晚间超市摄像布防与报警系统的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与实现
晚间超市摄像布防与报警系统的设计与
实现
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摘要
摘 要
超市运营过程中的安全隐患、安全漏洞常常给连锁店的经营带来不可预见的损失，这就需要实现本地、实时、全方位的监控达到店内工作人员统一监管店面情况，同时需要实时的图像记录.以备日后查询。
网络视频监控系统.可以在远程进行实时监控.根据超市的环境与实际场景的情况.选择安装合适数量的监控点合理的布局整体规划.在运行正常的情况下，可以确保每个角落每个物品每个人员实时全天候不间断监控在超市的管理之下。
本文在现有硬件系统的基础上研究多媒体数字视频监控的实现
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
，并在此基础上设计开发超市视频监控的软件系统，最后完成系统的产品化。
关键词:视频监控，超市安全，设计与实现
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英文摘要
ABSTRACT
Supermarket operators in the process of security risk, security vulnerabilities are often brought to the chain of unforeseen operating losses, which need to achieve local, real-time, comprehensive monitoring of the shop staff to achieve a unified regulatory stores, while the need for real-time image recording For future inquiries.
Network Video Monitoring System Can real-time remote monitoring According to the supermarket scene and the actual environmental situation .Select install the appropriate number of monitoring points, the overall planning and rational distribution. In the case of normal operation to ensure that every item in every corner each staff around the clock real-time continuous monitoring of the management in the supermarket.
In this thesis, the existing hardware system based on multi-media monitoring of the realization of digital video programs on the basis of design and development software stores video surveillance systems, the final completion of the production system.
Key words: video surveillance, supermarkets safety, design and implementation
II
目录
目 录
第一章 引言..................................................................................................................................... 1
1.1 选
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
背景与意义 ............................................................................................................... 1
1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 1
1.3 研究思路及方法 ............................................................................................................... 6
1.4 主要内容和结构 ............................................................................................................... 6 第二章 数字监控报警系统的关键技术 ......................................................................................... 8
2.1 视频压缩编码技术 ........................................................................................................... 8
2.2 网络实时传输技术 ......................................................................................................... 16
2.3 流媒体技术 ..................................................................................................................... 17
2.4 网络虚拟矩阵 ................................................................................................................. 21
2.5运动目标检测 .................................................................................................................. 23
2.5.1运动目标检测综述 ................................................................................................ 23
2.5.2运动目标检测算法的分类 .................................................................................... 25
2.5.3目标特征提取 ........................................................................................................ 28
2.5.4运动目标跟踪 ........................................................................................................ 29 第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计 ............................................................................... 33
3.1 开发平台的选择 ............................................................................................................. 33
3.2 开发工具的选择 ............................................................................................................. 33
3.3 网络架构的选择 ............................................................................................................. 35
3.4 数据传送模式的选择 ..................................................................................................... 38
3.5 数据编码格式的选择 ..................................................................................................... 39
3.6 智能识别的策略 ............................................................................................................. 40
3.7 系统流程图 ...................................................................................................................... 42 第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现 ............................................................................... 43
4.1 系统总体结构 ................................................................................................................. 43
4.2 系统模块划分 ................................................................................................................. 47
4.3 关键模块的实现 ............................................................................................................. 49
4.3.1 用户登录模块 ....................................................................................................... 49
4.3.2 图像控制模块 ....................................................................................................... 50
4.3.3 数据处理模块 ....................................................................................................... 52
4.3.4 系统设置模块 ....................................................................................................... 56 第五章 结论及展望 ....................................................................................................................... 58
5.1 结论................................................................................................................................. 58
5.2 展望................................................................................................................................. 58 致谢................................................................................................................................................. 60 参考文献......................................................................................................................................... 61
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第一章 引言
第一章 引言
1.1 选题背景与意义
连锁超市运营过程中的安全隐患、安全漏洞常常给连锁店的经营带来不可预见的损失，比如店内物品的失窃、店内人员的安全、不法分子的干扰、店面环境的影响等.这就需要实现本地、实时、全方位的监控达到店内工作人员统一监管店面情况，同时需要实时的图像记录.以备日后查询。网络视频监控系统.可以在远程进行实时监控.根据超市的环境与实际场景的情况.选择安装合适数量的监控点合理的布局整体规划.在运行正常的情况下，可以确保每个角落每个物品每个人员实时全天候不间断监控在超市的管理之下。该系统可以在无人看守情景下.实时远程录像，对事实的发生经过作备份处理对事后取证作为第一手资料及证据，在对个别人员监控的同时不会打扰其他顾客.从而达到现代超市高级管理的要求。近几年来，视频监控系统的相关技术有了很大的发展。系统各组成部分――前端视频采集、视频传输、视频记录、控制、显示部分技术发展很快。为了和电脑对应，传统的模拟设备已经开始向数字设备转换;数字资料已经开始方便地传送和管理;可以网络设备连接其他的数字产品来扩大应用范围;远程传送的需求也越来越大，这表明视频监控技术已全面进入数字时代。网络信息的发展、许多大型超市已经具备局域网和广域网、有许多要求是在PC控制下的升级系统、图象处理用PC有许多的弹性、多种的数据保存硬件发展很快、基础设施的发展等都为视频监控技术的发展创造了条件。视频监控技术发展经历了模拟监控、数字监控正在向大规模网络监控发展。利用模拟与数字相结合的技术实现超市视频监控系统的建设，能够达到超市治安人防与技防相结合，改善超市运营环境安全的目的。
1.2 国内外研究现状
随着对视频监控系统要求的提高以及视频监控应用在诸多领域的普及，视频监控技术也有了飞速发展，不仅实现了远距离监控，还实现了视频联网监控。视
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英文摘要
频联网监控是原距离大范围监控发展到一定阶段的产物，视频联网监控使人们对远距离大范围监控以及视频资源共享的迫切需求得到了满足。国内发展趋势主要是网络数字视频监控为主流方向，模拟视频监控逐渐被数字化系统所取代。 1 视频监控系统的发展阶段
1)模拟监控系统
20世纪90年代前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代。当时的视频监控技术比较简单，都是直接采用视频同轴电缆将视频图像从前端监控点传回监控中心，并逐一显示在监视器上。
2)数字化本地视频监控系统
20世纪90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.
3)远程视频监控系统
20世纪90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。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，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。
4)存在的问题
根据调研结果显示，目前国内绝大部分超市都对报警系统有所迫切需求。但一部分超市只具有简单报警功能的安防设备;而对于大型的综合超市，由于其对安防的要求较高，对报警系统业提出了更高的要求。传统的报警系统产品多采用警铃或电话等传统报警方式，即当警报发生时，通过响铃或拨打报警电话进行报警。这类传统的报警系统具有成本低廉、结构简单、安全可靠的特点。但是，由于在报警时无法将精准的现场视频信息及时传递到接警终端，导致直观性较差、虚警率较高。同时这类系统多采用有线连接方式，安装、配置比较困难。这些都大大限制了报警系统的市场应用与普及推广。根据我国超市建设的实际情况，为满足新时期超市的要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现智能化报警
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第一章 引言
的要求来确定的。
总结以上，系统的功能需求如下:
1.系统应具有较强的多任务能力，能够接收报警信息，捕获视频图片，各个任务要相互协调，保证系统的高效、稳定运行。
2.系统应具有非常高的可靠性，必须确保系统尽可能不出错，即使出错也有办法迅速恢复。
