基于MPEG-4标准和嵌入式技术的监控系统设计

1 概述
    随着电子技术、网络通信技术和应用的快速发展，视频和音频数字压缩传输、存储已经成为现实。数字视频和音频的一个重要应用领域是远程监控。即在一些重要场所或无人值守的地方，放置摄像头和麦克风，降视频和音频的数字压缩信号通过网络传输到远程的PC机，以供实时监控或存储、查询、回放。目前我国应用较多的数字图像和声音的传输系统都是基于工控机和PC机。即监控现场采用工业控制计算机，在工控机上插入图像的声音的数字化专用卡，通过普通网卡，在通用的计算机操作系统上可方便的实现图像和声音的数字网络传输。基于工控机的方案，成本较高，但软硬件开发、系统集成比较方便。
为了大幅度降低成本，使远程数字视频音频监控应用更加普及，目前国内外的发展趋势使使用嵌入式系统和MPEG-4压缩编码技术。即采用专用微处理器、图像声音的数字化芯片、数据压缩芯片及网络接口芯片等，按照特定的功能需求开发出最小应用单板系统。这样，系统功能没有任何浪费，可大幅度降低成本。而且，由于软件都是固定在单板内的FLASH ROM中，系统更加可靠。
    基于上述的特点，嵌入式系统和MPEG-4在数字监控领域受到越来越广泛的关注，具有良好的应用前景。       

          
2  基于MPEG-4标准和嵌入式技术的监控系统
2.1 嵌入式数字监控系统
    随着数字视频压缩编码技术的日益成熟以及计算机的普及，基于PC机的数字监控系统迅速崛起，并且逐渐取代原先的模拟视频监控模式，但是由于PC系统在实际工作中暴露出来的不稳定性，使得基于嵌入式系统的数字监控系统更具有发展前景，其具体的优点体现在：
    1）.布控区域广泛。2）.可组成非常复杂的监控网络。3）.性能稳定可靠，无需专人管理。
2.2，视频压缩编码方法的选择
    要进行远程监控，大量的视频数据就需要通过网络进行传输，这就需要在数据传输之前进行编码压缩以减少数据量。从视频压缩编码技术来看，MPEG-4在录象存储容量、图象质量、网络传输、对图象可以进行交互操作等方面都具有巨大的优势。
    1）.存储空间得到节省。在优势最明显的存储容量方面，采用MPEG-4的视音频全同步录像所需的硬盘空间约为相同图像质量的MPEG-1或M-JPEG所需空间的1/10，此外，MPEG-4因能根据场景变化自动调整压缩方法，故对静止图像、一般运动场景、剧烈活动场景均能保证图像质量不会劣化。表1把MPEG-4的表现同MJPEG和MPEG-1做了比较。

注：该测试结果随场景变化可能略有出入。
表1

    2）.在录象清晰度方面，尽管MPEG-4瞄准的是低带宽上的音视频解决方案，但是它独特的基于内容的压缩方式同样也适合CIF或者更高清晰度（768*576，640*480）的视频压缩。
    3）.在网络传输方面，由于中国实际应用场合的网络环境还不能和国外相比，可以被广泛利用的只有ISDN，如何在如此低的带宽上传输视频，正是MPEG-4大显身手的地方。目前在低带宽上传输活动视频的另一个解决方案就是采用H.263标准，尽管H.263也有较高的压缩比，但是图象质量要差于MPEG-4。表2显示了它们在不同网络上测试结果的对比。在纠错能力上，当网络进行传输有误码或丢包现象时，MPEG-4受到的影响很小，并且能够很快恢复。例如在误码达到1%时，MPEG-1已无法播放，而MPEG-4只会有轻微的边缘模糊。又如当网络传输出现瞬间丢包现象时，MPEG-1恢复至少需要10多秒，而MPEG-4只需1~3秒。

