基于3G通信技術(shù)的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

黃吉林 陳明芳

摘 要：傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)存在線路鋪設(shè)難、組網(wǎng)復(fù)雜、維護(hù)成本高、靈活性差等缺點(diǎn)，隨著3G技術(shù)的不斷發(fā)展，一種基于無(wú)線傳輸技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用日漸成熟。本文重點(diǎn)介紹了無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各部分功能及系統(tǒng)中的3G技術(shù)、H.264視頻編碼技術(shù)、RTP/RTCP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，并對(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控的發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)線視頻監(jiān)控；3G技術(shù)；H.264視頻編碼；RTP/RTCP實(shí)時(shí)傳輸

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦须S處可見(jiàn)，其作為一種便捷高效的安防系統(tǒng)在保護(hù)公眾和個(gè)人的生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重大作用。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多依托有線網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻采集，有線線路戶外架設(shè)及維護(hù)成本高，組網(wǎng)復(fù)雜，靈活性差，而且有些監(jiān)控點(diǎn)地處偏僻，分布不均，線路架設(shè)困難，應(yīng)用范圍受限。隨著3G移動(dòng)通信技術(shù)的日趨成熟和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的日趨規(guī)范化，以3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介的視頻監(jiān)控，可以克服傳統(tǒng)有線方式對(duì)地理位置變化和處于運(yùn)動(dòng)中的監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提供更加靈活的組網(wǎng)方式，滿足不能架設(shè)線路的監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控需求，安裝方便、易于維護(hù)、擴(kuò)展性好、性價(jià)比高。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)結(jié)合了3G移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由前端平臺(tái)，監(jiān)控中心，監(jiān)控終端三大部分構(gòu)成，如圖1所示。

1.1 前端平臺(tái)

視頻采集模塊從監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)采集視頻信息，然后交由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行H.264壓縮編碼及其它流媒體技術(shù)處理，最后交由3G無(wú)線傳輸模塊發(fā)送，該模塊應(yīng)具有自動(dòng)PPPoP重?fù)芄δ鼙ＷC24小時(shí)在線，并且嵌入式地實(shí)現(xiàn)TCP（UDP）/IP協(xié)議、RTP/RTCP協(xié)議，同時(shí)支持動(dòng)態(tài)IP和GIS服務(wù)。

1.2 監(jiān)控中心

視頻監(jiān)控中心平臺(tái)主要完成注冊(cè)管理、業(yè)務(wù)管理、設(shè)備管理、用戶管理、連接管理等功能，由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器、備份服務(wù)器等構(gòu)成，其中：

⑴應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器面向用戶提供功能響應(yīng)，并根據(jù)系統(tǒng)配置策略完成連接管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)管理等功能。

⑵數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要處理用戶請(qǐng)求，高效提供對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

⑶數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)主要負(fù)責(zé)存放圖像信息、用戶信息、監(jiān)控終端信息、告警信息、用戶訪問(wèn)記錄、管理員信息、業(yè)務(wù)策略和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息等。用于存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)并進(jìn)行優(yōu)化，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

⑷備份服務(wù)器。備份服務(wù)器根據(jù)備份策略，完成數(shù)據(jù)的備份工作。

監(jiān)控中心根據(jù)應(yīng)用分為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、軟件管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)，其中：

⑴網(wǎng)管系統(tǒng)提供注冊(cè)、代理、重定向服務(wù)，負(fù)責(zé)用戶終端和監(jiān)控終端接入認(rèn)證、授權(quán)，以及用戶與監(jiān)控終端之間的連接建立、維護(hù)、拆除和媒體，安全策略的協(xié)商，提供域名解析，NAT穿越等服務(wù)。

⑵業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶信息管理、用戶權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端設(shè)備管理、安全策略管理、業(yè)務(wù)開(kāi)展策略管理及用戶服務(wù)等。

⑶軟件管理系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)圖像調(diào)閱、遠(yuǎn)程控制、歷史圖像提取、圖像接入、圖像文件索引、圖像轉(zhuǎn)發(fā)、用戶管理與權(quán)限管理、GIS服務(wù)、用戶服務(wù)、其他接口、故障告警、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程管理、日志和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

⑷數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)視頻采集前端設(shè)備參數(shù)、監(jiān)控終端設(shè)備參數(shù)、用戶登入管理等信息以及視頻監(jiān)控故障日志。