3.当用户需要现场图片时，系统可获取实时报警图片。
4. 系统应具有一定的实时性。特别是在接收报警信息、捕获报警现场图片时，系统应具备较高的实时性。
5.系统应具备良好的适应性和可扩展性。报警系统应用领域广泛，为了灵活地适应不同的工作环境，系统必须具备良好适用性，系统应能根据用户需求灵活地对报警传感器进行选择。根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块:前端警情采集模块、前端警情控制模块、无线收发模块、核心控制模块等。 2.视频监控技术发展现状
当今社会是一个信息高速发展的时代，获取信息的方便和快捷可以使我们在信息化的今天领先一步创造出巨大的利益，而我们获取信息的一个重要的途径就是通过眼睛。在人类感官接受的各种信息中约有80%来自视觉。图像是对客观事物形象、生动的描述，是直观而具体的信息表达形式，是人类最重要的信息载体。随着科学技术的快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控系统以其直观、方便和信息内容丰富等特点，日益受到人们的青睐，并在各行各业得到了广泛的应用。生活中有小区安全监控，电讯行业有基站监控，银行系统有柜员机监控，林业部门有火情监控，交通方面有违章和流量监控等等。
自从摄像机、电视机等出现后，最初的模拟视频监控系统也随之出现了。经过较长时间的发展并在实际工程中得到了非常广泛的应用，发展已经非常成熟，性能也十分稳定，但由于系统中以模拟图象信息为主，对图象的处理和传送均采用模拟技术，不仅图象质量低，而且系统资源浪费严重，不易组成复杂的网络结构，主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，监控功能可扩展性差。因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在。
随着计算机的普及应用，网络通信技术及图像压缩处理技术的快速发展，在
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英文摘要
视频监控领域中，数字化和网络化成为一种趋势。上世纪末，基于PC的数字化网络视频监控系统迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其它设备的模拟视频监控系统。数字化的视频通信在图像质量、传输距离、抗干扰能力等方面都要优越于传统的模拟视频通信，并且数字图像处理更加方便。因此，数字化网络视频监控系统将必然取代传统的模拟监控系统。但随着基于Pc的视频监控系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的实时性不高、稳定性较差，而且成本较高;PC需要专人管理，操作较为烦琐;兼容性差，采用专用的视频压缩卡对数据进行处理，因此系统一般只支持一种编解码格式，无法提供对其他编码方式的支持。
随着国际经济的发展，各国对安防日益重视，视频监控终于在21世纪迎来全球目光的关注。世界各国工业经济、旅游经济、文化体育事业的互融促使视频监控技术的应用领域越来越多元化，而网络视频监控这一高新技术的突破也大力推动全球的繁荣与稳定。世界各国在发展视频监控业务方面有着不同的业务模式。目前国外视频监控业务主要应用在公共领域、行业用户和个人用户。在公共场所，国外设置了众多监控设备，以加强对公共领域安全的控制能力。另外，在交通、银行、大型连锁超市、居民住宅等领域都己经得到了广泛应用。在美、英等国，个人使用视频监控主要是应用于住宅的安全防范和财产的监控。同时，国外正在悄悄地推进视频监控技术的全新意义的革新，那就是只能视频监控技术(Intelligent Video Surveillance)。智能视频监控技术是计算机视觉和模式识别技术在视频监控领域的应用。国外智能视频监控技术的发展动力是源于对特殊监控市场的需求，特别是出于反恐、国家安全、社会安定等多方面的需要。智能视频监控技术与预警技术逐渐成为国际上最被关注的前沿研究领域。 3视频监控的发展趋势
视频监控在国内经历了这么多的发展，形成了成熟、稳定的应用模式。虽然数字视频监控系统实现了视频监控手段的数字化、网络化和集成化。但是随着用户的需求不断的在发生变化。从目前来看，视频监控有以下几项方面推动着视频监控的发展。
1)智能化
当前的大多数的视频监控系统存在一个很重要的缺陷:对视频监控内容只能
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第一章 引言
靠人来判断。众所周知，视频监控工作劳动强度很大，它对工作人员的注意力、警惕性，特别对异常的反应能力要求很高，一般监控过程中发生的失物都是由注意力不集中造成的。而且多用于“事后处理”即调查取证，并没有充分发挥视频监控系统的主动性.智能化的视频监控系统，是网络化视频监控领域的最前沿的应用模式之一。它以数字视频监控系统为基础，借助于计算机的强大的数据处理功能，对视频画面中的海量数据进行分析，过滤用户不关心的信息，仅仅为监控者提供有用的关键信息。现在的计算机技术、数字信息处理技术和图像技术的结合使得图像自动检测、识别、跟踪和视频信号分析成为现实，尤其是计算机视觉相关算法和技术的综合应用，使视频监控智能化成为可能。
未来的视频监控系统将不仅仅局限于被动地提供视频画面，更要求系统本身有足够的智能，能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象，成为应对袭击和处理突发事件的有力辅助工具。
2)视频监控平台化
使用视频监控的用户群经历了一个变化的过程。起初，视频监控仅仅被用在一些专业很强的行业中，如金融行业，而且监控信息相对独立。使用视频监控的行业慢慢增多，由于行业之间存在着诸多联系，比如金融系统和公安系统相结合、城市中的各行各业的视频监控被融合在一起等。再后来，视频监控的需求开始进入人们的实际生活中，如平安城市、小区监控、室内监控、智能楼宇等等。使用视频监控的领域越来越广，而各种领域之间又存在着必然的联系。 视频监控平台基于网络接入业务，不仅仅能够远程图像监控、远程图像存储、远程图像管理。要更进一步实现把独立图像采集点进行联网，实现跨区域统一监控、统一存储、统一管理、资源共享，整合利用行业视频资源，达到视频资源的最大程度的共享。 3)与信息系统联动
资源整合的同时，要求视频监控与其他信息系统实现联动。比如水利行业的信息系统要与交通部门的信息系统联动，共享两个系统中的视频资源，能达到迅速、方便、准确的处理事件的目的。
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英文摘要
1.3 研究思路及方法
(1)文献法
搜集、鉴别、整理文献，并通过对文献的研究形成对事实的科学认识。通过收集和查阅了有关就业的统计资料、学术专著和学术期刊，检索到有关视频监控平台的相关系统的研究与开发，为本课题研究获得可观、可靠的信息和资料。比较和借鉴，通过检索、收集、鉴别以及研究与运用这一系统化过程，分析其他类似系统的优点，从而找出事物间的联系、规律，为本研究取得借鉴。 (2)案例法
所谓案例，一般是指对某种事物的实际情况所做出的客观描述。案例法是将其他现成的成功系统作为研究对象，以此作为资料积累进行研究的一种方法，案例研究的主体是对已有系统的准确分析。对于本研究来说，个案研究有特殊的意义。个案研究的对象较易选择，可结合工作中遇到的其他系统展开研究。案例研究具有显著的实践价值，也容易取得效果。通过案例研究，可以由点及面，了解技术发展动态，有利于完成全面的研究工作。
本文拟采用的方法:
防报警系统摄像系统的整体框架设计;
基于运动目标的夜间图像信息采集;
基于智能编码的信息识别系统;
1.4 主要内容和结构
本课题的主要内容主要是在现有硬件系统的基础上研究多媒体数字视频监控的实现方案，并在此基础上设计开发超市视频监控的软件系统，最后完成系统的产品化。
本文的研究内容具体包括以下几个方面:
1)对视频监控开发平台的研究，研究软件体系结构，尤其对多层软件架构
的理解和设计，以及框架设计和设计模式的学习和研究。
2)对开发平台的设计的总体设计与到具体的实现细节，涉及到的相关知识
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第一章 引言
的学习与理解。
3)视频监控开发平台的统一性是本文最大的特点，统一了接口、统一了通 讯协议，最终提供了稳定的功能，达到视频监控系统的强大兼容性。
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电子科技大学硕士学位论文
第二章 数字监控报警系统的关键技术
2.1 视频压缩编码技术
压缩编码的目的就是要以尽量少的比特数表征图像，同时保持复原图像的质量，使它符合特定应用场合的要求。多媒体数据的压缩主要是指对视频数据和音频数据的压缩，两者所使用的基本技术是相同的。但视频信号的数据量比音频的大的多，压缩起来也更困难。
视频图像数据有大量的冗余信息(也就是说有极强的相关性)。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉(去除数据之间的相关性)，压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。使用帧间编码技术和熵编码技术可去除空域冗余信息。帧内图像和预测差分信号都有很高的空域冗余信息。使用变换编码可将空域信号变换到另一正交矢量空间，使其相关性下降，数据冗余度减小。经过变换编码后，产生一批变换系数，对这些系数进行量化编码，使编码器的输出达到一定的位率。这一过程导致精度的降低。熵编码是无损编码，它对变换、量化后得到的系数和运动信息，进行进一步的压缩。
图像编码主要分为静态图像编码和动态图像编码两种。其中静态图像编码主要有 JPEG 和 JPEG2000 两种
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
，他们都是由国际标准组织(ISO)下从事静态影像压缩标准制定的委员会联合图片专家组(Joint Photographic Experts
Group)制订的。JPEG 是基于二维 DCT 变换的，而 JPEG20DO 是基于二维离散小波变换的，用于视频监控的 MJPEG(Motion JPEG)压缩技术，主要是基于此发展起来的。动态图像压缩标准主要由两个系列组成:一个是 ISO/IEC 的活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)制订的 MPEG 系列标准，其中有 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等;再一个就是 ITU 的 VCEG(视频编码专家组)制订的的 H 系列标准，如 H.261、H.263、H.26L 等。MPEG-4part10/H.264 是 ITU-T 的 VCEG 和 ISO/IEC的 MPEG 组成的联合视频组(JVT joint video team)开发的一个新的数字视频编码标准，它既是 ITU-T 的 H.264,又是 ISO/IEC 的 MPEG-4 的第 10 部分。视频监控系统的一个重要的特征就是实时性，而且在保
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
证实时性的基础上尽量减少对系统资源的耗费，这就需要提高系统的运行效率。在视频监控系统中最耗费资源的部分就是视频编解码，其中又以视频编码为最。现在在网络数字视频监控系统中使用的比较多的是 H.263，MPEG-4。H.263 是比较老的视频标准，一些编码效率上不及 MPEG-4，现在 MPEG-4 已得到越来越广泛的应用，不仅仅在数字监控中，在流媒体、IPTV 及移动通信领域也得到青睐。鉴于 H.264 的复杂性，它的应用受到一定限制，但由于它的编码效率明显高子以往的标准，人们都很看好它的未来。下面分别介绍一下这几种标准，其中着重介绍一下MPEG-4part10/H.246 标准。目前监控中主要采用 MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC 等几种视频编码技术。对于最终用户来言他最为关心的主要有:清晰度、存储量(带宽)、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。
MPEG-2有三种图像编码:帧内编码图象、前向预测编码图象、双向预测编码图象。帧内编码图象简称“I帧”，I帧是只使用本帧内的数据进行编码的图象。即只对本帧内的图象象块进行DCT变换、量化和熵编码等压缩处理。在一个图象组(GOP)中的第一个编码帧应为I帧;前向预测编码图象简称“P帧”，P帧是根据前面最靠近的I帧或P帧作为参考帧进行前向预测编码的图象。由于P帧使用了运动补偿压缩方法，压缩比高于I帧，双向预测编码图象简称“B帧”。B帧是根据一个过去的参考帧和一个将来的参考帧进行双向预测的编码图象。其参考帧可以是一个I帧和P帧，或是前后两个P帧。由于B帧是在两个参考帧基础上双向预测得出的，它的预测精度能做到很高，其压缩比较大。有了I、P、B帧的组合，可以既得到较高的综合码率压缩比，又保证图象质量。当P帧的宏块进入编码器时，前面的I帧已经存储在I帧存储器中作为参考帧。运动估计器ME( Motion Estimation)在I帧中搜索与P帧输入宏块最佳的匹配宏块。在I帧搜索到的最匹配宏块相对于P帧宏块的位置就是运动矢量MV(Motion Vector)。运动矢量分为两路输出，一路送到熵编码器中进行编码，另一路送入运动检测器中，同时I帧图象也输入到MC中。根据运动矢量坐标以及P帧宏块的位置找到I帧中的匹配宏块。该宏块由运动检测器输出向上分为两路，一路进入减法器与P帧宏块相减得预测误差。当B帧的宏块进入编码器时，参考帧I、P帧或P、P帧已经储存在I帧和P帧存储器内作为参考帧。运动估计器，进行
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电子科技大学硕士学位论文
双向运动预测。找到两个运动矢量后，分两路输出，一路送到熵编码器，另一路送到运动补偿预测器，同时I帧和P帧也一起输到此预测器。由B帧宏块位置和两个运动矢量MV1、MV2，可以分别找到I帧的匹配宏块和P帧的匹配宏块，将它们按比例相加后，由预测器输出，作为帧间预测值。然后进入减法器与B帧宏块相减得预测误差。预测误差经过DCT和量化器后，直接进入熵编码器，由于B帧不作为基准帧。
除各种基于国际标准的编码技术外，还有许多新技术的发展十分引人注目:
1 基于协议的视频压缩编码技术
国际电信联盟(ITU-T)已经制定的视频编码标准包括H.261(1990年)、H.263(1995年)、H.263+(1998年)，2000年 11月份将通过H.263++的最终文本。H.26X系列标准是专门用于低比特率视频通信的视频编码标准，具有较高的压缩比，因此特别适合于无线视频传输的需要。它们采用的基本技术包括:DCT变换、运动补偿、量化、熵编码等。H.263+和H.263++中更增加考虑了较为恶劣的无线环境，设计了多种增强码流鲁棒性的方法，定义了分线编码的语法规则。在视频压缩中有损(Lossy )和无损(Lossless)的概念与静态图像中基本类似。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都采用RLE行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多，解压缩后的效果一般越差。此外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式，这样还会引起额外的数据丢失。帧内(Intraframe)压缩也称为空间压缩(Spatial compression)。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高的压缩。采用帧间(Interframe)压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩(Temporal compression)，它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值(Frame differencing)算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
MPEG制定的视频编码标准有MPEG-1(1990年)、MPEG-2(1994年)、MPEG-4(完善中)。其中MPEG-1、MPEG-2基本已经定稿，使用的基本技术和H.26X相同。MPEG-1、MPEG-2的特点在于针对的应用主要是数字存储媒体，码率高，它们并不适于无线视频传输。人们熟知的VCD、DVD是MPEG-1、MPEG-2的典型应用。随后，MPEG组织注意到了低比特率应用潜在的巨大市场，开始和ITU-T进行竞争。在 MPEG-4的制定中，不仅考虑了高比特率应用，还特别包含了适于无线传输的低比特率应用。MPEG-4标准的最大特点是基于视频对象的编码方法。
无线通信终端是多种多样的，其所处的网络结构、规模也是互异的。视频码流的精细可分级性(Fine Granularity Scalability)适应了传输环境的多样性。
编码协议并不提供完全齐备的解决方案。一般来说，协议内容主要包括码流的语法结构、技术路线、解码方法等，而并未严格规定其中一些关键算法，如运动估计算法、码率控制算法等。运动估计算法在第3部分有较为详细的介绍。码率控制方案在第4部分有较为详细的介绍。
2 其他视频压缩编码技术
除上述基于协议的视频标准之外，还有一些优秀的算法由于商业的原因，暂时没有被国际标准完全接纳。典型的例子是DCT变换和小波变换之争。虽然利用小波变换可以取得更好的图像恢复质量，但是因为DCT变换使用较早，有很多商业产品的支持，因此小波变换很难在一夜之间取代DCT变换现有的地位。其他编码方法如，分形编码、基于模型的编码方法、感兴趣区优先编码方法等也都取得了一定的成果，具有更强的压缩能力。但是算法实现过于复杂，达到完全实用尚有一段距离。
在基于小波的低比特率图像压缩算法的研究中，根据小波图像系数的空间分布特性，以及小波多分辨率的视频特点，人们引入矢量量化以充分利用小波图像系数的相关性。根据传统的运动补偿难以与小波变换相结合这一情况，人们还提出了将空间二维帧内小波变换与时间轴一维小波变换相结合的三维小波变换方法。
国际电信联盟(ITU-T)已经制定的视频编码标准包括H.261(1990年)、H.263(1995年)、H.263+(1998年)，2000年 11月份将通过H.263++的最终文本。H.26X系列标准是专门用于低比特率视频通信的视频编码标准，具有较高的压缩
