車載高清視頻監控設計研究

張愷樂，蔣園園，王智泉，鐘德榮

（1.新疆立昂電信技術有限公司 新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆立昂軟件服務有限公司 新疆 烏魯木齊 830011）

傳統的車載監控行業主要采用DVR的方式，搭配小型的模擬攝像機，優勢在于成本低廉，而市場上很多用戶對價格又比較敏感，對視頻監控的其他方面關注度較低。許多廠商為了提升銷量，采用低成本的解決方案來滿足用戶需求，不僅造成了整個車載監控行業產品魚龍混雜，大大降低了入門門檻。YCB中國行業咨詢網_行業報告_行業分析_市場調研_第三方市場數據和調查報告提供商車載移動監控一直以來都是整體監控的重要組成部分，也是目前新興的市場之一。市場雖然潛力巨大，且對廠商來說很有吸引力，但是多數用戶對車載移動監控的投入，還沒有達到像對“有線監控”的重視程度，這是造成車載監控市場整體偏向低端的原因之一[1]。

正是由于以上原因，造成了作為執法部門的車載監控完全不能滿足其執法要求。目前車載監控設備，主要以模擬攝像機為主，不能為執法車輛提供清晰的記錄畫面。雖然能做到視頻的移動監控，但不能為之提供有效清晰的視頻，需要進行后期相應的圖像處理。對于同時能做到高清視頻移動存儲，兼顧有GPS，并能夠3G上傳的車載監控系統目前市場上還沒有。城市執法車輛極少部分已經開始裝備車載云臺，但還遠遠沒有達到高清圖像傳輸的要求。未來執法車輛需要進一步完善，對車載高清監控設備的需求量將大大增長。車載移動監控的市場發展趨勢正朝著，高清化，智能化和行業細分化的方向發展。

1 系統分析

車載云臺視頻監控也只有短短這幾年才發展起來的，主要業務是以計算機、網絡、通信技術、視頻編解碼技術為基礎，以智能圖像分析為特色，實現音視頻信息的壓縮、存儲、分析、傳遞、顯示等自動化處理并通過網絡實現遠距離的監控的業務。

近年來，各行各業對各種視頻監控需求的不斷升溫，尤其是近幾年平安城市、智慧城市、電子警察等項目的興起，各種的視頻監控設備已經在全國各地的各種場所中安裝使用，例如，銀行、商場、停車場、車站、機場和交通路口等一些人流量較大的公共場所都進行了視頻監控設備的安裝。視頻監控的設備都已經步入高清化、智能化、網絡化的行列。但目前的車載監控系統主要采用 “車載DVR+模擬攝像機”的監控方式，清晰度以CIF為主，標準相對較低。很明顯，早前的車載監控更多的像是一種擺設和補充，雖市場潛力巨大，但始終只是監控行業中的冰山一角。盡管整個監控行業早已倡導網絡化、高清化，但是車載移動監控行業依舊變化緩慢，更多的情況是各廠商樂此不疲地打價格戰，只是強調車輛是否有安裝，而不看重監控設備的性能和圖像質量。但是整體監控市場正處于繁榮向上的階段，整體市場的趨勢發生變化，車載移動監控市場也將受其影響[2]。

2 車載高清視頻監控設計

2．1 總體技術路線

基于高清的車載云臺監控系統，由車載高清云臺系統、車載NVR嵌入式主機和監控中心3大部分組成。其中車載設備端主要由車載高清云臺、車載NVR嵌入式主機兩大部分組成。監控中心則由相應的通信設備，GPS定位信息設備，圖像存儲設備和中央處理機等構成。總體技術架構圖如圖1所示。

圖1 總體技術架構圖Fig.1 System architecture diagram

本項目首先通過車載高清云臺采集實時的高清圖像視頻，采集的圖像標準達到1 080P，方便能直觀地進行高清觀看，然后將視頻圖像數據通過視頻的傳輸線路發送給車載存儲NVR的收發模塊，車載存儲NVR內除有數字高清視頻存儲模塊外，還有云臺控制器模塊、GPS模塊和3G模塊，車載NVR接收到的車載高清云臺的視頻信息和GPS模塊的定位信息通過3G模塊實時上傳到Internet，以便監控中心和執法者實時得了解視頻情況，車輛的位置情況。

