智能移动视频监控系统的设计与实现.pdf
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1、 工学硕士学位论文 智能移动视频监控系统的设计与实现 高海辉 北京工业大学 2010 年 4 月 分类号:TP332 单位代码:10005 学 号:S200702063 密 级:公开 北京工业大学硕士学位论文北京工业大学硕士学位论文 题题 目目 智能移动视频监控系统的设计与实现智能移动视频监控系统的设计与实现 The Design and Implementation of Intelligent Mobile Video Supervising System 研究生姓名:高海辉 专 业:信息与通信工程 研究方向:智能化信息处理 导 师 姓名:贾克斌 职 称:教授 论文报告提交日期 2010
2、年 4 月 学位授予日期 授予单位名称和地址 北京工业大学 北京市朝阳区平乐园 100 号(100124)独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:高海辉 日期:2010 年 4 月 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有
3、权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:高海辉 导师签名:贾克斌 日期:2010 年 4 月 摘要 -I-摘 要 3G 开创了无线通信与 Internet、视频融合的新时代,由此产生的移动视频业务以其鲜明的移动性、实用性、即时性和亲临性,受到了学术界、产业界和应用部门的高度重视。本文在总结当前移动视频业务的特点及技术研究现状的基础上,确立课题的智能化与嵌入式化研究方向,提出构建一套完整的智能移动视频监控系统的研究目标。论文主要完成了以下工作:1)在对各种技术的研究论证基础上
4、,给出系统的总体技术实现方案,从网元组成、模块接口与业务流程三个层面进行剖析。系统划分为 DSP 端,视频监控业务平台以及用户终端三部分;2)在 DSP 端的设计中,以 TMS320DM642 嵌入式平台为基础扩展视频接口、网络接口和异步 UART 接口,实现基于 FVID 驱动模型的视频采集、基于人体形态学的运动目标检测算法、基于短消息的联动报警、基于 H.264 的视频压缩编码、基于 NDK 的网络应用服务、YUV4:2:2 到 YUV4:2:0 的视频格式调整、D1 到 CIF的图像大小转换和基于 UART 的云台/机器人控制;3)在视频监控业务平台的设计中,基于 QuickTime S
5、treaming Server5.5 构建流媒体服务器,基于 IIS 7.0 构建 Web 服务器,实现将 DSP 传送来的视频流化并中继分发给用户终端;4)在用户终端的程序设计中,以 Windows Mobile 为例,给出基于 B/S 和C/S 两种模式下的控制程序设计方法,使得客户端在播放视频的同时具备控制系统的云台/机器人、视频采集参数设置和运动目标检测开/关等功能。系统进行工程应用部署与测试。实验结果表明,系统达到预期设计目标,初步实现以嵌入式平台为核心,以智能分析为特色。嵌入式化使系统具备体积小巧,稳定性高,移动性强,适合各种环境应用的优势。智能化的运动目标检测和联动报警功能更是实
6、现了无人值守的高度自治性,降低了系统成本。未来,本文设计的智能移动视频监控系统将会促进家居安防、公共安全、石油化工、道路交通、环境监测、电力、房地产、制造业以及军事基地等需要远程视频监控的传统产业的可视化便捷管理,促进移动视频产业价值链的多元化发展,衍生出基于移动视频的融合性行业应用,拓宽行业市场容量。关键词 视频监控;运动目标检测;流媒体;DSP;智能 北京工业大学工学硕士学位论文 -II-Abstract With the rapid development of 3G,mobile video monitor service is expected to be the most prom
7、ising value-added services in this new era.It is enjoying high priority in academia,industry and application departments with the advantages of mobility,practicality,instantaneity and personal experience.Based on the feature and research of previous systems,the research direction of intelligent&embe
8、d is established and an intelligent mobile video surveillance system is designed in this thesis.The remarkable contribution and application achievements of this paper are stated as follows:1)Based on the feasibility study of the technologies,a diagram design of video monitor system is made for an an
9、alysis from the perspective of NE component,module interface&business process.The system is divided into three parts:DSP terminal,Video Surveillance Services Platform&User Terminal.2)Based on TMS320DM642 embedded platform,video interface,network interface&asynchronous UART interface is extended in D