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比，因此特别适合于无线视频传输的需要。它们采用的基本技术包括:DCT变换、运动补偿、量化、熵编码等。H.263+和H.263++中更增加考虑了较为恶劣的无线环境，设计了多种增强码流鲁棒性的方法，定义了分线编码的语法规则。
MPEG制定的视频编码标准有MPEG-1(1990年)、MPEG-2(1994年)、MPEG-4(完善中)。其中MPEG-1、MPEG-2基本已经定稿，使用的基本技术和H.26X相同。MPEG-1、MPEG-2的特点在于针对的应用主要是数字存储媒体，码率高，它们并不适于无线视频传输。人们熟知的VCD、DVD是MPEG-1、MPEG-2的典型应用。随后，MPEG组织注意到了低比特率应用潜在的巨大市场，开始和ITU-T进行竞争。在 MPEG-4的制定中，不仅考虑了高比特率应用，还特别包含了适于无线传输的低比特率应用。MPEG-4标准的最大特点是基于视频对象的编码方法。
人类的视觉是一种积极的感受行为，不仅与生理因素有关，还取决于心理因素。人们观察与理解图像时常常会不自觉地对某引起区域产生兴趣。整幅图像的视觉质量往往取决于感兴趣区(ROI:Region of Interest)的图像质量。在保障ROI区部分图像质量的前提下，其他部分可以进行更高的压缩。这样在大大压缩数据量的同时，仍有满意的图像恢复质量。这就是感兴趣区优先编码策略。
MPEG-2视频结构层:
1. 视频序列(Video Sequence)
一个视频序列(也称图象序列)由一系列图象组(GOP)组成。
2(图象组(Group of Pictures)
图象组是由连续的几个图象组成，这些图象被分为I、P、B三种编码图象帧，GOP是编码后视频码流进行编辑的随机存取视频单元，进入点应在I帧的起始端。
3. 图象(Pictures)
图象是一个独立的显示单元，也是图象编码的基本单元，分为I、P、B三种编码图象。
4(像条(Slice)
像条由一系列连续的宏块组成。 像条的宏块应处在同一水平宏块行内。象条是发生误码后且不可纠正时，数据重新获得同步从而能正常解码的基本单元。对于720×576象素的画面来说，一帧图象里有36个宏块排(16×36=576)，宏
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
块排内可以各自有不同的像条划分方法。一个宏块排内像条数最少为1个，如果每个宏块排内像条数多，则有利于误码后的重新正确解码，但确增加了码流中附加的信息，从而降低编码效率变。
5(宏块(Macroblock)
一个宏块由一个16×16象素的亮度阵列和相应区域内的Cb 、Cr 色差信号阵列共同组成，它是运动预测的基本单元，以宏块为单位得到一个个宏块最佳匹配的运动矢量。但运动预测只对亮度阵列进行，色差阵列的帧间编码使用亮度阵列中得到的运动矢量。在MPEG-1中图象的色度格式是4:2:0，而在MPEG,2中图象的色度格式还包括4:2:2和4:4:4格式。
6(块(Block)
一幅图象以亮度数据阵列为基准被分成为若干个8×8象素的阵列，简称为块。它是DCT变换编码的基本单元。
MPEG-2有三种图像编码:帧内编码图象、前向预测编码图象、双向预测编码图象。帧内编码图象简称“I帧”，I帧是只使用本帧内的数据进行编码的图象。即只对本帧内的图象象块进行DCT变换、量化和熵编码等压缩处理。在一个图象组(GOP)中的第一个编码帧应为I帧;前向预测编码图象简称“P帧”，P帧是根据前面最靠近的I帧或P帧作为参考帧进行前向预测编码的图象。由于P帧使用了运动补偿压缩方法，压缩比高于I帧，双向预测编码图象简称“B帧”。B帧是根据一个过去的参考帧和一个将来的参考帧进行双向预测的编码图象。其参考帧可以是一个I帧和P帧，或是前后两个P帧。由于B帧是在两个参考帧基础上双向预测得出的，它的预测精度能做到很高，其压缩比较大。有了I、P、B帧的组合，可以既得到较高的综合码率压缩比，又保证图象质量。当P帧的宏块进入编码器时，前面的I帧已经存储在I帧存储器中作为参考帧。运动估计器ME( Motion Estimation)在I帧中搜索与P帧输入宏块最佳的匹配宏块。在I帧搜索到的最匹配宏块相对于P帧宏块的位置就是运动矢量MV(Motion Vector)。运动矢量分为两路输出，一路送到熵编码器中进行编码，另一路送入运动检测器中，同时I帧图象也输入到MC中。根据运动矢量坐标以及P帧宏块的位置找到I帧中的匹配宏块。该宏块由运动检测器输出向上分为两路，一路进入减法器与P帧宏块相减得预测误差。当B帧的宏块进入编码器时，参考帧I、
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P帧或P、P帧已经储存在I帧和P帧存储器内作为参考帧。运动估计器，进行双向运动预测。找到两个运动矢量后，分两路输出，一路送到熵编码器，另一路送到运动补偿预测器，同时I帧和P帧也一起输到此预测器。由B帧宏块位置和两个运动矢量MV1、MV2，可以分别找到I帧的匹配宏块和P帧的匹配宏块，将它们按比例相加后，由预测器输出，作为帧间预测值。然后进入减法器与B帧宏块相减得预测误差。预测误差经过DCT和量化器后，直接进入熵编码器，由于B帧不作为基准帧。
MPEG-4视频编码
我们的视频监控系统当中采用的是MPEG-4的编码方案，与MPEG-2不同，MPEG-4并不仅仅着眼于定义不同码流下的压缩编码标准，而是更多的强调多媒体通信的交互性和灵活性，以及多工业领域的融合。下面对其编码技术予以阐述。
MPEG-4视频编码功能与特点
(1)MPEG-4标准的主要特征就是采纳了基于对象(Object-Based)的编码等第二代编码技术。所谓的对象是在一个场景中能够访问和操纵的实体，对象的划分可以根据其独特的纹理运动、形状、模型和高层语义为依据。这种编码是一种基于内容的数据压缩方式,如将图像分割为运动物体对象和静止不动的背景对象平面，并对这两个对象进行分别处理。背景对象可以采用压缩比较高的办法进行编码，运动物体对象采用压缩比较低、损失比较小的办法，这样就在压缩效率和解码图像质量间得到较好的平衡。 基于对象的编码除了能提高数据的压缩比，还能实现许多基于内容的交互性功能，允许将场景中的运动对象同与此对象相关的信息连接起来，从而就可以实现很多应用如基于内容的多媒体数据存取等。
(2)MPEG-4可以对不同来源的视音频对象进行合成。视音频对象可以是自然的(摄像机或麦克风捕捉到的)也可以是人工合成的;这些对象可以是单声道、立体声和多声道音频，2D和3D立体视频，也可以是计算机图形，动画，文字等。各种对象通过各自的解码工具进行解码，同时可以创建新的视音频对象。
(3)基于对象的分级功能是MPEG-4提供的又一个新的功能，同时兼容于MEPG-2标准中的图像分级功能，分级工具主要用于因特网和无线网等窄带的视频通信、多质量视频服务和多媒体数据库预览等服务。
MPEG-4的结构和语法
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
MPEG-4视觉场景 (visual scene) 可能包含一个或多个视讯对象，每个视讯对象都可藉由时间和空间信息加以描述，包括它们的形状、移动和纹理。某些应用可能无法使用所有的MPEG-4工具，原因可能是相关的额外处理负担过于庞大，或是视讯对象的产生极为困难，此时MPEG-4视讯可直接对矩形图框 (rectangular frame) 进行编码，它也是各种形状对象中最简单的一种 (degenerate cases)。MPEG-4视觉位串流会提供阶层式的视觉场景描述，起始码 (start codes) 则是特殊的编码值，它们可以存取位串流的每一层阶层架构。阶层架构中的各层包括:
视觉对象序列 (Visual Object Sequence，简称VS):它是完整的MPEG-4场景，可能包含任何2-D或是3-D的自然或合成对象以及它们的加强层 (enhancement layer)。 视讯对象 (Video Object，简称VO):视讯对象会连结至场景中的某个2D元素，矩形图框就是最简单的例子;它也能是任意形状的对象，对应于场景中的某个对象或是背景。视讯对象层 (Video Object Layer，简称VOL):视讯对象支持可延展 (scalable) 以及不可延展 (non-scalable) 两种编码模式，实际编码模式则由视讯对象层所代表的应用决定。视讯对象层能支持可延展性编码。视讯对象平面群 (Group of Video Object Planes，简称GOV):视讯对象平面群是可选用的功能，它会提供视讯对象平面被独立编码的各点，让位元串流中能够加入多个随机存取点。讯对象平面 (Video Object Planes，简称VOP):视讯对象平面是在时间取样的视讯对象，它们可以独立取样，也可以利用移动补偿值进行取样。矩形可以代表传统的视讯图框。
MPEG-4基于VOP的视频编码
MPEG-4采用现代图像编码方法，利用人眼视觉特性，抓住图像信息传输的本质，从轮廓、纹理的思路出发，支持基于视觉内容的交互功能。实现基于内容交互功能的关键在于基于视频对象的编码。为此，MPEG-4引入了视频对象面(VOP，Video Object Plane)的概念。在这一概念中，根据人眼感兴趣的一些特性，如形状、运动和纹理等，将图像序列中每一帧中的场景，看成是由不同VOP所组成。而同一对象连续的VOP称为视频对象(VO，Video Object)。VO可以是视频序列中的人物或具体的景物，例如电视，新闻中的播音员，或是电视剧中一辆奔驰的汽车，也可以利用计算机图形技术生成的二维或三维图形。MPEG-4
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的视频编码包括:形状编码、运动估计和补偿、纹理编码、可分级编码、Sprite编码等。纹理编码:MPEG4中静止图像的编码又称为静态纹理编码，并单独提供了一种模式，与基于DCT的活动纹理编码技术相比，这种静态纹理编码技术提供了更强的可分级能力，其主要基于小波变换和算术编码。 分级编码:MPEG-4的一个主要特点就是其可分级特性。与MPEG-2中以帧为基础的可分级性相比，MPEG-4分级编码允许基于内容的随机访问和VOP在不同的时间及空间分辨率下的传输。视频序列都可以分为两层:基本层和增强层，基本层提供了视频序列的基本信息，增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节，基层可以单独传输和解
Sprite是指一个相码，而增强层则必须与基层一起传输和解码。Sprite编码:
对静止的长背景。例如，在摄像机摇镜头过程中拍摄到的背景可以组成一个Sprite，Sprite包括了整个过程中所拍摄到的全部背景像素。实际上，Sprite
只需在传送开始时发送一次，因此使压缩效率很高。
MPEG-4的应用
MPEG4的应用前景将是非常广阔的。它的出现将对以下各方面产生较大的推动作用:数字电视、动态图象、万维网(WWW)、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、内容存储和检索多媒系统、Internet/Intranet上的视频流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、DVD上的交互多媒体应用、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视等。目前已经开发好的基于MPEG4标准的方案有:视频会议、远程监控、交互教学、远程医疗、视频通讯，等等。互联网上的视频应用几年前就出现了。目前，互联网上比较流行的几种影像格式包括Quicktime、Realplay以及微软的Media Play等。MPEG-4技术出现之后，互联网上又出现了MPEG4格式电影。只要将它从网上下载后，就可以利用MPEG-4解码软件在计算机上播放。但一部完整的以MPEG4格式压缩的电影的数据量高达600、700MB，对拨号上网用户来说下载时间太长了。 2.2 网络实时传输技术
远程视频监控系统中，需要传输大量的运动视频数据，运动视频数据与普通的多媒体数据如文本、图形、静态图像等不同，它具有如下特点: ?视频传输数据量大。一帧1024x768个像素的原始图像，如果每个像素平均用12比特来
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
表示，则总共需要9M比特。按照25帧/秒的传输速率，则在一秒内传输的数据量是225M比特。这样大的数据量传输是不可接受的，必须用压缩技术对数据进行压缩，才能节省存储空间，才能使高速的视频通信成为可能。 ?占用较大的网络带宽。运动图像数据量大的特点决定了传输视频信息需要占用很大的网络带宽。 ?视频传输具有突发性。采集到的视频数据经过压缩通过网络传输到接收端，由于图像本身和压缩算法的影响，输出的比特流速率不是恒定的，具有突发性的特点。 ?允许一定的传输误码。传统的文件传输不允许数据丢失，但可以允许一定的延时和延时抖动，而视频流传输则相反，能够容忍一定的数据损失，但要求有较严格的延时和延时抖动保证。 ?应保证与音频数据的同步性。视频数据和音频数据往往是分开传送的，接收端回放的时候，应保证数据流的同步性，需要采用一定措施进行同步控制。
2.3 流媒体技术
流媒体((Streaming Media)使用流式传输技术，通过IP网络实时传输多媒体数据。文件不是一次性发送、读取所有的数据，而是将开始部分数据装入内存，从而实现流式媒体数据的随时传送和随时播放。流媒体技术就是通过这样一种分割技术把数据分成适当大小的分组，然后在服务器和客户端之间进行传输。 流式传输技术的思路来源于传统的FTP/TCP，即服务器按照一定的顺序将文件分割成若干个数据分段，封装到分组中依次进行传输，客户端接收到分组后重新组装起来，最终形成与原来相同的完整的文件。 流式传输时声音、影像或动画等多媒体信息由流媒体服务器向用户的计算机连续、实时传送。它首先在使用者端的电脑上创建一个缓冲区，用于播放前预先下载一段作为缓冲。用户不必等到整个文件全部下载完毕。而只需经过几秒或数十秒的启动延时即可进行观看。当多媒体信息在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。
目前，在网络上传输音视频(A/V)等多媒体信息主要有下载和流式传输两种方案。一方面，由于音视频文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大;同时由于受网络带宽的限制，下载这样的文件常常需要几分钟甚至几小时，所以采用下载方法的时延也就很大。而采用流式传输时，声音、图像或动画等时基媒体由音视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户只需经过几秒或数十秒的启
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动时延而不必等到整个文件全部下载完毕即可观看。当声音、图像等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器上继续下载。流式传输不仅使启动时延大大缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部下载完毕之后才能观看的缺点。 一、流媒体技术基础
实现流式传输有两种方法:实时流式传输(Real-time streaming transport)和顺序流式传输(progressive streaming transport)。一般来说，如为实时广播，或使用流式传输媒体服务器，或应用实时流协议(RTSP)等，即为实时流式传输。如使用超文本传输协议(HTTP)服务器，文件即通过顺序流发送。采用哪种传输方法可以根据需要进行选择。当然，流式文件也支持在播放前完全下载到硬盘。
(1)实时流式传输
实时流式传输总是实时传送，特别适合现场广播，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看后面或前面的内容。但实时流式传输必须保证媒体信号带宽与网络连接匹配，以便传输的内容可被实时观看。这意味着在以调制解调器速度连接网络时图像质量较差。而且，如果因为网络拥塞或出现问题而导致出错和丢失的信息都被忽略掉，那么图像质量将很差。实时流式传输需要专用的流媒体服务器与传输协议。
(2)顺序流式传输
顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线内容，在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的部分。由于标准的HTTP服务器可发送顺序流式传输的文件，也不需要其他特殊协议，所以顺序流式传输经常被称作HTTP流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告，由于这种传输方式观看的部分是无损下载的，所以能够保证播放的最终质量。但这也意味着用户在观看前必须经历时延。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的情况，如讲座、演说与演示;也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。
(3)流媒体技术原理
流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP,TCP来传输控制信
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
息，而用实时传输协议,用户数据报协议(RTP,UDP)来传输实时数据。
流式传输的实现需要缓存。因为一个实时音视频源或存储的音视频文件在传输中被分解为许多数据包，而网络又是动态变化的，各个包选择的路由可能不相同，故到达客户端的时延也就不同，甚至先发的数据包有可能后到。为此，需要使用缓存系统来消除时延和抖动的影响，以保证数据包顺序正确，从而使媒体数据能够连续输出。通常高速缓存所需容量并不大，因为通过丢弃已经播放的内容可以重新利用空出的空间来缓存后续尚未播放的内容。
流式传输的过程一般如下:
TCP?用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP,交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来;
?Web浏览器启动音视频客户程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对音视频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、音视频数据的编码类型或与音视频检索相关的服务器地址;
