基于Hi3510的3G视频服务器研究与设计.docx

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基于Hi3510的3G视频服务器研究与设计

基于Hi3510的3G视频服务器研究与设计

摘要

近几年来，由于社会和经济的发展，人们对视频监控的需求越来越大。

作为网络视频监控产品的重要组成部分，视频服务器得到了广泛的应用。

目前大多数的网络视频监控系统都是建立在有线网络或者是无线局域网络的基础上。

这样就造成了很大的局限性，比如不能对固定网络未覆盖的地方以及移动的景物实施监控。

随着第三代移动通信技术的发展以及运营商对3G制式的支持，使得实现在广域无线网络下的视频监控系统成为可能。

本文研究和设计了基于Hi3510通信媒体处理器和MC703CDMAEV-DO无线模块的3G视频服务器原型，主要完成了以下工作：

设计了基于MC703的3G模块板硬件方案，完成了各个模块的硬件设计，给出了电路原理图，对涉及到的电气特性和电磁兼容性（EMC）问题进行了分析，论述了PCB设计的策略以及天线部分的设计问题。

实现了视频服务器软件开发环境的搭建，特别是针对具体的外围芯片对HiBoot（Bootloader）进行了配置，修改了对应目录中相关硬件的驱动代码，然后对HiBoot进行了移植。

另外，还实现了对内核以及根文件系统的定制、配置、编译与移植。

在视频服务器的软件部分，实现了视频输入、视频编码、视频控制以及视频输出并进行无线传输的功能。

对MC703无线模块在嵌入式Linux系统和WindowsXP系统下的驱动进行了配置。

同时，通过对PPP拨号程序的配置和交叉编译以及移植实现了拨号上网。

最后，对整个系统的软硬件进行了联合测试，从结果中可以看到，3G视频服务器实现了视频处理和无线传输的基本功能，但由于受到带宽小和无线环境不理想等因素的限制，实际效果不是很好，时延也比较大。

最终设计的基于Hi3510的3G视频服务器原型，具有操作简单、监控操作无地理位置局限、布局成本低等优点，具有较好的经济价值和社会价值。

关键词：

视频服务器，Hi3510，CDMAEV-DO，嵌入式Linux

THERESEARCHANDDESIGNOF

3GVIDEOSERVERBASEDONHI3510

ABSTRACT

Intherecentyears,duetothedevelopmentofsocietyandeconomy,thedemandonvideomonitoringisincreasing.Asanimportantpartofthenetworkvideomonitoringproducts,Videoserverhasbeenwidelyapplied.Themajorityofnetworkvideomonitoringsystemsarebasedonwirednetworksorlocal-areawirelessnetworks.Thishascausedalotoflimitations,suchastheplacewherehavenotbeencoveredbywirednetworksandthemovingobjectswillnotbemonitored.Asthedevelopmentofthethirdgenerationmobilecommunicationtechnology,andtheoperator’ssupportof3Gstandards,thevideomonitoringbasedonwide-areawirelessnetworkswillbepossibletoestablish.

Thispaperdesigneda3GvideoserverprototypebasedonHi3510communicationmediaprocessorandMC703CDMAEV-DOwirelessmodule.

Completedforthefollowingwork:

Proposedthehardwaredesignof3GmoduleboardbasedonMC703,achievedthehardwaredesignoneachmodule,completedthecircuitschematicdiagram,analyzedtherelatedelectricalcharacteristicsandtheEMCproblems.ThePCBdesignstrategieswasdiscussed,aswellasthedesignmethodoftheantennapart.

Achievedthebuildingofvideoserverdevelopmentenvironment.EspeciallyconfiguredtheHiBoot（Bootloader）withregardtothespecificperipheralchips,modifytherelatedhardwaredrivercodeinthecorrespondingdirectory,andthentransplantedtheHiBoot.Alsoachievedcustomization,configuration,compileandtransplantationofthekernelandrootfilesystem.

Aboutthesoftwarepartofthevideoserver,achievedthefunctionalityofvideoinput,videocoding,videocontrol,videooutputandvideowirelesstransmission.ConfiguredtheMC703wirelessmoduledriversforLinuxinembeddedsystemsandforWindowsXP.AftertheconfigurationofPPPdial-upprocedures,cross-compilingandtransplantation,thedial-upinternetaccessinghadbeenachieved.

