移動監(jiān)控視頻系統(tǒng)關鍵技術研究與實現(xiàn)

張紅軍 段賀兵 曹志慷 石明明 王豫鑫

摘 要：本文介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及移動視頻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，設計了一套移動視頻系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，通過實驗數(shù)據(jù)測試，該系統(tǒng)在保證視頻質(zhì)量不下降和帶寬不增加的前提下，算法復雜度和壓縮時間大大縮減。

關鍵詞： 移動視頻;系統(tǒng);算法實現(xiàn);安全性

文章編號： 2095-2163（2019）03-0237-04 中圖分類號： TP312 文獻標志碼： A

0 引 言

移動視頻監(jiān)控是無線網(wǎng)絡技術、流媒體技術以及視頻監(jiān)控技術等多種技術融合發(fā)展的新產(chǎn)物，是視頻監(jiān)控技術在移動網(wǎng)絡和移動終端上的應用，其目的是為移動終端提供實時的視頻監(jiān)控服務。因其具有覆蓋面廣、不受空間限制、安裝接入方便、迅捷高效、成本低廉、及時聯(lián)動、性能穩(wěn)定和業(yè)務多樣等優(yōu)點，目前廣泛應用于賓館酒店、醫(yī)院、交通樞紐、鐵路管線、金融、地鐵、公交、環(huán)保、質(zhì)檢和大型超市等行業(yè)監(jiān)控場所。

相對傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡監(jiān)控，移動視頻監(jiān)控技術雖能解決被動監(jiān)控、監(jiān)控點固定、自主識別目標能力差等問題，但也面臨著并發(fā)訪問量大、移動網(wǎng)絡的多樣性、移動網(wǎng)絡的不完善、移動終端的異構(gòu)性和移動終端性能不足等挑戰(zhàn)。

由于視頻文件包含的數(shù)據(jù)信息量相當巨大，如何準確、高效地對其進行處理和分析即已成為學界的一個焦點課題。本文主要從移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)整體方案設計、硬件設計、軟件設計和關鍵技術實現(xiàn)四個方面來研究，有針對性地運用技術手段來提升移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和高效性。對此可展開闡釋論述如下。

1 系統(tǒng)整體方案設計

1.1 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

一套完整的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由視頻采集系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控端處理系統(tǒng)三部分組成。其中，視頻采集系統(tǒng)的采集端采用多通道來實現(xiàn)對多個不同地點的實時監(jiān)控;信號傳輸系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡（WLAN）來進行信號傳輸，使用無線WiFi技術，其覆蓋范圍可達200 m左右，若需要做到遠距離的監(jiān)控，可以在設計時另行建立無線橋接器設備（AP），使該系統(tǒng)與有線網(wǎng)絡（Internet）相連來實現(xiàn)遠程監(jiān)控，如此既免去了傳統(tǒng)有線監(jiān)控布線的繁瑣，而且不需要支付額外的網(wǎng)絡費用;監(jiān)控端處理系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶等優(yōu)點，可以手持監(jiān)控終端對各路采集點進行實時監(jiān)控，通道切換及對視頻的及時處理非常方便，還可以在整個局域網(wǎng)的任何地方進行監(jiān)控。

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，主要由視頻采集設備、采集端嵌入式設備、無線收發(fā)設備、視頻顯示設備組成。其中，視頻采集設備和監(jiān)控終端設備都需要采用嵌入式設備，用來對數(shù)據(jù)信息進行分析和處理。采集端的嵌入式設備主要功能是用來控制視頻采集設備進行視頻采集、視頻數(shù)據(jù)處理、控制無線數(shù)據(jù)發(fā)送設備進行數(shù)據(jù)發(fā)送;監(jiān)控終端的嵌入式設備主要功能是用來控制無線接收設備進行數(shù)據(jù)接收、視頻數(shù)據(jù)處理、在視頻顯示設備上播放視頻，無線發(fā)送設備通過WLAN無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到無線接收設備。

1.2 移動視頻系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

在開啟硬件體系結(jié)構(gòu)設計之前，需要先選擇適合于本次研發(fā)系統(tǒng)的硬件，而后才是對具體元器件的設計與開發(fā)。硬件設備的選擇是否優(yōu)化、合理將直接影響著系統(tǒng)后期開發(fā)的成敗，故而在研究中擬對現(xiàn)有各類型號的儀器設備進行性能、開銷、價格成本等方面的綜合衡量與對比分析。由圖1的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)可以得知，移動視頻系統(tǒng)硬件環(huán)境中主要包括視頻采集設備、嵌入式設備、無線收發(fā)設備、視頻顯示設備。這里，對此內(nèi)容將做探討分述如下。

