基于QT和H.264的高清监控系统的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 3.41MB 73 页 15积分
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摘 要
随着计算机技术日新月异的发展，近年来，高清视频技术越来越多地应用于
视频监控系统中，高清视频监控技术已经逐渐走入人们的生活，成为现在安防监
控领域技术未来发展的方向。
视频编解码技术是视频监控系统中非常重要的技术，这是因为：视频的数据
量比较大，而监控系统中传输带宽是有限的。在 ITU．T和ISO 制定的压缩编码
标准中，H．264 作为最新的高质量低码率视频编码标准，具有压缩率高、适用性
强、图像质量好等特点，在视频监控系统领域中得到了普遍的应用。QT 是一个
具有优良的跨平台特性并且完全开源的 C++图形用户界面应用程序框架，它
是完全面向对象，具有丰富的 API 接口和开发说明文档等优点。FFmpeg 是
一套完整的录制，转换和流化音频和视频的开放源代码的解决方案，具有很好编
解码性能。OpenMP 标准是共享存储体系结构的线程级并行规范，它是为 C/C++
和Fortan 上写并行程序而设计的应用编程接口。采用 OpenMP 可以对计算量大的
代码程序进行并行化操作，提高程序的运行效率。
本文提出了一个简单实用的高清监控系统的架构，对系统的具体功能层次进
行了分析和设计，将系统的软件功能模块划分为了显示控制模块、视频流解码模
块、数据传输模块。系统将以 QT 作为主要开发工具，选择 FFmpeg 开源解码器
对H.264 格式的 720p 高清视频数据进行解码，对解码过程中的去块滤波模块采用
改进的算法进行优化，同时采用 OpenMP 并行技术对解码过程中计算量较大的部
分进行了并行化，调整负载平衡等操作，从而提高了视频解码的效率，达到监控
图像的实时性的要求。数据传输部分采基于 TCP 协议的指令控制摄像头操作和基
于UDP 协议的视频数据传输，并采用了循环缓冲区结构保证视频数据连续性。最
后，对系统的主要功能进行了演示。
论文中提出的关键技术在实际应用中取得了良好效果，监控视频图像实时并
流畅。最后指出了在解码过程中优化 SSE4.1 指令集，并行优化的方式等上面还可
以做更深一步的研究。
关键词：高清视频 H.264 标准 QT FFmpeg 解码器 OpemMP 并行优
化
ABSTRACT
With the rapid development of computer technology in recent years, more and
more high-definition video technology used in video monitoring systems,
high-definition video monitoring technology has been gradually into people's lives, as
the field of security monitoring technology is the future direction of development.
Video codec technology is the video monitoring system is very important
technology, because: the amount of video data is large, and monitoring and control
system bandwidth is limited. In the ITU. T and ISO encoding standard, H. 264 as the
latest high-quality and low bit rate video coding standard, it has some features,include
high compression ratio, Strong applicability, and good image quality,in the field of
video monitoring system has been widely used. QT is a superior cross-platform
features and fully open source C graphical user interface application framework, which
is fully object-oriented, with rich API interface and the development documentation.
FFmpeg is a complete recording open source for convering and streaming audio and
video. It has good decoding performance.OpenMP standards for shared memory
architecture is thread-level parallelism specification, it is a programming interface
which designed for writing parallel programs on C / C and Fortan. Some large parallel
program operations can be calculated using OpenMP for improving the running
efficiency.
This paper presents a simple and practical monitoring system architecture
definition, analysis ing and designing the specific function of the system.System
software function module is divided into display control module, the video stream
decoding module, data transfer module. System will be developed by QT as the main
tool.Choosing FFmpeg open source codec to decode 720p high-definition video data of
H.264 format.On the decoding process of deblocking filter module is optimized by the
improved algorithm, while using OpenMP parallel technology to carried out parallel on
decoding process of some large amount of calculation, adjusting the load balancing and
other operations, thereby increasing the efficiency of video decoder in order to achieve
real-time image monitoring requirements. Data transfer part take control camera
operation instructions base on the TCP protocol and video data transfer base on UDP
protocol,useing a circular buffer structure to ensure the continuity of video data.