前端設備的圖像采集，各方面達到數字高清的標準，本地車載NVR也按數字高清的標準進行本地圖像的存儲，區別于以往的模擬視頻圖像的清晰度。

2.2 車載高清云臺系統

車載高清云臺系統主要以車載高清攝像機為主，車載數字高清云臺可實現移動視頻監控，功能主要是對視頻圖像進行現場的采集，對執法現場進行監控，可以進行視頻圖像的前端放大縮小，實現視頻動態監控，車載高清監控系統主要包含車載云臺護罩、高清監控相機及相應的夜間照明。

2.2.1 車載高清攝像機

系統前端在執法車輛車頂安裝云臺，云臺里面內置一支高倍、遠距離、感應紅外的高清數字的攝像機。高清數字攝像機采用200萬像素的高品質HD CMOS傳感器，實現高清數字圖像，分辨率最高可達（1 280×960）高分辨率的優質圖像。支持 Windows Mobile、Symbian、iPhone平臺智能手機監看，支持IE直接瀏覽，夜視距離大于120 m，鏡頭雨刷和除霧功能，1 080P的清晰度可以達到廣播級圖像畫質。支持720P+720P實時雙碼流編碼，為車載監控提供可靠的高清圖像的保證。最終前端采集到的高清視頻圖像通過數字傳輸線路連線到安裝在車內的3G車載硬盤錄像機[3]。

2.2.2 車載云臺護罩

車載云臺護罩內部配有溫度繼電器，在環境溫度過高時，云臺護罩內的風扇會自動打開，進行吹風冷卻，溫度低時也可進行相應的加熱保溫，確保高清攝像機在正常的溫度范圍內進行工作。在下雨時，可以通過人工的云臺控制，對云臺護罩的玻璃進行刷雨作業。在冬季低溫時，防護罩出現結霜現象時，可以通過加熱除霜[4]。

對于云臺的控制，操作人員可通過上位機軟件操作車載云臺系統移動到指定位置，控制云臺自由轉動，實施視頻監控，也可通過上位機軟件放大監控的目標區域，車載高清監控系統可以在無人職守的情況下，根據預先設定好的預置位，定時自動監控，采集圖像數據，保存數據。

2.3 車載NVR嵌入式主機

車載NVR嵌入式主機主要由車載NVR視頻存儲，GPS定位模塊，3G通信模塊和云臺的控制模塊組成。車載NVR嵌入式主機的功能主要是對前端車載云臺采集的視頻圖像進行本地的存儲，同時包含的各種模塊，還具有車輛的GPS定位功能，同時還能將現場采集的圖像信息進行3G的無線上傳，能方便監控中心，同時進行遠程的監控。

2.3.1 GPS模塊

采用了一款比較簡單易用的嵌入式GPS模塊，集成了目前性價比極高的u-blox第5代GPS引擎。其具備-144 dBm的信號靈敏度，極低的功耗（120 mW），小尺寸（43.1×25.5×14 mm）和4針的UART接口設計，使得該模塊可以非常簡便地應用于各種嵌入式產品和移動終端中。定位精度為2.5 m，熱啟動時間小于1 s，溫啟動及冷啟動時間29 s，支持DGPS、WAAS、EGNOS和MSAS多種協議。可以在大部分室內進行良好定位，并具有防漫反射及極強的抗干擾能力。同時該模塊不需要額外的器件即可在接GPS天線后輸出經緯度，時間等等，最大刷新率4 Hz，能使開發人員有效地縮短產品研發周期[5]。

車載終端通過模塊中的GPS部分獲得車輛的具體位置，經過CPU處理后，并通過3G模塊將該信息發送到監控中心，以實現對車輛的實時定位跟蹤，同時還能實現語音和短消息通信功能。為監控中心對車輛的地理位置情況，提供了相應的數據，能實時掌握車輛的情況。