1.2.1 視頻采集設備的選擇

研究中，在選擇視頻采集設備時，應以簡單方便、易于實現(xiàn)為原則。本文的移動視頻系統(tǒng)，采用安士佳（Ansjer）無線監(jiān)控200萬高清網(wǎng)絡監(jiān)控設備套裝一體機，該套裝設備無需布線、WiFi連接、通電出圖、手機遠控，出品時已將攝像頭和錄像機配對成功，開箱通電即用，現(xiàn)場可出圖，降低布線和維修成本。其中，監(jiān)控器采用華為海思Hi3518EV200+SC2235芯片，內(nèi)置IR-CUT雙濾光片，自動日夜切換，白天圖像采彩逼真還原度高，夜視也清晰可見，另嵌有感電光電阻會感應環(huán)境光線的變化自動開啟和關閉，具有圖像品質(zhì)高、傳輸速率快、色彩還原度高、低照度、夜視噪點小等優(yōu)點。該套設備是目前市場上比較常見，使用效果好的數(shù)據(jù)采集設備。

1.2.2 嵌入式設備的選擇

在嵌入式的產(chǎn)品開發(fā)中，作為核心芯片，嵌入式設備（即嵌入多微處理器）的功能、性能、可靠性將從根本上決定整個系統(tǒng)的效率和性能等。因此，選擇一款適合的嵌入式設備，需要考慮硬件接口、芯片性能、軟件使用的操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、軟件支持、價格成本等綜合因素。目前市面上常見的ARM微處理器有多個系列產(chǎn)品，以ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11 以及SecurCore系列為技術成熟代表，而每個系列又包括很多種IP內(nèi)核的產(chǎn)品。時下，有很多廠家在生產(chǎn)ARM芯片，主流半導體廠商的產(chǎn)品也很齊全，如 Samsung、Intel、Amd等。本文研究選用的是ARM11 56T2F-S嵌入式平臺，是ARM系列處理器的最新代表，該微處理器可以在使用130 nm級別的工廠技術、小至2.2 mm2芯片面積和低至0.24 mW/MHz的前提下獲得高達500 MHz的性能，與此同時也擁有著成熟的開發(fā)技術和穩(wěn)定的框架體系，是嵌入式的移動視頻系統(tǒng)首選的開發(fā)平臺。

1.2.3 無線收發(fā)設備的選擇

隨著無線網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，對無線網(wǎng)絡設備的速度、性能和信號覆蓋范圍提出更高要求。原有的基于IEEE802.11b標準具備11 Mbps的信號傳輸速率已無法滿足，而需要應用配備有54 Mbps速率的802.11a與802.11g標準。本文選擇支持IEEE802.11g標準的無線傳輸設備，選用ZD1211b無線傳輸芯片。基于該芯片，系統(tǒng)可以運行Manage、Ad-Hoc、Master三種模式供用戶選擇，還可以通過USB口與嵌入式系統(tǒng)Host端進行連接。

1.2.4 視頻顯示設備的選擇

考慮到移動視頻監(jiān)控方便性和可移動性，需要選擇尺寸較小并且具有觸摸功能的LCD，本文設計的移動視頻監(jiān)控終端采用NEC3.5寸全新真彩LCD，大小240×320，256 K色TFT真彩液晶屏，帶觸摸屏，適合手持終端進行監(jiān)控。

1.3 移動視頻系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設計

軟件系統(tǒng)的基礎與核心就是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為計算機程序提供資源管理、程序控制和人機交互等公共服務。因此需要對核心操作系統(tǒng)進行選擇與設計，而后是在此操作系統(tǒng)上進行應用軟件的開發(fā)。這里，對此可給出研發(fā)描述如下。

1.3.1 操作系統(tǒng)的選擇

本文研究中采用的操作系統(tǒng)是針對嵌入式系統(tǒng)使用的嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網(wǎng)絡協(xié)議，同時支持32位和64位硬件，還承繼了UNIX以網(wǎng)絡為核心的設計思想，是一個性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。本文的移動視頻系統(tǒng)在設計上是基于ARM11平臺，因此上選用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核就是面向ARM架構(gòu)的，而在調(diào)研后可知，嵌入式Linux對嵌入式平臺還有著良好的兼容性和適應性，因此，本系統(tǒng)使用嵌入式Linux作為主要操作系統(tǒng)。

1.3.2 應用程序的選擇

本系統(tǒng)使用的應用程序有2個，分別是：采集端軟件和監(jiān)控端軟件。其中，采集端應用軟件主要采用V4L（Video4Linux）采集技術、FFmpeg（Fast Forward Mpeg）編碼算法、RTP（Real-time Transport Protocol）傳輸?shù)燃夹g，而在采集端對視頻實現(xiàn)采集后，可對采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼并無線發(fā)送;監(jiān)控端應用軟件主要采用FFmpeg解碼算法、SDL（Simple DirectMedia Layer）等技術，可對接收到的視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)解碼播放。

2 移動視頻系統(tǒng)開發(fā)中的關鍵技術

2.1 關于進程與線程的設計

2.1.1 采集端應用程序關于進程與線程的設計

采集端的應用軟件面對的任務是：首先用嵌入式系統(tǒng)控制USB視頻采集設備進行視頻采集，然后將采集的視頻信息進行壓縮編碼，最后將壓縮的編碼數(shù)據(jù)通過無線RTP 發(fā)送出去。從功能上來看，其數(shù)據(jù)流程是自頂而下依次進行的，也就是經(jīng)歷了一個完整的進程。

