車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

楊 磊

(廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建廈門361008)

0 引言

社會(huì)越發(fā)展，人們對(duì)自身所處環(huán)境的安全將更加關(guān)心，對(duì)車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求也將越迫切。運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段，在一定區(qū)域范圍內(nèi)警戒可能發(fā)生的侵入行為，對(duì)發(fā)生的報(bào)警及時(shí)捕獲和記錄相關(guān)影像，同時(shí)確定報(bào)警地點(diǎn)，這些都是視頻監(jiān)控系統(tǒng)大顯身手之處。道路運(yùn)輸企業(yè)對(duì)通過技術(shù)手段提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、加強(qiáng)運(yùn)輸過程中的全面監(jiān)控也越來越重視。城市公交、長(zhǎng)途客運(yùn)、交通管理、運(yùn)政執(zhí)法、銀行押運(yùn)等行業(yè)，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求日益旺盛，尤其是3G通信的應(yīng)用使大流量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳送更加方便，基于此技術(shù)，針對(duì)DVR移動(dòng)車臺(tái)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)將擴(kuò)大應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)的商用3G無線網(wǎng)絡(luò)(TD－SCDMA、WCDMA、CDMA2000 網(wǎng)絡(luò))［1］傳輸具有以下特點(diǎn):①流量有限且費(fèi)用較高;②傳輸時(shí)快時(shí)慢，帶寬不穩(wěn)定;③信號(hào)時(shí)有時(shí)無，使得無線覆蓋存在盲區(qū)。DVR移動(dòng)車臺(tái)無線傳輸?shù)男畔⒅?，音視頻流媒體信息具有大容量的特點(diǎn)，其傳輸問題尤其突出。

1 遠(yuǎn)程多媒體流傳輸分析

1.1 音視頻傳輸效率

要解決從車臺(tái)到多媒體中心(簡(jiǎn)稱中心)快速可靠傳輸大容量的音視頻信息流的問題，目前的做法是，首選UDP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議;其次，采用專用設(shè)備來保障帶寬相對(duì)充足、網(wǎng)絡(luò)相對(duì)穩(wěn)定。上述做法中，采用專用設(shè)備實(shí)施高效穩(wěn)定傳輸?shù)姆椒ǎ涑杀靖甙?，無法兼顧硬件成本和傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定性。

為解決上述問題，本系統(tǒng)通過引入?yún)f(xié)議窗口和補(bǔ)傳延遲機(jī)制，可以較好地平衡無線車臺(tái)的硬件能力及其在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中的種種不利因素，在保證傳輸可靠性的前提下，依據(jù)無線車臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)，并盡量考慮硬件因素，達(dá)到提高傳輸效率的目的。

1.2 視頻傳輸質(zhì)量

DVR移動(dòng)車臺(tái)在利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)時(shí)，由于視頻圖像數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)量一般較大，因此對(duì)帶寬要求較高，而當(dāng)3G網(wǎng)絡(luò)的連接用戶較多時(shí)，這會(huì)降低可用帶寬，特別是受天氣等原因的影響，致使傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，發(fā)生丟包現(xiàn)象，也會(huì)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸造成影響［2］。

為解決上述問題，目前在進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，通常采用降低視頻圖像數(shù)據(jù)的碼率或幀率的方法，實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，然而，降低碼率會(huì)影響視頻播放的清晰度，而由于降低幀率是采用均勻降低的方式，這會(huì)影響視頻播放的連貫性，且有可能影響到視頻的正常播放。

文中提供一種無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的自適應(yīng)傳輸方法及傳輸系統(tǒng)，其可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，有效提高遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸效率，并可適用于較為惡劣的傳輸條件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中帶攝像頭的DVR移動(dòng)車臺(tái)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)接入多媒體平臺(tái)中心(簡(jiǎn)稱中心)，終端用戶通過手持移動(dòng)監(jiān)控終端軟件、PC機(jī)器或數(shù)字電視機(jī)頂盒上的監(jiān)控軟件接入中心平臺(tái)［3］。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 System network topology

中心平臺(tái)設(shè)備包含:登錄服務(wù)器、多媒體服務(wù)器、Web服務(wù)器、LDAP目錄服務(wù)器、文件服務(wù)器。中心網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)通過防火墻隔離。

2.1 中心平臺(tái)軟件架構(gòu)