?音视频客户程序及音视频服务器运行实时流协议，以交换音视频传输所需的控制信息，实时流协议提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法;
? 音视频服务器使用RTP,UDP协议将音视频数据传输给音视频客户程序，一旦音视频数据抵达客户端，音视频客户程序即可播放输出。
需要
说明
关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书
的是，在流式传输中，使用RTP,UDP和RTSP,TCP两种不同的通信协议与音视频服务器建立联系，目的是为了能够把服务器的输出重定向到一个非运行音视频客户程序的客户机的目的地址。另外，实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。
(4)流媒体技术应用
Internet的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒体业务正变得日益流行。 流媒体技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播(VOD)、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面。流媒体技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活产生深远的影响。下面介绍流媒体技术在视频点播、远程教育、视频会议、Internet直播方面的应用。
最初的视频点播应用于卡拉OK点播，随着计算机技术的发展，VOD技术逐
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渐应用于局域网及有线电视网，此时的VOD技术趋于完善，但音视频文件的庞大容量仍然阻碍了VOD技术的进一步发展。由于服务器端不仅需要大容量的存储系统，同时还要承担大量数据的传输，因而服务器根本无法支持大规模的点播。同时，由于局域网中的视频点播覆盖范围小，用户也无法通过Internet等网络媒介收听或观看局域网中的节目。
由于以下的原因使得基于流媒体技术的VOD完全可以从局域网转向Internet。
? 流媒体经过了特殊的压缩编码后很适合在Internet上传输;
?客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护;
?采用先进的机群技术可以对大规模的并发点播请求进行分布式处理，使其能适应大规模的点播环境。
随着宽带网和信息家电的发展，流媒体技术会越来越广泛地应用于视频点播系统。目前，很多大型的新闻娱乐媒体，如中央电视台、北京电视台等，都在Internet上提供基于流媒体技术的节目。
远程教育
电脑的普及、多媒体技术的发展以及Internet的迅速崛起，给远程教育带来了新的机遇。在远程教学过程中，最基本的要求就是将信息从教师端传到远程的学生端，需要传送的信息可能是多元的，如视频、音频、文本、图片等。
将这些信息从一端传送到另一端是实现远程教学需要解决的问题，在当前网络带宽的限制下，流式传输将是最佳选择。学生在家通过一台计算机、一条电话线、一个调制解调器就可以参加远程教学。教师也无须另外做准备，授课的方法基本与传统授课方法相同，只不过面对的是摄像头和计算机而已。
目前，能够在Internet上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体技术，如Real System、Flash、Shockwave等技术就经常被应用到网络教学中。远程教育是对传统教育模式的一次革命，它集教学和管理于一体，突破了传统面授的局限，为学习者在空间和时间上都提供了便利。
除了实时教学外，使用流媒体的VOD技术还可以进行交互式教学，达到因材施教的目的。学生可以通过网络共享学习经验。大型企业可以利用基于流媒体技术的远程教育对员工进行培训。
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
视频会议
市场上的视频会议系统有很多，这些产品基本上都支持TCP,IP协议，但采用流媒体技术作为核心技术的系统并不占多数。虽然流媒体技术并不是视频会议的必须选择，但为视频会议的发展起了重要的推动作用。采用流媒体格式传送音视频文件，使用者不必等待整个影片传送完毕就可以实时、连续地观看，这样不但解决了观看前的等待问题，还达到了即时的效果。虽然在画面质量上有一些损失，但就一般的视频会议来讲，并不需要很高的图像质量。
视频会议是流媒体技术的一个商业用途，通过流媒体可以进行点对点的通信，最常见的就是可视电话。只要两端都有一台接入Internet的电脑和一个摄像头，在世界任何地点都可以进行音视频通信。此外，大型企业可以利用基于流媒体的视频会议系统来组织跨地区的会议和讨论。
Internet直播
随着Internet技术的发展和普及，在Internet上直接收看体育赛事、重大庆典、商贸展览成为很多网民的愿望，而很多厂商希望借助网上直播的形式将自己的产品和活动传遍全世界。这些需求促成了Internet直播的形成，但是网络的带宽问题一直困扰着Internet直播的发展，不过随着宽带网的不断普及和流媒体技术的不断改进，Internet直播已经从实验阶段走向实用，并能够提供较满意的音视频效果。
流媒体技术在Internet直播中充当着重要角色，主要表现在以下方面:
?首先，流媒体技术实现了在低带宽环境下提供高质量的音视频信息;
?智能流媒体技术可以保证不同连接速率下的用户能够得到不同质量的音视频效果;
?流媒体的组播技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度地节省带宽。
2.4 网络虚拟矩阵
网络数字视频监控系统是将视频信号通过数字化处理后通过网络传输，采用集散型控制方式来实现监控的手段，因此其指挥、调度的核心将是设在网上的指挥中枢。由于其网络化和软件的控制功能，因此其控制完全脱离传统监控的控制
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概念—即并不是所有视频均引进监控室、进入主机，而是由设在监控室并挂在网上的主机通过网络和软件来指挥视频去何处并且进行显示与控制。通过 IP 网发送控制 IP 数据包进行控制的。 这种控制方式是利用网络，并借助软件进行多路监视控制，且前端也可被多路客户端监控，因此起工作方式类似与电话通信中的交换机，因此我们称其为网络虚拟矩阵主机(Network Virtual Digital Matrix)
简称 IPM。它是视频监控技术，网络技术及通信技术有机结合而实现的核心技术。网络虚拟矩阵将完全取代传统监控系统中矩阵与 DVR 的作用，与前端的网络摄像机、网络高速球、视频服务器等设备及计算机网络一起可以搭建更为完善的视频监控系统。
如果在网络上存在 M 路的前端数字视频信号，并且这 M 路的数字视频信号都随时等待着 IPM 的分控系统发出的访问的指令。在 IPM 内部，由 IPM 的访问指令控制哪些前端视频信号需要在网上传输，哪些视频信号需要在电视墙上显示。这时 IPM内置的专用控制软件发出所要监控的前端 M 路视频中的 N 路访问指令，前端中的 N路视频信号在接到相应的访问指令后， 如果需要在电视墙上显示， 那么经过 N 路 D/A视频转化器后转换为模拟信号就在电视墙上显示，如果需要在网上直接传输，那么N 路视频图像数据就会通过计算机网络传输到客户端，并在客户的电脑上显示相应的视频图象。对于网络虚拟矩阵的输入:一路网络端口可以同时复用 1-16 路数字视频输入。对于网络虚拟矩阵的输出:标准配置 4-8 模拟视频输入输出，可直接连到电视墙上进行监看。可以在网上对软件设置实现实时切换、轮巡等模拟矩阵功能，内置硬盘录像其标准配置支持 1-16 路实时视频录像及音频，或大于 16 路非实时录像。对于实时视频数据或者已经保存的录像数据可在 PC 上通过专用的客户端软件方便地进行查看，客户端可以对服务器提出查看前端录像申请。每路音频均可选择不同的录像方式(手动录像、定时录像、报警录像) ，每路音频，视频参数均可设置。支持报警、门禁等各弱电子系统集成，可以实现多网合一。支持对前端的云台、镜头进行控制的功能。拥有强大的检索功能，可以对以前的录像进行随时调看，密码限制，安全可靠，同时也可多机协调工作。
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
2.5运动目标检测
2.5.1运动目标检测综述
视频监控无论出于什么目的，一个首要而根本的任务就是从视频图像序列中提取运动目标(例如，人和车辆等)。这样过滤掉其它无用静止信息，把注意力引导到活动目标上，为随后对目标进行分析和跟踪奠定基础。运动区域的有效分割对于后续的目标分类、跟踪和行为理解等处理是非常重要的。可以说，运动目标检测是视频监控系统实现智能化的第一步。对于如何从视频中提取运动目标，有许多研究者对此进行了大量的研究，针对不同的应用环境，得到了许多适应不同情况的方法。但是由于环境中可能存在各种复杂因素，例如光线的变化，非静止状态的背景、阴影干扰等，运动目标检测是一项相当困难的工作，也是一直是令人感兴趣的热点研究问题。一个好的视频目标检测和提取算法，应该能适用于监视各种环境，通常应具有以下的特征:
(1)不依赖于摄像头的安装位置;
(2)在各种天气条件下应是鲁棒的:
(3)对环境光线的变化应是鲁棒的;
(4)应能够处理，杂乱无章的大面积区域的各种运动，以及场景内目标的叠加; (5)能适应场景中个别物体运动的干扰，如树木的摇晃，水面的波动等; 一个完美的背景维持系统应该能够避免以下几个问题:
(1)目标运动带来的问题。在一个背景中移动的目标，当其移动后，移开的地方不应该作为前景目标的一部分;
(2)时间性问题。系统对亮度随时间缓慢的变化是鲁棒的;
(3)光线的突然改变;
(4)部分背景晃动问题，如树枝、显示屏等。背景的像素值是改变的，需要一种方法去模型化:
(5)遮掩问题。一个前景的像素不应被背景模型所替代;
(6)初始化问题。在一些监视场景中，没有运动目标的“纯”背景图像是不可得到的;
(7)前景孔洞问题。当一个色彩均匀的目标运动时，其内部的像素不被检测到;
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(8)目标丢失问题。一个运动目标长期停止在场景中，而成为背景图像的一部分: (9)阴影问题。目标的阴影也会成为前景目标的一部分;
一个好的视频目标检测提取算法应该能够适用于各种视频环境，但实际应用中要解决这个问题是十分困难的，因为实际应用中不但要考虑到算法要尽量适应于多种环境，而且除非有专门的硬件支持，否则研究者不得不在算法的复杂度、可靠性，以及实时性等方面折衷考虑。目前大多数视频目标检测和提取算法或多或少是针对解决某一问题而提出的，这样也就带来了对视频目标检测和提取的算法的分类。
存在的问题:
(1) 背景获取:需要在场景存在运动目标的情况下获得背景图像
(2) 背景扰动:背景中可以含有轻微扰动的对象，如树枝、树叶的摇动，扰动部分不应该被看做是前景运动目标
(3) 外界光照变化:一天中不同时间段光线、天气等的变化对检测结果的影响
(4) 背景中固定对象的移动:背景里的固定对象可能移动，如场景中的一辆车开走、一把椅子移走，对象移走后的区域在一段时间内可能被误认为是运动目标，但不应该永远被看做是前景运动目标
(5) 背景的更新:背景中固定对象的移动和外界光照条件的变化会使背景图像发生变化，需要及时对背景模型进行更新，以适应这种变化
(6) 阴影的影响:通常前景目标的阴影也被检测为运动目标的一部分，这样讲影响对运动目标的进一步处理和分析
首先利用统计的方法得到背景模型，并实时地对背景模型进行更新以适应光线变化和场景本身的变化，用形态学方法和检测连通域面积进行后处理，消除噪声和背景扰动带来的影响，在HSV色度空间下检测阴影，得到准确的运动目标。
为解决上述问题，前提假设在背景模型提取阶段，运动目标在场景区域中运动，不会长时间停留在某一位置。
视频流中某一像素点只有在前景运动目标通过时，它的亮度值才发生大的变化，在一段时间内，亮度值主要集中在很小的一个区域中，可以用这个区域内的平均值作为该点的背景值。具体实现过程:在YUV颜色空间下，Y值的变化范围
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
为0~255，将该范围划分成若干区间[0,T][T,2T]„[Nt,255],n=255/T，对于每个像素点，统计一段时间内每个区间内亮度值的出现的次数。找出出现次数最多的那个区间，将该区间内所有值的平均值作为背景模型在该点的亮度值。这种方法不受前景运动目标的影响。
2.5.2运动目标检测算法的分类
目前常用的运动目标检测方法主要有二种:光流场法、时间差分法和背景减法。这些方法的实现方式不同，其效果也有所不同，接下来我们将对这几种方法分别做简要的介绍。
运动目标检测的方法主要分为三类:
基于运动分析的方法:1、基于运动分析的方法利用运动造成的图像时域上的变化，将不同运动属性的区域进行分类，从而进一步将所要获取的前景目标和背景区域分离开来。常见的运动分析方法有:基于帧差的方法，基于背景差的方法，基于光流场的方法。
(1)帧间差分:差分法是最为常用的运动目标检测和分割方法之一。其基本原理就是将前后两帧图像对应像素值相减，在环境亮度变化不大的情况下，如果对应像素值相差很小，可以认为此处景物是静的，如果图像区域某处的像素值变化很大，可以认为这是由于图像中运动物体引起的，将这些区域标下来，利用这些标记的像素区域，就可以求出运动目标在图像中的位置。计算帧差经常使用像素或像素块(增加鲁棒性)的差分。算法原理流程如图所示:
相邻帧差运动目标检测法算法实现简单，速度快，程序设计复杂度低，易于实现实时处理，对于动态环境具有较强的自适应性，鲁棒性较好。另外，由于相邻帧间的时间间隔一般较短，因此该方法对场景光线变化一般不太敏感。但是，
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帧差法一般不能完全提取出所有相关的特征像素点，在运动实体内部容易产生空洞现象。
(2)背景差:除帧间差分法外，背景估计是解决静止或缓变背景下运动目标检测和分割的另一条思路。通过背景建模，利用相邻序列图像估计视频中不变的背景，进而提取当前帧中的非背景像素集合(即运动目标)。其基本思想是输入图像与背景模型进行比较，通过判定灰度等特征的变化，或用直方图等统计信息的变化来判断异常情况的发生和分割运动目标。算法原理流程如图所示。简单常用的方式为:直接抽取视频序列中某一幅图像，或计算多幅图像的平均值作为背景。它一般能够提供最完全的特征数据，但对于动态场景的变化，如光照和外来无关事件的干扰等特别敏感。
背景差分方法的优点是其原理和算法设计简单、检测速度快、能够得到比较精确的运动目标信息，如位置、大小、形状，但通常会遇到如下一些问题:
A)背景获取:背景图像的获取最简单的办法是在场景没有运动目标的情况下进行，但是在实际应用中无法满足这种要求，如对公路和城市交通的监控等。所以需要一种方法能够在场景存在运动目标的情况下获得真实的背景图像。
B)背景的扰动:背景中往往含有轻微扰动对象，如树枝、树叶的摇动等，扰动部分不应该被看作是前景运动目标。
C)外界光照条件的变化:一天中不同时间段光线、天气等的变化对检测结果的影响。
D)背景中固定对象的移动:背景里的固定对象可能移动，如场景中的一辆车开走等，对象移走后的区域在一段较短的时间内可能被误认为是运动目标，但不应该永远被看作是运动目标。
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
运动目标检测的准确性则取决合适的背景模型，即背景模型自适应地随着背景的变化而变化。背景模型可分为两大类，即，统计方法和确定的方法。前者还可细分为参量的统计方法和非参量的统计方法。后者则分为确定的模型化方法和确定的非模型化方法。最简单的背景模型是时间平均图像，大多数研究人员目前都致力于开发不同的背景模型，以期减少场景变化对于运动分割的影响。对背景已知的应用情况，背景差法是一种有效的运动目标检测算法。但是当摄像机运动的情况下，背景图像也在不停的快速变化中，在这种情况下还没有合适的背景建模方法可以利用。
(3)光流场估计:光流是空间运动物体被观测面上的像素点运动产生的瞬时速度场，包含了物体3D表面结构和运动的重要信息。一般情况下，光流由摄像机运动、场景中目标运动，或两者的运动产生。当场景中有独立的运动目标时，通过光流分析可以确定运动目标的数目、运动速度、目标距离和目标的表面结构。光流场的计算一直以来都是计算机视觉领域中的一个研究重点,.光流分析可以分为连续光流法和特征光流法。连续光流法一般采用基于帧间图像强度守衡的梯度算法，其中最为经典的算法是L-K(Lucas-Kanade)法和H-S(Horn-Schunck)法。特征光流法是通过特征匹配求得特征点处的光流，可以采用图像边缘和角点作为特征点。
特征光流法的主要优点在于:对目标在帧间的运动的限制较小，可以处理大的帧间位移;对噪声的敏感性降低;只处理图像中很少数的特征点，计算量较小。主要缺点是:得到的是稀疏光流场，导致难于提取运动目标的精确形状;特征匹配问题尚未得到较好地解决。另一种计算稀疏光流场的方法是块匹配法。块匹配法假设图像序列的运动最小单位是若干相邻像素的集合。根据先验的运动模型在相邻帧间进行匹配，计算最优匹配下的块运动参数，从而得到光流场的估计。此方法的效果依赖于运动模型和匹配算法的选取，精度不高。与差分法相比，光流法可以检测独立运动的对象，不需要预先知道场景的任何信息，并且可应用于摄像机运动的情况，能够较好的处理背景运动的情况，适用范围更广。但是，光流计算的时空复杂度均远高于前者，除非有特殊的硬件支持，否则很难实现实施检测，只有当图像采样间隔非常小时，能应用光流分析方法。同时，由于噪声、阴影、多光源、透明性和遮挡等影响，计算得到的光流场分布不是十分可靠和精确，
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精度较低，难以得到运动目标的精确边界。
2、基于特征的方法:基于目标特征的方法直接利用目标的一些属性特征或统计特征，如灰度、颜色、形状等，在图像中寻找目标的特征匹配。基于目标特征的方法并没有用到运动信息，所以既可以用于运动目标的检测也可以用于静止的目标，并且不受摄像机运动的影响。选择合适的目标特征是基于特征的方法的关键。
3.基于模型的方法:基于模型的方法利用先验知识预先构造目标的ZD或3D模型，将模型利用合适的变换投影到图像空间，将模型投影与图像特征进行匹配，选取最佳匹配作为目标的检测结果。基于模型的方法利用目标轮廓的先验知识使得算法具有很强的鲁棒性，在具有遮挡等情况的复杂环境中可以得到较好的结果，与基于运动的方法相比较而言有更高的可靠性。但是这些方法需要预先构建模型，计算复杂性较高，特别是对于复杂的模型，因为需要处理模型或其投影的缩放、平移、旋转和变形等.
