1、 目录第一章.绪论 . . 11.1 课题研究的背景1.1.1 数据图像传输技术的发展现状1.1.2 嵌入式系统的发展现状1.1.3 嵌入式 LINUX 的现状1.2 课题的研究意义1.3 课题的主要工作内容第二章.3G 网络及图像数据传输的研究与介绍 . 72.1 3G 网络及其多媒体业务简介2.2 主要图像压缩方法介绍第 3 章. 基于 3G 的图像采集和传输模块的设计 . 143.1 实时视频网络传输系统设计3.2 实时监控系统实现模块3.3 实时监控系统工作流程3.4 系统服务质量的保证3.5 结束语参考文献 . 21第一章 绪 论图像的获取是由视频采集部分来完成的，采集的图像可以分成
2、模拟图像和数字图像两种。图像的转换和播放是由终端的计算机或者其他嵌入式产品程序完成，属于对图像的应用范畴。很显然，图像的采集与对图像展开的应用常常不是在一个地方完成的，因此有一个通信过程：负责将前端采集的模拟或者数字图像进行有效、可靠的传输，特别是针对图像应用而进行的通信研究被称为图像通信。随着 3G 技术的日渐成熟和 Internet 网络的普及，随时随地查看需要的图像资料或者监控图像称为一个趋势，有着极其广泛的市场和应用。而计算机技术是通信技术发展的强大技术支撑，信息社会是这两大技术完美融合的产物。计算机的硬件系统有朝着面向应用的片上系统（SOC：System On Chip）发展的趋势，
3、片上系统就是指将某类应用有关的常用外设与计算机的 CPU 集成在一个芯片上，做到系统与其他外设的无缝衔接。计算机操作系统也有朝着面向应用的嵌入式操作系统发展的趋势：嵌入式操作系统是指可以由用户根据应用的变化而自行裁剪的操作系统。图像通信与嵌入式硬件系统相结合，将能够给人们提供一个灵活的、编写的、功能丰富的应用终端，能够开展丰富的图像应用服务，因此对基于嵌入式的传输系统展开研究是非常有意义的。1.1 课题研究的背景图像传输概念广泛，包括多种用途：可视通话、图像监控等等，基于安防需求的实时远距离视频监控系统有着很广泛的应用价值，是图像传输的典型运用，本课题的提出时针对图像数据监控的新需求，采用微处
4、理器设计实现的远程监控系统。本章将主要介绍图像监控系统的发展现状以及所用到的嵌入式系统和微处理器的发展现状。1.1.1 图像数据传输的发展现状90 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，数据传输技术的发展也日新月异，这些技术的发展特别是图像压缩技术的出现和发展，使数字图像的存储和传输称为可能。基于 PC 的图像传输系统是先将摄像头采集的模拟信号转化为数字信号，利用专用压缩卡对数字信号进行压缩处理后，通过网络传输给作为监控终端的PC 机，监控终端 PC 机利用专用解压卡对数据进行解压后，就能够重现远端的图像。数字信号的传输可靠性较高，且数字化的图像流数据可以通过各种方式被连接在网络上的计
5、算机共享。所以与模拟视频监控相比基于 PC 的图像监控系统具有:传送距离远、图像质量好、数据的保存成本低等特点。而且监控人员无需在现场就可以监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的效率和灵活性。基于嵌入式技术的网络化图像传输和视频监控系统应运而生。1.1.2 嵌入式系统的发展现状嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与BIOS 的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。从功能应用特征上定义，嵌入式系统则是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的
6、专用计算机系统。嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，因为计算机芯片是嵌入在有关的设备中的，所以没有自己独立的外壳。二十一世纪无疑是一个Internet 时代，这一时代的到来正在不可避免地逐步改变人们日常的工作、学习和生活习惯，以手持电脑、机顶盒、网络电话、住宅网间连接器等为代表的移动办公设各和家庭网络产品将在不久的将来形成时尚，在未来的信息社会中扮演重要的角色。嵌入式系统接入 Internet 是一种必然的发展趋势。嵌入式系统连接到 Internet上面，可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。将嵌入式系统与 Internet 结合起来主要的困难在于，Internet