分布式文件服務(wù)器群與DAL邏輯層構(gòu)建起分布式文件系統(tǒng);多媒體服務(wù)器作為DVR移動(dòng)車臺(tái)設(shè)備接入的前置機(jī)，同時(shí)作為中心分布式文件系統(tǒng)流媒體數(shù)據(jù)寫入設(shè)備;Web服務(wù)器作為監(jiān)控終端軟件接入前置機(jī)，同時(shí)作為中心分布式系統(tǒng)的讀出設(shè)備;LDAP目錄服務(wù)器管理分布式文件系統(tǒng)，為其余中心設(shè)備提供路由查詢及權(quán)限管理服務(wù)。

如圖2所示，Web服務(wù)器為監(jiān)控終端客戶端軟件提供Web訪問，并提供VOD點(diǎn)播服務(wù);多媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)流媒體轉(zhuǎn)碼和分發(fā);三者遵循LDAP規(guī)范與目錄服務(wù)器服務(wù)器交互，以實(shí)現(xiàn)目錄安全的訪問控制。

圖2 中心平臺(tái)軟件架構(gòu)Fig.2 Center software structure

Web服務(wù)器在收到從用戶監(jiān)控終端客戶端軟件對(duì)車臺(tái)視頻監(jiān)控請(qǐng)求時(shí)，首先通過LDAP目錄服務(wù)器獲取用戶組權(quán)限內(nèi)的其他用戶活動(dòng)情況，若判定有用戶在對(duì)該車臺(tái)進(jìn)行視頻監(jiān)控，則Web后臺(tái)程序僅需要對(duì)發(fā)往前一個(gè)用戶的流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行分流轉(zhuǎn)發(fā)就可以了，若無其他用戶對(duì)該車臺(tái)實(shí)施監(jiān)控，則需要再一次通過LDAP目錄服務(wù)器獲取流媒體文件所在文件服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)路徑，開啟新的視頻監(jiān)控通道。

多媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)把接收到的實(shí)時(shí)監(jiān)控流分發(fā)到目標(biāo)文件服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，路由信息的獲取同樣需要通過LDAP目錄服務(wù)器來獲取。

文件服務(wù)器集群通過數(shù)據(jù)訪問層(DAL)構(gòu)建成一個(gè)分布式文件系統(tǒng)，多媒體服務(wù)器通過DAL層對(duì)分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行寫操作，Web后臺(tái)程序通過DAL層對(duì)分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行讀操作。

2.2 客戶端接入

客戶端包含DVR移動(dòng)車臺(tái)和各類運(yùn)行監(jiān)控終端軟件的設(shè)備(如智能手機(jī)、便攜式個(gè)人電腦等)。

2.2.1 DVR 移動(dòng)車臺(tái)接入

如圖3所示，車臺(tái)與中心采用C/S結(jié)構(gòu)。車臺(tái)首先連接登錄服務(wù)器，登錄服務(wù)器搜索資源占用最低的多媒體服務(wù)器，然后把該多媒體服務(wù)器的IP及其服務(wù)的端口發(fā)送給車臺(tái)。車臺(tái)通過其獲取的IP及端口連接多媒體服務(wù)器。

以上方案可實(shí)現(xiàn)多媒體服務(wù)器負(fù)載均衡。

圖3 DVR移動(dòng)車臺(tái)接入Fig.3 DVR terminal access

2.2.2 監(jiān)控終端接入

監(jiān)控終端(含PC監(jiān)控終端和手持無線監(jiān)控終端)與中心采用B/S結(jié)構(gòu)。監(jiān)控終端連接Web服務(wù)器，輸入用戶名及密碼;Web后臺(tái)程序根據(jù)用戶的分組及權(quán)限，通知監(jiān)控終端被授權(quán)監(jiān)控的車臺(tái)分組及明細(xì)。

2.3 通信模式說明

2.3.1 DVR車臺(tái)與中心的通信

DVR車臺(tái)與中心通信使用雙通道，視頻數(shù)據(jù)通道采用UDP協(xié)議，命令控制通道采用TCP協(xié)議。

命令控制通道主要攜帶一些需可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵信息，例如監(jiān)控發(fā)起命令、監(jiān)控終止命令、黑匣子文件歷史查詢指令等。

UDP通道主要用于音視頻數(shù)據(jù)的傳輸，利用UDP較少的報(bào)頭開銷及無需可靠傳輸?shù)奶匦?，可到達(dá)解決帶寬和加速響應(yīng)的目的。

