車載高清視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)研究

張愷樂(lè)，蔣園園，王智泉，鐘德榮

（1.新疆立昂電信技術(shù)有限公司 新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆立昂軟件服務(wù)有限公司 新疆 烏魯木齊 830011）

傳統(tǒng)的車載監(jiān)控行業(yè)主要采用DVR的方式，搭配小型的模擬攝像機(jī)，優(yōu)勢(shì)在于成本低廉，而市場(chǎng)上很多用戶對(duì)價(jià)格又比較敏感，對(duì)視頻監(jiān)控的其他方面關(guān)注度較低。許多廠商為了提升銷量，采用低成本的解決方案來(lái)滿足用戶需求，不僅造成了整個(gè)車載監(jiān)控行業(yè)產(chǎn)品魚(yú)龍混雜，大大降低了入門(mén)門(mén)檻。YCB中國(guó)行業(yè)咨詢網(wǎng)_行業(yè)報(bào)告_行業(yè)分析_市場(chǎng)調(diào)研_第三方市場(chǎng)數(shù)據(jù)和調(diào)查報(bào)告提供商車載移動(dòng)監(jiān)控一直以來(lái)都是整體監(jiān)控的重要組成部分，也是目前新興的市場(chǎng)之一。市場(chǎng)雖然潛力巨大，且對(duì)廠商來(lái)說(shuō)很有吸引力，但是多數(shù)用戶對(duì)車載移動(dòng)監(jiān)控的投入，還沒(méi)有達(dá)到像對(duì)“有線監(jiān)控”的重視程度，這是造成車載監(jiān)控市場(chǎng)整體偏向低端的原因之一[1]。

正是由于以上原因，造成了作為執(zhí)法部門(mén)的車載監(jiān)控完全不能滿足其執(zhí)法要求。目前車載監(jiān)控設(shè)備，主要以模擬攝像機(jī)為主，不能為執(zhí)法車輛提供清晰的記錄畫(huà)面。雖然能做到視頻的移動(dòng)監(jiān)控，但不能為之提供有效清晰的視頻，需要進(jìn)行后期相應(yīng)的圖像處理。對(duì)于同時(shí)能做到高清視頻移動(dòng)存儲(chǔ)，兼顧有GPS，并能夠3G上傳的車載監(jiān)控系統(tǒng)目前市場(chǎng)上還沒(méi)有。城市執(zhí)法車輛極少部分已經(jīng)開(kāi)始裝備車載云臺(tái)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到高清圖像傳輸?shù)囊?。未?lái)執(zhí)法車輛需要進(jìn)一步完善，對(duì)車載高清監(jiān)控設(shè)備的需求量將大大增長(zhǎng)。車載移動(dòng)監(jiān)控的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)正朝著，高清化，智能化和行業(yè)細(xì)分化的方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)分析

車載云臺(tái)視頻監(jiān)控也只有短短這幾年才發(fā)展起來(lái)的，主要業(yè)務(wù)是以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)、視頻編解碼技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能圖像分析為特色，實(shí)現(xiàn)音視頻信息的壓縮、存儲(chǔ)、分析、傳遞、顯示等自動(dòng)化處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控的業(yè)務(wù)。

近年來(lái)，各行各業(yè)對(duì)各種視頻監(jiān)控需求的不斷升溫，尤其是近幾年平安城市、智慧城市、電子警察等項(xiàng)目的興起，各種的視頻監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)在全國(guó)各地的各種場(chǎng)所中安裝使用，例如，銀行、商場(chǎng)、停車場(chǎng)、車站、機(jī)場(chǎng)和交通路口等一些人流量較大的公共場(chǎng)所都進(jìn)行了視頻監(jiān)控設(shè)備的安裝。視頻監(jiān)控的設(shè)備都已經(jīng)步入高清化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的行列。但目前的車載監(jiān)控系統(tǒng)主要采用 “車載DVR+模擬攝像機(jī)”的監(jiān)控方式，清晰度以CIF為主，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低。很明顯，早前的車載監(jiān)控更多的像是一種擺設(shè)和補(bǔ)充，雖市場(chǎng)潛力巨大，但始終只是監(jiān)控行業(yè)中的冰山一角。盡管整個(gè)監(jiān)控行業(yè)早已倡導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)化、高清化，但是車載移動(dòng)監(jiān)控行業(yè)依舊變化緩慢，更多的情況是各廠商樂(lè)此不疲地打價(jià)格戰(zhàn)，只是強(qiáng)調(diào)車輛是否有安裝，而不看重監(jiān)控設(shè)備的性能和圖像質(zhì)量。但是整體監(jiān)控市場(chǎng)正處于繁榮向上的階段，整體市場(chǎng)的趨勢(shì)發(fā)生變化，車載移動(dòng)監(jiān)控市場(chǎng)也將受其影響[2]。