2.3.2 3G模塊

在無線視頻業務的要求下，目前技術也只有通過WIFI或3G的無線傳輸手段才能實現，WIFI技術雖然能實現高速率的無線視頻傳輸，但是需要有相應的無線WIFI網絡設備做依托，對于執法車輛的視頻移動傳輸并不適用。在此選用了3G通信模塊，3G通信技術的出現突破了無線帶寬瓶頸的限制，3G的帶寬可以達到2 Mbps，視頻的編解碼技術為糾錯、差錯復原提供了容錯傳輸的技術。同時為了保證傳輸視頻信息的正常，在本地對視頻信息進行處理，通過相應的視頻壓縮編碼技術，對采集到的數字高清視頻進行傳送前的相應處理，以適應3G網絡的無線傳輸要求。

3G網絡根據全國各地的網絡情況不同，信號強度也有差異，經了解以北京為例：5環內還可以，如到郊區信號不一定穩定，必須實測了解。通過比較3大運營商的3大制式標準優劣和在世界的應用范圍及在中國的應用情況，發現國內電信的網比較好一些，其次聯通，再次為移動。而生產3G的廠商中，中興、華為在穩定性，型號數量、技術支持、采購等方面，推廣力度比較大。經過比較，最終采用華為或者中興的電信制式的3G模塊。車載高清監控系統采用無線3G傳輸，可以在有3G網絡覆蓋的任意地點上傳現場圖像，實現了隨時隨地、無所不在的視頻監控應用，使監控中心能實時掌握執法情況和車輛情況。隨著3G網絡的普及和視頻編碼糾錯技術的增強，移動視頻監控將為車載高清視頻監控系統提供更為可靠的技術保障[6]。

2.3.3 車載NVR視頻存儲

車載NVR視頻存儲采用嵌入式技術，基于嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統，軟件固化在模塊中，可靠性很高，特別適合于要求實時的應用。主要功能是以穩定的速率捕獲來自網絡上的數據流并寫到磁盤陣列，同時向網絡上的客戶端傳輸實時及錄像視頻數據。目前，車載NVR的存儲系統正伴隨著NVR技術的發展，也向著海量存儲、集中存儲、及可靠存儲的方向發展。考慮到車輛的顛簸，運動情況，產品還采用防沖擊，振動的功能，進一步確保圖像存儲的可靠性，同時保證圖像信息傳輸的穩定性。本地存儲保證圖像的也達到高清的要求，同時支持多種視頻碼流，為本地的存儲，無線的傳輸提供了多種選擇的可能。與以往相對成熟的車載DVR相比，車載NVR技術真正做到了數字高清，NVR技術的良好的集成能力，也為日后NVR技術的發展提供了必要的保證。車載NVR能在本地同時進行高清監控視頻的存儲，還具有圖像的回放功能等，能夠時刻掌握執法現場的情況，為執法工作提供了依據[7]。

2.4 顯示、控制部分

根據具體的實際情況，顯示部分可以采用LCD顯示屏，控制部分可以采用簡單的車載云臺控制鍵盤，也可以接筆記本電腦直接實現顯示與控制功能的實現。采用LCD顯示，主要考慮到采集的圖像信息為高清視頻信號，為了使本地能觀看到高清的視頻，所以采用高分辨率的LCD顯示。采用控制鍵盤，主要考慮到使用者的方便，和車內空間有限的情況，該設備在車載云臺系統中，一般為常用設備[8]。

2.5 電源部分

由于車輛大多采用12～24 V電瓶電源，行駛過程電源穩定在12～28 V，但是在車輛點火時汽車電源會突然降低到10 V左右，甚至更低。下降過程約為40～80 ms，然后恢復至電源穩定狀態。車輛的啟動過程中電壓波動較大，電瓶電源的瞬間降低會導致電子設備重新啟動、甚至設備死機，所以對設備使用的車載電源的適應性要求很高。根據各系統對電源的需求，為車載監控終端配置寬幅的輸入電源，電源適應范圍為8～36 V，可滿足各種車輛的應用。該電源經過特殊的設計，具備了斷路、短路、過流保護功能，對設備保證正常運行起了重要作用。同時根據電壓的變化，供電系統能進行根據車輛點火信號，設置延時開關機功能[9]。系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲圖Fig.2 System network topology

