基于3G移动通信的无线视频监控的设计.pdf

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1、文章编号：1 0 0 2 8 6 9 2(2 0 1 0)0 3-0 0 9 5-0 4H d e o 一舅艘蚴!地查壁哑塑E 二：I基于3 G 移动通信的无线视频监控的设计木实用设计夏振华张正炳(长江大学电信学院，湖北荆州4 3 加2 3)I 摘要】介绍了一种基于W C D M A 的网络视频监控系统实现方案，系统以T I 公司的T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6 为核心，通过芯片自带的V i d e oI N 接口采集视频信号，经过，I M S 3 2 0 D M 6 4 4 6 双核芯片的D S P 核进行压缩编码，然后由A R M 核通过P P P 拨号的方式经由W C D

2、 M A 网络完成传输。I 关键词】T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6；W C D M A；网络；视频监控系统【中图分类号】T P 2 7 7【文献标识码】AD e s i g no fW i r e l e s sV i d e oM o n i t o rB a s e do n3 GM o b i l eC o m m u n i c a t i o nX I AZ h e n-h u a,Z H A N GZ h e n g-b i n g(E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nS c h o o l，Y a n g t z eU

3、 n i v e r s i t y,H u b e i n h o u4 3 4 0 2 3,C h i n a)【A b s t r a c t】I nt h i sp a p e r,ak i n do fr e m o t e v i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do nT M S 3 2 0 D M 6 4 4 6o fT Ii si n t r o d u c e d T h es y s t e mc a nc a p t u r ev i d e os t r e a m i n gf r o mV i d e oI Np o r

4、t a n de n c o d et h ev i d e os i g n a lb yD S Po f 田S 3 2 0 D M 6 4 4 6 T h e nt h ee n c o d e dd a t ai st r a n s p o r t e db yA R Mt h r o u g hW C M D An e t w o r k【K e yw o r d s】T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6；W C D M A；n e t w o r k；v i d e om o n i t o rs y s t e m1引言近年来随着网络带宽、微处理器处理能力的迅速提高以及

5、各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控产品逐步脱离了传统的模拟视频监控和基于P C 的视频监控。向小型化、数字化、网络化和终端智能化的嵌入式系统发展。r I I 公司的T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6(简称D M 6 4 4 6)芯片是一款A R M+D M 6 4 4 x 的双核芯片，是实现高性能视频监控、I P l V 等网络视频应用的理想的解决方案【l J。笔者将介绍一种利用D M 6 4 4 6 为核心，利用联通的W C M D A 进行网络传输的无线视频监控系统，该系统既具有多数嵌入式监控系统的体积小、成本低、维护方便、稳定性好等优点同时由于采用了第三代移动通信(3

6、G)的网络传输方式，无须布线，传输速度高，监控画面实时性好。2视频监控系统总体设计方案基于I P 的网络视频监控系统包括两大部分，视频监控终端和视频监控中心。视频监控终端和视频监控中心采用C l i e n t S e r v e r(C S)模式。监控中心运行在C l i e n t 模式。主动向各监控终端发起网络连接请求，各监控点的视频终端接受监控中心软件发送的网络请求，并将监控画面通过3 G 无线网络传送到监控中心进行显示。整个系统的结构如图1 所示。图1系统的结构图本系统利用T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6 芯片具有A R M 和D S P双核的特点将监控终端的三大核心任

7、务：视频采集、压缩编码和网络传输分配两个核分别处理，这样既能利用A R M 核上运行的L i n u x 系统具有的完备的T C P a P 协议栈实现复杂的网络控制命令和视频的传输。又能利用D S P 的强大运算能力实现实时的视频编码。系统的工作流程框图如图2 所示。r。一1，4。“气一。一一。一一。1_!，-。，-：I远主禁控H 罢誓显示Hl 厮俏I 鉴墼霉露：=二二=j：谗墼蟹嫂i：视频传输!一j 醯币0(一P C 一机湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(W S t 4 1 2 0 0 4 1 7 号)图2 工作流程框图万方数据匿翟型堕型堑壁由图2 可知，视频监控终端输入部分由