Finally, the main functions of the system is demonstrated.
Thesis of the key technology in practical applications and achieved good results.
In the decoding process optimization SSE4.1 instruction set, parallel optimization
methods above can do deeper research.
Key Word：HD video，H.264 standard，QT，FFmpeg decoder ，
OpemMP parallel optimization
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景................................................................................................................. 1
§1.2 高清视频监控现状........................................................................................................1
§1.3 研究内容及特色............................................................................................................ 2
§1.3.1 研究内容.................................................................................................................. 2
§1.3.2 研究特色.................................................................................................................. 3
§1.4 本章小结........................................................................................................................4
第二章 高清视频监控系统开发技术.........................................................................................5
§2.1 H.264 编解码标准.......................................................................................................... 5
§2.1.1 H.264 编解码标准简介.........................................................................................5
§2.1.2 H.264 解码器结构.................................................................................................. 5
§2.1.3 H.264 解码算法分析..............................................................................................6
§2.2 FFmpeg 解码器............................................................................................................ 14
§2.2.1 H.264 常用解码器................................................................................................ 14
§2.2.2 FFmpeg 解码器..................................................................................................... 15
§2.3 QT 技术........................................................................................................................... 16
§2.3.1 QT 的信号-槽机制............................................................................................... 17
§2.4 OpenMP 并行技术.......................................................................................................18
§2.4.1 OpenMP 编译指示................................................................................................19
§2.4.2 OpenMP 的执行模式...........................................................................................22
§2.4.3 OpenMP 的优缺点................................................................................................22
§2.5 本章小结........................................................................................................................ 23
第三章 高清视频监控系统硬件结构设计..............................................................................24
§3.1 高清监控系统架构......................................................................................................24
§3.2 简单实用的高清系统架构........................................................................................25
§3.3 本章小结........................................................................................................................ 27
第四章 H.264 解码器优化研究................................................................................................. 28
§4.1 H.264 去块滤波算法优化.......................................................................................... 28