2.1.2監(jiān)控端視頻監(jiān)控應用程序關于進程與線程的設計

監(jiān)控端的應用軟件在視頻信息上面對的任務是：通過無線網(wǎng)卡接收采集端發(fā)送的壓縮視頻，并由ARM11 56T2F-S微處理器進行視頻的解碼，而后在3.5寸液晶LCD上顯示播放。將整個監(jiān)控端軟件的視頻處理進程設計成單線程，經(jīng)反復測試驗證后得知，可以流暢播放視頻。由測試結(jié)果可以看出對于JPEG、MPEG2、MPEG4的播放速度與采集端的視頻處理速度是一樣的，這也表明將監(jiān)控設計成單線程完全能夠滿足視頻播放的要求。

2.2 移動視頻編解碼方案的選擇與設計

2.2.1 視頻壓縮編碼標準

視頻壓縮編碼目前分為基于波形的編碼、基于內(nèi)容的編碼和三維視頻編碼。分析表述詳見如下。

（1）基于波形的編碼。采用了把預測編碼和變換編碼組合起來的基于塊的混合編碼方法，利用像素間（幀內(nèi)）的空間相關性和幀間的時間相關性，采用預測編碼和變換編碼技術可大大減少視頻信號的相關性，從而顯著降低視頻序列的碼率，達到壓縮編碼的設計目標。

（2）基于內(nèi)容的編碼技術。先把視頻幀分成對應于不同物體的區(qū)域，然后對其編碼;即對不同物體的形狀、運動和紋理進行編碼;在最簡單情況下，利用二維輪廓描述物體的形狀，利用運動矢量描述其運動狀態(tài)，而紋理則用顏色的波形進行描繪。

（3）三維視頻編碼。除平面信息外增加了深度信息，數(shù)據(jù)量非常龐大，是視頻編碼的發(fā)展方向之一，有2種類型。一種是基于波形的，可組合運動補償預測和位差補償預測。所謂的位差估計就是在2幅不同圖像中尋找對應的點。另一種是基于物體的，可直接對成像物體的三維結(jié)構(gòu)和運動進行編碼。當物體結(jié)構(gòu)簡單時，可獲得非常高的壓縮比。

不論哪種視頻壓縮編碼，都要滿足2個需求，也就是：壓縮在一定的帶寬內(nèi)，即視頻編碼器應具有足夠的壓縮比;視頻信號壓縮之后，應保持一定的視頻質(zhì)量?？捎?個標準來衡量，分別是：主觀質(zhì)量，由人從視覺上進行評定;客觀質(zhì)量，通常用信噪比（S/N）進行表示。

2.2.2 移動視頻系統(tǒng)編解碼方案的選擇與設計

無線移動視頻系統(tǒng)研發(fā)上要綜合考證視頻的質(zhì)量、壓縮比以及壓縮算法的復雜度等多個方面表現(xiàn)，選擇合適的編解碼算法至關重要。通過數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Fmpeg 技術支持 MPEG2、MPEG4、Div X、AC3、FLV、H.26X 等30種編碼，同時支持AVI、MPEG、ASF 等上百種解碼。因此最終選用FFmpeg進行實驗測試。經(jīng)過對所測數(shù)據(jù)運行結(jié)果的分析對比可知，研究中進一步選擇MPEG4壓縮編碼標準來實現(xiàn)移動視頻系統(tǒng)中的視頻處理算法。系統(tǒng)測試表明，使用所選擇的MPEG4壓縮編碼標準，移動視頻系統(tǒng)監(jiān)控過程流暢，視頻圖像效果良好。

3 結(jié)束語

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)是第三代視頻監(jiān)控，得到日趨廣泛的研發(fā)與應用，是監(jiān)控領域新的研究熱點。通過實驗測試與分析，在保證視頻質(zhì)量不下降和帶寬不增加的前提下，算法的復雜度減小，壓縮時間縮短，既能保證視頻質(zhì)量，又能獲得較好的實時性。

參考文獻

[1] 梁俊杰，熊亞軍，余敦輝. 一種基于本體的視頻檢索技術研究[J]. 計算機工程與科學，2015，37（10）：1940-1946.

[2]? 卞藝杰，馬玲玲. 云環(huán)境下移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)安全性研究[J]. 計算機技術與發(fā)展，2013，23（9）：119-122，127.

[3]? 魏利. 移動視頻系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 長春：吉林大學，2010.

[4]? 楊琦. 基于極端環(huán)境下監(jiān)控視頻的圖像去噪、增強與檢索的研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2017.

[5] 陳亮，汪景福，王娜，等. 基于DNN算法的移動視頻推薦策略[J]. 計算機學報，2016，39（8）：1626-1638. [HJ]