1.3 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端包括固定（PC機(jī)、電視墻）和移動(dòng)（筆記本、手機(jī)、車載終端）兩種方式，可以實(shí)時(shí)接收前端的視頻流進(jìn)行監(jiān)控，又可以按照需要登陸數(shù)據(jù)服務(wù)器查詢歷史記錄。3G移動(dòng)視頻監(jiān)控終端作為原本基于固網(wǎng)寬帶的PC終端的有效補(bǔ)充，充分利用了設(shè)備的可移動(dòng)性，為用戶提供了隨時(shí)接入視頻監(jiān)控平臺(tái)的便利性。相應(yīng)地，監(jiān)控終端需支持TCP（UDP/IP）協(xié)議和RTP/RTCP協(xié)議，移動(dòng)終端還需支持動(dòng)態(tài)IP和GIS服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 第三代移動(dòng)通信技術(shù)

第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)，其主要特征是可提供移動(dòng)寬帶多媒體業(yè)務(wù)，保證可靠的服務(wù)質(zhì)量，能夠處理圖像、音樂(lè)、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。在三大3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，WCDMA是最成熟穩(wěn)定、市場(chǎng)占有率最高的3G技術(shù)，因此本系統(tǒng)可以采用中國(guó)聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)聯(lián)通WCDMA網(wǎng)絡(luò)在HSDPA支持下，下行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)14.4Mb/s，上行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)5.76Mb/s，完全可以滿足CIF格式（H.264視頻編碼通常采用此格式）視頻流的上傳帶寬需求，這就使得利用3G分組域承載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)成為了可能。

雖然WCDMA網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠滿足視頻傳輸?shù)男枨?，但從?jié)約流量費(fèi)用的角度考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要盡可能地在保證圖像質(zhì)量的前提下減少網(wǎng)絡(luò)流量，這取決于視頻編碼方法。

2.2 H.264視頻壓縮技術(shù)

H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（JVT：joint video team）開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。H.264以低碼率、高清晰的特點(diǎn)持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量，能夠大大增強(qiáng)圖像的編碼效率和改善圖像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，成為目前和下一代網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸?shù)闹饕袷胶蜆?biāo)準(zhǔn)。

H.264算法在概念上分為兩層：視頻編碼層（VCL，Video Coding Layer）和網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL，Network Abstract Layer）。VCL包含了代表視頻圖像內(nèi)容的核心壓縮編碼部分的表述，主要用來(lái)完成視頻的高效壓縮編碼；NAL用來(lái)適應(yīng)各種通信網(wǎng)絡(luò)，并提供適應(yīng)于各種傳輸層或存儲(chǔ)媒體的頭信息，顯著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目垢蓴_能力。與以往的H.263和MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，其采用的新技術(shù)有運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；幀內(nèi)/幀間預(yù)測(cè)；熵編碼；整數(shù)變換及量化；抗塊效應(yīng)濾波器等。H.264視頻編解碼流程如圖2和圖3所示。

H.264編碼過(guò)程采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、整數(shù)變換等方式進(jìn)行壓縮編碼以提高對(duì)圖像的壓縮率。幀內(nèi)預(yù)測(cè)是進(jìn)行圖像空間域的壓縮，利用圖像中相鄰像素的相關(guān)性，采用新的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式，通過(guò)當(dāng)前像素塊的左邊和上邊的已編碼重建的像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，只對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行編碼從而能用較少的比特?cái)?shù)來(lái)表達(dá)幀內(nèi)編碼的像素塊信息；而幀間預(yù)測(cè)是對(duì)圖像的時(shí)間預(yù)進(jìn)行壓縮，根據(jù)前后圖像的相關(guān)性進(jìn)行編碼，通過(guò)多幀參考和更小運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)區(qū)域等方法對(duì)下一幀進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)降低圖像的時(shí)域相關(guān)性。H.264把運(yùn)動(dòng)估值和幀內(nèi)預(yù)測(cè)的殘差結(jié)果從時(shí)域變換到頻域，使用了類似于4*4離散余弦變換DCT的整數(shù)變換，而不是像MPEG-2那樣采用8*8DCT的浮點(diǎn)數(shù)變換。以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換具備效果好、計(jì)算快，只需加法和移位運(yùn)算，反變換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)適配問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。最后，進(jìn)行無(wú)損熵編碼進(jìn)一步提高碼率。解碼則為編碼的逆過(guò)程。

2.3 流媒體實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議包含兩個(gè)部分，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議RTP和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP。它們可以一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)，以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP（Real-time Transport Protocol）是針對(duì)Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個(gè)傳輸協(xié)議，它被定義為在一對(duì)一或一對(duì)多的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。RTP的典型應(yīng)用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。

RTCP（RTP Control Protocol），即RTP控制協(xié)議。RTP通過(guò)RTCP攜帶的信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)音視頻數(shù)據(jù)包的延時(shí)、抖動(dòng)、丟包狀況，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬變化情況，從而可在應(yīng)用層對(duì)視頻源的發(fā)送參數(shù)做出調(diào)整，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。在RTCP通信控制中，RTCP協(xié)議的功能是通過(guò)不同的RTCP數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有如下幾種類型：SR，發(fā)送端報(bào)告（Sender Report）；RR，接收端報(bào)告（Receive Report）；SDES，源描述（Source Description）；BYE，通知離開(kāi)；協(xié)議流程如圖4所示。