表2

3  嵌入式系统上MPEG-4的实现方法
3.1 MPEG-4编码芯片
    目前MPEG-4 在嵌入式系统的应用主要是专用的MPEG-4编码芯片，其用法和MPEG-1、MPEG-2、H.263的编码芯片类似。MPEG-4编码芯片以下的几个缺点使其在现阶段还不能得到广泛的应用：
    1）.价格高。由于MPEG-4的编码技术还处于发展阶段，其算法本身及相应的固化技术都还不够成熟，因此MPEG-4编码芯片的价格比较昂贵。
    2）.性能一般。目前大多国内厂商推出的MPEG-4的编码芯片所采用的并不是真正意义上的MPEG-4编码，在性能上和应用比较广泛的H.263、H.263+相近，没有什么优势。
    3）.没有可控性和交互性。由于多对象编码需要进行图像识别和分割，这是专用芯片很难完成的，所以MPEG-4的编码芯片基本都只能实现MPEG-4视频流的VLBV （Very Low Bit-rate Video）部分的功能，没有可控性和交互性。
    4）.可扩展性差。硬件实现MPEG-4编码由于其算法固化在芯片中，这就使得无法对算法进行方便的修改优化，在有新的算法模块出现时，也无法加入，可扩展性差。
还有一种MPEG-4在嵌入式系统上的实现方法，那就是在嵌入式的软件平台上直接开发MPEG-4编码。
3.2 MPEG-4在嵌入式系统上的软件实现
    在嵌入式系统上用软件直接实现MPEG-4编码，虽然有编码芯片所不具备的优势，但是因为MPEG-4算法复杂，加上嵌入式系统资源有限，这就使得在嵌入式系统软件平台上实现的MPEG-4效率不高，没有很好的实时性。
    下面就给出一个在嵌入式系统上完成MPEG-4软件编码的实例。
3.2.1硬件和软件平台
 

         图1： 基于Strong ARM SA1110的嵌入式系统

    硬件平台（如图1）：本设计采用的嵌入式微处理器为Intel基于ARM技术设计的SA1110，这是一款功能强大的32位RISC微处理器，其时钟频率高达206MHz，内部有强大的指令操作能力、高速缓冲能力、寄存器管理能力、读/写缓冲器能力。
    软件平台：采用Linux为嵌入式操作系统，其内核版本为2.4.19。选择Linux的优势在于其是开放源码的，可以根据不同的监控设备对底层软件进行修改，减少硬件冲突，增加系统的稳定性。编译环境为arm-linux-gcc。
3.2.2编码实现
3.2.2.1 MPEG-4编码流程（见图2）

3.2.2.2 MPEG-4源码的选择
    本设计使用了源码开放的MPEG-4编码器模型：XviD。
    XviD是OpenDivX的延续，它是目前基于整帧编码（出于应用的考虑，XviD和DivX一样，都没有实现MPEG-4所有的功能和内容，这点和校验模型不同）的MPEG-4 编码器中表现非常出众的一个。和DivX相比，它有以下几个特点：
    多种编码模式：除了最原始单重固定码流压缩（1-pass CBR）之外，XviD提供了包括：单重质量模式动态码流压缩、单重量化模式动态码流压缩、和包括外部控制和内部控制的两种双重（2-pass）动态码流压缩模式。由此，XviD是目前MPEG-4编码内核中可选模式最多的。
    量化方式选择和范围控制：XviD不仅提供了标准的MPEG量化方式，还特地提供了更适合低码流压缩的H.263 量化方式。并且XviD还可以在双重运算（2-pass）时，根据对画面信息的综合分析，动态的决定某段场景的画面量化方式，有利于网络媒体文件传播中，空间与画质的平衡。
    运动侦测和曲线平衡分配：XviD可以对画面逐帧进行运动侦测，以及对全片段的运动侦测结果进行分析后，重新以曲线平衡分配每一帧的量化幅度。
    动态关键帧距：这是另一个XviD所具有的，在空间和画面之间获得最大平衡的技术。我们知道如果关键帧之间的画面变化很大，则会浪费宝贵的空间在P-Frame上；而加入把变化很大的那一帧记录在关键帧里，那么由于后续的帧不再有更大的变化，就可以节省P帧所需的空间。因此，根据画面镜头切换和运动幅度来变换关键帧的位置，有利于画面质量的提高。
    我们对XviD的基于标准C的0.9.1版本在嵌入式系统上移植成功后，其对CIF格式的MPEG-4标准测试序列的编码效率能达到1帧/秒左右。

4  结束语
    本文介绍了嵌入式系统和MPEG-4标准在监控系统领域的应用，并且在嵌入式平台上移植实现了一种基于软件平台的MPEG-4编码方法。然而，这种方法在实时性上并不好，并且占用太多的嵌入式系统资源。这就需要我们在了解嵌入式系统特点的基础上进行算法和结构两个方面的编码优化，相信这将是MPEG-4编码技术领域的一个新热点。

参考文献
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[5]涂杰，郭晓辉等．MPEG-4在数字视频远程监控系统中的应用．计算机应用与软件，2004（2）：22~23