3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

劉丙濤

（遼河石油勘探局 通信公司，遼寧 盤錦 124010）

此系統(tǒng)采用了先進的H.264視頻壓縮編碼技術(shù)，在不影響質(zhì)量效果的前提下大大減少了所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并且以3G無線寬帶網(wǎng)絡為傳輸媒介，既可以克服傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡有線方式對地理位置變化或處于運動中的監(jiān)控不能實現(xiàn)的問題，提供更加靈活組網(wǎng)方式，滿足不能架設(shè)線路的監(jiān)控點的監(jiān)控需求，還可以提供比GPRS和CDMA更寬的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，滿足了移動視頻監(jiān)控的要求，下文中筆者將從關(guān)鍵技術(shù)分析和汽車終端應用的兩個方面，對其進行闡述。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 3G無線車載視頻監(jiān)控技術(shù)

就目前來看，我國基本上已經(jīng)實現(xiàn)了第三代移動通信技術(shù)的研發(fā)和應用，所謂第三代移動通訊技術(shù)就是3G無線網(wǎng)絡信息傳播技術(shù)，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，目前已經(jīng)被應用于手機同通訊和網(wǎng)絡通訊中。從類型上看，由于基準站的不同，目前在中國3G存在三種標準:CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。

而將3G技術(shù)應用于汽車運行的監(jiān)控和管理中，即為3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)從構(gòu)成上看，分為前端車載監(jiān)控系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡、監(jiān)控視頻平臺服務器，每一個系統(tǒng)中的服務器的功能是不同的，三者相互連接，共同組成了3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。共同為車輛運行狀況的監(jiān)控提供可靠數(shù)據(jù)和錄像資料。前端車載監(jiān)控系統(tǒng)包含3G無線車載網(wǎng)絡攝像機、網(wǎng)絡錄像機、外接攝像頭；無線網(wǎng)絡包含前端移動傳輸（EDGE/CDMA 1X）和后臺指揮中心以太網(wǎng)網(wǎng)絡車載攝像機CDMA 1X/TD-SCDMA.CDMA2000.WCDMA網(wǎng)絡；監(jiān)控平臺包含監(jiān)控軟件及GIS、流媒體、數(shù)據(jù)庫、應用服務器等。

3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是能夠?qū)囕v內(nèi)的圖像進行實時監(jiān)控，拍照，錄像，回放和調(diào)取傳送圖像，這樣也就保證了車輛運行時的各種數(shù)據(jù)和影像資料能夠被自動的儲存和發(fā)送，能夠為有關(guān)部門的管理工作提供可靠的參考依據(jù)，又因為其具有實時性，所以可以為有關(guān)安全監(jiān)管部門的工作提供便利，便于其在威脅公路運行安全的狀況發(fā)生時，及時的做出相應的反應。同時，為了使視頻資料更加清晰和可分辨，系統(tǒng)中采用了雙碼流技術(shù)，本地錄像可采用CIF、D1分辨率，SD卡120M/小時，網(wǎng)絡傳輸采用CIF分辨率，有助于進一步的提高系統(tǒng)的使用性能，保證監(jiān)控資料的準確性和辨識度。

1.2 圖像壓縮技術(shù)

由于在汽車運行的過程中，3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)要依靠前端車載系統(tǒng)來完成各種資料的實時搜集，所以要克服車輛運行中由于移動而產(chǎn)生的各種干擾因素，保證圖像的完整性和辨識度。所以，為了適應移動設(shè)備，同時也為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量、保證監(jiān)控的實時性，有必要對車載端攝像頭采集的數(shù)據(jù)進行編碼壓縮，就目前應用于網(wǎng)絡設(shè)備中的各種壓縮技術(shù)來看，H.264標準無論是功能還是操作都更加適合該3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。所以，在前端車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖像采集的過程中我們要采用H.264標準將攝像頭采集的圖像系列壓縮編碼成流媒體。H.264的編解碼流程主要包括五個部分:幀間和幀內(nèi)預測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。通過該流程，使得H.264具有極高的視頻壓縮比。在同等圖像質(zhì)量條件下，H.264的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍，有助于大幅度的提高圖像的辨識度，首先，幀間和幀內(nèi)預測的目的在于清楚的分析該畫質(zhì)中的各種像素構(gòu)成和基本成像布局，其次，變換和反變換的作用則是在掌握了圖像的基本構(gòu)成的基礎(chǔ)上通過合適的壓縮方式對圖像進行初級的格式處理，使其符合壓縮文件的格式，再次，量化和反量化的主要作用就是在格式確定的前提下，對現(xiàn)有的圖像文件進行內(nèi)存的確定，再者，環(huán)路濾波的主要功能是通過專門的環(huán)路濾波器將畫質(zhì)中的低頻升級，能夠較為全面的轉(zhuǎn)換為高頻信號，最后，熵編碼就是將整個過程中的原圖像的編碼完全復制不丟失的過程，也是最后的信息碼顯示過程，因為在視頻編碼中，熵編碼的主要功能就在于把一系列用來表示視頻序列的元素符號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€用來傳輸或是存儲的壓縮碼流。通過上述五個流程，即可實現(xiàn)視頻資料的流暢轉(zhuǎn)換。