§4.1.1 实验结果与分析.................................................................................................. 30
§4.2 共享存储编程 OpenMP 并行优化..........................................................................31
§4.2.1 并行区优化.............................................................................................................31
§4.2.2 共享、私有变量与数据竞争............................................................................ 32
§4.2.3 OpenMP 中的任务调度机制............................................................................. 33
§4.2.4 实现结果及分析.................................................................................................. 36
§4.3 本章小结........................................................................................................................ 37
第五章 高清监控软件系统设计与实现.................................................................................. 38
§5.1 数据传输模块.............................................................................................................38
§5.1.1 TCP 和UDP 协议................................................................................................38
§5.1.2 RTP/RTCP ............................................................................................................... 40
§5.1.3 QT 网络编程技术.................................................................................................41
§5.1.4 循环缓冲区............................................................................................................43
§5.2 视频数据解码模块................................................................................................... 46
§5.2.1 FFmpeg 在Windows 下的编译........................................................................ 46
§5.2.2 FFmpeg 基本数据结构和函数..........................................................................46
§5.2.3 视频解码流程.......................................................................................................48
§5.2.4 多线程 QThread.................................................................................................. 51
§5.3 显示控制模块.............................................................................................................52
§5.3.1 显示界面的主框架 QWidget............................................................................52
§5.3.2 监控视频显示区域..............................................................................................54
§5.3.3 摄像头控制区域.................................................................................................. 56
§5.3.4 录像操作区域.......................................................................................................58
§5.3.5 系统设置................................................................................................................ 59
§5.4 系统演示......................................................................................................................59
§5.5 本章小结......................................................................................................................62
第六章 总结与展望....................................................................................................................... 64
§6.1 工作总结......................................................................................................................64
§6.2 工作展望......................................................................................................................65
参考文献............................................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.................................................... 69
一、论文...................................................................................................................................69