10、SP terminal,so as to realize the function of video capture based on FVID drive module,human morphology-based detection algorithm of moving objects,linkage alarm based on short message service,H.264-based compression algorithm,NDK-based network application services,video format adjustment betweenYUV4
11、:2:2 and YUV4:2:0,and UART-based image size conversion from D1 to CIF&PTZ/robot control.3)Streaming media server and web server based on quicktime streaming server5.5 and IIS7.0 respectively are designed in video surveillance services platform,which makes the video from DSP fluided and distributed t
12、o user terminals.4)Based on B/S&C/S two modes,Control procedures on windows mobile is designed in user terminal.It facilitates the user with the function of PTZ/robot control,video capture parameters configuration and motion detection on/off along with video playing.With embedded and intelligent fea
13、tures,the system proves to meet design expectations.Embedded technology makes the system enjoy the advantage of compact size,high stability,strong mobility and application suitability in a variety of environment.Similarly,Intelligent Motion Detection and linkage alarm function has greatly reduced th
14、e cost of system because of its autonomy.In the future,intelligent mobile video surveillance system has further extensive application of space in intelligent home,public places monitoring,petrochemical industry,tragic information monitoring,environmental monitoring,power,real estate,manufacturing an
15、d military.It meets the demand of traditional industries which need remote video surveillance,visualization convenient management enriches multiple industrial applications and expand trade market capacity.Keywords video surveillance;moving object detection;streaming media;DSP;intelligence 目录 -III-目
16、录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论.1 1.1 智能移动视频监控的背景及意义.1 1.2 智能移动视频监控的研究及发展.2 1.2.1 智能移动视频监控的关键技术.2 1.2.2 智能移动视频监控的应用领域.4 1.3 论文的研究内容与特点.5 1.4 论文的组织与结构.5 第 2 章 系统的整体方案设计.7 2.1 智能移动视频监控系统基本实现原理.7 2.2 智能移动视频监控系统技术实现方案.8 2.2.1 业务系统结构.9 2.2.2 系统网元功能.9 2.2.3 模块之间接口.11 2.2.4 典型业务流程.13 2.3 本章小结.15 第 3 章 DSP 端的设
17、计与实现.17 3.1 DSP 端的功能需求与指标.17 3.2 DSP 处理器的选型与分析.17 3.3 DSP 端的硬件设计与实现.18 3.3.1 视频采集显示模块设计.18 3.3.2 以太网络接口模块设计.20 3.3.3 异步 UART 模块的设计.20 3.4 DSP 端的软件设计与实现.21 3.4.1 视频采集功能的设计.25 3.4.2 视频格式调整的实现.31 3.4.3 智能监控算法与报警.33 3.4.4 视频 H.264 编码设计.43 3.4.5 网络传输功能的设计.46 3.4.6 云台与机器人的控制.50 3.5 本章小结.53 第 4 章 业务平台的设计与实