7、 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分 32 位处理器以外，大量存在的是 8 位和 16位 MCU，若支持 TCP/IP 等 Internet 协议将占用大量系统资源，或根本不可能。因而采用高性能的嵌入式处理器成为设计嵌入式Internet 系统的关键。随着技术的小断发展，高性能的嵌入式处理器不断涌现，如 IBM PowerPC,Motorola PowerPC.Intel x86,MIPS,ARM 等系列。因此采用高性能的嵌入式处理器设计嵌入式Internet 成为可能。1.1.3 嵌入式 LINUX 的现状随着嵌入式系统的发展，提出了对嵌入式实时
8、操作系统的需求。于是出现了很多商用的产品，如 VxWorks,pSOS,QNX,Neculeus 和Windows CE 等。这些商用的操作系统虽然功能强大，但是价格昂贵，而且协议栈等等开发资源都是由相应的公司提供的，使得开发者受制于提供操作系统的公司。Linux 的出现打破了这一局而。Linux 的开发都是在 GPL(GNU Public License)的版本控制之下，因此 Linux内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。1.2 课题的研究意义近年来随着国民经济的持续快速发展，输电电压等级不断提高，电网的分布也越来越广，电力安全问题也表现得尤为突出。输电线路具有分散性大、距离长、难以维
9、护等特点，近年来事故逐年上升，传统的巡视方式已不能满足现有的安全需求。因此，急需一种有力的监控、监测手段对输电线路上的重要设备和周边状况进行全天候监测，使输电线路运行于可视可控之中。本课题要求利用嵌入式系统、图像压缩及成熟后的 3G 网络可进行随时随地的将监控图象传送到远程监控中心和用户的 PDA 手机中，完成实时的图像采集和浏览。1.3 论文的主要工作内容在经过对 3G 网络的学习和深刻理解后，对于嵌入式系统的整体架构进行了设计，并进行了可实现性的分析和调研，对于整体工作架构进行了完整的设计和分工，对其中的核心部分（基于嵌入式Linux 系统的 ARM 控制器）进行了电路设计和软件设计，并对
10、 3G 网络和视频压缩系统进行了有效的替代和模拟，不仅完成了视频数据在网络中的传输，而且对于一些细节问题在实际的实验中对一些原有的东西进行了改进。1.4 本课题的主要工作1.熟悉嵌入式 Linux 开发环境。2.研究了 3G 网络的业务特点，主要对其中的关于视频传输的业务进行了解。3.对图像压缩的相关技术进行了研究。4.研究并了解图像监控和图像传输系统。5.研究 Linux 下 Socket 通信编程。第二章3G 网络及视频传输的研究与介绍本章首先对 3G 网络进行了详细的研究，并结合多种图像压缩技术和图像传输技术，最终结合 3G 网络、图像压缩标准及图像传输方法得出，利用 H.264 视频编
11、码标准，利用流媒体视频传输技术在 3G无线网络上传输远程视频的系统。2.1 3G 网络及其多媒体业务简介2.1.1 第三代移动通信系统(3G)20 世纪 70 年代末至 80 年代初，集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论所应用，许多国家纷纷推出以频分多址 FDMA（Frequency Division Multiple Access）和频分双工技术为基础的第一代模拟移动通信系统(1G)，采用技术。具有代表性的有美国的 AMPS 系统、英国的TACS 系统、北欧的 NMT 系统和日本的 NAMTS 系统等。第一代模拟移动通信系统存在着频谱利用率低、
12、容量有限、制式太多、互不兼容、只能提供语音业务、不利于漫游等缺点，逐渐被数字蜂窝移动通信系统所代替。20 世纪 90 年代以来，随着数字技术的发展，以数字传输、时分多址/频分双工、码分多址/频分双工为主体的第二代数字移动通信系统(2G)逐渐代替了第一代模拟移动通信系统。其技术进步表现在以下几个方面:完善了呼叫处理和网络管理功能、频谱效率提高、系统容量增大、保密性好、标准化程度高。第二代数字移动系统的成功不仅体现在技术上，在商业上也取得很大的成就，国际上商用的 2G 系统有欧洲的 GSM 系统、日本的 PDC 和美国的CDMA(IS-95)等。国内目前 2G 系统有两大运营商，中国移动采用GPR