8、C C D 摄像机通过S V i d e o 端子接入视频解码器，视频解码器可以将摄像机得到的N T S C 格式或者P A L 格式的视频信号转换成包含有数字色差信号(Y U V 4 2 2)的B T 6 5 6 格式的视频流。由D M 6 4 4 6 的D S P 核采集并从中提取Y U V 4 2 2 格式的视频信号。D S P 核将Y U V 4 2 2 格式的视频转换成Y U V 4 2 0 格式。再将Y U V 4 2 0 格式的视频数据进行视频压缩编码编码后的视频在从D S P 核传送到D M 6 4 4 6 的A R M 核，运行在A R M 核上的网络传输软件等待外部连接。一

9、旦接收到合法的连接请求就开始向监控中心传送视频画面。视频监控中心向监控终端发出连接请求，被验证合法后可以通过网络查看监控终端所提供的监控画面，当然压缩的码流需要经过解码，然后再进行显示，监控中心还可以通过网络发出一些控制命令到终端，这些控制命令控制终端运行的一些参数比如视频图像的压缩比、画面的亮度、视频的帧率以及摄像机云台的转送等参数。3监控终端软件的设计从图2 可以总结出监控终端的软件分为两部分：D S P 端视频采集和压缩编码软件。A R M 端的网络传输和控制调参软件。3 1D S P 端软件的设计D S P 端软件的核心任务是视频编码，本系统采用M-J P E G 作为视频压缩编码算法

10、J P E G 是静态图像压缩编码方法在监控终端可以将视频图像当作单帧的静态图像来进行压缩处理，在监控中心利用解码器将压缩码流单帧地解压播放，就能实现动态视频效果。下面给出本系统的J P E G 实现的方法。J P E G 编码算法的流程如图3 所示。图3J P E G 流程图在图3 所示的编码流程中，二维D C T 变换在整个过程中运算量最大。通过C C S 实时性分析。发现D C T 几乎占用进行整个编码耗时的7 0 以上因此在实现D C T 变换的过程中，需要着重考虑算法和程序的优化。J P E G 编码将图像分成8 x 8 块，即D C T 处理的基本单元是8 x 8 的子块圆。因此，

11、8 点二维D C T 变换定义如式(1)。分解成2次一维D C T 可以大大简化运算，如式(2)一(3)9 6垒塑熊羹面面焉i i i 鬲面两i 丽)，(H，”)=c(u)c(口)委；娟拙叫号浮舢s c 号等，式中：c()=何，c(t)=1(t o)。m f)=号委咖州i 痂s 垡乒二i j 0土u，()=吉=0c(咖跏：s 毕，U(2)(3)在进行D C T 变换的各种快速算法中。L o e f f i e r 算法被证明已经达到了算法极限，是最优秀的算法，该D C T 算法共使用1 1 次乘法和2 9 次加法 3 1。它把整个D C T 过程分成了4 级，每级都是乘加运算四。D M 6 4

12、 4 6 非常适合做乘加，它可以达到每秒2 8 8 x 1 0 9 次1 6 位“乘加”运算，或5 7 6 x 1 0 9 次8 位乘加运算。本系统就是采用L o e f f l e r 快速算法来实现最为耗时的D C T 变换。J P E G 编码中分块、量化、H u f f m a n 编码等部分实现起来比较简单，耗时也很少。在充分考虑各个环节的优化后对系统的编码速度进行测试发现，本系统对3 5 2 x 2 8 8 大小的视频进行编码的速度能够达到8 0 低(帧秒)，可以满足监控画面的实时性要求。3 2A R M 端软件的设计A R M 端软件的核心任务是网络传输和参数调节。A R M 是