Finally,ajointtesthadbeentakenontheentiresystemofhardwareandsoftware,ascanbeseenfromtheresult,the3Gvideoserverimplementedthebasicfunctions,suchasvideoprocessingandwirelesstransmission.However,becauseofthesmallbandwidthandthewirelessenvironmentisnotideal,theactualeffectisnotverygood,delayisrelativelylarge.

The3GvideoserverprototypebasedonHi3510,hastheadvantagesofsimpleoperation,nogeographicallimitationsofmonitoringoperations,lowcost,etc.Containsmoreeconomicvalueandsocialvalue.

KEYWORDS:

videoserver,Hi3510,CDMAEV-DO,embeddedlinux

第一章绪论

1.1论文研究的背景及意义

在多媒体技术日益发展的今天，视频技术一直是人们关注的热点技术之一，它以直观、信息内容丰富而被应用于许多场合。

随着信息化时代的到来，图像处理技术，计算机网络与通信技术飞速发展，极大地推动了视频监控技术的不断发展与推陈出新。

视频监控系统是根据某种特定的使用目的和应用条件，由视频采集、视频处理、视频传输、视频管理和系统控制等相关电子设备和传输介质组成的一个有机整体。

视觉是人类最重要的感觉器官，视频图像信息是人们由客观世界获得信息的主要来源，占人们依靠五官由外界获得的信息总量的80%。

不仅如此，在很多场合，由于客观条件的限制，人不可能进入现场进行直接的观察，只能用适应性更强的电子图像设备来代替完成[1]。

因此，利用视频图像技术对重要对象进行监控，己经逐渐成为现代生活中必不可少的一部分。

图像监控系统的主要作用是对目标景物的实时监视和控制。

其中控制设备的作用是为了更准确、清晰地获取图像信息，控制的目标是再现图像的质量，通过对控制设备的操作，调整图像采集设备，改善再现图像的质量。

图像监控系统的另一个特点是可以把被监视场所的图像全部或部分地记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。

特别是画面分割器和长延时录像设备、大容量存储器的出现，为实现对多画面长时间连续监视、记录提供了极大方便。

总之，图像监控系统已成为安全防范技术体系中不可或缺的重要组成部分，目前已广泛应用于交通、金融、商业、医院、工矿企业、住宅小区等。

图像监控系统具有如下特点：

1.图像监控生动直观，信息量大，效率高；

2.可对远距离景物进行控制监视，调节角度，放大、缩小画面；

3.可连续监视目标景物的活动、变化；

4.可将全部或全体事物记录存档；

5.可对危险场合或人类难以到达的目标进行监控；

6.可连续扫描或切换固定画面，在一点可同时监视多个目标景物图。

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，从而大大提高了图像质量，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[2]。

第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，使监控技术的发展达到了一个新的高度。

按照视频传输信道的不同，视频监控系统分为有线视频监控系统和无线视频监控系统两种。

按照显示终端离采集终端距离的远近，视频监控系统分为远程视频监控系统和现场视频监控系统。

按照显示图像的特征不同，监控系统分为视频监控系统和静态图像监控系统。

利用无线通信技术，将可以受到监控的目标范围大大扩大，实现监控的操作难度大大降低。

以往的基于有线网络的监控系统虽然实现了远程监控，但是其视频信号的传输范围一般仅仅限于计算机网，因而可以监控的对象也就仅仅限于有线网络可以到达的地方。

引入无线通信技术，实际是引入了无线通信网络，利用最新的第三代移动通信网络（3G）实现视频信号的广域无线传输。

这样，监控的对象就可以扩大到所有通信网覆盖的地方，而不需要在个监控的对象处铺设专线。

这就大大扩大可受监控的范围，降低了操作难度。

由于近年来多媒体技术和计算机网络技术的飞速发展，全新的多媒体数字视频监控技术的应用已经非常广泛。

国内近年来也在这方面取得了大量的成果，研制出了大量以PC机和计算机网络为核心的数字视频监控产品[3]。

目前国内国际的有线视频监控系统已经到达实用阶段。

然而由于基于无线信道传输的复杂性以及运营商在技术支持上的局限性，无线视频监控大多还处于研究之中，我相信随着无线通信技术的快速发展，无线视频监控的应用前景将非常广阔[4]。

