3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術分析

劉丙濤

（遼河石油勘探局 通信公司，遼寧 盤錦 124010）

此系統(tǒng)采用了先進的H.264視頻壓縮編碼技術，在不影響質量效果的前提下大大減少了所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并且以3G無線寬帶網(wǎng)絡為傳輸媒介，既可以克服傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡有線方式對地理位置變化或處于運動中的監(jiān)控不能實現(xiàn)的問題，提供更加靈活組網(wǎng)方式，滿足不能架設線路的監(jiān)控點的監(jiān)控需求，還可以提供比GPRS和CDMA更寬的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，滿足了移動視頻監(jiān)控的要求，下文中筆者將從關鍵技術分析和汽車終端應用的兩個方面，對其進行闡述。

1 關鍵技術分析

1.1 3G無線車載視頻監(jiān)控技術

就目前來看，我國基本上已經(jīng)實現(xiàn)了第三代移動通信技術的研發(fā)和應用，所謂第三代移動通訊技術就是3G無線網(wǎng)絡信息傳播技術，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術，目前已經(jīng)被應用于手機同通訊和網(wǎng)絡通訊中。從類型上看，由于基準站的不同，目前在中國3G存在三種標準:CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。

而將3G技術應用于汽車運行的監(jiān)控和管理中，即為3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)從構成上看，分為前端車載監(jiān)控系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡、監(jiān)控視頻平臺服務器，每一個系統(tǒng)中的服務器的功能是不同的，三者相互連接，共同組成了3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。共同為車輛運行狀況的監(jiān)控提供可靠數(shù)據(jù)和錄像資料。前端車載監(jiān)控系統(tǒng)包含3G無線車載網(wǎng)絡攝像機、網(wǎng)絡錄像機、外接攝像頭；無線網(wǎng)絡包含前端移動傳輸（EDGE/CDMA 1X）和后臺指揮中心以太網(wǎng)網(wǎng)絡車載攝像機CDMA 1X/TD-SCDMA.CDMA2000.WCDMA網(wǎng)絡；監(jiān)控平臺包含監(jiān)控軟件及GIS、流媒體、數(shù)據(jù)庫、應用服務器等。

3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是能夠對車輛內(nèi)的圖像進行實時監(jiān)控，拍照，錄像，回放和調取傳送圖像，這樣也就保證了車輛運行時的各種數(shù)據(jù)和影像資料能夠被自動的儲存和發(fā)送，能夠為有關部門的管理工作提供可靠的參考依據(jù)，又因為其具有實時性，所以可以為有關安全監(jiān)管部門的工作提供便利，便于其在威脅公路運行安全的狀況發(fā)生時，及時的做出相應的反應。同時，為了使視頻資料更加清晰和可分辨，系統(tǒng)中采用了雙碼流技術，本地錄像可采用CIF、D1分辨率，SD卡120M/小時，網(wǎng)絡傳輸采用CIF分辨率，有助于進一步的提高系統(tǒng)的使用性能，保證監(jiān)控資料的準確性和辨識度。

1.2 圖像壓縮技術

由于在汽車運行的過程中，3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)要依靠前端車載系統(tǒng)來完成各種資料的實時搜集，所以要克服車輛運行中由于移動而產(chǎn)生的各種干擾因素，保證圖像的完整性和辨識度。所以，為了適應移動設備，同時也為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量、保證監(jiān)控的實時性，有必要對車載端攝像頭采集的數(shù)據(jù)進行編碼壓縮，就目前應用于網(wǎng)絡設備中的各種壓縮技術來看，H.264標準無論是功能還是操作都更加適合該3G無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。所以，在前端車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖像采集的過程中我們要采用H.264標準將攝像頭采集的圖像系列壓縮編碼成流媒體。H.264的編解碼流程主要包括五個部分:幀間和幀內(nèi)預測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。通過該流程，使得H.264具有極高的視頻壓縮比。在同等圖像質量條件下，H.264的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍，有助于大幅度的提高圖像的辨識度，首先，幀間和幀內(nèi)預測的目的在于清楚的分析該畫質中的各種像素構成和基本成像布局，其次，變換和反變換的作用則是在掌握了圖像的基本構成的基礎上通過合適的壓縮方式對圖像進行初級的格式處理，使其符合壓縮文件的格式，再次，量化和反量化的主要作用就是在格式確定的前提下，對現(xiàn)有的圖像文件進行內(nèi)存的確定，再者，環(huán)路濾波的主要功能是通過專門的環(huán)路濾波器將畫質中的低頻升級，能夠較為全面的轉換為高頻信號，最后，熵編碼就是將整個過程中的原圖像的編碼完全復制不丟失的過程，也是最后的信息碼顯示過程，因為在視頻編碼中，熵編碼的主要功能就在于把一系列用來表示視頻序列的元素符號轉變?yōu)橐粋€用來傳輸或是存儲的壓縮碼流。通過上述五個流程，即可實現(xiàn)視頻資料的流暢轉換。

