基于4G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

侯寶臨，周　帥，姚遠(yuǎn)程（西南科技大學(xué)　信息工程學(xué)院　特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川　綿陽(yáng)　621010）

基于4G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

侯寶臨，周帥，姚遠(yuǎn)程
（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621010）

提出了一種通用的基于4G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成，重點(diǎn)研究了視頻采集、視頻解碼、圖像實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和播放等關(guān)鍵視頻技術(shù)，同時(shí)給出了Windows平臺(tái)下基于OpenCV的播放器設(shè)計(jì)和基于MFC的軟件界面設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸確保了視頻的清晰度和流暢性，移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警功能可防止監(jiān)控人員錯(cuò)過(guò)重要信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4G網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控；移動(dòng)檢測(cè)；異常報(bào)警

0　引言

自2013年12月4日中國(guó)移動(dòng)獲得中國(guó)國(guó)內(nèi)第一個(gè)4G牌照以來(lái)，我國(guó)絕大部分城市的居民已經(jīng)可以享受到LTE技術(shù)帶來(lái)的便利。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及和流量資費(fèi)的不斷降低，無(wú)線視頻監(jiān)控能夠在特殊押運(yùn)、資源監(jiān)控、安防監(jiān)控等眾多領(lǐng)域?yàn)槿藗兲峁└?、更?yōu)質(zhì)的服務(wù)［1-3］。本文所研究的內(nèi)容正是利用目前最新的4G通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和移動(dòng)物體報(bào)警功能。與其他的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)相比，4G網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力確保了視頻的清晰度和流暢性，移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警功能可以防止監(jiān)控人員因疲勞、暫離崗位等原因錯(cuò)過(guò)重要信息。除攝像頭之外，用戶也可根據(jù)需要外掛不同的傳感設(shè)備，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)來(lái)滿足自身需求。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于現(xiàn)有的移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，主要由支持4G的監(jiān)控終端和監(jiān)控中心軟件兩部分組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。監(jiān)控終端通過(guò)攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，一方面在圖像序列中檢測(cè)是否有移動(dòng)物體，另一方面將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的上位機(jī)承擔(dān)服務(wù)器和播放器的雙重功能，軟件接收到監(jiān)控終端傳來(lái)的視頻流數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼、顯示、存儲(chǔ)和播放等，同時(shí)根據(jù)接收到的報(bào)警信息觸發(fā)報(bào)警功能。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

信息采集端由低功耗、易安裝的嵌入式系統(tǒng)完成，主要包括嵌入式處理器、電源模塊、攝像頭、存儲(chǔ)設(shè)備、復(fù)位模塊等。在硬件平臺(tái)上搭載Linux嵌入式操作系統(tǒng)，既降低了軟件的開(kāi)發(fā)難度，也可以方便地?cái)U(kuò)展其他功能。

監(jiān)控中心軟件在Windows平臺(tái)下設(shè)計(jì)完成，主要包括H.264視頻流接收、解碼、緩存、播放器的設(shè)計(jì)以及報(bào)警等功能。借助域名服務(wù)器、FFmpeg、OpenCV等開(kāi)發(fā)工具自主設(shè)計(jì)視頻播放軟件，使得整個(gè)系統(tǒng)更加完善。具體的功能要求和應(yīng)用場(chǎng)景使得應(yīng)用軟件能在最小的資源要求下為用戶提供良好的監(jiān)控畫(huà)面，簡(jiǎn)潔的用戶管理系統(tǒng)提升了系統(tǒng)的安全性和保密性［4-5］。

2　嵌入式監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端采用三星公司的S5PV210作為主處理器，該芯片運(yùn)行主頻可高達(dá)1GHz，內(nèi)部集成了PowerVR SGX540高性能圖像引擎，能流暢地運(yùn)行Android、Linux和WinCE等操作系統(tǒng)。4G模塊為中興公司生產(chǎn)的ME3760，該模塊是一款基于MiniPCI Express接口的多模無(wú)線上網(wǎng)模塊，支持TD-LTE/LTE-FDD/TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，可提供移動(dòng)環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)，4G環(huán)境下最大下行速率可達(dá)100Mb/s。百萬(wàn)高清松翰SN9C291+OV9712網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控專用攝像頭組成了系統(tǒng)的視頻采集模塊。OV9712 CameraChip圖像傳感器體積小、工作電壓低等特點(diǎn)，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8bit影像數(shù)據(jù)。USB2.0的攝像頭控制器采用SN9C291，該芯片具有超強(qiáng)的圖像信號(hào)處理能力，可以確保圖像的質(zhì)量和讀取速度。此外，高性能的Motion-JPEG/H.264壓縮技術(shù)可以滿足不同帶寬的需求、低電壓工作狀態(tài)并支持圖像縮放非常適合嵌入式應(yīng)用［6-7］。