2.5.3目标特征提取
目标监测和目标跟踪研究的困难很大程度上取决于我们对检测和跟踪的目标是如何定义描述的。也就是说目标特征的提取是非常关键的，特征必须要有很强的鲁棒性，能适应较复杂的运动模式，并能抵抗一定的十扰。目标往往通过它的形状和外观等特征参数来表示。常用的目标特征有:点:目标被表示为一个点，可能是目标的质心，也可能是一个点集。这种描述方法常适用于在图像中目标所占的区域较小的情况。目标几何形状:目标的形状被描述为矩形或者椭圆。适用这种描述的目标运动模型通常有平动、仿射或投影变换等。这种简单的几何形状描述不仅适用于简单的刚体目标，而且在实际情况中许多非刚体目标跟踪中也采用了这种描述并取得很好的跟踪效果。目标轮廓:这种形状描述方式往往比较适合复杂的非刚体目标.骨架模型:这种形状描述方式对有关节的形体或刚体目标均可适用。目标外观的概率密度:在研究中，目标的外观概率密度估计可能是参数的，例如高斯的、混合高斯型的，也有可能是非参数的，诸如Parzen窗、颜色直方图分布等。模板:模板可以定义为目标的简单几何形状或轮廓。它的优点是同时包含了空间和外观特征信息。但其视角的单一性使其仅适用于目标在整个
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
跟踪过程中姿态保持不变的情况。自适应外观模型:对目标的空间形状和外观特征同时建模。目标的形状被定义为一组标记，需要通过对之前的样本进行学习，所以这种描述特征不能被广泛使用。提取特征是运动目标检测跟踪的一个重要环节，根据所研究的对象和对象所处的环境选择适合的目标特征也是一个关键步骤。对目标特征的提取需要解决两个关键问题:
(1)选用什么特征来描述目标
(2)如何精确的测量这些特征
良好的目标特征应具有以下四个特点:
(A)可区分性。对不同的目标，对目标和背景，它们的特征值应具有较明显的差异。
(B)可靠性。对同类的目标，它们的特征值应当比较接近。
(C)独立性。同一目标的各特征应互不相关，而相关性高的特征可以合并。
(D)数量少。系统的计算复杂度是随着特征量的增加而迅速增长的。原始特
征的数量可能处于一个高维中，通过映射或变换可以用低维空间来表示样本。
2.5.4运动目标跟踪
运动目标跟踪是视频监控中的一个重要组成部分，也是当前的研究热点问题之一，在工业过程控制、医学研究、交通监视、自动导航、天文观测等领域有着重要的实用价值。运动目标跟踪的目的是通过对单摄像机拍摄到的图像序列进行分析，估计目标运动行为，预测目标在图像下一帧中的特征，并根据这些特征对图像序列中的目标进行关联、匹配，从而得到各个运动目标完整的运动轨迹。其等价于在连续的图像的帧之间创建基于位置、速度、形状、纹理、色彩等有关特征的对应匹配问题，目的是在连续视频图像的帧之间建立目标的对应关系。
1多目标跟踪的原理框架
完整的多目标跟踪算法可以分为砚大部分:一是跟踪启动，二是数据关联及跟踪维持，三是跟踪终结。1、跟踪启动是一种建立新的目标档案的决策方法，在摄像机刚开机以及在跟踪过程中有目标不落于任何跟踪窗口内时，都得进行跟踪启动运算。。2、数据关联与跟踪维持是多目标跟踪系统的核心部分，其目的就
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是保证被跟踪目标可分辨且不发生误跟和失跟现象。跟踪维持包括机动识别和自适应滤波与预测部分。其中数据关联是多目标跟踪系统技术最重要又最困难的方面，是跟踪问题的核心。随着跟踪问题变得越来越复杂，数据之间的关联性也显著增强，所以应该继续充分利用现有信息融合理论，在改进原有数据关联方法的基础上发展新的关联算法。其次，数据关联技术应与跟踪滤波技术紧密结合，在跟踪过程中，数据关联技术为跟踪滤波提供可靠数据，而高性能的滤波反过来能极大提高数据关联的准确性，因此，当两者有机地融合在一起，必然会达到整体的优化。其中机动目标的自适应滤波如何与数据关联技术相结合乃是一项困难的课题。多目标跟踪数据关联有三种较典型的方法:
(1)面向目标的关联方法，即考虑每一个观测值是来自于一个己知目标还是来自于杂波;
(2)面向测量值的关联方法，即考虑每个测量值是来自于一个己知的目标，还是来自于一个新目标，或是杂波;
(3)面向航迹的关联方法，即考虑每条航迹是未被检测到，还是终止，或是和一个测量值关联，或预示目标开始启动。
3、跟踪终结是跟踪启动的逆问题，它是清除多余目标记录的一种决策方法，当被跟踪目标离开跟踪空间时，为了不必要的存储与计算，跟踪器必须做出相应的决策，以消除多余目标记录，完成跟踪终结过程。
2运动目标跟踪问题的分类
按不同标准可将目标跟踪问题分成很多类型，一些常见的分类有摄像机的数目:单摄像机VS多摄像机。根据所使用摄像机数目的多少，可以将目标跟踪分为单摄像机(Monocular camera)跟踪和多摄像机视觉跟踪(Multiple cameras)。目前，绝大多数研究都集中于单摄像机的目标跟踪。在一些大的公共场合，虽然是使用多摄像机以扩大监视的范围，但是这些摄像机都是独立工作的，每个摄像机覆盖的场景不同，所以仍属于单摄像机跟踪监控。单摄像机不能获得运动目标的距离信息，而在对运动目标跟踪过程中，往往发生运动目标被遮挡或暂时消失等情况从而丢失运动目标，这一问题(Occlusion)是运动目标跟踪中又一个难点问题。
2)摄像机是否运动:摄像机静VS摄像机运动。根据摄像机是否运动可以将
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第二章 数字监控报警系统的关键技术
图像跟踪问题分为摄像机静止时的运动目标跟踪和摄像机运动时的运动目标跟踪。对于大多数的视频监视系统而言，都是在摄像机静止时对某个需要特殊关注的区域进行监视。这种情况下，背景是静止的，而作为前景的运动目标是移动的。
3)场景中运动目标的数目:单运动目标VS多运动目标。根据视频场景中运动目标数目的多少，跟踪问题可以被分为单目标跟踪和多目标跟踪两类。单目标跟踪并不是一个简单的问题，首先从场景中完整准确地检测和提取目标就比较困难，由于场景中噪声的影响，往往不能准确地检测到真正的运动目标:即使检测到了运动目标，也很难将其完整地提取出来，例如由于阴影或光照(Illumination)
的影响等造成提取出来的运动目标不完整或中心有空洞,而多目标跟踪比单目标跟踪还要困难得多，在多目标跟踪过程中，必须考虑到多个目标在场景中会互相遮挡(Occlusion)，合并(Merge)，分离(Split)等情况，这是多目标跟踪问题的难点，有大量文献是关于这些问题的。
4)场景中运动目标的类型:刚体VS非刚体。根据视频场景中运动目标类型的不同，可将目标跟踪问题分为对刚体(Rigid)的跟踪和非刚体((Non-rigid)的跟踪。所谓刚体是指具有刚性结构、不易变形的物体，例如车辆、飞机等等这些人造物体，这些物体的共同特点是结构比较规范，能够用3D几何模型描述，因此，对这类运动目标的跟踪采用基于3D模型的跟踪方法比较常见。而非刚体是指外形能够变化的物体，如细胞、动物、人等。对这类目标一种通常的方法是采用变形模板(Deformable template)进行跟踪。在对一人的跟踪方面，大量工作尝试建立人的模型进行跟踪。
5)摄像传感器的种类:可见光图像VS红外图像。根据所使用的摄像传感器种类的不同，可以将视觉跟踪问题分为由CCD摄像头获得的可见光图像的视觉跟踪和由红外传感器获得的红外图像的视觉跟踪。
6)目标跟踪与目标检测的时间关系:先检测后跟踪、先跟踪后检测VS边检测边跟踪。先检测后跟踪即先检测每帧图像上的目标，然后将前后两帧图像上的目标进行匹配，从而达到跟踪的目的。这种方法延续了经典的信号和数据处理体制，可以借用现有的图像处理和数据处理的技术，但是检测过程没有充分利用跟踪过程提供的信息。先跟踪后检测，即先对目标下一帧所在的位置及其状态进行预测或假设，然后根据检测结果来矫正预测值。这一思路面临的难点是事先要知
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道目标的运动特性和规律。边检测边跟踪，即图像序列中目标的检测和跟踪相结合，检测要利用跟踪的结果来提供处理的对象区域，跟踪要利用检测提供目标状态的观测数据。
本章小结
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第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
3.1 开发平台的选择
目前可以选择的操作系统有OS/2、Apple Macintosh、Unix、Linux、Windows。对于监控系统的开发来说选择一种具有友好的图形用户界面，且操作简单，稳定可靠，安全性较高的操作系统是很重要的。虽然Unix系统的稳定性和安全性都较高，但它的用户界面太不友好，用户的水平所限，我们不能要求用户去掌握复杂的Unix系统。而OS/2和Macintosh的前景黯淡，得不到广大软件厂商的支持，是非主流的操作系统，如果选择它们无疑会给监控软件的开发和升级维护带来预想不到的麻烦。微软是软件界的霸主，其推出的Windows系列操作系统具有友好的图形用户界面，操作简单易用，可利用的资源也极其丰富，这些优势决定了如果选择Windows系列的操作系统将会为监控系统软件的开发提供一个相对坚实、稳定的平台。Windows XP操作系统是微软公司推出的一款操作系统，它具有强大的多媒体处理能力，多协议支持的网络功能及硬件设备即插即用、抢占式多任务等功能，大量的应用程序都选用它作为开发平台。
本系统选用Windows XP作为软件开发的平台，基于如下考虑:1.Windows XP对于网络的支持较好，我们开发的监控系统是基于网络的，没有网络整个系统将毫无意义，所以选择Windows XP。2.Windows XP对多任务和多线程操作支持较好。监控系统的功能是多而复杂的，它需要在同一时间提供多种操作，所以它的开发不可避免的使用Windows XP多线程技术。3.Windows XP比较可靠和稳定。Windows XP支持每个应用程序在分割的存储地址空间运行。出故障的应用程序不会影响其他的应用程序和操作系统。监控系统是要求能够长时间稳定运行的，这当然也要求其相应的支撑平台比较稳定。
3.2 开发工具的选择
开发工具能为我们提供一个健壮、高速、高效、兼容性好地开发环境。Windows
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下开发应用程序有多种工具可以选择，如C++ Builder、Delphi、VisualC++、Visual Basic等，这些工具都是面向对象的可视化软件开发工具，都可以在Windows环境下开发各种用途的软件，而且都具有功能强大和使用方便的特点。考虑到开发的效率和通用性等因素，在综合比较了几种开发工具之后，我们选择了VC作为开发工具。首先VC是C++的开发环境，C++语言本身就比其它语言功能更丰富，应用的也更广泛。其次是VC是微软公司推出的强大的可视化编程工具。我们知道微软公司的可视化开发工具一直有很大的市场占有率，而VC更是因其强大的功能而被广泛使用。虽然比起VB、Delphi等RAD工具，VC编程的工作量要复杂些，但VC的使用很灵活，实现的功能也更强大。利用它可以最方便的调用Windows底层功能，特别是对于开发一些底层软件，VC很合适。Visual C++不仅仅是一个编译器，它还包含了许多单独的组件，如调试器以及为开发应用程序而设计的各种工具等。这些工具结合在一起，集成一个整体，通过一个由窗口、对话框、菜单、工具栏等组成的系统，用户可以观察控制整个应用程序的开发过程。它是一个全面的应用程序开发环境，使用它可以充分利用具有面向对象特性的C++开发出专业级的Windows应用程序。VC的主要特性有以下几点:
1.面向对象
VC是真正面向对象的开发工具，它允许将数据封装在类里，即建立一个新的继承类。
2.强大的MFC类库
Microsoft基本类库位于任何Windows API之上，它是对底层API函数以类的形式的封装，不同的类可实现不同的功能，这就使程序员能够很容易的以面向对象的方式建立Windows应用程序，很多情况下不需要直接调用底层的API函数，而只要调用标准类就可以简单方便的实现所需功能。该库的主要优点是效率高，它减少了大量在建立Windows程序时必须编写的代码，同时它还提供了所有一般C++编程的优点，例如继承各封装。用MFC建立的代码是完全可以移植的。
3.支持COM
COM即组件对象模型，它是微软公司提出的一种软件结构规范标准，它实际上是定义了一种接口标准，使不同的软件模块之间可以通过接口进行通信。这样就大大提高了软件的可重用性，软件维护也很方便。在VC里不仅提供了一些COM
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第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
组件可以直接调用，同时也可以利用VC里的程序向导很容易的创建COM组件应用程序。
4.强大的编译器和调试器
VC使用的是完全编译器和连接器，产生完全的本地可执行代码，它可以处理C和C++代码，它还支持模板、异常和运行时的类型识别。它还包括资源编译器，它读取一个ASCII资源描述文件并生成一个二进制REC文件提供给连接器。VC里还提供了强大的调试工具及各种故障诊断工具，如SQL调试器、SPY、Tracker及Error Lookup等工具。
5.程序向导AppWizard
