社，2003
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