13、目前主流的嵌入式系统解决方案所选择的芯片大多数嵌入式系统都能很方便的移植运行在A R M 上D M 6 4 4 6 包含了一块A R M 9 核，可以运行L i n u x 系统。L i n u x 内核包含有功能完备的T C P I P 协议栈因此在进行网络传输的软件设计时，不需要自行实现T C P I P 协议，大大减少了代码量 4 1。A R M 端软件的工作原理是，首先利用P P P 拨号程序通过W C D M A 拨号接人互联网。等待监控中心连接请求；接收来自D S P 端编码后的视频数据然后在收到监控中心的连接请求时。将这些数据通过互联网传送到监控中心。联通的W C D M A 是

14、国内3 G 移动通信的一种。具有技术成熟、带宽大等优点。目前联通的W C D M A 都采用H S D P A 技术，下行速率为7 2M b i 讹今后还会升级到1 4 4M b i t s，完全可以满足视频无线传输的实时性要求。本系统采用的西门子W C D M A 模块M C 7 5 i 支持H S D P A模式，为了保证传输速度D M 6 4 4 6 与M C 7 5 i 通过数据总线连接，利用它进行网络传输时首先需要运行在A R M核上的L i n u x 系统通过P P P 协议拨号接入互联网，然后才能进行信令和视频码流的传输。为了实现局域网的穿透。本系统采用了自行设计的万方数据一个

15、简单的穿透协议来实现。具体原理是在互联网中的一台拥有公网I P 的机器上运行一个简单的网守程序。该程序记录监控中心和各个监控终端所使用的端口号和公网I P 地址。监控中心和各监控终端一启动就先向网守注册自己的公网I P 地址和端口信息，当监控中心要向终端发起网络连接时，首先向网守服务器发起请求信令，网守服务器收到监控中心的连接请求，可以从中得知监控中心需要与哪些监控终端连接。接着网守会将选中的监控终端的公网I P 地址和端口发送到监控中心，监控中心得到这些公网I P 地址和端口后再次向监控中心发起视频连接请求，此时监控中心会收到请求，验证合法后，向监控中心直接发送视频码流。整个工作过程如图4

16、所示。图中I P l A，P o r t l A。I P S A，P o r t S A 分别代表监控终端1和监控中心的内网I P 地址和内网端口：I P l G。P o r t l G，I P S G。P o r t S G 分别代表监控终端和监控中心的公网I P 地址和公网端口。注册I P S G 和P 0 鹉C 注册I P l G 和P O R T I G监控中心(I P S A；P o r t s A)7 确认注册成功请求终端l 的I P l G TP O R T I q，响应终端l 的I P l G TP O R T l G确认注册成功发起对终端1 的连接请求一响应请求图4 网络传输

17、工作流程图监控终端l(I P S A；P o n l A)4网络流量和图像质量的问题虽然W C D M A 网络带宽足够满足视频传输的需求，但从节约流量费用的角度考虑，在设计系统时，需要尽可能地在保证图像质量的前提下减少网络流量。视频传输系统中网络流量取决于编码方法。在相同的编码方法中，网络流量和图像质量是存在着矛盾的，数据量大，图像质量好。数据量小，图像质量差。本系统在M J P E G 编码基础上增加了控制图片质量的参数Q 通过调节该参数可以改变图片质量从而改变网络数据量的大小。它的原理是通过参数Q 改变量化时所用到的量化表中的量化步长来改变量化结果中“0”的数量。Q 与量化表之间的关系由

18、下列公式确定m u l 知幻芦f 5o o o Q 1 Q 5 0(4)乒腑2 0 0 2 Q：5 0 9。1 0 0【4 F i n a l Q t a b l e 乍(m u l _ f a c t o r x l n i t Q t a b l e 卅5 0)1 0 0(5)l i d e o 咖蚴!地鱼卫业!=】F i n a l Q t a b l e U V i =(m u l _ f a c t o r x l n i t Q t a b l e U V i +5 0)，1 0 0(6)其中I n i t Q t a b l e Y i 和I n i t Q t a b l e