2.2嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)的移植和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)兩部分。驅(qū)動(dòng)移植是根據(jù)Linux內(nèi)核版本的不同更新或者替換原驅(qū)動(dòng)中的功能函數(shù)。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制，這樣的分層機(jī)制體現(xiàn)了軟件、硬件分離的思想，大大提升了嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)速度［8］。

本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)上，移植了ME3760通信模塊和USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，完善了PPPOE撥號(hào)功能，并完成了相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序分層示意圖如圖2所示。

圖2　驅(qū)動(dòng)程序分層示意圖

驅(qū)動(dòng)移植是為應(yīng)用程序服務(wù)的，應(yīng)用程序通過(guò)接口訪問(wèn)、控制硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，進(jìn)而將各種功能函數(shù)有序地組合來(lái)完成系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式端的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

各部分具體功能如下：

（1）系統(tǒng)初始化將攝像頭、網(wǎng)絡(luò)模塊等切換到工作狀態(tài)，申請(qǐng)需要的內(nèi)存空間，通過(guò)PPP撥號(hào)接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并建立TCP連接；

（2）從攝像頭讀取原始圖像，父進(jìn)程將圖像原始數(shù)據(jù)壓縮編碼后送給網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)，子進(jìn)程通過(guò)背景差法分析監(jiān)控畫(huà)面中是否闖入了移動(dòng)物體，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定是否設(shè)置報(bào)警信息；

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)分包后發(fā)送到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，子進(jìn)程將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)將報(bào)警信息發(fā)送給監(jiān)控端。

以USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的移植為例，首先將攝像頭的產(chǎn)品ID添加到Linux UVC（USB Video Class）驅(qū)動(dòng)的device_ID列表中，當(dāng)設(shè)備接入開(kāi)發(fā)板時(shí)系統(tǒng)通過(guò)USB讀取設(shè)備信息。根據(jù)信息內(nèi)容調(diào)用UVC驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/video，當(dāng)查詢到設(shè)備節(jié)點(diǎn)后就可以利用V4L2（Video 4 for Linux 2）驅(qū)動(dòng)架構(gòu)對(duì)攝像頭進(jìn)行操作了，V4L2操作函數(shù)如表1所示，在V4L2驅(qū)動(dòng)中可以看到針對(duì)USB免驅(qū)攝像頭可實(shí)現(xiàn)的基本操作。

表1　V4L2操作函數(shù)分析

3　監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1播放器功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控端軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在PC端從網(wǎng)絡(luò)上接收視頻數(shù)據(jù)并播放、存儲(chǔ)等功能，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需要添加了用戶管理和報(bào)警提示的功能，改善了系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1.1基于FFmpeg的視頻流解碼

Windows下視頻流解碼的方法有很多，開(kāi)源的FFmpeg程序是較為常用的一種。FFmpeg是一個(gè)開(kāi)源免費(fèi)跨平臺(tái)的視頻和音頻流方案，采用LGPL或GPL許可證，提供錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案，使用方便、可靠性高，在Windows平臺(tái)下有廣泛的應(yīng)用。

FFmpeg包含了libavcodec庫(kù)、libavformat庫(kù)和ffmpeg轉(zhuǎn)換程序等。FFmpeg編譯成功后獲得FFMPEG庫(kù)，包含了編程需要的頭文件，lib運(yùn)行庫(kù)和許多的DLL批處理命令。通過(guò)配置計(jì)算機(jī)的環(huán)境變量，就可以在Windows下使用FFmpeg庫(kù)。