3 系統測試

以中國電信的全球眼為例，通常視頻監控系統要求視頻實時速率在32 kbit/s～8 Mbit/s間可調節，音頻實時速率在8～320 kbit/s間可調節。在滿幀率情況下，系統通過3G無線傳輸視頻信息，實際測試中CIF的碼流均值不高于500 kbit/s，D1碼流均值不高于2 Mbit/s。就單視頻服務器而言，要得到畫面質量為25幀/s的CIF圖像所需網絡帶寬至少為384～512 kbit/s，要得到畫面質量為25幀/s的D1圖像所需網絡帶寬為1.5 Mbit/s以上，720P圖像傳輸所需網絡帶寬至少為2 Mbit/s。

車載無線視頻監控系統無線傳輸過程中，支持CIF（PAL：352*288）、HlafD1/2CIF（PAL：704*288）、D1/4CIF（PAL：704*576）等不同檔次的分辨率；在不同帶寬下對應的視頻幀率為：64 kbit/sk——3～8幀/s；128 kbit/s——6～15幀/s，256 kbit/s——12～25 幀/s。

為滿足不同的圖象壓縮編碼和圖像質量要求，相應壓縮碼流速率可通過改變編碼同件參數中RCVAL寄存器的值來改變碼流速率，具體公式為：

該監控終端安裝在試驗車輛上，通過3G無線網絡與監控中心互聯，監控中心配有視頻解碼服務器，以及相應的集成GPS系統的視頻監管平臺。系統整體各項指標基本達到設計要求，經過后期的技術改進，整套系統將體現出更卓越的優勢。

4 結束語

文中從車載數字高清系統的前端設備和嵌入式主機兩方面著手，選用了新型的車載高清云臺和車載NVR嵌入式主機，保證了監控圖像畫面的高清性的同時，也提供了高清圖像的本地存儲方式和無線傳輸方式。在實際的車載系統測試的實驗結果表明，車載高清云臺的圖像得到很大的提升，本地存儲的圖像信息達到高清的標準，無線傳輸的情況也達到預期的效果，具有很好的應用前景。

[1]翟立新.淺談關于車載監控的市場應用格局劃分[EB/OL].[2012-07-13].http：//security.zol.com.cn/306/3067008.html

[2]王林.車載視頻監控市場向著高清化發展[EB/OL].[2012-05-14].http：//jishu.cps.com.cn/jjfa/jpjk/gjhy/2012/0514/xOM DAwMDQ0NDcxOQ.html

[3]張越.執法車輛無線車載移動視頻監控系統解決方案[EB/OL].[2012-5-30].6-8.http：//wenku.baidu.com/view/f2f2f7380912a21614792999.html.

[4]潘國輝.安防天下[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]何旭東.u-blox藉第五代單芯片GPS方案搶攻SiRF地盤[EB/OL].[2007-07-01].http：//www.newsmt.com/news/show news.asp?newsid=5823.

[6]陳巖，董潔，唐輝.3G網絡不同制式的比較與運營分析[J].信息技術與標準化.2007，12（1）：30-33.

CHEN Yan，DONG Jie，TANG Hui.Comparison and analysis of different standards and operations in 3G networks[J].Information Technology and Standardization，2007，12 （1）：30-33.

[7]劉立元.DVR與NVR存儲技術探討[EB/OL].[2012-02-06].http：//www.doc88.com/p-012901426629.html

[8]進創科技.移動車載視頻監控設計方案 [BE/OL].[2011-02-24].http：//wenku.baidu.com/view/6d53a55d312b3169a451 a48d.html.

[9]Maigooorg.車載硬盤錄像機經常不錄像問題的解決辦法[EB/OL].[2012-05-18].http：//info.secu.hc360.com/2012/05/180857635888.shtml.

[10]中電鑫通.車載視頻監控記錄系統的設計[EB/OL].[2010-1-6].http：//www.ic72.com/news/2009-06-17/138526.html.