1.2国内外研究现状及发展趋势

视频监控技术相比较于语音监控技术，更为复杂，因此，其发展历史并不是很长。

大致说来主要经历了以下四个阶段：

第一阶段出现在90年代初以前，主要以模拟设备为主的闭路电视系统，称之为第一代监控系统，也叫模拟监控系统[5]。

第二阶段主要是在90年代中期，超大规模集成电路的进一步发展，带来了计算机硬件和软件技术的迅速发展，计算机处理信息的能力大大提高。

人们利用计算机的高速处理能力采集和处理视频信息，同时由于电子技术的发展，使得人们可以用计算机显示器实现多画面、高分辨率与清晰度的显示。

这就是第二代监控系统[6]。

也叫数字化（本地）监控系统。

第三阶段是90年代末期，随着网络的带宽、计算机处理能力和视频压缩技术的迅猛进步出现的。

第三代视频监控系统主要以网络为媒体，以数字图像压缩、传输和播放为核心，为用户提供远离本地的远程视频监控。

所以，第三代监控系统也叫网络监控系统。

第四阶段目前尚被许多学者依然划分在第三代监控系统中，但是随着无线通信和智能技术的发展，监控技术实际发生了革命性的变化。

无线通信网络可以使得监控对象不再严格受到地域的限制，一个成熟的3G网络支持对绝大部分目标的监控。

智能图像识别技术使得计算机可以代替部分人的工作，主动对监控对象进行模式识别，提取人们感兴趣的部分，大大降低了人的工作量。

但是，由于目前的无线通信技术发展仍然未达到理想的带宽，无线视频监控系统在应用过程中，仍然受到带宽不足带来的限制。

而智能识别技术，也未发展十分成熟。

目前仅仅应用于军事的简单静态图像识别。

但是随着这两项技术的发展，相信未来的视频监控系统会越来越智能化，覆盖的范围也会越来越广[7]。

由于社会人文、经济等方面的因素，我国的监控事业起步较晚，在90年代以后才得到了较快发展。

目前，我国不仅有为数众多的从事视频监控生产与研究的企业，同时众多的大专院校和科研机构也都从事这一行业的研究与应用。

但是由于起步较晚，目前仍然在技术上较为落后，服务水平也不高。

最主要的是，由于这一市场的分散性和割据性，没有形成具有较大规模的企业集团和认同度较高的品牌，面临着国外知名厂商的较大竞争压力。

同时，由于从事监控行业的企业产业规模小，在整个监控系统中的分工中常常担任应用系统开发的角色，赚取的利润较小，发展空间有限。

我国的监控系统呈现模拟、数字、网络三代监控系统并存的状况，数字化的监控系统已经得到普遍认可和接受，是目前监控系统的主流。

基于网络的监控系统也随着社会需求呈现良好的发展趋势，许多地方，模拟监控系统仍然在使用。

基于无线通信网的视频监控系统特别是基于3G的视频监控系统，目前仍然没有广泛应用。

最近几年来，随着我国社会经济的飞速发展和技术的持续进步，对视频监控产品提出了越来越高的要求，例如产品的准确性、有效性和易操作性[8]。

主要表现在：

一是视频监控的应用范围越来越广，许多情况要求监控目标不受或者少受计算机网络的限制，视频数据的传输距离也更大；二是要求视频监控系统与信息管理系统、控制系统结合，加强对视频信息的管理、存储与身份认证，提供方便、准确和安全的监控信息。

国外发达国家监控技术比我国起步早20多年，目前已经形成了知名品牌，如：

松下、SANYO、SONY等，其主要发展的也是第三代监控系统[9]。

由于国外已经有商用的3G网络，无线数据传输的速率可以达到1~2M以上，所以，基于3G网络的无线视频监控系统在国外已经出现并在一定的范围得到应用，我国由于无线网络条件的限制，在这个领域的研究与应用才刚刚起步。

