基于DSP的网络视频监控系统的研究与设计

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3.0 林婧 2024-09-24 14 4 5.46MB 58 页 150积分

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基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计

摘要

视频监控系统在工业生产、银行业、交通和安全部门等众多领域存在广泛的应用。随着技

术的进步，现在已经发展到了第三代，即网络视频监控系统。网络视频监控系统集成了

Internet 网络传输、视频编解码、嵌入式系统、多媒体传输与控制等方面的技术。网络视频监

控系统能够将采集的视频图像数据通过 Internet 传输到远程的监控中心，并接收远程监控

中心发送的监控指令并根据指令做出相应的调整和操作，实现智能化、可定制、网络化的功

能，可以随时随地掌握监控现场的情况。

本文分析监控系统的方案之后确定了 DSP+FPGA 处理结构，对其主控芯片，解码芯片和

视频采集进行了选择，对其使用到了网络协议进行了分析。然后在其硬件设计部分，对硬件

的各个模块进行了详细的设计：DSP 外围电路，网络接口，视频采集和逻辑控制。在完成硬

件设计之后，按照一个基于 TI eXpress DSP 软件技术的参考框架（RF5）进行了软件设计，

按照图像采集模块、图像压缩模块、网络传输模块的设计。监控系统的视频编码采用最新的编

码标准 H.264。本文从方案选择到硬件设计到软件设计，详细研究了整套监控系统开发的流

程和方法，为相关的设计提供了一个有价值的参考。

关键词：监控；网络；DSP；RF5

基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计

Abstract

Video surveillance systems are used in a large range, for example industry production, traffic

and security department .As the development of technology，Video surveillance have developed to

third generation, which is called network video surveillance system. Network video surveillance

system integrates Internet network transfer technology video encodes and decodes technology,

embedded system, and multimedia transfer and control technology. Network video surveillance

system is able to transfer the data of video image to surveillance center by Internet, and to receive

the surveillance direction from surveillance center and adjust the parameter according to the

direction received. This system is intelligent, adjustable and network distributed, which can survey

the environment at anytime and anywhere.

This dissertation studies the monitoring system schema and definite the DSP+FPGA strut, choose

the main control chip and decode chip and video gathering chip and analysis the network protocol.

In the hardware design, it designs each module in details: DSP peripheral circuit, network interface,

video gathering and logical control. After hardware design, it complies with the TI eXpress DSP

software technology conference architecture (RF5) to design software to design video gathering

module, video compress module and network module. This monitoring uses H.264 decode code

standard. From schema to hardware and software, this dissertation designs the whole suits of

monitoring system. It will give a valuable reference to relative project.

Keywords: monitoring; Network; DSP; RF5

基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计
目录
摘要...........................................................................4
Abstract.......................................................................5
第一章 绪论....................................................................8
1 课题研究背景和意义......................................................8
2 国内外研究现状..........................................................9
3 主要研究内容...........................................................10
第二章 嵌入式网络视频监控系统设计方案.........................................11
1 嵌入式网络视频监控系统结构设计........................................11
2 视频编码标准的选择....................................................12
2.1 H.264 技术特点...................................................13
2.2 H.264 编码器.....................................................16
2.3  H.264 编码控制..................................................16
3 视频监控设备方案确定..................................................17
3.1 主控芯片的选择...................................................18
3.2 解码芯片的选择...................................................18
3.3 逻辑芯片的选择...................................................20
4 网络传输协议的分析选择.................................................20
4.1 网络传输协议的比较分析...........................................20
4.2 网络传输协议的选择...............................................22
5 本章小结...............................................................23
第三章  监控系统硬件电路设计..................................................24
1 电路的总体结构设计....................................................24
2  DSP 外围电路的设计....................................................25
2.1 数字信号处理器...................................................25
2.2  视频解码电路设计................................................27
2.3  DSP 存储空间分配设计............................................29
2.4 DSP 与外部程序存储器接口设计.....................................29
2.5 DSP 与外部数据存储器接口设计.....................................31
3 DSP 网络接口设计.......................................................33

基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计
3.1 DSP 以太网接口...................................................33
3.2 以太网通信接口设计...............................................34
4 其它外围电路设计.......................................................35
4 FPGA 与 DSP 的接口设计..................................................36
5 FPGA 逻辑设计.........................................................37
6  本章小结.............................................................39
第四章 系统软件设计...........................................................40
1RFS 参考模型介绍........................................................40
2 图像采集模块设计......................................................40
2.1 类/微驱动模型....................................................40
2.2 视频采集驱动程序的框架...........................................41
2.3 视频采集驱动中的视频数据传输.....................................43
2.4 视频采集驱动程序的调用实例.......................................45
3 图像压缩模块设计.......................................................46
3.1 视频压缩介绍.....................................................46
3.2 视频编码的基本原理...............................................46
3.3 监控中的视频编码技术.............................................47
3.4 视频压缩处理线程.................................................49
4 网络传输模块设计.......................................................50
4.1 NDK开发环境.....................................................50
4.2 网络传输协议.....................................................51
4.3TCP/IP 协议的实现.................................................51
4.4 网络传输线程.....................................................54
4.5  NDK开发........................................................55
5 本章小结..............................................................55
第五章 全文总结与展望.........................................................57
1 全文总结...............................................................57
2 课题展望...............................................................57
致谢..........................................................................59
参考文献......................................................................59