18、现.55 4.1 业务平台的基本实现原理.55 4.2 业务平台的技术实现方案.56 4.2.1 业务平台的技术选型.56 4.2.2 业务平台的程序设计.58 北京工业大学工学硕士学位论文 -IV-4.3 本章小结.65 第 5 章 客户端的设计与实现.67 5.1 客户端控制功能的基本实现原理.67 5.2 客户端控制功能的技术实现方案.67 5.2.1 基于 B/S 模式的程序设计.67 5.2.2 基于 C/S 模式的程序设计.69 5.3 本章小结.72 第 6 章 总结与展望.73 6.1 总结.73 6.2 展望.74 参考文献.75 致谢.79 附录.81 攻读硕士学位期间已发
19、表的学术论文.81 攻读硕士学位期间获得的软件著作权.81 攻读硕士学位期间参加的科研活动.81 攻读硕士学位期间获得的奖励.82 第 1 章 绪论 -1-第 1 章 绪论 1.1 智能移动视频监控的背景及意义 3G 开创了无线通信与 Internet、视频融合的新时代,由此产生的移动视频业务以其鲜明的移动性、实用性、即时性和亲临性,已成为众多移动增值业务中的一个亮点。移动视频业务是指通过移动网络和移动终端为移动用户提供视频内容的新型通信服务,它的主要特征在于传送的内容是比文本、语音更加高级的视频图像,并可以伴有音频信息。移动终端和网络技术的不断发展,为移动视频业务的出现和推广提供了必要的条件
20、。市场需求和技术进步共同推动移动视频业务的研究工作在全球取得了重大进展,并使得移动视频业务成为了移动运营商、设备制造商和内容提供商共同关注的焦点之一1。据英国 Strategy Analytics 公司的研究报告,08 年,全球有超过 1.5 亿的用户使用移动视频业务,市场规模达 47 亿美元。全球主要的移动视频业务运营商和业务如下表 1-1 所示。表 1-1 全球主要的移动视频业务运营商和业务 运营商 业务内容 中国移动 多媒体信息服务 中国电信 全球眼 中华电信 移动视频监控 德国 T-Mobile 多媒体信息服务 美国 Cingular 及 T-Mobile 多媒体信息服务 日本 NTT
21、 DoCoMo 流媒体视频业务、3G 手机-PC 实时视频会议服务 韩国 SKT 多媒体内容、VOD、MOD、可视电话、多媒体信息 英国 O2 多媒体信息服务、移动视频游戏、移动可视电话 意大利和记黄埔 可视电话 移动视频监控作为移动视频业务的重要子类,已在很多国家和地区得到推出,并在某些国家得到很好的发展。移动视频监控将会促进家居安防、公共安全、石油化工、道路交通、环境监测、电力、房地产、制造业和军事基地等需要远程视频监控的传统产业的可视化便捷管理,促进移动视频产业价值链的多元化发展,衍生出基于移动视频的融合性行业应用,拓宽行业市场容量。正因如此,移动视频监控的应用范围正在全速渗透到各行各业
22、乃至人们的日常生活之中,其将成为未来移动通信新的市场增长点,真正使移动用户享受无线视频掌上未来1。北京工业大学工学硕士学位论文 -2-1.2 智能移动视频监控的研究及发展 根据视频处理技术水平发展的不同,视频监控系统经历了模拟视频监控系统,数字视频监控系统和网络视频监控系统三个阶段。其中,智能移动视频监控系统作为网络视频监控系统的最新发展方向,具有鲜明的移动性、实用性、即时性、智能性和亲临性。系统以嵌入式系统为核心,以智能分析为特色,以移动便捷为目标引发了视频监控行业的技术革命,受到了学术界、产业界和应用部门的高度重视。系统不仅具备体积小巧,稳定性高,移动性强,适合各种环境应用的优势,而且智能
23、化的异常检测、自动报警功能更是实现了无人值守的高度自治性,降低了系统成本。1.2.1 智能移动视频监控的关键技术 智能移动视频监控系统的主要关键技术及研究领域有:音视频编码标准、流媒体技术、网络传输技术、视觉分析技术和嵌入式技术。(1)音视频编码标准2 依据 3GPP 的 PSS 规范,通用移动通信系统(UMTS,Universal Mobile Telecommunications System)的移动分组流媒体支持的编码类型包含视频、音频、静态图像、位图、向量图、普通文本和定时文本等,其中音频和视频的编解码类型可以有多种组合。视频的媒体编解码类型主要有国际标准化组织 ISO 和国际电工委员
24、会 IEC关于静止图像的编码标准 JPEG/JPEG2000,关于运动图像的编码标准 MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4 等,以及国际电信联盟 ITU-T 制定的视频编码标准 H.26X 系列。表 1-2 列出了各视频编码标准的目标码率和应用领域。其中,H.264 标准是一个面向未来 IP 和无线环境下的视频压缩标准,其在视频压缩效率方面比目前所有的视频压缩标准都要高。表 1-2 视频编码标准的目标码率和应用领域 组织名称 视频编码标准 码率范围 典型应用 ITU-T H.26L 64 kbps 到 240 Mbps 兼顾广播和电信、覆盖从低码率通信到高清晰电视的广域标准 ISO CD
25、14496-2 MPEG-4 24-1024 kbps 实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、内容存储和检索多媒体系统等 ITU-T H.263 64 kbps 或Device Drivers-UserDefined Devices,增加三个视频端口设备并进行如下图 3-8 的配置17,VP0 和 VP1 设置成视频输入端口,VP2 口设置成视频输出端口。图 3-8 视频端口的配置(2)微驱动通用部分的设备参数设置 为微驱动通用部分配置设备参数。以 VP0 的视频采集为例,主要配置了端口参数和采集通道参数。/*端口参数*/VPORT_PortParams VPM642_vCapParam
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