2 車載高清視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

2．1 總體技術(shù)路線

基于高清的車載云臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，由車載高清云臺(tái)系統(tǒng)、車載NVR嵌入式主機(jī)和監(jiān)控中心3大部分組成。其中車載設(shè)備端主要由車載高清云臺(tái)、車載NVR嵌入式主機(jī)兩大部分組成。監(jiān)控中心則由相應(yīng)的通信設(shè)備，GPS定位信息設(shè)備，圖像存儲(chǔ)設(shè)備和中央處理機(jī)等構(gòu)成?？傮w技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

本項(xiàng)目首先通過(guò)車載高清云臺(tái)采集實(shí)時(shí)的高清圖像視頻，采集的圖像標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到1 080P，方便能直觀地進(jìn)行高清觀看，然后將視頻圖像數(shù)據(jù)通過(guò)視頻的傳輸線路發(fā)送給車載存儲(chǔ)NVR的收發(fā)模塊，車載存儲(chǔ)NVR內(nèi)除有數(shù)字高清視頻存儲(chǔ)模塊外，還有云臺(tái)控制器模塊、GPS模塊和3G模塊，車載NVR接收到的車載高清云臺(tái)的視頻信息和GPS模塊的定位信息通過(guò)3G模塊實(shí)時(shí)上傳到Internet，以便監(jiān)控中心和執(zhí)法者實(shí)時(shí)得了解視頻情況，車輛的位置情況。

前端設(shè)備的圖像采集，各方面達(dá)到數(shù)字高清的標(biāo)準(zhǔn)，本地車載NVR也按數(shù)字高清的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行本地圖像的存儲(chǔ)，區(qū)別于以往的模擬視頻圖像的清晰度。

2.2 車載高清云臺(tái)系統(tǒng)

車載高清云臺(tái)系統(tǒng)主要以車載高清攝像機(jī)為主，車載數(shù)字高清云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)視頻監(jiān)控，功能主要是對(duì)視頻圖像進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的采集，對(duì)執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，可以進(jìn)行視頻圖像的前端放大縮小，實(shí)現(xiàn)視頻動(dòng)態(tài)監(jiān)控，車載高清監(jiān)控系統(tǒng)主要包含車載云臺(tái)護(hù)罩、高清監(jiān)控相機(jī)及相應(yīng)的夜間照明。

2.2.1 車載高清攝像機(jī)

系統(tǒng)前端在執(zhí)法車輛車頂安裝云臺(tái)，云臺(tái)里面內(nèi)置一支高倍、遠(yuǎn)距離、感應(yīng)紅外的高清數(shù)字的攝像機(jī)。高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采用200萬(wàn)像素的高品質(zhì)HD CMOS傳感器，實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字圖像，分辨率最高可達(dá)（1 280×960）高分辨率的優(yōu)質(zhì)圖像。支持 Windows Mobile、Symbian、iPhone平臺(tái)智能手機(jī)監(jiān)看，支持IE直接瀏覽，夜視距離大于120 m，鏡頭雨刷和除霧功能，1 080P的清晰度可以達(dá)到廣播級(jí)圖像畫(huà)質(zhì)。支持720P+720P實(shí)時(shí)雙碼流編碼，為車載監(jiān)控提供可靠的高清圖像的保證。最終前端采集到的高清視頻圖像通過(guò)數(shù)字傳輸線路連線到安裝在車內(nèi)的3G車載硬盤(pán)錄像機(jī)[3]。

