基于H.264编码算法的嵌入式视频监控系统研究与设计

摘要

随着社会整体经济的发展，视频监控系统在家庭、学校、电力、交通等各行各业得到飞速发展。然而，数额巨大的视频信息在不进行压缩的情况下，将会给图像的传输和存储带来非常大的困难。H.264作为现如今性能最优越、应用最广泛的视频编码标准，采用了许多新技术和新方法，使其较以往发布的视频编码标准有着更好的编码效率。运动估计和率失真优化作为视频编码的核心技术，其消耗的时间要占到整个编码过程的70%以上。如果能对运动估计和率失真优化部分进行改进，则必然能够提升编码器的编码性能，这就是研究运动估计算法和率失真优化算法的意义。 本文首先介绍了H.264预测编码的关键技术；然后研究了率失真优化相关理论，提出了一种利用运动矢量与编码模式之间关系的新型模式决择方案；最后阐述了运动估计的过程和相关技术，并详细介绍了现有的几种经典运动估计算法，最终选择了从起始点预测、搜索模板、窗口划分三个方面对UMHexagonS算法进行改进。将改进前后的率失真优化算法和UMHexagonS算法在H.264标准测试模型JM10.1中进行性能测试，测试结果表明改进后的两种算法在信噪比和比特率变化较小的情况下都可以大幅度的缩减视频编码时间。 为了测试改进后的编码算法在嵌入式视频系统上的实际性能，本文利用ARM11和Linux搭建了嵌入式视频系统。将改进后的编码算法导入x264编码器中进行视频采集编码，通过采集不同格式、分辨率、时间的视频，比较算法优化前后采集到的视频文件内存大小，得出优化后的算法在实际系统中视频文件占用内存空间更少、具有更高的编码率的结论。采集到的视频信息被存储在装有Freenas的个人电脑上，外部的电子设备只需下载安装ES浏览器，通过FTP协议即可在局域网内访问到采集到的视频信息。

目录

声明

第1章 引言

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 视频编码标准

1.2.1 H.26x标准介绍

1.2.2 MPEG标准介绍

1.3 运动估计算法研究现状

1.4 本文的主要工作及内容安排

第2章 H.264/AVC编码技术

2.1 H.264/AVC预测编码技术

2.1.1 帧内预测

2.1.2 帧间预测

2.1.3 整数变换与量化

2.1.4 熵编码

2.2 率失真优化技术

2.2.1 率失真理论

2.2.2 率失真优化

2.2.3 测试结果与分析

2.3 本章小结

第3章 H.264/AVC运动估计算法研究

3.1 运动估计基本概念

3.2 运动估计的方法

3.3 运动估计的关键技术

3.3.1 块匹配准则

3.3.2 运动矢量在时空域上的预测方法

3.3.3 运动估计的评定方法

3.4 经典运动估计算法介绍

3.4.1 全局搜索算法

3.4.2 快速搜索算法

3.4.3 混合搜索算法

3.4.4 算法的分析

3.5 本章小结

第4章 UMHexagonS算法的改进

4.1 UMHexagonS算法可改进分析

4.2 起始搜索点预测改进

4.3 搜索模板的改进

4.3.1 非对称十字多边形模板的改进

4.3.2 5x5矩形搜索模板的改进

4.3.3 多层次大六边形搜索模板的改进

4.4 搜索窗口的改进

4.5 测试结果与分析

4.5.1 测试平台与配置

4.5.2 测试结果

4.5.3 测试结果分析

4.6 主观评价

4.7 本章小结

第5章 视频系统平台搭建

5.1 系统硬件平台搭建

5.1.1 系统主控模块

5.1.2 视频采集模块

5.1.3 存储模块

5.1.4 网络模块

5.1.5 电源模块

5.1.6 LCD显示模块

5.1.7 USB接口模块

5.1.8 串口模块

5.2 系统软件平台的搭建

5.2.1 嵌入式操作系统介绍

5.2.2 安装交叉编译环境

5.2.3 搭建NFS服务器

5.2.4 嵌入式系统相关文件制作

5.3 系统存储平台的搭建

5.3.1 FreeNAS介绍

5.3.2 存储系统的搭建过程

5.4 本章小结

第6章 系统的实现

6.1 嵌入式系统的移植

6.2 视频编解码的实现

6.2.1 视频编码

6.2.2 视频解码

6.3 系统测试

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的论文及成果