VC为不同类型的Windows应用程序提供向导，包括带有可选数据库和Automation支持的标准应用程序、动态链接库、COM应用程序等。AppWizard是一个代码生成器，它可按照用户的指定来产生应用程序框架，可以很快的开始一个新的应用程序。基于以上原因我们选择了VC作为我们的主要开发工具。事实也证明了利用VC开发的应用程序功能较好、较稳定。
3.3 网络架构的选择
随着网络技术的迅猛发展，使得信息管理系统由基于C/S模式同B/S模式转变，本节将对两种模式做详细的分析和比较。
(1)C/S结构
C/S结构，即Client/Server(客户机/服务)结构，C/S体系结构环境能把客户机、服务器、操作系统、数据库管理系统、前端开发工具等系统软、硬件资源通过计算机网络有效地连接存一起，为应用系统建立一个综合的、分布处理的、灵活的、安全的运行环境两层结构C/S由两部分构成:前端是客户机，即用户界面(Client)结合了表示业务逻辑。接受用户的请求，并向数据库服务提出请求，通常是一个PC机;后端是服务器，即数据管理(Server)将数据提交给客户端，客户端将数据进行计算并将结果呈现给用户。还要提供完善的安全保护及对数据的完整性处理等操作，并允许多个客户同时访问同一个数据库。在这种结构中，服务器的硬件必须具有足够的处理能力，这样才能满足各客户的要求。C/S模式有以下优点:?交互性强，界面友好。在C/S模式中，Client机运行的应用程
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序是针对特定的用户和任务设计的;?具有出错提示、在线帮助等辅助功能;?各Client机上运行的应用程序可根据用户的不同需要设计出满足用户方便使用的界面风格。B/S虽然有JavaScript，Vb Script提供了一定的交互能力，但与C/S的一整套应用相比是太有限了;其次，数据通信量小，安全性高。B/S采用了逻辑上的三层结构，而在物理上的网络结构仍然是原来的以太网或环形网，这样，客户机与Web服务器之间的通信、web服务器与数据库服务器之间的通信都需要占用同一条网络线路。而C/S结构的网络通信量只包括Client与Server之间的通信量，所以，C/S处理大量信息的能力是B/S无法比拟的;C/S模式一般采用基于局域网的点对点式的结构和安全性较好的网络协议，而B/S模式是一种开放式的结构，面向众多的用户，其防火墙技术并不能完全屏蔽网络黑客和内部人员对系统的恶意侵袭。同样，C/S模式存在着不足之处:?开发成本较高。C/S模式对客户端软硬件要求较高，尤其是软件的不断升级，对硬件要求不断提高，增加了整个系统的成本，客户端越来越臃肿;?维护复杂，升级麻烦。如果应用程序要升级，必须到现场为客户机一一升级，每个客户机上的应用程序都需要维护。
(2)B/S结构
B/S结构，即Browser/Server(浏览器/服务器)结构，就是只安装维护一个服务器(Server)，而客户端采用浏览器(Browse)运行软件。B/S是基于Internet/Intranet的结构模型，即前台客户端为Web服务器，后台为数据库服务器，形成所谓三层结构。在B/S结构下，用户界面完全通过WWW浏览器来实现访问，不需另外开发客户端软件。B/S模型其实就是通常所说的Intranet模型，它是以Internet技术为基础的网络，在该模型中内部网络中采用TCP/IP作为通信协议，利用Web模型作为标准平台，它可以和Internet连接在一起，也可以自己成为一个独立的网络。在该模型中，客户机只需装上操作系统、网络协议软件、浏览器即可，而服务器则集中了所有的应用软件的开发维护等工作。在B/S体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。而其余如数据请求、加工、结果返回以及动态网页生成、对数据库的访问和应用程序的执行等工作全部由Web Server完成。随着Windows将浏览器技术植入操作系统内部，这种结构己成为当今应用软件的首选体系结构。B/S结构是建立在中间件产品基础之上
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第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
的，是一种三层结构。这是伴随着中间件技术的成熟而兴起的，核心概念是利用中间件将应用分为表示层、业务逻辑层和数据存储层3个不同的处理层次。客户层(表示层)，即客户机上的GUI应用，常配有网络浏览器或可执行程序。一般不在客户层存放逻辑或存放很少。中间层(业务逻辑层)，通常由应用服务器或Web服务器实现，中间层提供业务逻辑、事务调度、以及与数据库连接，它充当客户与数据库之间的桥梁。例如MTS或Sybase CTS等事务服务器都是中间层服务器，COM或CORBA对象可以嵌入其中提供业务逻辑。 数据库层，通常存放大型的关系数据库，如SQL SERVER， ORACLE等。在B/S架构中，每一层支持应用程序的一个独立部分。客户机完成显示逻辑，应用服务器完成商业逻辑，而数据库服务器完成数据的存取逻辑。在事务处理工作中，每个客户机只向应用服务器发出一个请求，这就减少了网络通信和竞争。每个应用程序的商业逻辑部分由该程序的所有用户共享，这就更好控制商业逻辑，大大简化变化的实现，增强系统的可维护性。另外，应用服务器与数据库之间通常有连接池，提供一定数量的常连接，这可加快用户存取数据的速度。随着用户的增加，B/S结构更加有效并容易扩展。B/S模式的优点:客户端简化、系统开发和维护开销小。在B/S模式中，客户端只需装上操作系统、网络协议软件、浏览器即可使用，这种简化了的客户端通常称为“瘦客户端’了;而在C/S模式中，所有客户端则需配置好几层软件，如操作系统、网络协议软件、客户机软件、开发工具、应用程序等，因而被称为“肥客户端”，当客户端应用程序稍有改动，就要修改各个客户机上的程序，在B/S模式中则不会出现这种情况，从而降低了系统开发和维护的开销。其次，用户操作变得相当容易。对于C/S模式，客户应用程序有自己特定的规格，使用者需要接受专门训练，而采用B/S模式时，客户端只是一个简单易用的浏览器软件，操作人员无需培训就可以直接使用。其中B/S模式的不足之处是在C/S模式的优点中提到的数据通信量大、安全性能差。
该系统选择其中B/S模式的原因:
一、考虑到该系统可以扩展到远程访问功能:
二、用户在使用的客户端除了IE不需要安装任何客户端软件，最主要是不需要维护投资;
三、对实时性无太高要求。
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3.4 数据传送模式的选择
一、视频信号传输
视频信号传输方式有两大类，一类是用电缆传输的有线方式;另一类是用超高频、微波、毫米波等进行传输的无线方式。有线方式有多种类型，但在中短距离信号传输中最为常用的还是平衡电缆对视频基带的传送方式;天线传输方式分为无线(1MHz 窄带视频信号传输)和 12GHz 的宽带传输两种方式。设计时应根据视频监控系统工程设计对于传输部分的基本要求，并综合考虑其对于图象质量、传输距离、单/双向传输、是否已敷设电缆、电波频率分配的可能性以及费用、可靠性和内外部干扰的要求。
二、控制信号传输
1(监控视频控制的种类
(1)云台控制:上、下、左、右及自动。
(2)镜头控制:变焦、焦距及光圈。
(3)防护罩控制:雨刷、除霜、风扇及加热。
(4)电源控制:摄像机电源、灯光电源以及其他设备电源。
(5)切换控制。
(6)录像控制。
2(控制信号
(1)摄像机控制信号
摄像机遥控项目:被摄体照明灯电源开关联动控制;快速启动使需要时立即投入运行状态;控制摄像机靶电压使要监视的被摄体有最好的对比度;控制摄像管的电子束电流使摄像管扫描电子束不致过量和不足，以得到最好的图像;控制摄像管电子束聚焦电压，以设定摄像管的最佳聚焦得到好的图像。
(2)镜头控制信号
? 固定焦距镜头控制:设定 F 值和光学焦距。
? 电动变焦镜头控制，遥控项目包括变焦、光学聚焦、光圈。
(3)电动旋转云台控制信号
? 有限制的电动旋转云台的控制:具有制动功能和可逆性。
? 连续旋转式电动旋转云台的控制。
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第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
(4)视频切换器控制信号
3(信号传输
控制中心需把控制信号传输到现场，对现场的设备进行控制。控制方法有以下几种:(1)直接控制的传输是将电压、电流等控制信号直接送入被控设备，控制效果直接受传输电缆直流电阻产生的线路压降影响，控制距离较近。(2)间接控制的传输是在摄像机附近设置一个继电器控制箱，从监视器端控制继电器的动作，其可控长度由所使用的继电器的吸动电流决定，从几百米到 1km左右。(3)总线控制的传输是将控制指令单片机编码处理变成串行数字信号送入传输总线，在受控端接收、译码和识别。由于数字电路和计算机技术的引入，实现了对整个系统的总线控制，使传输线大为简化。
3.5 数据编码格式的选择
强大的 H.264 视频压缩引擎使产品获得极高的压缩比、高质量的图像质量和良好的网络传输性能。通过对 H.264 与 MPEG-X(X=1，2，4)、H.263 的比较，可知H.264 比MPEG-4 和H.263 的压缩比提高1 倍的同时图像质量不仅没下降反而有了很大的提高。它还克服了以往那些压缩标准对网络的适用差的特点，对网络具有很好的 QoS。H.264 标准采用了很多新技术用来提高压缩比降低码流，主要是采用了高精度、多模式预测技术。H.264 标准针对网络传输的需要设计了视频编码层 VCL 和网络提取层 NAL 结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。H.264 标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保证了视频传输的有效性。应用 H.264 的这些优点，可以成功地解决以往远程数字监控系统中的压缩比不高、数据容量大，要求网络带宽较宽，同时对网络的传输要求较高的缺点。基于 H.264 视频压缩算法的数字监控系统对视频进行压缩处理过程中使用帧内预测、帧间预测技术和 4×4 块的整数变换来提高压缩效率，提高了近 30%的压缩比，同时抑制了图像失真，背景流动现象，使图像质量更加清晰。在正常监控状态下，针对对图像的质量要求不高的特点，采用分级运动估算，传输较低分辨率的图像层。而在报警状态下，针对对图像的要求高的特点，传输高分辨力的图像层，从而进一步降低码流和节省了数字硬盘的存储
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容量。在网络传输方面，该系统支持 PSTN/DDN/LAN/WAN 等远程传输与控制，每个服务器支持 32 路 TCP/UDP 传输，多播无限制，具有很强的网络适用性。因此作为目前最新的视频编码技术 H.264，在安防方面应用有着非常大的前景. 3.6 智能识别的策略
根据对视频跟踪系统的分析和本系统的任务功能，可以设计出系统的工作流程及相应的模块如图所示。
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第三章 超市摄像布防报警系统的整体设计
.输入采集模块:由摄像机拍摄视频图像序列，通过视频采集卡将视频图像序列转换为数字图像序列并输入计算机;或者，直接打开计算机中已有的视频文件进行分析处理;
.检测模块:对输入的视频序列进行帧差并二值化，构建运动历史图像MHI利用帧差结果更新MHI，再经过形态学滤波去噪进行后处理，消除噪声和空洞等，检测得运动日标;
.跟踪模块:此模块含有两种不同的滤波跟踪算法。
Kaman滤波跟踪:提取运动区域的中心位置、区域大小、直方图等信息，通过卡尔曼滤波对目标跟踪区域进行预测，在预测范围内进行目标区域匹配搜索，以建立目标的关联关系。在匹配搜索过程中，通过跟踪矩阵进行遮挡分裂处理以优化结果。利用匹配的结果对卜尔曼滤波进行实时更新;
粒子滤波跟踪:提取运动区域的中心位置、区域大小，直方图等信息，用这些信息初始化粒子。对粒子进行重采样以处理退化问题。粒子按照系统动态方程进行传播后，更新权值，利用更新后的粒子估计目标的位置。
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3.7 系统流程图
程序启动
监控人员流动
启动图像采集模块
处理图像(编码、检测有无违规报警系统启动识别)行为
上述选择部分要标明是、否
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
4.1 系统总体结构
远程数字视频监控系统由视频服务器硬件、中心服务器软件、中心数据库和用户客户端软件组成。视频服务器硬件完成视频信号采集、mpeg4 压缩、网络传输和用户设置，每个视频服务器硬件出厂时被分配了一个唯一的序列号作为用户访问的唯一标识;中心服务器负责所辖的所有视频服务器的登记注册，并响应用户的视频连接请求;中心数据库维护和管理所有视频用户的建立、删除、密码设定、用户权限设定、用户所允许观看的视频服务器的设定和视频服务器的参数设定等，中心数据库由管理员和操作员维护，用户只能观看视频图像;管理员、操作员和用户使用同样的客户端软件，根据不同的用户权限限定其操作功能，客户端软件完成数据库维护、图像观看、云台调整、图像参数调整、录像、告警等功能.