19、U V i 分别为标准亮度量化表和色度量化表F i n a l Q t a b l e Y t 和F i n a l Q t a b l e U V i 分别为本文系统用于对亮度分量和色度分量的D C T 系数进行量化的量化表。从上式可以看出，Q 值越大，m u l _ f a c t o r值越小F i n a l Q t a b l e Y i 和F i n a l Q t a b l e U V i 各元素也越小。量化后的“0”的个数越少，压缩后的图像质量就越高【4 J。本系统中监控中心可以设置参数Q，并将Q 值通过网络传输到监控终端，监控终端根据设定的Q 值实时的改变图像质量。表l 给

20、出了3 0 0s 在各种Q 值下的流量统计，表中数据的测试条件为，视频大小3 5 2 x 2 8 8，帧率为2 0 仇。图5 给出了Q 值等于9 5，5 0，2 5 时的画面。表l网络流量统计，、。3 0 0s 流入视频服务3 0 0S 流出视频服务器每秒网络数据流。“器的数据量(k b i t 一)数据量(k b i t 8-1)量(k b i t s。1)q=9 5U=，u0=2 5图5 各种Q 值画面对比从表l 和图5 可以看出，Q=9 5 时，每秒网络数据流量较大，画面质量最好，Q=5 0 时。每秒网络数据流量适中。并且画面质量较Q=9 5 时没有大幅下降，Q=2 5 时的图像质量明显

21、下降。因此本系统将Q 的初始值设置为5 0，在Q=5 0 时，网络流量较小，并且画面质量也能满足大多数场合的要求。视频监控中心效果如图6 所示。从图可以看出，在默认参数下该I 监控系统的丽面质景令人满意图6监控中心效果图万方数据5小结本文提出的基于3 G 的嵌入式视频监控系统设计方案具有稳定性高、图像质量较好、网络传输性能好等特点。该系统操作简单，系统的监控图像质量能满足大多数用户对画面质量的要求。另外，该视频服务器对网络带宽的需求适中。完全适合局域网和互联网上使用。L E O f f L E RC，U G T E N B E R GA，M O S C H Y l ZGS P r a c t

22、i c a lf a s tl DD C Ta l g o r i t h m sw i t I Il lm u l t i p l i c a t i o n s E B O L】2 0 0 9-1 0-2 0 h t t p：i e e e x p l o r e i e e e o r g X p l o r e l o g i n j s p?u r l=h t t p 3 A 2 F 2 F i e e e x p l o m i e e e o r g 嘞0 2 F i e l 2 2 F 8 0 5 2 F 6 6 7 7 2 F 0 0 2 6 6 5 9 6 p d f 3

23、F a m u m b e r 3 D 2 6 6 5 9 6&a u t h D e c i s i o n=-2 0 3 梅晓兰，张连发梅启斌基于O M A P l 5 1 0 双核架构的移动多媒体通信终端的设计与实现【J】电子技术应用，2 0 0 4，3 0(8)：2 0 一2 4 作者简介：参考文献：l振i(1973-【1】唐健雄，陈力基于T M S 3 2 0 D M 6 4 4 6 的视频会议终端硬件设计田电张正炳(1 9 6 1 一视技术，2 0 0 8，3 2(3)：9 3 9 5 频通信。【2】邓慧萍，张正炳，贾冬顺一种改进的2 D D C T 的F P G A 实现【J】微

24、责任编辑：任健舅计算机信息，2 0 0 7(3 5)：2 1 4 2 1 5)。讲师，硕士主要研究方向为视频通信；)硕士生导师，博士。研究方向为图像处理、l l I 祝收稿日期：2 0 1 0-m l 晒(上接第6 4 页)6小结本文首先对L T E T D D 终端与选网相关的模块结构进行了设计。专门设计了一个模块用于处理选网功能。然后对与选网相关的模块间信号进行了设计，对重要信号原语的内容进行了定义。最后分两种选网模式，对不同情况下选网的流程进行了设计实现。由于篇幅所限，本文仅给出了两种模式下最特殊情况下选网的设计。参考文献：【l】I信息产业部电信研究院T D-S C D M A G S