在服務(wù)端，RTP模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)H.264視頻流進(jìn)行打包，封裝成RTP數(shù)據(jù)包，并且將RTP包發(fā)送到緩沖區(qū)。RTCP模塊主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生和發(fā)送RTCP包以及接收分析收到的RTCP包，它包含以下幾個(gè)過(guò)程：（1） 發(fā)送：當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸一定的時(shí)間間隔后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行SR打包并發(fā)送到客戶端；（2） 接收：接收客戶端產(chǎn)生的RR報(bào)文進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)丟包率，延遲等；（3） 結(jié)束：如果收到客戶端用戶發(fā)來(lái)的終止事件時(shí)，立即發(fā)送一個(gè)BYE包給客戶端，釋放資源并退出對(duì)話。服務(wù)器端的發(fā)送緩沖模塊根據(jù)RR報(bào)文反饋信息判斷網(wǎng)絡(luò)狀況，動(dòng)態(tài)的對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整。

在客戶端，RTP模塊主要是進(jìn)行解包處理，提取RTP包中的有用信息。這些信息主要包括版本號(hào)和報(bào)文負(fù)載類型的判斷、媒體數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、報(bào)文頭中序列號(hào)的檢查等等。RTCP模塊利用服務(wù)器端發(fā)來(lái)的RTP包和SR包中的信息，統(tǒng)計(jì)出丟包率，接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，亂序等等，并動(dòng)態(tài)產(chǎn)生RR包，等過(guò)了一個(gè)RTCP間隔后，發(fā)送RR包。接收緩沖模塊存放收到的RTP包，由于RTP數(shù)據(jù)包是采用UDP的傳輸，所以可能會(huì)出現(xiàn)亂序和丟包的情況，因此在客戶端建立一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)存放收到的RTP包，以恢復(fù)正確的RTP包順序和防止丟包。

3 系統(tǒng)視頻流傳輸流程

在無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控中心和視頻采集前端，視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控中心，二者均采用Client/Server（C/S）模式。監(jiān)控終端運(yùn)行在Client模式，主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)起視頻監(jiān)控請(qǐng)求，監(jiān)控中心同樣在Client模式下主動(dòng)向采集前端發(fā)起視頻回傳請(qǐng)求，采集前端在Server模式接受請(qǐng)求并通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控畫(huà)面?zhèn)骰氐奖O(jiān)控中心服務(wù)器，最后監(jiān)控中心在Server模式下將監(jiān)控畫(huà)面?zhèn)魉椭帘O(jiān)控終端并同時(shí)將視頻流保存到服務(wù)器中供日后調(diào)閱錄像用。視頻采集前端發(fā)送流程，監(jiān)控中心運(yùn)行流程，監(jiān)控終端接收流程分別如圖5、圖6、圖7所示。

4 結(jié)論

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，3G視頻監(jiān)控的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。3G與固網(wǎng)的融合，只要IP可達(dá)，便可以實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)的無(wú)線監(jiān)控。然而，無(wú)線信道具有不穩(wěn)定性，傳輸誤碼率在信道惡劣的情況下較高，因此研發(fā)抗誤碼技術(shù)是保證數(shù)據(jù)可靠、魯棒性傳輸?shù)年P(guān)鍵；同時(shí)，由于信道帶寬抖動(dòng)，碼率控制對(duì)于視頻編碼器輸出碼流與信道速率的匹配，以及在碼率受限的條件下重建視頻質(zhì)量的優(yōu)化都具有十分重要的意義；此外，H.264使用了多種新技術(shù)，增加了編解碼的復(fù)雜度，有時(shí)難以滿足實(shí)時(shí)性的要求，因此對(duì)H.264算法進(jìn)行優(yōu)化，降低計(jì)算復(fù)雜度以更好的滿足實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的需求是值得探討的。總之，由于無(wú)線信道固有的特性，致使無(wú)線環(huán)境下的視頻通信將面臨著比其它環(huán)境下更大的挑戰(zhàn)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)可以從抗信道誤碼、自適應(yīng)碼率控制、H.264編解碼優(yōu)化等方面入手，以使無(wú)線視頻監(jiān)控更好地服務(wù)于各種安防領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙軍.應(yīng)急指揮移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦學(xué)習(xí).

[2]牛雙慶，王崇萍.HSUPA空分復(fù)用技術(shù)在無(wú)線視頻監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 電信技術(shù).

[3]崔玉斌.基于H.264/AVC的無(wú)線視頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文.

[4]常侃.H.264的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文.

[5]樊姍.基于RTP/RTCP的H.264視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè).