無線視頻監(jiān)控可靠性保障技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周曉

摘 要：本文主要討論如何實(shí)現(xiàn)不同無線信號(hào)下的視頻完成實(shí)時(shí)監(jiān)控，在監(jiān)控中設(shè)計(jì)一種參數(shù)能有效實(shí)現(xiàn)無線視頻監(jiān)控，而且還提高了無線視頻監(jiān)控中的視頻清晰度。開始介紹了無線視頻監(jiān)控的總體設(shè)計(jì)方案和無線實(shí)時(shí)監(jiān)控的工作原理，描述了方案的可靠性和保障技術(shù)，本次的監(jiān)控方式原理是將數(shù)據(jù)引入圖像緩沖區(qū)，在設(shè)置H.264編碼參數(shù)、并通過圖像幀的處理技術(shù)以及RTP/RTCP傳輸協(xié)議，這樣一來不但保障了無線實(shí)時(shí)視頻的傳輸性，還在傳輸方面提高了速度及可考性。通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的wifi、wcdma、td-lte等無線信息進(jìn)行測(cè)試，對(duì)無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，證實(shí)了改系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：無線監(jiān)控；視頻傳輸；可靠性

現(xiàn)今我國的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)發(fā)展迅速，并且現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)具有開放性、靈活性等給人們的生活帶來了很多便捷之處，在網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)展的年代，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)和使用逐漸被重視起來。由于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生，在不同的使用環(huán)境中對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的形式也隨之改變，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了寬帶化，加快了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度影響著各行各業(yè)的發(fā)展。目前，wifi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)已經(jīng)覆蓋了城市大部分面積，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人與pc無線連接，包括智能終端及互聯(lián)網(wǎng)電視設(shè)備等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持目前處在主流階段的連接方式IEEE的802.11b、80211g和802.11n，能輕松實(shí)現(xiàn)百米內(nèi)提供300Mbit/s的傳輸速度?，F(xiàn)在的無線移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)把無線通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不但能進(jìn)行高速信息傳輸，還能利用HSPA和HSPA+技術(shù)實(shí)現(xiàn)21Mbit/s的傳輸速度。然而，現(xiàn)在主流網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被4G所取代，利用LTE技術(shù)在20MHz的寬帶下也能提供下行速率高達(dá)100Mbit/s，最大的上行速率也有50Mbit/s的速度[1]。 在視頻領(lǐng)域方面以往的監(jiān)控多數(shù)利用有限傳輸，雖然能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是安裝線路煩雜，要在固定的區(qū)域內(nèi)裝置視頻監(jiān)控器，在監(jiān)控期間監(jiān)控人員不得擅自離開崗位，從意義上來講和人到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視無差別。之前也有過無線視頻監(jiān)控的技術(shù)，但是由于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度較慢，往往會(huì)出現(xiàn)延遲，沒辦法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，本文將結(jié)合所發(fā)現(xiàn)的問題加上現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)信息傳播技術(shù)，設(shè)計(jì)具可靠性并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案及原理

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案主要由3個(gè)部分組成：便攜式終端、中心節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心，如圖1所示。便攜式終端設(shè)備又分為3個(gè)模塊包括視頻采集模塊、視頻編碼模塊、視頻傳輸模塊。便攜式終端設(shè)備使用目前市場(chǎng)上比較主流的達(dá)芬奇技術(shù)平臺(tái)TMS320DM3730，使用ARM+DSP雙核結(jié)構(gòu)，此技術(shù)平臺(tái)能對(duì)視頻進(jìn)行采集、編碼、傳輸調(diào)度。視頻采集模塊使用支持多種分辨率的高清USB攝像頭，最大分辨率要在1920×1080，最高支持幀率為30f/s。視頻的編碼模塊由TMS320DM3730的DSP，此設(shè)備的編碼模塊最高主頻為800MHz，有效的加快了運(yùn)算速度和具有較高效率的編碼過程[2]。視頻傳輸模塊使用現(xiàn)今無線網(wǎng)絡(luò)信息傳播方式，使用不同無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行測(cè)試傳播，視頻的無線傳播模塊使用無線網(wǎng)卡、WCDMA無線上網(wǎng)卡 TD-LTE無線數(shù)據(jù)卡進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸。

中心節(jié)點(diǎn)接受便攜式終端能發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，把監(jiān)控視頻中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)給監(jiān)控中心。使用wifi、WCDMA和TD-LTE信道，中心節(jié)點(diǎn)分別是wlan ap接入點(diǎn)、WCDMA基站和TD-LTE基站。

監(jiān)控中心可以用Windows系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，使用電腦軟件FFmpeg編輯庫對(duì)視頻所拍到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后由OpenCV把解碼后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)廠圖像處理從而實(shí)現(xiàn)同步顯示。同時(shí)，監(jiān)控中心接受到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行體統(tǒng)的性能評(píng)估。

2 無線監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Video4Linux2（V4L2）視頻采集框架和達(dá)芬奇技術(shù)平臺(tái)的H.264編碼器的特征，結(jié)合相關(guān)的視頻數(shù)據(jù)包在傳輸層、無線網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層上的傳輸特點(diǎn)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的安全技術(shù)主要是在原始圖像緩沖區(qū)、H264解碼器上進(jìn)行圖像參數(shù)設(shè)置、圖像幀數(shù)處理和RTP/RTCP實(shí)時(shí)傳輸來實(shí)現(xiàn)安全性[3]。