2.2.2 車載云臺(tái)護(hù)罩

車載云臺(tái)護(hù)罩內(nèi)部配有溫度繼電器，在環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，云臺(tái)護(hù)罩內(nèi)的風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，溫度低時(shí)也可進(jìn)行相應(yīng)的加熱保溫，確保高清攝像機(jī)在正常的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作。在下雨時(shí)，可以通過(guò)人工的云臺(tái)控制，對(duì)云臺(tái)護(hù)罩的玻璃進(jìn)行刷雨作業(yè)。在冬季低溫時(shí)，防護(hù)罩出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象時(shí)，可以通過(guò)加熱除霜[4]。

對(duì)于云臺(tái)的控制，操作人員可通過(guò)上位機(jī)軟件操作車載云臺(tái)系統(tǒng)移動(dòng)到指定位置，控制云臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)施視頻監(jiān)控，也可通過(guò)上位機(jī)軟件放大監(jiān)控的目標(biāo)區(qū)域，車載高清監(jiān)控系統(tǒng)可以在無(wú)人職守的情況下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的預(yù)置位，定時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，采集圖像數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。

2.3 車載NVR嵌入式主機(jī)

車載NVR嵌入式主機(jī)主要由車載NVR視頻存儲(chǔ)，GPS定位模塊，3G通信模塊和云臺(tái)的控制模塊組成。車載NVR嵌入式主機(jī)的功能主要是對(duì)前端車載云臺(tái)采集的視頻圖像進(jìn)行本地的存儲(chǔ)，同時(shí)包含的各種模塊，還具有車輛的GPS定位功能，同時(shí)還能將現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像信息進(jìn)行3G的無(wú)線上傳，能方便監(jiān)控中心，同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。

2.3.1 GPS模塊

采用了一款比較簡(jiǎn)單易用的嵌入式GPS模塊，集成了目前性價(jià)比極高的u-blox第5代GPS引擎。其具備-144 dBm的信號(hào)靈敏度，極低的功耗（120 mW），小尺寸（43.1×25.5×14 mm）和4針的UART接口設(shè)計(jì)，使得該模塊可以非常簡(jiǎn)便地應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品和移動(dòng)終端中。定位精度為2.5 m，熱啟動(dòng)時(shí)間小于1 s，溫啟動(dòng)及冷啟動(dòng)時(shí)間29 s，支持DGPS、WAAS、EGNOS和MSAS多種協(xié)議?？梢栽诖蟛糠质覂?nèi)進(jìn)行良好定位，并具有防漫反射及極強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)該模塊不需要額外的器件即可在接GPS天線后輸出經(jīng)緯度，時(shí)間等等，最大刷新率4 Hz，能使開(kāi)發(fā)人員有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[5]。

車載終端通過(guò)模塊中的GPS部分獲得車輛的具體位置，經(jīng)過(guò)CPU處理后，并通過(guò)3G模塊將該信息發(fā)送到監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位跟蹤，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和短消息通信功能。為監(jiān)控中心對(duì)車輛的地理位置情況，提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)掌握車輛的情況。

2.3.2 3G模塊

在無(wú)線視頻業(yè)務(wù)的要求下，目前技術(shù)也只有通過(guò)WIFI或3G的無(wú)線傳輸手段才能實(shí)現(xiàn)，WIFI技術(shù)雖然能實(shí)現(xiàn)高速率的無(wú)線視頻傳輸，但是需要有相應(yīng)的無(wú)線WIFI網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做依托，對(duì)于執(zhí)法車輛的視頻移動(dòng)傳輸并不適用。在此選用了3G通信模塊，3G通信技術(shù)的出現(xiàn)突破了無(wú)線帶寬瓶頸的限制，3G的帶寬可以達(dá)到2 Mbps，視頻的編解碼技術(shù)為糾錯(cuò)、差錯(cuò)復(fù)原提供了容錯(cuò)傳輸?shù)募夹g(shù)。同時(shí)為了保證傳輸視頻信息的正常，在本地對(duì)視頻信息進(jìn)行處理，通過(guò)相應(yīng)的視頻壓縮編碼技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)字高清視頻進(jìn)行傳送前的相應(yīng)處理，以適應(yīng)3G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸要求。