基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计

第一章绪论

1.1 课题研究背景和意义

视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监

控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图

像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。从目前的趋势来看，视频

监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态

转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，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、开放式的防议，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。

视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集散式系统

采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现

抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件，采用标准化、模块化和

系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、控制功能完善、数据处理方便、人

机界面友好以及系统安装、调试和维修简单、系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的

网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网

络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享。

目前大多数用于视频监控系统都是建立在 PC 机上的，成本高昂，稳定性不够好，而嵌

入式系统根据需求来制订的硬件系统相当便宜，便于安装，易于实现系统的模块化设计，便

于管理。减少了无用的软硬件在削减了成本的同时也增强了稳定性。在这样嵌入式控制和视

频处理兼备的系统运行过程中，大量的数据需要得到及时处理。某些嵌入式处理器有 DSP 的

防处理器，有能力处理一些信息运算，但实时性得不到保证。DSP 芯片的内部采用程序和数

据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，

可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。所以，本系统引入 DSP 芯片对视频信息进行独

立的处理，采用嵌入式处理系统和视频信息处理模块并行的模式。

在降低成本和提高稳定性后，该视频监控系统可以广泛的应用于远程视频监控，智能小

基于 DSP 的网络视频监控系统的研究与设计

区等一系列民用领域。随着宽带网络技术的发展，利用 Internet 的远程视频监控必将有更大

的发展。

1.2 国内外研究现状

视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。在九十年代初以前，主要是以模拟设备为主

的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代中期，随着计算机处理能力的提

高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显

示器的高分辨率实现图像的多画面显示，这种基于 PC 机的多媒体主控台系统称为第二代数

字化本地视频监控系统。九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提

高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，称为第三代

远程视频监控系统。

数字监控系统以计算机为处理核心，除了能够实现多媒体信息处理如压缩、传输、存储

和播放等基本功能之外，还能够实现自动异常报警、智能存储和快速检索等高级功能，实现

模拟监控无法实现的真正意义上的监控功能。由于数字式网络监控系统功能强大成本低、使

用方式灵活而且应用广泛，蕴含巨大商机，受到了学术界、产业界和管理部门的高度重视，

计算机视觉和应用研究学者适时地提出了视觉监控的概念。 1997 年美国国防高级研究项目

署(DARPA)设立了以片内基梅隆大学为首联合美国十几家高等院校和研究机构参加的视频监

控重大项目 VSAM(Video Surveillance and Monitoring)，主要研究目标是利用视频理解、

网络通信、多种传感器融合等技术实现对未来城市、战场等进行自动监控。 DARPA 在 2000 年

又资助了重大项目 HID 计划(Human Identification at a Distance)，研究开发多模式的监

控技术以实现远距离情况下的人的检测、分类和识别，以增强国防、民用等场合免受恐怖袭

击的保护能力。IEEE 从 1998 年起资助了国际视觉监控系列会议，至今已分别在印度、美国、

爱尔兰召开了三届。国际权威期刊International Journal of Computer Vision也在 2000

年6月出版了视觉监控专题。国际著名期刊IEEE Trans. On Pattern Analysis and

Machine Intelligence 己于 2000 年8月出版了有关视觉监控算法的专集。

而在国内，产品较多地是在外来芯片基础上开发视频采集压缩片，或在现有的视频采集

压缩片上开发监控软件系统，然后组成监控系统。常见的基于 PC 机的图像监控系统由PC 机

加上视频采集片构成，基于 PC的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性不好

视频前端较为复杂，可靠性不高。近年来，智能视觉监视技术在公共保安领域中的应用带来

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基于DSP的网络视频监控系统的研究与设计基于DSP的网络视频监控系统的研究与设计摘要视频监控系统在工业生产、银行业、交通和安全部门等众多领域存在广泛的应用。随着技术的进步，现在已经发展到了第三代，即网络视频监控系统。网络视频监控系统集成了Internet网络传输、视频编解码、嵌入式系统、多媒体传输与控制等方面的技术。网络视频监控系统能够将采集的视频图像数据通过Internet传输到远程的监控中心，并接收远程监控中心发送的监控指令并根据指令做出相应的调整和操作，实现智能化、可定制、网络化的功能，可以随时随地掌握监控现场的情况。本文分析监控系统的方案之后确定了DSP+FPGA处理结构，对其主控芯片...

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