基于H.264视频压缩技术的视频监控系统

2022-09-10

随着社会的发展, 某些特定用户, 如银行, 海事, 矿山, 电力等对图像监控系统, 图像监控质量, 远程图像传输等各方面都有针对性需求, 他们希望能够远程监控, 远程传输;能得到清晰的图象, 并对图象传输的实时性要求比较高, 很明显, 用传统的PC机加图像采集卡的方式很难满足这样的需求。

新一代视频压缩标准H.264是面向无线网络和因特网的视频图像编码与传输技术, 相对MPEG-4标准, 除了增强网络适应能力外, 大幅度提高了压缩编码效率, 在相同的码率下能够获得更高的主客观质量。

码分多址无线网络具有覆盖面广、高效、低成本的特点。码分多址网络的数据传输速率可达150kb/s。这里开发的嵌入式无线视频定位监控系统就是充分利用了H.264视频压缩技术码分多址无线网络技术和嵌人式系统的特点而搭建的数据传输系统。

1 系统节构

该系统由无线或有线互联网监控用户、中心服务器、嵌入式监控终端组成, 系统架构, 如图1所示。在这里, 中心端服务器是关键, 在终端用户和监控点起着桥梁的作用。终端用户向中心服务器发送指令, 中心服务器进行命令解析, 通过无线网络向监控终端发送控制命令, 通过图像采集模块拍摄现场图像, 并将经过H.264压缩编码后的图像数据按照RTP通信协议, 经由码分多址模块发送回中心服务器。中心服务器需要处理在数据传输过程中出现的各种现象, 如数据包错序、丢包等现象, 还要监控码分多址传输数据质量, 并进行反馈, 由此来控制码分多址在不同信号质量下发送数据的速度;并且为用户提供监控系统的Web浏览、视频数据的硬盘存储、下载等功能。

2 监控终端设计

监控端系统基于高性能通信媒体处理器码分多址搭建。Hi3510是一款基于ARM9、DSP双处理器内核以及硬件加速引擎的高集成、可编程、支持MPEG-4 AVC/H.264协议的高性能通信媒体处理器。围绕Hi3510分别搭建相应的硬件和软件环境, 就可以很方便的实现监控终端的设计。

Hi3510使用ARM926EJ-S内核, 哈佛结构的32位RISC处理器, 其内内置MMU, 主频可达到240MHz, 可以很好得运行嵌人式Linux 2.6, 不但保持了嵌人式系统小型化、低功耗、易携带的特点, 又充分利用了Linux系统完整的内存、文件、线程管理功能, 大大方便了程序的开发和程序中多任务功能的实现。Hi3510芯片是具有H.264硬件编码SOC芯片——Hi3510采用ARM9+DSP+硬件引擎方式, 方便地提供了H.264压缩视频流, 而且可以获得很好压缩比。很好的解决H.264视频图像编码与传输技术计算量过高, 编码时间过长的问题。

码分多址通讯模块采用ETPro-309 AI CDMA Modem, 其内置SIM卡, 其内部核心芯片是Qualcomm MSM6025。该模块包含基于码分多址业务标准IS95和IS2000的调制解调系统, 而且带内置TCP/IP协议栈, 可利用AT命令直接与其通信。码分多址模块与核心处理器之间使用UART进行连接。

Hi3510支持ITU-RBT.656/601视频输入接口, 摄像机接口接受ITU标准的图像数据, 不能直接接收CCD摄像机输出的模拟视频信号, 因此我们只需要再加一片S AA 71 14视频解码芯片, 就可以完成硬件系统的搭建。

硬件系统结构图2。

控制终端软件的核心是嵌入式Linux操作系统, 所有功能的实现都基于Linux操作系统来完成[1]。主要包括BootLoader服务程序和基本外设驱动, 它主要完成系统加载和ARM核心处理器的初始化配置;摄像头模块和码分多址模块的驱动程序;系统的应用程序。Linux内核采用模块化的设计, 这里只需要串口驱动、SAA7114视频解码芯片驱动, 拨号网络应用, 需要支持PPP、TCP/IP网络协议码分多址拨号通过运行PPP程序进行。在Linux下的PPP包是专门为解决Modem拨号上网问题而编写的, 并且是公开源代码的。PPP拨号脚本程序主要通过调用pppd和chat这两个应用程序, 并通过AT指令实现对Modem的操作。应用程序主要是供用户使用, 通过摄像头模块采集图像, 使用码分多址模块来发送图像数据。终端与中心服务器建立TCP连接, 在运行过程中始终保持TCP连接, 中心服务器可随时主动地请求图像数据, 因此, 对于对交互性和实时性有较高要求的应用系统可实现较好的响应。监控终端软件流程如图3所示。

3 H.264视频压缩标准的特点和在无线传输中的优势

视频数据在传输前必须要先经过编码器有效地压缩成码流, 以减少对网络资源的占用率。目前常用的视频编码器有MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263、H.264、Window Media视频编码器和Real System视频编码器等。

作为目前最新的视频编码技术H.264, 在安防行业的应用有着非常大的前景。H.2 6 4采用D P C M加变换编码的混合编码模式。它不用众多的选项, 获得比H.263++好得多的压缩性能;增强了对各种信道的适应能力, 采用“网络友好”的结构和语法, 有利于对误码和丢包的处理;应用范围较宽, 以满足不同速率、不同解析度及不同传输 (存储) 场合的需求;它的基本系统是开放的。

在技术上, H.264标准中有多个亮点, 如:统一的VLC符号编码;高精度、多模式的位移估计;基于4×4块的整数变换;分层的编码语法等。这些使得H.264算法具有很高的编码效率, 在相同的重建图像质量下, 能够比H.263降低50%左右的码率。虽然H.264的编码复杂度是H.263的3倍, 解码复杂度是H.263的两倍, 所占的系统资源要多。但是在随着CPU和DSP性能的提高的, 已经不是困绕系统设计的难点[2]。

相对于有线网络而言, 无线网络状况更不稳定, 除去网络流量所造成的传输速率的波动外, 设备的移动速度和所在位置也会严重地影响到传输速率。其次, 无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多, 数据的误码率也要高许多, 而高压缩的码流对传输错误非常敏感, 还会造成错误向后面的图像扩散, 因此无线流媒体在信源和信道编码上需要很好的容错技术。错误恢复的工具随着视频压缩编码技术的提高在不断改进。旧的标准 (H.261、H263、MPEG-2的第二部分) 中, 使用片和宏块组的划分、帧内编码宏块、帧内编码片和帧内编码图像来防止错误的扩散。之后改进的标准 (H.263+、MPEG-4) 中, 使用多帧参考和数据分割技术来恢复错误。H.264标准在以前的基础上提出了三种关键技术: (1) 参数集合; (2) 灵活的宏块次序 (FMO) ; (3) 冗余片 (RS) 来进行错误的恢复。FMO是H.264的一大特色, 可以是一帧中的宏块顺序分割, 使分割后的片的尺寸小于无线网络的MTU尺寸, 避免在网络层再进行一次数据分割, 降低了数据传输的额外开销。