3G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)全國(guó)各地的網(wǎng)絡(luò)情況不同，信號(hào)強(qiáng)度也有差異，經(jīng)了解以北京為例：5環(huán)內(nèi)還可以，如到郊區(qū)信號(hào)不一定穩(wěn)定，必須實(shí)測(cè)了解。通過(guò)比較3大運(yùn)營(yíng)商的3大制式標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣和在世界的應(yīng)用范圍及在中國(guó)的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)電信的網(wǎng)比較好一些，其次聯(lián)通，再次為移動(dòng)。而生產(chǎn)3G的廠商中，中興、華為在穩(wěn)定性，型號(hào)數(shù)量、技術(shù)支持、采購(gòu)等方面，推廣力度比較大。經(jīng)過(guò)比較，最終采用華為或者中興的電信制式的3G模塊。車載高清監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線3G傳輸，可以在有3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任意地點(diǎn)上傳現(xiàn)場(chǎng)圖像，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地、無(wú)所不在的視頻監(jiān)控應(yīng)用，使監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)掌握?qǐng)?zhí)法情況和車輛情況。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及和視頻編碼糾錯(cuò)技術(shù)的增強(qiáng)，移動(dòng)視頻監(jiān)控將為車載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供更為可靠的技術(shù)保障[6]。

2.3.3 車載NVR視頻存儲(chǔ)

車載NVR視頻存儲(chǔ)采用嵌入式技術(shù)，基于嵌入式處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件固化在模塊中，可靠性很高，特別適合于要求實(shí)時(shí)的應(yīng)用。主要功能是以穩(wěn)定的速率捕獲來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流并寫(xiě)到磁盤(pán)陣列，同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上的客戶端傳輸實(shí)時(shí)及錄像視頻數(shù)據(jù)。目前，車載NVR的存儲(chǔ)系統(tǒng)正伴隨著NVR技術(shù)的發(fā)展，也向著海量存儲(chǔ)、集中存儲(chǔ)、及可靠存儲(chǔ)的方向發(fā)展?？紤]到車輛的顛簸，運(yùn)動(dòng)情況，產(chǎn)品還采用防沖擊，振動(dòng)的功能，進(jìn)一步確保圖像存儲(chǔ)的可靠性，同時(shí)保證圖像信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本地存儲(chǔ)保證圖像的也達(dá)到高清的要求，同時(shí)支持多種視頻碼流，為本地的存儲(chǔ)，無(wú)線的傳輸提供了多種選擇的可能。與以往相對(duì)成熟的車載DVR相比，車載NVR技術(shù)真正做到了數(shù)字高清，NVR技術(shù)的良好的集成能力，也為日后NVR技術(shù)的發(fā)展提供了必要的保證。車載NVR能在本地同時(shí)進(jìn)行高清監(jiān)控視頻的存儲(chǔ)，還具有圖像的回放功能等，能夠時(shí)刻掌握?qǐng)?zhí)法現(xiàn)場(chǎng)的情況，為執(zhí)法工作提供了依據(jù)[7]。

2.4 顯示、控制部分

根據(jù)具體的實(shí)際情況，顯示部分可以采用LCD顯示屏，控制部分可以采用簡(jiǎn)單的車載云臺(tái)控制鍵盤(pán)，也可以接筆記本電腦直接實(shí)現(xiàn)顯示與控制功能的實(shí)現(xiàn)。采用LCD顯示，主要考慮到采集的圖像信息為高清視頻信號(hào)，為了使本地能觀看到高清的視頻，所以采用高分辨率的LCD顯示。采用控制鍵盤(pán)，主要考慮到使用者的方便，和車內(nèi)空間有限的情況，該設(shè)備在車載云臺(tái)系統(tǒng)中，一般為常用設(shè)備[8]。