2.3.2 監(jiān)控終端與中心的通信

監(jiān)控終端與中心通信采用開發(fā)的MPEG DASH－264流媒體通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)為基于HTTP的流式小文件VOD點(diǎn)播系統(tǒng)。這樣做的目的主要是加強(qiáng)平臺(tái)與第三方客戶端播放軟件的可交互性。

為確保音視頻平臺(tái)所提供的實(shí)時(shí)音視頻和錄像碼流能被其第三方客戶端軟件統(tǒng)一播放，視頻平臺(tái)與調(diào)用音視頻資源客戶端播放插件之間的音視頻碼流通信協(xié)議，應(yīng)采用MPEG DASH－264標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定的協(xié)議，其格式及交互過程按照RFC2616的要求。

2.3.3 中心設(shè)備間的通信

如圖2所示，Web服務(wù)器為監(jiān)控終端客戶端軟件提供Web訪問，并提供VOD點(diǎn)播服務(wù);多媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)流媒體轉(zhuǎn)碼和分發(fā);三者遵循LDAP規(guī)范與目錄服務(wù)器服務(wù)器交互，以實(shí)現(xiàn)目錄安全的訪問控制。

Web服務(wù)器在收到從用戶監(jiān)控終端客戶端軟件對(duì)車臺(tái)視頻監(jiān)控請(qǐng)求時(shí)，首先通過LDAP目錄服務(wù)器獲取用戶組權(quán)限內(nèi)的其他用戶活動(dòng)情況，若判定有用戶在對(duì)該車臺(tái)進(jìn)行視頻監(jiān)控，則Web后臺(tái)程序僅需要對(duì)發(fā)往前一個(gè)用戶的流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行分流轉(zhuǎn)發(fā)就可以了，若無其他用戶對(duì)該車臺(tái)實(shí)施監(jiān)控，則需要再一次通過LDAP目錄服務(wù)器獲取流媒體文件所在文件服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)路徑，開啟新的視頻監(jiān)控通道。

多媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)把接收到的實(shí)時(shí)監(jiān)控流分發(fā)到目標(biāo)文件服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，路由信息的獲取同樣需要通過LDAP目錄服務(wù)器來獲取。

文件服務(wù)器集群通過數(shù)據(jù)訪問層(DAL)構(gòu)建成一個(gè)分布式文件系統(tǒng)，多媒體服務(wù)器通過DAL層對(duì)分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行寫操作，Web后臺(tái)程序通過DAL層對(duì)分布式文件系統(tǒng)進(jìn)行讀操作。

3 視頻傳輸質(zhì)量的解決方案

DVR車臺(tái)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的自適應(yīng)傳輸方法主要包括如下步驟:

1)DVR車臺(tái)作為發(fā)送端，對(duì)欲發(fā)送的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。

2)由DVR車臺(tái)設(shè)定滿足視頻圖像數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)膸掗撝?，并偵測(cè)3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬情況，當(dāng)帶寬高于閾值時(shí)，將步驟1)中的碼流數(shù)據(jù)全部送入3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸;當(dāng)帶寬低于閾值時(shí)，只提取碼流中的I幀數(shù)據(jù)，送入3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

3)多媒體服務(wù)器作為接收端，對(duì)接收到的碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

發(fā)送端將視頻數(shù)據(jù)組包時(shí)，以視頻幀為單位組包傳輸［4］;發(fā)送端在發(fā)送前對(duì)視頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)，以窗口號(hào)為單位進(jìn)行組織，以一組或多組可完整進(jìn)行解碼播放的幀為一個(gè)窗口，一個(gè)窗口可以包含一個(gè)或多個(gè)i幀，以及多個(gè)p幀，編號(hào)格式為(窗口號(hào)，窗口內(nèi)幀號(hào))，上報(bào)組包示意圖見圖4。

接收端根據(jù)接收幀的編號(hào)判斷數(shù)據(jù)的接收完整度，若發(fā)現(xiàn)有未收到的數(shù)據(jù)幀，則接收端發(fā)送控制命令給發(fā)送端要求重傳;接收端每收到一個(gè)窗口的最后一幀數(shù)據(jù)，對(duì)該窗口進(jìn)行接收完整度的判斷和重傳處理;若接收端沒有收到窗口的最后一幀數(shù)據(jù)，直接開始收到后續(xù)窗口的數(shù)據(jù)幀，則接收端仍然會(huì)對(duì)上一窗口進(jìn)行接收完整度的判斷和重傳處理;傳輸完一個(gè)窗口的數(shù)據(jù)幀后，發(fā)送端不需要等待接收端的接收完成應(yīng)答，直接傳輸后續(xù)窗口的數(shù)據(jù)，一旦收到接收端的重傳控制指令，發(fā)送端優(yōu)先重傳接收端指定的數(shù)據(jù)幀。

