基于H.264的网络视频监控的FPGA实现研究

论文摘要

随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高,视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于FPGA的SOPC技术、H.264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统,在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势,具有重要的学术意义与实用意义。本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios II为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像,采用H.264编码算法进行压缩,并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问,接收编码数据,使用H.264解码算法重建图像并实时显示,使监控人员有效地掌握现场情况。在嵌入式图像服务器设计阶段,本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统,采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios II架构的SOPC系统,阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计,采用μC/OS-II进行多任务的管理与调度。H.264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H.264标准,规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法,并设计宏块扫描方式,采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式,编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案,针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法,实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式,并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证,并进行测试,观察不同参数下压缩率与失真度的变化。算法验证完成后,本文进行了PC机客户端设计,使其具有远程访问、H.264解码与实时显示的功能。同时将H.264编码算法程序移植到Nios II中,并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试,构建完整的网络视频监控系统。实验结果表明,本系统视频压缩率高,监控图像质量良好,充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点,发展前景十分广阔。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 视频监控系统的发展
• 1.2.2 图像压缩编码技术的研究现状
• 1.3 本课题研究的内容与技术特色点
• 1.4 论文的组织结构
• 2 系统总体方案
• 2.1 系统总体规划
• 2.2 开发平台的选择
• 2.3 H.264 算法概述
• 2.4 设计流程
• 3 嵌入式图像服务器的设计与实现
• 3.1 嵌入式图像服务器结构
• 3.1.1 Nios II 软核处理器简介
• 3.1.2 嵌入式图像服务器结构
• 3.2 视频采集子系统设计
• 3.2.1 视频采集子系统结构
• 3.2.2 视频采集模块设计
• 3.2.3 用户自定义模块的添加
• 3.2.4 驱动程序设计
• 3.3 双Nios II 架构的设计与实现
• 3.3.1 双软核系统总体规划
• 3.3.2 SOPC 定制与实现
• 3.3.3 软件设计与调试的特点
• 3.4 实时多任务网络服务器设计
• 4 H.264 编码算法设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 视频编码层（VCL）总体设计
• 4.3 帧内预测
• 4.3.1 4×4 像素子块帧内预测
• 4.3.2 16×16 像素宏块帧内预测
• 4.3.3 帧内宏块的扫描设计
• 4.4 整数变换与量化
• 4.4.1 宏块内部子块的扫描设计
• 4.4.2 整数DCT 变换
• 4.4.3 整数Hadamard 变换
• 4.4.4 量化
• 4.5 编码端图像重建
• 4.5.1 重建算法设计
• 4.5.2 程序处理效果分析
• 4.6 熵编码
• 4.6.1 熵编码的基本原理
• 4.6.2 Exp-Golomb 编码分析与设计
• 4.6.3 CAVLC 分析与设计
• 4.6.4 除拖尾系数之外的非零系数值编码实现方法
• 4.7 网络提取层（NAL）设计
• 5 H.264 解码算法设计与 PC 机客户端的实现
• 5.1 客户端的设计
• 5.2 解码算法总体设计
• 5.3 码流信息提取与熵解码
• 5.3.1 码流分析
• 5.3.2 熵解码
• 5.4 解码端图像重建
• 5.5 实验测试与联合调试
• 5.5.1 压缩率与失真度测试
• 5.5.2 联合调试效果
• 6 总结与改进
• 6.1 工作总结
• 6.2 改进方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录