可以根据硬件系统的逻辑功能和地理位置将系统分为三个层次，分别为:应
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用客户端层，服务器管理层和采集代理服务器层。其中，应用客户端程序主要面向网络管理人员，为其提供一个直观友好的展示界面，便于他们查看和管理整个网络;服务器管理层是整个系统的核心部分，它对整个网络的状态信息进行汇总和分析，将重要的数据进行入库操作，并且对网络的异常状况产生相应的告警信息;采集代理服务器的作用就是收集需要被监控的网络设备的各种信息存放在相应的MIB中。采集服务器采用中规模的多台服务器形成采集服务器群，提高整个系统的处理能力和可扩展性。中心数据库服务器仍然是系统的中心服务器。.WEB服务器是高性能UNIX服务器，负责运行WEB服务器和WEB环境程序。.应用服务器负责中层消息处理的所有工作，将承担整个系统最主要的负荷。多台应用客户端分别运行Java应用和WEB应用。
(1)前端设备
前端设备包括安装在各个网点的摄像机、镜头、云台、护罩及周界报警探测等设备。根据超市平面图，我们对超市周界、超市内各主要场所、出入口及公共活动区域进行了合理的监控点布置。监视点的配置以监视区域的大小、光照强弱和清晰度为主要依据。
(2)中间传输部分
监控现场和多媒体控制中心需要有信号传输，一方面摄像机得到的图像信号和现场相关传感器的报警信号要传到多媒体控制中心，另一方面多媒体控制中心的控制信号要传送到现场，所以传输系统包括视频信号、相关报警信号、控制信号等。视频信号采用视频传输方式，用 75 欧姆同轴电缆传输，当彩色闭路基带信号在 6MHZ 点的不平坦度和彩色闭路基带信号在 5.5MHZ 点的不平坦度大于 3db 时,增加电缆均衡器,当大于 6db 时增加电缆均衡放大器。因此统一采用多屏蔽网的同轴电缆单独把摄像机的信号直接传到监控室设备，距离在 500 米范围内采用SYV-75-5 的同轴电缆，超过 200 米的范围时考虑加放大器，摄像机端与同轴电缆的连接采用压接专用的 BNC 头。距离超过 500 米范围采用 SYV-75-7 的同轴电缆，中间接视频放大器。控制信号的传输:监控中心发出的 RS485 控制信号通过一条 2*1.0 的屏蔽双绞线传送到各个解码器，最远可达 1500 米。电源的传输:由于超市范围较大，监控点的位置又较为分散且距离较远，所以供电电源采用由现场供电模式。
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
(3)控制部分
控制部分的作用是对整个系统进行集中控制。整个安全防范系统的控制功能都在中央控制室的监控主机、硬盘录像机(DVR)和矩阵分配器的配合来实现，监控主机、硬盘录像机可以对室外云台摄像机进行实时控制;视频信号的切换和周界报警系统进行联动，报警关联图像弹出在大屏幕上，并实时录像。管理人员通过键盘和鼠标在监视器的人机界面上控制硬盘录像机，可对所有设备的视频信号进行录像的显示回放。硬盘录像机可以接入超市宽带网络，将压缩后的视频信号通过超市宽带网络传输到超市的分控点，利用便携的笔记本电脑或台式 PC 机进行随时随地的监控操作，这就实现了远程监看或控制功能。
(4)监控主机
监控主机由多媒体计算机和相关硬件以及监控系统软件构成。负责具体连接前一级监控中心的前端各台数字硬盘摄像机或对于大型系统的网络视频服务器(DVS)，能进行远程视频图像的显示、录像、云台及镜头控制和接收报警等功能。一台监控主机既要执行监控功能，又要能提供外部远程监控的网络访问服务。由于计算机自身和目前网络环境的限制，它只能监控和管理有限数量的 DVR 和提供少量远程访问服务，因而据具体工程情况监控中心可能需要多个监控工作站来协同管理或配备一台专用服务器。
(5)显示设备
系统共设置 16 台 21 英寸彩色显示器组成电视墙，用于单/多画面视频显示或录像回放。图像记录设备方面设置有 3 台数字硬盘录像机连接多媒体监控主机，对其处理的摄像信号在状态上自动录像，部分视频需要进行 24 小时硬盘录像、存档(存档天数可视具体情况设定)，以供事故调查取证。所有摄像机接至硬盘录像机的视频输入，并进行实时录像，同时部分视频输入经硬盘录像机进行多画面分割处理，所有视频可分区切换到 21 寸监视器上，用于摄像机顺序自动轮循或定格切换显示重要地点的图像信息。当发生警情报告时，视频显示设备高亮或闪烁提示在方案设计时针对具体情况和工作特点，分别对其前端摄像机组合、中间传输媒介和后端中心的控制、显示和录像等配置做了全面考虑。提供浏览器操作界面。通过友好的用户图形界面进行操作;提供电子地图功能，在多点环境中能够快速根据监控点的位置进行操作;支持网络视频/音频组播。最大限
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度地优化了网络中视/音频流量的传输;支持监控点巡检查看;监控中心和远程站点可轮流显示各监控点现场实时影像;数字抓拍，随时记录现场实况影像，存档备查;自动录像，可进行定时、定位、报警等自动录像;可以通过远端设备控制云台、镜头、雨刷等设备;支持单屏、二分屏、四分屏、九分屏、十六、四十九分屏，并可考虑通过大屏幕投影替代传统的电视墙，减少设备及场地的投资，同时提升显示性能和质量;远端出现告警时，监控中心可以根据预先定义的策略产生告警联动，并且以字幕、声音形式报警，及时进行录像。监控中心软件对已发生的告警、通讯线路状况以及所有的操作均有历史记录。所有这些数据都可以查询并以各种统计报表的形式打印出来。监控中心能够对每个远端上传的画面叠加上字幕，表示该远端的名字、联系电话、摄像机的位置以及告警信息;设置用户权限，保证系统安全操作;实现远程多媒体数字监控，用户通过远程网络登录到视频监控服务器，可远程对监控设备进行操作和控制。
(5)软件部分
通过对常见的网络监控系统的硬件结构的分析，可以得出，作为一个网络监控系统，既应该有一个面向网络管理人员的友好的客户端界面，更需要有一个功能完善的能够对设备信息进行采集的数据采集程序，这是网络监控的基础。根据两个基础单元，将本系统设计成为客户端/服务器模式。除此之外，在数据采集程序和客户端之间还需要有一个中间件将采集到的网络设备信息进行分析和过滤，然后再将重要的信息转发给客户端，将其称作数据监控单元。为了方便日后的查询和分析，系统中就必须要配有数据存储单元，也就是通常所说的数据库单元。于是，本网络监控系统可以划分为网络监控客户端、数据监控单元、数据采集单元以及数据库单元四大功能单元。如图所示:
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
监控客户单元
数据监控单元 数据库
数据采集单元
(1)监控客户端界面:该单元用于将网络数据和告警信息通过界面的方式展现给用户。
(2)数据监控单元:也可以称之为数据处理单元，它可以将采集到的网络数据进行分析处理并对网络中的异常情况产生告警，然后将处理后的信息发送给客户端。
(3)网络数据采集单元:该单元用于采集网络中的各项数据指标。
(4)数据库:该单元具有两大功能:一、配置管理系统实现网管数据库的配置、数据存储及处理，监控客户端单元提供可用的信息:二、存储网络数据信息，将网络数据采集单元采集到的数据存储起来，供客户端单元显示之用和供日后分析使用。
4.2 系统模块划分
超市报警系统
视
图频报网用像压警络户控缩控通管制编制信理模码模模模块模块块
块
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(1)图像控制模块
通过视频采集卡提供的SDK，实现对视频采集卡的控制和视频源数据的采集与缓冲。通过调用SDK-2000的动态连接库DSStream.dll，来将从视频采集卡采集来的图像在界面上显示。对需要存储的视频图像以压缩编码数据的格式保存为文件。并监管磁盘的使用情况;当磁盘空间不够时，删除过期文件，腾出磁盘空间。
(2)视频压缩编码模块
对采集到源数据缓冲区的图像数据进行压缩编码。
(3)报警控制模块
管理多种报警信号的接收与判断，出现报警后对外围设备的相应自动控制操作，报警录像的启动，以及报警信息的远程发送，远程报警控制等。 (4)用户管理模块
负责管理系统登录用户和用户权限;负责管理日常事务和报警事件的日志记录;负责管理数据信息的数据库操作，包括记录的插入、修改、删除、查询等操作。
(5)网络通信模块
负责系统现场监控端和远端服务器端TCP连接的建立、操作命令数据的打包、发送、接收与解包。负责系统现场监控端和远端服务器端组播地址的建立、组播组的加入、压缩编码数据的RTP封装、发送缓冲、网络传渝、接收缓冲、接收、RTP数据包的解封，以及在RTCP控制下平稳自适应速率控制等功能。 (6)系统设置模块
系统主控程序，管理和控制系统的全局操作。包括系统的初始化、系统各参数的设置与管理、启动和停止系统视频监控、启动和停止录像、录像回放、抓拍、录音、对讲、云台和镜头操作控制、显示单画面多画面的切换、布防设置、手动取消报警信号等功能。
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
4.3 关键模块的实现
4.3.1 用户登录模块
各级用户根据所拥有的权限不同而执行不同的业务功能，例如级用户可以管理查看所有的数据，以及执行系统参数设置，用户管理功能，级用户只能执行违章信息核对功能及打印统计功能，级用户只能执行处罚打印功能等，针对不同业务类型用户定义了所执行的功能范围，方便了业务处理，也同时保证了系统的安全。监控系统的用户界面和所有的面向终端用户的系统一样，有用户进行登录以及密码操作，才能保证系统进行有效管理。用户管理设置模块要完成人员对该系统操作和维护，对每个有权限的管理员要设置相应的密码。
B/S端用户登录实现的主要代码:
static void Main()
{ Application.Run(new Login());}
private void Form1_Load(object sender， System.EventArgs e)
{ this.ULogin.SelectedIndex=0;}
private void button3_Click(object sender， System.EventArgs e)
{ Application.Exit(); }
private void button2_Click(object sender， System.EventArgs e)
{ string username，password，logintype;
if
(Uname.Text.Trim()!=""&&UPWD.Text.Trim()!=""&&ULogin.Text.Trim()!="")
{ username=Uname.Text.Trim();
password=UPWD.Text.Trim();
logintype=ULogin.Text.Trim();
DataAccess data=new DataAccess();
if (logintype=="用户登录")
{
if (data.CheckAdmin(username，password))
{ WinMain winmain=new WinMain();
winmain.user="用户";
winmain.Show();
}
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else
{ MessageBox.Show("您输入的帐号或密码有误，请重新登录～");}
}
else
if {
if (data.CheckUser(username，password))
{ WinMain winmain=new WinMain();
winmain.user="用户";
winmain.Show();
}
Else
{ MessageBox.Show("您输入的帐号或密码有误，请重新登录～"); }
}
else
{ if (data.CheckUser(username，password))
{ WinMain winmain=new WinMain();
winmain.user="高级用户";
winmain.Show();
}
else
{ MessageBox.Show("您输入的帐号或密码有误，请重新登录～");}
}
}
else { MessageBox.Show("请输入或选择您的用户帐号和密码后进行登录");}
}
}
4.3.2 图像控制模块
视频采集卡采用DS-4008H视频压缩卡。该卡采用了高性能的视频压缩技术标准及音频标准，完全依靠硬件实现了视频及音频的实时编码(CIF格式25帧)，并保持精确同步，实现了动态码率、可控帧率、帧模式选择、动态图像质量控制，音频预览、视频丢失报警和能独立调整各通道参数，性能稳定而且可靠。大大节
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
省存储空间、并非常适合宽带或窄带网的传输。该板卡同时提供了SDK开发包，包括了很多功能函数，方便用户进行软件的开发，可以大大缩短应用软件的开发周期。在录像之前，要考虑到硬盘空间的大小，如果PC机的硬盘空间不够，则无法完成视频文件的存储。 对硬盘空间大小的获得是通过下面的函数获得的:
BOOL GetDiskFreeSpaceEx(
LPCTSTR 1pDirectoryName,//获得文件存储目录所在硬盘的信息
PULARGE INTEGER ipFreeBytesAvailableToCaller, //容纳调用者可用的字节数
INTEGER ipTotalNumberOfBytes, //容纳磁盘上的总字节数 PULARGE
PULARGEes INTEGER ipTotalNumberOfFreeBytes//容纳磁盘上可用的字节数
);
GetDiskFreeSpaceEx函数用于Windows95OSR2以上的版本，在用之前，要先载入库kernel32.dll，若成功载入则调用GetProcAddress得到dll的出口函数地址。
HINSTANCE h=Loadlibrary(TEXT("keme132.d11"));
If(h)
{
ULARGE_INTEGER ulA, ulB, ulFreeBytes;
MyFunc pfnGetDiskFreeSpaceEx=
(MyFunc)GetProcAddress(h"GetDiskFreeSpaceExA");
if (pfnGetDiskFreeSpaceEx) {
if(!pfnGetDiskFreeSpaceEx(RootName,&ulA,&u1B,
&ulFreeBytes))
return-l; //获得可用磁盘容量)
return (long)(ulFreeBytes,QuadPart/1024);
}
}
这样，就可以获得可用磁盘容量以M为单位，在程序中可设定文件最大长度和一个定时器，定时查询磁盘空间，一旦磁盘空间小于最大文件长度则提示用户，
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或者删除最早录制的文件。录像时，除了正常显示监控画面，还要将视频信息以文件形式存储在硬盘上，下面介绍一个比较重要的函数，可以实现文件存储。
SetOutputFileName(const GUID *pType, LPCOLESTR IpwstrFile,
IBaseFilter **ppf, IFileSinkFilter **pSink);
第一个参数为保存文件的媒体类型，第二个参数为所要保存文件的名字，第三个参数返回一个IBaseFilter类型的指针，它根据第一个参数的类型创建filter，比如是avi类型，则创建AVI Mux Filter，这个filter负责将输入的视频流转换成avi格式:第四个参数返回一个filewriter filter的指针，负责将一定格式的文件写入硬盘。有了这个函数，调用
ICaptureCrraphBuilder::RenderStream将源过滤器即视频采集包装filter和渲染过滤器即写文件filter连接，就可以实现录像功能，将视频信息按定文件格式存储在硬盘上。
4.3.3 数据处理模块
