多功能網(wǎng)絡攝像系統(tǒng)的研究

21世紀的人類社會是一個非常廣闊的社會，其中視頻、電話和視頻服務是多媒體應用的實際應用。同時,多媒體數(shù)字化技術在通信領域也取得了驚人的進展。網(wǎng)絡攝像機采用了MPEG-4的圖像壓縮技術1usb1.1主機端與主機端整個系統(tǒng)分為三個部分:前端采集電路、USB接口控制電路以及主機端,其連接關系如圖1所示。系統(tǒng)中CMOS圖像傳感器作為視頻信號的采集芯片,EZ-USBFX2作為USB控制芯片,并且為CMOS圖像傳感器芯片提供工作時鐘。E1.2中斷服務設計USB控制芯片的固件(FIREWARE)指USB芯片8051內核的程序文件,其編寫語言可以采用C語言或匯編語言。在本系統(tǒng)中采用的工具是KeilC51。在本系統(tǒng)中固件主要完成下面3個過程:(1)初始化,包括處理器和數(shù)字圖像傳感器芯片的初始化。(2)主函數(shù),包括完成符合設備特定要求的代碼,如設置傳感器芯片的工作模式等。(3)中斷處理,包括處理各種中斷的代碼,如FX2的I在本系統(tǒng)中,FX2的功能除了實現(xiàn)USB接口控制外,其主要作用是根據(jù)分析SETUP數(shù)據(jù)包得到的設備請求,對CMOS芯片和鏡頭進行控制,對CMOS芯片場同步信號引起的INT0中斷的響應。對CMOS芯片的控制是通過I在INT0中斷服務子程序中當設備收到設置數(shù)據(jù)時,中斷服務程序就設置一個全局標志位為真,然后返回。當主程序檢測到這個標志位為真后,就調用相應的處理函數(shù)進行分析和處理。這樣,將原本應該由中斷服務程序處理的復雜事務工作,交給專門處理函數(shù)進行處理,減輕了中斷服務程序的工作量。IFX2提供了豐富的中斷資源,除了內置8051中的中斷資源外,FX2還為INT2和INT4提供了一個中斷向量表,表中有27個INT2(USB)中斷向量和14個INT4(FIFO/GPIF)中斷向量。因此,在設計中大部分工作都是通過中斷服務子程序來完成。22.1視頻編碼技術編碼部分的兩個主要模塊:(1)RGB向YUV空間轉換:將視頻圖像從RGB顏色空間(24色)轉換至YUV顏色空間(4∶2∶0格式)。(2)H.263編碼:H.263的編解碼如圖3所示。信源編碼器基于通用中間格式(CIF),使其可以同時應用于625線和525線兩種電視標準。視頻編碼器對圖像的取樣次數(shù)為視頻信號場線的整數(shù)倍,取樣時鐘和數(shù)字網(wǎng)之間的關系是異步關系,提供可以和其它各種設備信號相結合的獨立的數(shù)字比特流。H.263編碼采用可減少時間冗余的幀間預測和可減少空間冗余的殘留信號編碼方法,它具有運動補償?shù)哪芰?并允許可選擇地在編碼器中增加這種技術。H.263運動補償采用的是半象素精度,而不是H.261建議中的全象素精度和循環(huán)濾波器。而對待傳送的符號采用了游程編碼。在針對連續(xù)動態(tài)圖像編碼時,將連續(xù)若干幅圖像分成信源編碼器的主要原理是預測塊變換和量化。信源格式信源編碼器對每秒發(fā)生30000/1001(大約29.97)次的圖像進行操作,對圖像頻率的允許誤差為士50×102.2解碼重調節(jié)和逆離散余弦變換解碼部分主要有以下模塊:(1)YUV向RGB空間轉換:將視頻圖像從YUV顏色空間(4∶2∶0格式)轉換至RGB顏色空間(24色)。(2)H.263解碼。解碼與編碼的方法總是相對應的,熵解碼為了解壓出系數(shù)值和運動向量信息,組成H.263碼流的變長的編碼。進行解碼重調節(jié)是量化過程的反過程,系數(shù)被乘以一個在編碼端量化器同樣的標量因子。然而,因為量化器丟棄了小的因子,重調節(jié)之后的系數(shù)值不再同原始的系數(shù)值相等。逆離散余弦變換(IDCT)是離散余弦變換(DCT)過程的反變換。它構建了一塊采樣值,它們對應于編碼器端運動補償生成的差值。運動補償差值被加到前一幀來重建區(qū)域信息。運動向量信息用來選擇正確的區(qū)域(在編碼器中使用相同的參考幀)。結果是一個原始幀的重建,注意它將與原始幀不同,因為量化過程是有損的。也就是說圖像的質量會比原始幀差一些。重建的幀被放于一個幀存儲區(qū),而且它被用于對下一個接收到的幀進行運動補償。33.1網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)傳輸在本系統(tǒng)中使用的是局域網(wǎng)內點對點模式的網(wǎng)絡視頻傳輸,它是基于VisualC++6.0平臺,適用于在局域網(wǎng)中點對點模式的網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)傳輸。首先在一端用攝像頭實時捕捉運動視頻圖像,然后進行視頻格式的轉換(完成從RGB空間向YUV空間的轉換),而后輸入另一點IP。使用H.263標準對數(shù)據(jù)進行相關編碼,傳輸數(shù)據(jù)的同時同步進行信息的交流,在另一端進行解碼和視頻格式的逆轉換(完成從YUV向RGB空間的轉換),同時進行視頻幀圖像的重建和輸出。點對點模式的網(wǎng)絡視頻傳輸系統(tǒng)總體結構見圖4。3.2點傳輸方式在本系統(tǒng)中由于視頻圖像的傳輸方式是點對點傳輸方式,所以控制信號也是點對點傳輸方式。由于單機已經實現(xiàn)對攝像頭的控制,在此傳輸?shù)目刂菩盘柗譃閮煞N:鏡頭前移和后退,發(fā)送端根據(jù)需要發(fā)送相應的信號,接收端接收到信號后控制鏡頭移動,這一部分和單機控制完全相同。4視頻圖像的編碼、傳輸基于USB接口的多功能網(wǎng)絡攝像系統(tǒng)通過USB接口獲取視頻圖像信息,然后在PC機上編碼,再通過網(wǎng)絡傳輸?shù)搅硪慌_PC機上,最后解碼顯示。接收到圖像信息后根據(jù)需要發(fā)送不同的控制信號,另一端接收該控制信號調整攝像頭焦距。兩臺PC可以相互發(fā)送圖像信息,同時都可以通過發(fā)送控制信號控制對方的攝像頭調整焦距,從而得到滿意的圖像。系統(tǒng)中采用H.263編解碼技術實現(xiàn)了視頻圖像的編碼;視頻圖像傳輸使用的是基于VisualC++6.0平臺局域網(wǎng)內的點對點模式的網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字視頻監(jiān)控產品潛在的巨大市場和可觀的經濟效益,使我國有數(shù)百家公司及科研機構參與該行業(yè)的產品開發(fā)和銷售;但由于國內的企業(yè)起步晚,技術較落后,使