因此，此方面应用有广阔的前景。

1.3论文的主要内容

本文基于海思公司的Hi3510通信媒体处理器芯片，以实现3G视频服务器功能为目的，采用基于第三代移动通信技术CDMAEV-DO的方案，使用的是华为公司的3G无线传输模组MC703。

Hi3510开发平台编码端远端摄像头采集视频信号，模拟视频信号通过CVBS信号格式输入TW2834（视频源也可以选择CMOSSensor输入到Hi3510处理器）；TW2834最多可以采集4路PAL或NTSC视频信号，我们只采集一路信号，转换成数字信号后通过BT656接口输入到Hi3510处理器；Hi3510收到视频数据，经过图像处理后，进行H.264编码；Hi3510业务层软件把视频流封装成IP流，通过无线模块传送到网络上；PC解码端接收网络传送过来的视频码流，进行视频解码后播放。

1.4论文的组织结构

论文具体分为五个章节，安排如下：

第一章为绪论，论述了无线视频服务器的研究背景、意义，以及国内外在此方面的研究现状和发展趋势。

对本文的研究内容进行了简要说明，最后对文章的组织结构进行了总结。

第二章阐述了本课题涉及到的相关技术和原理，包括H.264视频压缩编码标准，视频网络传输技术中的TCP/UDP协议、RTP/RTCP协议、Hi3510通信媒体处理器与开发平台的分析与介绍，以及第三代移动通信技术CDMA2000标准等。

第三章论述了视频服务器的总体结构设计，提出了基于MC703的3G模块板硬件设计方案，详细分析了各模块的功能、电气特性以及需要注意的电磁兼容性（EMC）问题，论述了PCB设计的策略以及天线部分的设计方法，给出了电路原理图。

第四章论述了视频服务器开发环境的建立过程，特别是针对具体的外围芯片对HiBoot进行了修改与配置，修改了对应目录中相关硬件的驱动代码，然后对HiBoot进行了移植。

另外还对系统内核以及根文件系统进行了定制与配置，并进一步实现了编译与移植。

第五章详细论述了系统运行所需的软件部分的设计，说明了视频模块的运作机制，论述了从视频流的输入、编码、控制、输出以及传输的软件实现过程。

修改和配置了MC703模块在嵌入式Linux系统以及WindowsXP系统下的驱动，通过对PPP拨号程序的配置和交叉编译以及移植实现了拨号上网。

第六章对自己所做的工作进行了总结，并对下一步工作提出一些改进意见和展望。

第二章视频服务器相关技术及Hi3510开发平台

2.1H.264视频压缩编码标准

MPEG（MovingPictureExpertsGroup）和VCEG（VideoCodingExpertsGroup）联合开发了一个比早期研发的MPEG和H.263性能更好的视频压缩编码标准，这就是被命名为AVC（AdvancedVideoCoding）的，也被称为ITU-TH.264建议和MPEG-4的第10部分的标准。

简称为H.264/AVC或H.264。

这个国际标准已于2003年3月正式被ITU-T所通过并在国际上正式颁布。

应该说，H.264的颁布是视频压缩编码学科发展中的一件大事，它的优异的压缩性能也将在数字电视广播、视频实时通信、网络视频流媒体传递以及多媒体短信等各个方面发挥重要作用。

H.264不仅具有优异的压缩性能，而且具有良好的网络亲和性，这对实时的视频通信是十分重要的。

现在已有基于DSP的采用H.264编码的可视电话出现在市场上，进一步说明了在视频通信中H.264的重要应用价值[10]。

H.264还有一个重要应用，即网络流媒体。

众所周知，应用流媒体技术的视频点播（VOD）最近有了迅速的发展，韩国的宽带上网应用中VOD占据了第二位。

我国宽带上网用户今年已达到1000万户以上，而且还在继续发展，VOD的迅速发展也是可以期待的。

H.264并不明确地规定一个编解码器如何实现，而是规定了一个编了码的视频比特流的句法，和该比特流的解码方法，各个厂商的编码器和解码器在此框架下应能够互通，在实现上具有较大的灵活性，而且有利于相互竞争。