13、S 华北电力大学硕士学位论文系统(GSM 升级版)，而中国联通采用 CDMA 系统。1998 年起，ITU-T 综合标准化组织综合各国标准化组织提出的建议，开始制定和不断完善第三代移动通信标准 IMT-2000。第一、二代蜂窝移动通信系统主要针对传统的语音和低速率数据业务，而第三代移动通信系统(3G)主要面向高速率数据业务。3G 有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输，除了语音和数据传输业务，还能提供高达 2Mbps 的高质量多媒体业务。根据无线空中接口技术的不同，现有 3G 技术大致可以分为 3 类:由欧洲和日本提出的 WCDMA 系统、由美国提出的 CDMA2000 系统和由中国
14、提出的 TD-SCDMA 系统。其中 WCDMA-FDD 系统采用码分多址、频分双工的工作方式，上下行频率间隔为 95MHz，采用直接序列(DS)作为信息扩频方式。而 WCDMA-TDD 系统和 TD-SCMDA 系统都采用码分多址/时分多址、时分双工的工作方式，两者的区别在于扩频码的速率不同，前者采用高码片速率 3.84Mcps，而后者采用地码片速率1.28Mcps。CDMA2000 采用码分多址、频分双工的工作方式，在下行链路传输中，定义了直扩和多载波两种工作方式，码片速率分别为3.6864Mcps 和 1.22Mcps。而在欧洲，采用 WCDMA 作为无线空中接口技术的 3G 系统又被称
15、为通用移动通信系统 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)。现有支持 IMT-2000 的标准化组织主要是 3GPP 和 3GPP2。其中 3GPP 称为 3G 合作伙伴项目，负责制定以原有 GSM 核心网络演变的 3G 标准，以 WCDMA,TD-SCDMA 为空中接口技术。3GPP 目前己经存在多个版本，每一个版本都有不同之处，目前最成熟的是 R5 版，正在制定的是 R6 版。3GPP 称为 3G 合作伙伴项目，负责制定 ANSII-41 核心网为基础，CDMA2000 为无线空中接口的 3G 技术规范。现在成熟的 3GPP2 版本
16、主要有 CDMA2000-1X 和CDMA2000-1XE，其中后者是前者的增强技术。从以上的描述和表2.1 可以看出，在与之前的网络相比，3G 网络有着带宽高，交换快的优点。非常适合视频传输，而目前所提供的 2.5G 网络还远远达不到视频传输所需要的带宽，我们有理由相信，3G 网络的到来代表着视频传输的新时代到来。2.2 主要图象压缩方法和视频压缩标准介绍将模拟视频信号转化为数字视频信号包括不少技术问题。模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到 YUV 或 YIQ 分量，然后用三个模数转换
17、器对三个分量分别进行数字化，最后转换成 RGB(Red,Breen,Blue，三原色)空间。根据电信号的特征，亮度信号的宽度是色度信号带宽的两倍。因此其数字化时可采用幅色采样法，即信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。用 Y:U:V 来表示 YUV 三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有 4:1:1,4:2:2 和 4:4:4 三种。电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪图像的方式要复杂的多。分量采样时采集到的隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本采样点的量化，YUV 到 RGB 色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。2.2.1 图象压缩的主要基本方法简介随着数字通信技术和计算机技术的发展，数据压缩技术日臻完善，适合各种应用场合的编码方法不断产生。目前常用的压缩编码方法可以分为两大类:一类是无损压缩法，也称冗余压缩法或嫡编码法;另一类是有损压缩，也称嫡压缩法。1.帧内和帧间压缩帧内数据是指一帧画面内水平和垂直方向取样点的集合，或称图像空间。把只利用空间冗余度的技术归类为帧内编码技术。帧内编码的例子有帧内预测编码(DPCM)、二维离散余弦变换(DCT)、矢量