2.5 電源部分

由于車輛大多采用12～24 V電瓶電源，行駛過(guò)程電源穩(wěn)定在12～28 V，但是在車輛點(diǎn)火時(shí)汽車電源會(huì)突然降低到10 V左右，甚至更低。下降過(guò)程約為40～80 ms，然后恢復(fù)至電源穩(wěn)定狀態(tài)。車輛的啟動(dòng)過(guò)程中電壓波動(dòng)較大，電瓶電源的瞬間降低會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備重新啟動(dòng)、甚至設(shè)備死機(jī)，所以對(duì)設(shè)備使用的車載電源的適應(yīng)性要求很高。根據(jù)各系統(tǒng)對(duì)電源的需求，為車載監(jiān)控終端配置寬幅的輸入電源，電源適應(yīng)范圍為8～36 V，可滿足各種車輛的應(yīng)用。該電源經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，具備了斷路、短路、過(guò)流保護(hù)功能，對(duì)設(shè)備保證正常運(yùn)行起了重要作用。同時(shí)根據(jù)電壓的變化，供電系統(tǒng)能進(jìn)行根據(jù)車輛點(diǎn)火信號(hào)，設(shè)置延時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)功能[9]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 System network topology

3 系統(tǒng)測(cè)試

以中國(guó)電信的全球眼為例，通常視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求視頻實(shí)時(shí)速率在32 kbit/s～8 Mbit/s間可調(diào)節(jié)，音頻實(shí)時(shí)速率在8～320 kbit/s間可調(diào)節(jié)。在滿幀率情況下，系統(tǒng)通過(guò)3G無(wú)線傳輸視頻信息，實(shí)際測(cè)試中CIF的碼流均值不高于500 kbit/s，D1碼流均值不高于2 Mbit/s。就單視頻服務(wù)器而言，要得到畫(huà)面質(zhì)量為25幀/s的CIF圖像所需網(wǎng)絡(luò)帶寬至少為384～512 kbit/s，要得到畫(huà)面質(zhì)量為25幀/s的D1圖像所需網(wǎng)絡(luò)帶寬為1.5 Mbit/s以上，720P圖像傳輸所需網(wǎng)絡(luò)帶寬至少為2 Mbit/s。

車載無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線傳輸過(guò)程中，支持CIF（PAL：352*288）、HlafD1/2CIF（PAL：704*288）、D1/4CIF（PAL：704*576）等不同檔次的分辨率；在不同帶寬下對(duì)應(yīng)的視頻幀率為：64 kbit/sk——3～8幀/s；128 kbit/s——6～15幀/s，256 kbit/s——12～25 幀/s。

為滿足不同的圖象壓縮編碼和圖像質(zhì)量要求，相應(yīng)壓縮碼流速率可通過(guò)改變編碼同件參數(shù)中RCVAL寄存器的值來(lái)改變碼流速率，具體公式為：

該監(jiān)控終端安裝在試驗(yàn)車輛上，通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心互聯(lián)，監(jiān)控中心配有視頻解碼服務(wù)器，以及相應(yīng)的集成GPS系統(tǒng)的視頻監(jiān)管平臺(tái)。系統(tǒng)整體各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)后期的技術(shù)改進(jìn)，整套系統(tǒng)將體現(xiàn)出更卓越的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中從車載數(shù)字高清系統(tǒng)的前端設(shè)備和嵌入式主機(jī)兩方面著手，選用了新型的車載高清云臺(tái)和車載NVR嵌入式主機(jī)，保證了監(jiān)控圖像畫(huà)面的高清性的同時(shí)，也提供了高清圖像的本地存儲(chǔ)方式和無(wú)線傳輸方式。在實(shí)際的車載系統(tǒng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車載高清云臺(tái)的圖像得到很大的提升，本地存儲(chǔ)的圖像信息達(dá)到高清的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線傳輸?shù)那闆r也達(dá)到預(yù)期的效果，具有很好的應(yīng)用前景。

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