從設(shè)備上看，目前主要使用的3G視頻格式 有 QCIF （176*144/dpi）、CIF（352*288/dpi）以及4CIF（704*576/dpi）四種。但是出于對3G車載無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的具體應用的考慮，以及車輛運行的特點，筆者認為基于實際的需求選擇CIF格式更加合適，因為其體積小，穩(wěn)定性較高，能夠較好的適應車輛的運行環(huán)境。采用該設(shè)備后，可以得到的原始的每幀圖像的大小為 352×288×24=2433024bit，即2433024/1024=2376kbit，選擇H.264的250:1的壓縮比例的話，壓縮后的圖像大小就為2376/250=9.5kbit，那么按照3G 網(wǎng)絡在車輛運動中的速度要求144kbit/s，這樣每秒可傳幀的數(shù)量為15～16幀，這樣就能實現(xiàn)較為滿意的監(jiān)控效果（影像播放達不到15幀/s時將產(chǎn)生明顯跳躍感）。

2 關(guān)鍵技術(shù)在車載終端上的應用

通過對上述關(guān)鍵技術(shù)的分析，我們要認真的布設(shè)車載終端的設(shè)備，使其能夠最大限度的發(fā)揮系統(tǒng)監(jiān)控優(yōu)勢，提供高質(zhì)監(jiān)控資料，下文中筆者將從兩個方面對關(guān)鍵技術(shù)在車載終端設(shè)計上的應用進行探討。

2.1 車載終端硬件設(shè)計

根據(jù)車載系統(tǒng)的布局設(shè)計，在車載模塊終端部分，一般由這樣四個設(shè)備和儀器組成:即ARM處理器、GPS模塊、3G無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及防暴攝像頭。首先，ARM處理器作為整個終端的CPU，負責調(diào)配和控制各個模塊的工作，其主要功能是通過GPS獲取車輛當前的位置信息，通過防暴攝像頭獲取車輛情況和司機駕駛狀況，把這些視頻或圖像數(shù)據(jù)信息以H.246標準格式壓縮，并整合成能由串口發(fā)送出去的特定格式，最后由3G無線模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡，最終通過INTERNET或PSTN（公共陸地網(wǎng)絡）網(wǎng)絡傳回監(jiān)控中心主機。其次，GPS模塊則是根據(jù)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來實時監(jiān)測汽車的所處位置，再次，3G無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的主要功能是將實時的定位信息和采集圖像發(fā)送給處理終端，最后，USB攝像頭的主要功能為圖形采集。

2.2 車載終端程序設(shè)計

車載端是一個基于ARM的Linux系統(tǒng)平臺，其任務主要包括獲取GPS定位數(shù)據(jù)和視頻采集數(shù)據(jù)，圖像或者視頻的壓縮編碼，將定位數(shù)據(jù)和視頻、圖像數(shù)據(jù)通過串口輸送到3G模塊緩沖區(qū)，最后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送出去。首先，要根據(jù)CPU與外圍設(shè)備的具體引腳連接重新裁剪的編譯linux內(nèi)核驅(qū)動。其次，調(diào)用linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的API接口（即Video4Linux）編寫攝像頭采集數(shù)據(jù)的應用程序。最后，3G無線網(wǎng)絡的通信部分主要涉及到的是AT指令的應用。在選擇可靠性強的TCP方式連接。

結(jié)語

綜上所述，該系統(tǒng)將視頻監(jiān)控和地理信息系統(tǒng)結(jié)合在一起，以3G寬帶無線網(wǎng)絡為連接工具，提供了一套車輛視頻監(jiān)控和定位的解決方案。隨著中國3G網(wǎng)絡的開通，帶寬限制的問題已經(jīng)迎刃而解，此外H.264編／解碼器軟硬件實現(xiàn)，該系統(tǒng)會提供質(zhì)量更高、價格更便宜的移動視頻監(jiān)控。

[1]蕭如方.無線網(wǎng)絡裝置的設(shè)定方法，2004-03-17.

[2]昊天.無線網(wǎng)絡:淡定前行，2004-09-27.