從設備上看，目前主要使用的3G視頻格式 有 QCIF （176*144/dpi）、CIF（352*288/dpi）以及4CIF（704*576/dpi）四種。但是出于對3G車載無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的具體應用的考慮，以及車輛運行的特點，筆者認為基于實際的需求選擇CIF格式更加合適，因為其體積小，穩(wěn)定性較高，能夠較好的適應車輛的運行環(huán)境。采用該設備后，可以得到的原始的每幀圖像的大小為 352×288×24=2433024bit，即2433024/1024=2376kbit，選擇H.264的250:1的壓縮比例的話，壓縮后的圖像大小就為2376/250=9.5kbit，那么按照3G 網(wǎng)絡在車輛運動中的速度要求144kbit/s，這樣每秒可傳幀的數(shù)量為15～16幀，這樣就能實現(xiàn)較為滿意的監(jiān)控效果（影像播放達不到15幀/s時將產(chǎn)生明顯跳躍感）。

2 關鍵技術在車載終端上的應用

通過對上述關鍵技術的分析，我們要認真的布設車載終端的設備，使其能夠最大限度的發(fā)揮系統(tǒng)監(jiān)控優(yōu)勢，提供高質監(jiān)控資料，下文中筆者將從兩個方面對關鍵技術在車載終端設計上的應用進行探討。

2.1 車載終端硬件設計

根據(jù)車載系統(tǒng)的布局設計，在車載模塊終端部分，一般由這樣四個設備和儀器組成:即ARM處理器、GPS模塊、3G無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及防暴攝像頭。首先，ARM處理器作為整個終端的CPU，負責調配和控制各個模塊的工作，其主要功能是通過GPS獲取車輛當前的位置信息，通過防暴攝像頭獲取車輛情況和司機駕駛狀況，把這些視頻或圖像數(shù)據(jù)信息以H.246標準格式壓縮，并整合成能由串口發(fā)送出去的特定格式，最后由3G無線模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡，最終通過INTERNET或PSTN（公共陸地網(wǎng)絡）網(wǎng)絡傳回監(jiān)控中心主機。其次，GPS模塊則是根據(jù)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來實時監(jiān)測汽車的所處位置，再次，3G無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的主要功能是將實時的定位信息和采集圖像發(fā)送給處理終端，最后，USB攝像頭的主要功能為圖形采集。

2.2 車載終端程序設計

車載端是一個基于ARM的Linux系統(tǒng)平臺，其任務主要包括獲取GPS定位數(shù)據(jù)和視頻采集數(shù)據(jù)，圖像或者視頻的壓縮編碼，將定位數(shù)據(jù)和視頻、圖像數(shù)據(jù)通過串口輸送到3G模塊緩沖區(qū)，最后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送出去。首先，要根據(jù)CPU與外圍設備的具體引腳連接重新裁剪的編譯linux內(nèi)核驅動。其次，調用linux內(nèi)核中關于視頻設備的API接口（即Video4Linux）編寫攝像頭采集數(shù)據(jù)的應用程序。最后，3G無線網(wǎng)絡的通信部分主要涉及到的是AT指令的應用。在選擇可靠性強的TCP方式連接。

結語

綜上所述，該系統(tǒng)將視頻監(jiān)控和地理信息系統(tǒng)結合在一起，以3G寬帶無線網(wǎng)絡為連接工具，提供了一套車輛視頻監(jiān)控和定位的解決方案。隨著中國3G網(wǎng)絡的開通，帶寬限制的問題已經(jīng)迎刃而解，此外H.264編／解碼器軟硬件實現(xiàn)，該系統(tǒng)會提供質量更高、價格更便宜的移動視頻監(jiān)控。

[1]蕭如方.無線網(wǎng)絡裝置的設定方法，2004-03-17.

[2]昊天.無線網(wǎng)絡:淡定前行，2004-09-27.