圖4 上報(bào)組包示意Fig.4 Upload package diagram

接收端接收到發(fā)送端傳來的視頻數(shù)據(jù)不立即解碼播放，而是先存入緩存，當(dāng)緩存中的視頻數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)才開始解碼播放;在解碼播放時(shí)，接收端對(duì)緩存中的視頻數(shù)據(jù)，以一個(gè)窗口為一組可完整編碼播放的幀進(jìn)行處理，判斷方式如下:

1)若窗口數(shù)據(jù)中沒有i幀，則此窗口數(shù)據(jù)不進(jìn)行播放處理。

2)若窗口數(shù)據(jù)中i幀存在，而后續(xù)有連續(xù)N個(gè)p幀不存在，則從這連續(xù)N個(gè)p幀的第一幀起之后的幀不進(jìn)行解碼。如圖5所示。

3)若窗口數(shù)據(jù)中i幀存在，后續(xù)有M個(gè)p幀不存在，這M個(gè)不存在的幀在編號(hào)上并非連續(xù)的，則在這M個(gè)p幀的最后一幀起之后的幀不進(jìn)行解碼。如圖6所示。

圖5 連續(xù)缺幀解決示意Fig.5 Solution of continuous frame missing

1)在傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬較低或穩(wěn)定性不佳時(shí)，只傳輸I幀數(shù)據(jù)，可降低傳輸流量，節(jié)約視頻監(jiān)控的成本。

2)剔除碼流中的P幀數(shù)據(jù)，使得原始碼流的數(shù)據(jù)量變小，進(jìn)而降低對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，更適用于較低帶寬或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的傳輸條件;保留I幀抑制圖像的馬賽克出現(xiàn)幾率或面積，提高傳輸?shù)馁|(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，使用文中介紹的構(gòu)建方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)有了一個(gè)較好的了解，可以快速地組建相關(guān)行業(yè)所需的車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且可以針對(duì)特殊行業(yè)開展定制化需求的功能擴(kuò)展。比如針對(duì)銀行押鈔車的應(yīng)用場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)押運(yùn)車廂非正常開關(guān)門觸發(fā)的視頻報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控，上報(bào)的視頻流可以同時(shí)分流給保安公司、支行、總行、公安機(jī)關(guān)等地的監(jiān)控平臺(tái)。通過構(gòu)建這樣的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)及行業(yè)車輛應(yīng)用的現(xiàn)代化管理有著一定的意義。

圖6 非連續(xù)缺幀解決示意Fig.6 Solution of discontinuous frame missing

該接收端在解碼播放時(shí)，解碼播放設(shè)備按照數(shù)據(jù)中的原始幀率進(jìn)行勻速播放，若緩存占用率超過閾值時(shí)，則加快播放速度，一旦緩存占用率低于閾值，則立即按原始幀率進(jìn)行播放。

這個(gè)技術(shù)方案有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

［1］谷勝，王建華.基于ARM Linux的3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，23(35):141 －145.GU Sheng，WANG Jian －h(huán)ua，3G Wireless Vehicle－Mounted Video Surveillance System based on ARM Linux［J］.Modern Electronics Technique，2012，23(35):141 －145.

［2］惠曉威，王克.移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014，1(38):148 －150，179.HUI Xiao － wei，WANG Ke，Realistation of Mobile Video Surveillance System［J］.Computer Applications and Software，2014，1(38):148 －150，179.

［3］張美平，王麗明，趙樹峰.客運(yùn)車輛3G視頻監(jiān)控［J］.黑龍江科技信息，2011，11(25):69.ZHANG Mei－ping，WANG Li－ ming，ZHAO Shu － feng，Passenger Vehicle 3G Video Monitoring［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2011，11(25):69.

［4］張登偉，姜其巖.高效的H.264空域錯(cuò)誤隱藏算法［J］.通信技術(shù)，2011，44(12):90－92.ZHANG Deng － wei，JIANG Qi－ yan，Blind DOA Estimation based on PARAFAC under Uniform Array［J］.Communications Technology，2011，44(12):90 －92.