数据管理模块主要实现获取实时的报警信息并在当前界面上显示、给出告警提示对话框或者给出语音告警提示。数据实时处理和报警模块是超市视频监控系统软件的核心模块之一，它负责对动态图像进行实时的采集、压缩和发送或实时的接收、解压缩和回放;报警事件的处理;信息的定时存储、发送;状态自检和故障自启。它根据用户设置的参数进行并行工作，并协调各硬件(视频卡、A/D 卡、视频切换器、解码器、报警器等)高效率地独立运行视频的实时处理包括视频的采集、显示、压缩、发送或接收、解压缩、显示。每个功能都放在一个独立的线程中运行，并充分考虑其运行的同步。
一、多线程及其同步
程序中启动了多个线程，来完成压缩，传送和本地监控的功能。由于 Windows是一种抢先式多任务的操作系统，多线程编程带来了同步的问题。若不对代码进行同步处理，可能发生如下两种情况:竞争问题。当两个或多个线程对共享数据的同一区域读出或写入数据时，一个线程必需阻塞另一个线程的完成，然而往往又不能实现。死锁问题。当两个或多个线程中有同步处理关系时，往往发生死锁现象。一个典型的例子:线程 A 在等待线程 B 的终止，但线程 A 不知道线程 B
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
已经阻塞而在等待线程 A 的资源。结果是两个线程都不能运行。这两种情况在程序中都有可能发生，因此必需考虑同步问题。
线程之间的同步有如下四种方式:
关键段(Critical-section)
事件(Event)
互斥对象(Mutex)
信号量(Semaphores)
程序中采用关键段对象和事件对象对程序进行同步。当某一线程(或进程)需要保证在任意时刻只有一个线程访问一个共享资源时，通常使用关键段对象。例如，若两个线程需要执行文件 I/O，每一线程在它们执行文件 I/O 前必须请求关键段，当得到它时，方可运行。第二个和后续线程(没有得到关键段的线程)就会被阻塞，知道资源可用为止。基本步骤如下:
1.首先声明一个 CRITICAL_SECTION 对象。
CRITICAL_SECTION cs;
2.然后调用 InitializeCriticalSection 一次。
InitializeCriticalSection(&cs)
3.在代码中有资源保护的地方，调用 EnterCriticalSection 函数。在进入关键段后，其它的线程都不能执行这种代码。若它们试图执行，则将被阻塞。
4.当完成后，必须调用 LeaveCriticalSection 函数，以便其它线程可以执行这个代码。
5.当所有的线程都用过被保护资源时，调用 DeleteCriticalSection 函数，释放CRITICAL_SECTION 对象。当线程之前涉及到先后处理的逻辑时，可以使用事件对象对线程进行同步。例如线程 A 执行的前提是线程 B 执行到某一位置，可以在该位置将事件设置成SIGNALED 的状态，线程 A 中等待该事件状态为 SIGNALED 时开始执行。
基本步骤如下:
1. 首先调用 CreateEvent 函数生成一个事件对象。
2 然后在被支配程序中调用 WaitForSingleObjec(或 WaitForMultiObject)函数，等待事件状态变成 SIGNALED 状态。
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3. 在支配程序中根据实际逻辑调用 SetEvent(使事件变成 SIGNALED 状态)ResetEvent(使事件变成 NONSIGNALED)的状态。
4. 当线程同步处理结束以后，调用 CloseHandle 函数关闭事件对象句柄。 二、视频实时处理的实现
1. 初始化线程同步对象。
2. 创建一个 CreateSession，这是对视频卡(图像采集压缩卡)进行处理的基础。所有对视频卡的处理都基于 CreateSession 中得到的 SessionHandle。
3. 初始化。包括如下几个方面:
设置视频输入制式。即 PAL 或 NTSC 制。
设置视频源。即 S-Video 或复合视频。
设置视频流方式。
设置视频图像的大小。对于 PAL 制视频源，大小为 352×288(CIF)。
设置帧率。即每秒种多少帧。对 PAL 制视频源为 25 帧。
设置视频流码率。可根据通道速率设定。
设置图像亮度，色度，对比度。
4. 分配缓冲区并对缓冲区进行初始化。视频流序列就从这里得到。
5. 启动采集、压缩、发送、本地显示线程。采集线程把彩色全电视信号转化为数字信号写入视频缓冲区，压缩线程中从缓冲区得到视频序列的指针，并在传送程序中将其打包发送，本地显示将得到的视频流显示到指定窗口中。
报警系统的功能分为图像报警、温度报警和其他外置报警，它们使用不同的报警机理，采用不同的报警手段，它们分工协作组成了一个完整的报警系统，大大增加了安全性。对报警系统的要求主要有报警信号的准确性、报警信号的可靠性和报警的实时性。下面就系统为满足这些要求作的特殊设计和处理。 (1) 报警的准确性
报警的正确性由报警器报警信号获取的准确性来决定，这就要求对报警器作详细的研究并能正确地使用，如放置的地点要符合要求，现场的误触发信号要尽可能少。
(2) 报警的可靠性
报警的可靠性主要是指监控中心站要可靠地得到远方站的报警信号，不能有
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现
漏报警的情况。我们采取报警信号的重复发送来增加报警的可靠性，直到监控中心站确认已接收到报警信号为止。
(3) 报警的实时性
报警信号的实时性指报警信号要尽可能快的发送到监控中心站。监控中心站为每个其控制的远方站分别建立报警专用的 Socket，并随时等待远方站的报警连接，远方站在启动是即建立报警连接。若报警连接由于某种原因被中断，远方站当接收到报警信号时立即主动连通监控中心站，由于采用 TCP/IP 的协议所需的连通时间很短(毫秒级)，而不象电话拨号需要几十秒的时间。
采用图形方式的报警点管理，可对报警点逐个布防与撤防。可以在图上方便地看到整个超市的监控设备及报警器的布置地点，摄像机的监视范围等，并能对报警点逐个布防与撤防。报警布防的功能包括简单的图形功能，可以在图上进行文字输入和显示、报警布防的结果存在系统配置文件中，可设置各个报警的参数，可通过在报警布防图上直接选择图像场景(非图像报警则弹出报警设置或其它信息)、发生报警则报警布防图上显示报警信息(包括闪烁、变颜色和文字提示报警类型和位置等)。报警联动设置是指当发生报警时，监控主机能联动有关设备，包括报警图像的摄像头或与报警器相关联的摄像头并转动到相应报警位置，启动照明灯光使图像更清晰，语音报警提示或声光报警提示等。报警联动信息事先由用户设置好，写入系统配置文件保存，并且能随时改变设置或关闭报警联动功能。
单个中央控制器的 16 路视频输入可以设置 16 路视频报警器，从摄像头获取的视频信号首先进入报警器，然后从报警器视频输出端再接入中央控制器的视频输入端口。接有报警器的各路摄像头需要在软件中做相应的设定。为了增加摄像头的监控范围，每个摄像头都安装在云台上，云台可以作上下 60 度，左右 360 度的旋转，所以摄像头的报警状态有两个:云台正在转动的非报警状态和云台停止转动的报警状态。视频报警器只在相应摄像头的报警状态下才启动。
视频报警器在摄像头所摄范围内的图像发生变化时发出高电平的报警信号，图像报警模块即可得到报警信号，系统读入报警信息，然后做按位“与”运算，得到具体是哪几路报警，并将结果保存在相应数据结构中。监控主机能更改报警信息窗，显示报警点的具体位置并用显眼的红色报警框和报警声音来提示用户注意，自动显示并存储报警图像。最后主动联接远方调度中心并发送报警信息包括
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报警类型、报警场景和报警时间，等待中心站的下一个指令。
告警信息存放的数据库为YaconfigDB，使用的主要函数如下:
1)BOOL ConnYaconfigDB()
功能:连接YaconfigDB数据库，采用的是ADO的方式
返回:True-连接成功
False-连接失败，给出连接失败的错误信息
2)BOOL OpenRecordSet(_recordsetPtr &rectPtr, CString sql)
功能:生成记录集，执行SQL语句
参数:rectPtr-记录集指针的引用
Sql-查询字符串
返回:True-记录集生成成功
False-生成记录集失败
3) BOOL RefreshTreeCtrl()
功能:刷新监控对象树
返回:True-刷新成功
False-刷新失败
4) BOOL RefreshListCtrl()
功能:刷新监控节点信息，List列表
返回:True-刷新成功
False-刷新失败
5)BOOL ReceiveAlarm(struct_larm_item AlarmItem)
功能:接收告警信息，并写入告警数据库。根据告警来源判断告警信息是否在界面显示
参数:AlarmIte。结构体变量，包括告警的所有信息
返回:True-接收到告警信息
False-接收告警信息失败，即没有接收到告警信息 4.3.4 系统设置模块
1、设置视频参数:SetVideoPara()
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第四章 超市摄像布防报警系统的具体实现 函数:int SetVideoPara(HANDLE hChannelHandle,int Brightness,int
Contrast,int Saturation,int Hue) 参数:HANDLE hChannelHandle通道句柄
int Brightness亮度值(0-255)
int Contrast对比度(0-127)
int Saturation饱和度(0-I27)
int Hue色调(0-255)
返回:正确为0，其他为第4节定义的错误号;
说明:设置视频参数。
2、获取视频参数:GetVideoPara() 函数:int GetVideoPara(HANDLE hChannelHandle,VideoStandard_t
*VideoStandard,int *Brightness,int *Contrast, int *Saturation ,int
*Hue);
参数:HANDLE hChannelHandle窗口句柄
VideoStandard_t *VideoStandard视频类型
int *Brightness亮度指针值(0-255)
int *Contrast对比度指针值(0-127)
int *Saturation饱和度指针值(0-127)
int *Hue色调指针值((0-255)
返回:正确为0，其他为第4节定义的错误号;
说明:得到视频参数。
上次给你提的意见仍然没有修改
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第五章 结论及展望
5.1 结论
在社会信息化日益发展的今天，信息技术、网络技术、通信技术以及多媒体技术已经渗透到人类生存、活动的各个领域中。视频监控以其直观、方便和内容丰富等特点，被应用到超市摄像报警系统上来，并逐步与管理信息系统相结合，数字视频监控不仅符合社会信息化的发展趋势，而且代表了监控行业的发展方向。本课题通过对系统的需求分析，方案的确定和程序编写，在对监控系统需求与构架了解的基础上，主要完成了监控系统中系统设置模块、 数据处理模块、图像控制模块、用户登录模块设计和实现，该项目完善后的发展前景十分可观。 5.2 展望
视频监控作为安防的重要手段从上世纪70年代起步到现在已经经过30多年的发展，其发展的过程和脚步非常明显:从最开始的“重点应用领域直接需求和应用”发展到90年代的“社会商业化领域普遍需求和应用”，本世纪初发展到了“国家层面的需求和应用”，到现在随着人们升后水平的提高，网络建设的加快以及社会治安的复杂，“民用化需求和应用”已经提到日程。“民用化需求和应用”这种模式与前三种截然不同，因为它需要的不是面面俱到的集大成者，而是注重产品的实用性、安全性和易用性，在追求性价比的同时又考虑了时尚和人性化这两个方面的因素。随着买铺销售、安防商城的纷纷成立，这种面向终端用户的销售模式加快了视频监控民用化的发展速度，同时时下的智能监控技术将加快视频监控民用化的进程，视频监控将由专业化领域向通用化方向发展。另一方面，随着计算机和网路技术的进一步发展，基于TCP/IP协议的IP网的广泛应用普及，网路系统的不断高速化、智能化，为数字化监控系统的远程应用提供了平台。高清晰度监控系统软硬件技术的不断进步和成熟，使得监控系统变得更加地稳定、小型化、成本更低。以计算机、网络为核心的多媒体数字化监控系统，为
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第五章 结论及展望
今后向更高、更远的发展奠定了基础。通过多媒体数字化监控系统，我们可以不断地将最新、最好的科学技术引入监控中，将目前仅用于安防目的的监控系统，与环境监测、消防安全、自动化控制、网络通讯、智能管理等多方面融合，使之成为一个整体。势必会创造出强大的生命力，促进人们生活质量的不断提高。通过网络进行视频传输使得视频技术的发展潜力变得无穷。
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致谢
致谢
本论文是在我的导师郝宗波老师的悉心指导下完成的，从论文的初步构思，到论文题目、提纲的确定，到最终论文的修改、完成，郝宗波老师都注入了很多的心血。而且，郝宗波老师在指导我的论文全过程中的诲人不倦、循循善诱的态度，以及对治学的严谨态度都给我留下了深刻的印象，是我日后的学习当中宝贵的财富，在此向郝宗波老师表示衷心的感谢。在研究生期间，我还得到了许多老师、同学的无私帮助。在此，向所有关心帮助过我的老师、同学致以深深的谢意。
此外，我还要感谢学校的各位老师，是他们的理解和支持使我能够顺利度过研究生生活，在此，对他们表示我最诚挚的谢意。再次对给予我帮助的各位老师、同学、和家人表示衷心的感谢和美好的祝福!
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参考文献
参考文献
[1] 吴乐南. 数据压缩的原理及应用.[M] 第一版. 北京:电子工业出版社，2005 [2] 张绮文等.嵌入式常用模块与综合系统设计. [M]北京:电子工业出版社，2006 [3] 林俊超.ARM 嵌入式应用系统开发典型实例. [M]北京:中国电力出版社，2005 [4] Tec Well Semiconductor. TW2834 Datasheet. [M] Version 1.0，2005 [5] ADV717KSU Datasheet. [M] Version 1.0， 2006
[6] 韦锦山. 网络视频监控系统的新发展. [J]通信世界.2002，5(9):104-105 [7] 梨洪松. 数字视频技术及其应用. [J] 北京:清华大学出版社，2008 [8] 刘富强. 数字视频监控系统开发及应用. [J] 北京:机械工业出版社，2003 [9] 张亮. 数字视频远程监控. [J]现代通信. 2001，10:22-23 [10] Yang jive, Seibel Alex. [J] Beyond HCI: Multimodal Manipulation
of Multimedia Information.计算机学报. 2000
[11] Lennon A. Embedding Linux. [J]IEE Review. 2001，5
[12] 陈文智等. 嵌入式系统开发原理与实践. [J] 北京:清华大学出版社，2005
[13] Hazily con Semiconductor. Hi3510 Datasheet. [M] Version 1.1，2006 [14] 王学龙. 嵌入式 Linux 系统设计与应用. [J] 北京:清华大学出版社，2001
[15] 任传秋. 图像信号的视频存储技术. [J] 电视技术，2004，8:P18-19 [16] TI Semiconductor. TLV320AIC23B Datasheet. [M] Version 1.2， 2006 [17] Relate Semiconductor. RTL8201CP Datasheet. [M] Version 1.0， 2005 [18] Maxim Integrated Products. [J] True RS-232 Transceiver. June 2007
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浙公网安备 33021202002483