FFmpeg視頻流解碼流程可分為以下幾個(gè)步驟：

（1）定義變量，申請(qǐng)內(nèi)存空間為解碼器運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作；

（2）初始化解碼器，注冊(cè)編碼器、復(fù)用器等；

（3）打開(kāi)視頻流文件，取出包含在文件中的流信息；

（4）找到視頻流起始位置，并記錄該流的編碼信息；

（5）尋找匹配的視頻流的解碼器，系統(tǒng)只用到了H.264的解碼函數(shù)；

（6）進(jìn)行解碼并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換解碼后的圖片格式。

3.1.2基于OpenCV的播放器設(shè)計(jì)

OpenCV是Inter公司的開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，它是輕量級(jí)而且高效，它由一系列的C函數(shù)和少量的C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法［9-10］。OpenCV開(kāi)發(fā)包提供了讀取各種類型的圖像文件、視頻內(nèi)容以及攝像機(jī)輸入的功能。在屏幕上顯示一張圖像可以通過(guò)編寫(xiě)以下程序?qū)崿F(xiàn)。

3.2軟件界面設(shè)計(jì)

微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsoft Foundation Classes，MFC）是一個(gè)微軟公司提供的類庫(kù)，以C++類的形式封裝了Windows API，包含一個(gè)應(yīng)用程序框架，以減少應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員的工作量。本文用戶登錄界面采用基于對(duì)話框的設(shè)計(jì)模式，每個(gè)交互界面都是一個(gè)窗口，它們都繼承自MFC的基礎(chǔ)對(duì)話框類Cdialog并且都與一個(gè)相關(guān)的資源類綁定。該程序的主要功能是根據(jù)用戶輸入的用戶名和密碼信息，判定用戶是否具有該系統(tǒng)的使用權(quán)限，系統(tǒng)的用戶登錄界面如圖4所示。

圖4　用戶登錄界面

視頻監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)以播放器為主體內(nèi)容，添加了系統(tǒng)LOGO和報(bào)警指示。報(bào)警指示以圖片插件為基礎(chǔ)，當(dāng)收到報(bào)警信息后，黃、紅兩張圖片順序切換展現(xiàn)出指示燈閃爍的效果，并且通過(guò)PC音頻設(shè)備播放警報(bào)聲引起監(jiān)控人員的注意。監(jiān)控人員收到報(bào)警信息后可以通過(guò)停止按鍵終止此次報(bào)警，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5　監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果圖

4　結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前的監(jiān)控技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一套基于4G無(wú)線技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)裝載了Linux系統(tǒng)的嵌入式終端和Windows桌面控制軟件完成了視頻監(jiān)控、移動(dòng)物體報(bào)警等功能，系統(tǒng)涵蓋了無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的最新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究或者教學(xué)中可以起到很好的啟發(fā)作用，有很好的推廣價(jià)值。在以后的研究過(guò)程中將進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

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［2］董向華，楊勇.基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.通信技術(shù)，2013，46（2）：64-66.

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Design of video monitoring system based on the 4G mobile communication technology

Hou Baolin，Zhou Shuai，Yao Yuancheng
（School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province，Mianyang 621010，China）

A generic design and implementation method of video surveillance system based on 4G network is proposed in this paper.It focuses on the software part of the system involved in video capture，decoding，real-time image display，storage and playback etc.of video technology.At the same time it gives the Windows platform specific implementation method based on OpenCV player and MFC software interface design.Compared with the traditional monitoring system，using the 4G network to transmit video signal ensures clarity and fluency.Moving object detection alarm monitoring can prevent the security personnel missing important information，and it has broad application prospects.

4G network；video surveillance；movement detection；abnormity alarm

TN911

A

1674-7720（2015）16-0039-04

侯寶臨，周帥，姚遠(yuǎn)程.基于4G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：39-42.

2015-04-20）

侯寶臨（1987-），通信作者，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、高速數(shù)字信號(hào)處理。E-mail：hbldwqx@163.com。

周帥（1989-），男，學(xué)士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

姚遠(yuǎn)程（1962-），男，碩士，教授，主要研究方向：軟件無(wú)線電技術(shù)。

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（B3120133002）；中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所項(xiàng)目（14zh0209）