致 谢................................................................................................................................................ 70
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
本章介绍了论文提出的研究背景、特点和主要功能；分析了目前的国内视频
监控现状；概要介绍了论文的研究内容、组织框架以及论文的特色。
§1.1 课题研究背景
视频监控技术这几年发展非常迅速，对视频监控产品的要求也变得越来越高，
在系统要求上要更加的稳定、完善，在性能要求上图像要更加的清晰、准确。而
传统的视频监控系统在图像的分辨率上只能达到 CIF(352×288)或者 D1(704×576)
的分辨率，存在图像清晰度低、可视范围窄等缺点，在城市道路、广场、展馆、
车站、码头等大范围监控场合，如交通、特大城市治安监控、军队、机场、地铁、
金融等格外需要加强安全防范的地方都迫切的需要图像清晰度更高、可视范围更
大的视频监控系统，并且还可以将其扩展到在安防以外的应用领域，如远程医疗
视频教学、远程保险定损、环境检测等。
“高清”从它的含义来说就是指的“高分辨率”，现在高清视频的格式划分
有720p，1080i 和1080p 三种。
(1)720p 是指清晰度有 750 条垂直扫描线，720 条可见垂直扫描线，逐行 60Hz，
行频数值为 45KHz，画面显示比例为 16: 9，分辨率为 1280×720[1]。
(2)1080i 是指清晰度有 1125 条垂直扫描线，1080 条可见的垂直扫描线，隔行
为60Hz，行频数值为 33.75KHz，画面显示比例为 16: 9，分辨率为 1920×1080。
(3)1080p 是指清晰度有 1125 条垂直扫描线，1080 条可见垂直扫描线，逐行扫
描，专业格式，画面显示比例为 16: 9，分辨率为 1920 ×1080。
2008 年，中国公布了自己的高清标准。基本的认证依据是：视频必须至少具
备720 线非交错式（720p）或 1080 线交错式隔行（1080i）扫描,屏幕纵横比为 16:9。
这个标准从最后的视觉效果来衡量图像效果是否达到高清，也从某种意义上定义
了图像监控系统是否支持高清。
随着监控技术的发展和行业系统的广泛应用，“图像”作为信息量最大，最
直观的信息源，在信息应用系统中，有着举足轻重的地位。图像质量的优劣，直
接影响整个监控系统的管理能力和实际运行效率。因此高清视频监控将成为现在
安防监控领域技术未来发展的方向[2,3]。
§1.2 高清视频监控现状
在国内的安防市场上，高清监控市场还处于快速发展阶段，各类芯片商，产
品商，系统集成商，系统平台商在高清监控市场上的销量份额正在逐步的提高，
基于 QT 和H.264 的高清监控系统的研究与实现
2
技术，系统都处在不断成熟完善的时期。高清视频监控的应用现在集中在金融、
医疗、司法和政府项目等高端领域。
(1) “平安世博”中高清监控系统的应用
对于视频监控，首要的是要掌握监控范围内的基本情况。这就要求视频监控
的图像质量要达到一个较高的水平。尤其在世博会这种的重大活动中，队监控图
像的清晰度是异常苛刻的，必须具备高清晰度才行。在世博中采用的高清视频监
控系统具备了最先进图像处理技术，在人群密集活动的场合，提供了广播级的高
清晰度图像质量。在世博园区各重要路口部署了几十路 1080p 清晰度的高清摄像
机，不管在任何时候通过世博园区指挥中心的大屏幕，可是实时监控园区内的各
处情况 [4]。
(2) “平安城市”中高清视频监控系统的应用
“平安城市”是通过构建一个覆盖整个城市的集成化、多功能、综合性治安
防控网络，帮助公安部门更高效、更精确的控制和打击犯罪，从而保证城市环境
的和谐与稳定发展。高清摄像机全面应用于“平安城市”建设项目，由于高清技
术的应用，使得采集的图像在清晰度上有了大幅提升，让系统在车牌识别，人员
面部特征，衣着特征等识别上有了革新性突破，为公安追踪逃犯等提供了有力的
科技手段，从而大大的减少了城市中的犯罪率。
随着安防监控被越来越多的行业所关注，“平安城市” 建设的全面铺开，交
通、校园、娱乐等各个行业领域乃至民用安防市场开始凸显出对高清视频监控的
迫切需求。但高清监控系统的硬件设备现在是比较昂贵的，这在某种程度上影响
了高清监控系统的普及。
§1.3 研究内容及特色
§1.3.1 研究内容
针对现在社会各行各业对高清视频监控日益增长的需要， PC(Personal
Computer)性能比以前大幅提高，本文研究运用较为廉价的 PC 作为解码高清视频、
处理高清视频、显示监控视频图像的终端，用来代替高清解码器、录像机等较昂
贵的硬件设备，用较简单实用的高清监控的框架，实现一个小型的高清监控系统
的功能，满足一般用户对高清监控系统的需求。
论文的主要研究内容如下：
第一章阐述了课题的研究背景研究，描述了高清视频监控在国内的发展现状
和高清视频监控在“平安世博”和“平安城市”中的成功的运用。根据各行各业
对高清监控的日益增长的需求，针对以往高清视频监控硬件设备较昂贵的问题，
第一章 绪论
3
提出了研究用较为廉价的 PC 来替代完成高清解码、录像等功能，实现一个高清
视频监控系统，提出了论文各个章节研究的内容。
第二章介绍了本文研究和实现高清视频监控系统所用的各种标准和技术，包
括H.264 编解码标准简介、解码算法分析，FFmpeg 解码器介绍、QT 工具介绍并
阐述了 QT 的信号槽-技机制和元对象工具，最后介绍了 OpenMP 并行技术及其优
缺点。
第三章介绍了高清监控系统的一般的硬件体系架构，包括了高清摄像机、交
换机、连接设备、高清解码器、录像设备和显示设备等。然后介绍了本文所研究
实现的简单的高清监控系统架构，用 PC 软件来实现高清视频的解码，系统管理
等功能。
第四章是比较重要的一章，着重介绍了 H.264 解码器 FFmpeg 的优化，其中
包括去块滤波算法的优化和运用 OpenMP 进行并行的优化，最后给出了优化后实
验的结果以及分析。
第五章主要介绍了高清监控系统中软件功能的设计，整个软件系统的架构包
含3个模块：显示控制模块、视频数据解码模块和数据传输模块。对每个模块进
行了设计和讲解，最后进行了高清监控系统的功能演示。
第六章对文章研究的内容进行了总结，并对高清监控系统的进一步研究进行
了展望。
§1.3.2 研究特色
本文在研究内容方面具有以下特色：
给出了用 PC 端完成高清解码、录像、控制等功能的高清监控系统的框架，
分析讨论了高清监控系统的关键支撑技术，对高清监控系统软件结构进行了设计
和实现。
采用具有优秀的跨平台特性的 QT 技术进行系统的开发，QT 良好的封装性使
得系统函数模块具有很高的重用性，运用 QWidget、QToolButton 等进行前台控制
界面的设计,运用 QThread 进行系统多线程的设计，完成显示控制模块的功能。
H.264 解码优化。因为采用 H.264 编解码标准，使得编解码的效率有了很大
的提高，同时要注意到 H.264 性能的改进是以增加复杂性为代价而获得的，所以
为了提高解码效率，要对 H.264 解码进行优化。对 H.264 解码器 FFmpeg 的去块
滤波算法中的边界强度的计算进行了优化，然后用共享存储编程基于 OpenMP 并
行优化，以提高解码的效率。
提出了基于 TCP 面向连接的高清摄像机的指令传输和基于 RTP/RTCP 协议下
摘要：

摘要随着计算机技术日新月异的发展，近年来，高清视频技术越来越多地应用于视频监控系统中，高清视频监控技术已经逐渐走入人们的生活，成为现在安防监控领域技术未来发展的方向。视频编解码技术是视频监控系统中非常重要的技术，这是因为：视频的数据量比较大，而监控系统中传输带宽是有限的。在ITU．T和ISO制定的压缩编码标准中，H．264作为最新的高质量低码率视频编码标准，具有压缩率高、适用性强、图像质量好等特点，在视频监控系统领域中得到了普遍的应用。QT是一个具有优良的跨平台特性并且完全开源的C++图形用户界面应用程序框架，它是完全面向对象，具有丰富的API接口和开发说明文档等优点。FFmpeg是一套完整的...

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