2.1 原始圖像緩沖區(qū)

便攜式終端設(shè)備使用的是嵌入式Linnx系統(tǒng)中的V4L2視頻采集框架，在這種便攜式設(shè)備終端進(jìn)行視頻采集，一般設(shè)置采集視頻的格式為YUV格式，設(shè)置采集的最大幀數(shù)為30f/s，圖像分辨率調(diào)制為352×288，分辨率的格式設(shè)置成CIF格式，這樣適合用在網(wǎng)絡(luò)視頻信息傳播。在實(shí)際的視頻采集過程中，采集的幀率是會(huì)發(fā)生變化的，一般的變化范圍是在20～30f/s之間。同時(shí)，TMS320DM3730平臺(tái)上DSP核的H.264編碼速率也是動(dòng)態(tài)的，在視頻采集過程中編碼的速率低于視頻采集幀率的要求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)原始圖數(shù)據(jù)丟失的情況，這樣就會(huì)降低了視頻傳輸系統(tǒng)的可靠性。所以，在通過設(shè)置原始圖像緩沖區(qū)來進(jìn)行控制H.264編碼的速率和視頻采集幀數(shù)，這樣一來就能有效的提高無線監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。原始圖像緩沖區(qū)的大小要按照不同的無線信號(hào)質(zhì)量來設(shè)置圖像幀數(shù)，一般設(shè)置為10～30幀，這樣系統(tǒng)在進(jìn)行圖像緩沖時(shí)的延遲就為333～1000ms。

2.2 圖像幀的處理機(jī)制

圖像幀的處理要從原始圖像緩沖區(qū)取出只含有1幀的圖像，然后經(jīng)過編碼器H.264進(jìn)行編碼，通過便攜式終端設(shè)備上的信息傳輸?shù)侥K各幀圖像信息發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。在視頻的傳輸過程中要是直接使用視頻傳輸模塊在網(wǎng)絡(luò)層中對(duì)1幀H.264的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣一來網(wǎng)絡(luò)層中的ip協(xié)議就會(huì)出現(xiàn)以下的處理過程：第一，判斷傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)的大小是否超過了網(wǎng)絡(luò)端口的最大傳輸單元，要是傳輸過來的圖像超過了網(wǎng)絡(luò)端口的最大傳輸單元，網(wǎng)絡(luò)層就會(huì)自動(dòng)將圖像數(shù)據(jù)按照MTU值的大小來進(jìn)行分包傳輸，在分包傳輸時(shí)，會(huì)給傳輸任務(wù)進(jìn)行編號(hào)處理，使用網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送信號(hào)給接收端；網(wǎng)絡(luò)層會(huì)自動(dòng)對(duì)接收到的分包進(jìn)行排列組合，如果相關(guān)的數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，網(wǎng)絡(luò)層這時(shí)就會(huì)自動(dòng)丟棄改數(shù)據(jù)，這樣一來就造成了圖像幀的丟失，降低了系統(tǒng)的可靠性，這就是網(wǎng)絡(luò)層的自動(dòng)分包重組機(jī)制[3]。

把1幀H.264的圖像通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送之前，要把需要通過處理的每一幀進(jìn)行手動(dòng)分包，并給所分的包加上一個(gè)編號(hào)，這樣在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層傳輸過程中就不會(huì)因?yàn)椴煌W(wǎng)絡(luò)層的ip協(xié)議而引起自動(dòng)分包和重組，避免了圖像數(shù)據(jù)的丟失，圖像幀的處理方法如表2所示。

便攜式終端設(shè)備所采用是的視頻傳輸模塊接口的MTU值一般為1500byte，MTU值中還包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開銷，所以在幀的處理過程中，分包的大小最好不要超過1500byte。幀處理機(jī)制會(huì)自動(dòng)把1幀H.264的圖像按照比1500byte還小的進(jìn)行手動(dòng)分包，在分包過程中會(huì)給每一個(gè)包添加一個(gè)幀號(hào)、幀長、包號(hào)等信息各自占4byte，那么一個(gè)分包的總大小就是1012byte，在進(jìn)行分包后的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下表3所示。

3 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的無線傳輸信息使用的是WiFi信道、WCDMA信道和TD-LTE信道，三種測(cè)試結(jié)果和質(zhì)量可見下表4所示。

4 結(jié)束語

wifi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)已經(jīng)覆蓋了城市大部分面積，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人與pc無線連接，包括智能終端及互聯(lián)網(wǎng)電視設(shè)備等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持目前處在主流階段的連接方式IEEE的802.11b、80211g和802.11n，能輕松實(shí)現(xiàn)百米內(nèi)提供300Mbit/s的傳輸速度?，F(xiàn)在的無線移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)把無線通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不但能進(jìn)行高速信息傳輸，還能利用HSPA和HSPA+技術(shù)實(shí)現(xiàn)21Mbit/s的傳輸速度，使用三種方式的傳輸都能有效的實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

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