H.264和基于以前的标准（如H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-4）中的编解码器功能模块的组成并没有什么区别，主要的不同在与各功能模块的细节。

由于视频的内容时刻在变化，有时空间细节很多，有时大面积平坦。

这种内容的多变性就必须采用相应的自适应的技术措施。

由于信道在环境恶劣下也是多变的，例如互联网，有时畅通，有时不畅，有时阻塞；又如无线网络，有时发生严重衰落，有时衰耗很小，这就要求采取相应的自适应方法来对抗这种信道畸变带来的不良影响[11]。

这两方面的多变带来了自适应压缩技术的复杂性。

H.264就是利用实现的复杂性获得压缩性能的明显改善。

2.1.1H.264的结构

H.264的档次和级：

H.264规定了三种档次，每个档次支持一组特定的编码功能，并支持一类特定的应用。

（1）基本档次：

利用I片和P片支持帧内和帧间编码，支持利用基于上下文的自适应的变长编码进行的熵编码（CAVLC）。

主要用于可视电话、会议电视、无线通信等实时视频通信。

（2）主要档次：

支持隔行视频，采用B片的帧间编码和采用加权预测的帧内编码；支持利用基于上下文的自适应的算术编码（CABAC）。

主要用于数字广播电视与数字视频存储。

（3）扩展档次：

支持码流之间有效的切换（SP和SI片）、改进误码性能（数据分割），但不支持隔行视频和CABAC，主要应用于流媒体中。

其中，各个档次具有的不同功能，扩展档次包括了基本档次的所有功能，而不能包括主要档次的全部功能[12]。

每一档次设置不同的参数（如取样速率、图像尺寸、编码比特率等），得到对应的编解码器性能的不同级。

编码数据格式：

1.H.264的视频格式

H.264支持4：

2：

0的连续或隔行视频的编码和解码。

2.H.264的编码格式

制订H.264的主要目标有两个：

（1）得到高的视频压缩比。

当初提出的指标是与H.263、MPEG-4相比，约为它们的2倍。

现在都已基本实现。

（2）具有良好的网络亲和性，即可适用于各种传输网络。

为此，H.264的功能分为两层，即视频编码层（VCL）和网络提取层（NAL，NetworkAbstractionLayer）。

VCL数据即编码处理后的输出，它表示被压缩编码后的视频数据序列。

在VCL数据传输或存储之前，这些编码的VCL数据，先被映射或封装进NAL单元中[13]。

每个NAL单元包括一个原始字节序列负荷（RBSP）、一组对应于视频编码数据的NAL头信息。

参考图像：

为了提高预测精度，H.264编码器可以从一组前面或后面已编码图像中选出一个或两个与当前最匹配的图像作为帧间编码的参考图像。

这样一来，复杂度大大增加，但多次比较的结果，可使匹配后的预测精度显著改进。

H.264中最多可从15个参考图像中进行选择，选出最佳的匹配图像。

片和片组：

1.片

一个视频图像可编码成一个或更多个片，每片包含整数个宏块（MB），即每片至少一个MB，最多时每片包含整个图像的宏块。

总之，一幅图像中每片的宏块数不一定固定。

设片的目的是为了限制误码的扩散和传输，应使编码片相互间保持独立。

某片的预测不能以其他片中的宏块为参考图像，这样某一片中的预测误差才不会传播到其他片中去。

2.片组

片组是一个编码图像中若干MB的一个子集，它可包含一个或若干个片。

在一个片组中，每片的MB按光栅扫描次序进行编码，如果每幅图像仅取一个片组，则该图像中所有的MB均按光栅扫描次序编码（除非使用ASO，即任意的片次序，即一个编码帧中的片之后可跟随任一解码程序的片）。

2.1.2H.264的SP/SI帧技术

当前视频编码标准主要包括3种帧类型：

I帧、P帧和B帧。

H.264为了顺应视频流的带宽自适应性和抗误码性能的要求，又定义了两种新的帧类型：

SP帧和SI帧。

SP帧编码的基本原理同P帧类似，仍是基于帧间预测的运