25、M(G P R S)g g 模数字终端技术要求 E B O L 2 0 0 9-11-2 0 1 h t t p：b b s c n t t r c o m t h r e a d-1 2 3 6 6 2-1 1 h t r l I I【2】马志鑫3 G P PL T E 发展现状、无线接1：1 协议及体系结构的研究移动通信，2 0 0 7(1 2)：1 4【3】李小文，李贵勇，陈贤亮，等T D S C D M A 第三代移动通信系统、信令及实现叨北京：人民邮电出版社，2 0 0 3 作者简介：李小文(1 9 5 5 一J。教授。主要研究方向为T D S C D M A 高层信令软件；马志鑫(

26、1 9 8 4-J 硕士生，主研第三代移动通信技术。责任编辑：任健男收稿日期：2 0 1 0-0 1 埘(上接第9 4 页)V G A 控制过程为：1)判断A s y n c F I F O _ l 是否为空，并读取R G B 数据输入到V G A 显示；2)判断是否已经读取了一行即6 4 0 个R G B 信号，假如是则复位行信号日；3)判断是否已经读取了一幅图像，假如是则复位场信号y 到此V G A 已经完整地显示了一帧图像。4小结设计最终在E P 2 C 3 5 芯片上得以仿真并实现。共用了l5 8 1 个逻辑单元，占该芯片资源的5，用去寄存器l2 3 1 个只占该芯片资源的4 悯。基于

27、F P G A 设计完成视频监控系统，充分利用了F P G A 的优势，设计灵活，修改方便，易于调试，系统可靠性高。如果设计中再加上视频处理和控制部分，还可以实现图像处理和监控目标运动状态的判断和控制，例如车牌识别、车速测算或者人物动作识别等。【2】李竹，张清泉，杨培林基于F P G A 的T D M 交换系统在视频监测巾的应用硼电视技术，2 0 0 8，3 2(9)：8 8-9 0【3】M I C H A E LDC V e r i l o gH D L 高级数字设计【M】北京：电子工业出版社2 0 0 5【4】刘延飞。郭锁利基于A h e mF P G M C P L D 的电子系统设计及

28、工程实践【M】北京：人民邮电出版社，2 0 0 9【5】简弘伦精通V e r i l o gH D L：I C 设计核心技术【M】北京：电子工业出版社2 0 0 5【6】M E Y E RBU 数字信号处理的F P G A 实现【M】刘凌，胡永生，译北京：清华大学出版社2 0 0 7 作者简介：刘松(1 9 8 5 一付扬(1 9 6 2 一电子技术应用：郭培源(1 9 5 8-应用。参考文献：责任编辑：任健男【l】郑世宝智能视频监控技术与应用叨电视技术，2 0 0 9，3 3(1)：9 4-9 6 9 8垒塑熊垂厂磊面磊五石西丽再而函五石丽J，硕士生主研检测技术与自动化装置；l。女副教授，硕

29、士主要研究方向为F P G A 技术、)。教授博士。主要研究方向为嵌入式技术_ 及收稿日期：加l m m l-7 0万方数据基于3G移动通信的无线视频监控的设计基于3G移动通信的无线视频监控的设计作者：夏振华，张正炳，XIA Zhen-hua，ZHANG Zheng-bing作者单位：长江大学,电信学院,湖北,荆州,434023刊名：电视技术英文刊名：VIDEO ENGINEERING年，卷(期)：2010，34(3)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.唐健雄.陈力 基于TMS320DM6446的视频会议终端硬件设计期刊论文-电视技术 2008(3)2.邓慧萍.张正炳.贾冬顺 一种改进的2D-DCT的FPGA实现期刊论文-微计算机信息 2007(35)3.LEOFFLER C.LIGTENBERG A.MOSCHYTZ G S Practical fast 1D DCT algorithms with 11 multiplications 20094.梅晓兰.张连发.梅启斌 基于OMAP1510双核架构的移动多媒体通信终端的设计与实现期刊论文-电子技术应用2004(8)本文链接：http:/