基于GPRS的無線圖像監控系統設計與實現*

張 偉

(咸陽師范學院圖形圖像處理研究所，咸陽 712000)

1 引言

隨著通信技術和信息處理技術的發展，目前圖像監控系統已經廣泛應用于安保、交通、醫療等領域，有線圖像監控系統技術已經日趨成熟和完善。然而，隨著圖像監控系統應用的范圍不斷擴大，有線圖像監控系統已不能滿足社會的需求(如車載遠程監控系統)。無線圖像監控系統以其靈活性強、線路架設簡單、覆蓋范圍廣等特點適應了社會的需求［1］。利用GPRS 網絡進行遠程監控，既避免了開發新的頻率資源，又開辟了無線監控新領域，成為當前研究的熱點之一。

2 GPRS 介紹

GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的簡稱，是在現有的GSM 系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務。

2.1 GPRS的特點與優勢

GPRS 移動通訊業務具有高速數據傳輸，永遠在線的特點，按流量收費的資費方式，使GPRS 通訊具有無可比擬的性價比優勢。因此，當前GPRS 技術許多領域得到了廣泛應用，如遠程監控、車載導航等。GPRS的主要特點如下［2］:

(1)GPRS 采用分組交換技術，優化了對網絡資源和無線資源的利用。

(2)永遠在線。即用戶隨時與網絡保持聯系。當沒有數據傳送時，網絡與用戶之間保持一種邏輯上的連接，用戶再次上傳數據不需要重新接入網絡。

(3)GPRS 網絡接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接。

(4)GPRS 采用分組交換技術的傳輸模式，多個用戶可高效率地共享同一個信道，從而提高了資源利用率，優化了對網絡資源和無線資源的利用。

(5)GPRS的核心網絡層采用IP 技術，很方便地實現與高速發展的IP 網無縫連接。

2.2 選用的GPRS 模塊

該系統選用的是驛唐公司MD－609G 低功耗專用GPRS DTU，本產品除了功耗低、適應電池供電等需要降低功耗的場合外還具有以下特點［3］:

(1)支持兩端都是GPRS的無線點到點、多點到點通信;

(2)支持同時連接4個數據中心;支持GPRS 和短信切換備份通信功能;

(3)支持服務器端遠程更改DTU 配置項;

(4)支持遠程重啟設備;

(5)支持串口通信，虛擬串口完全零編程。

3 視頻監控系統總體結構

整個監控系統由視頻采集終端和監控中心兩大部分構成，如圖1。視頻采集終端包括視頻輸入、信號處理單元和GPRS 模塊。首先將攝像頭采集的模擬信號轉換成數字信號，數字信號直接送入DSP 進行JPEG2000 格式的壓縮和處理，生產的碼流放入緩沖區。視頻采集終端同時還受到監控中心的控制，根據指令要求進行攝像頭的伸縮以及電源開關控制等操作。在監控中心將接收到的UDP 包解包處理后放入緩沖區進行解碼，解碼后的數據信息可以直接進行播放，或存入數據庫，用戶可根據需要對歷史監控數據查看。

圖1 系統結構框架

4 主要功能模塊設計

4.1 視頻采集結構及采集過程

圖2為視頻采集終端結構圖，其中包括視頻輸入單元，數據存儲單元和GPRS 模塊等。信號處理單元采用 TI 公司多核數字信號處理器TMS320C6472［4］，主頻達1.5GHz，具有較強的數字處理能力，同時外圍集成了豐富的音頻、視頻及網絡通信等設備接口。數字信號處理器與GPRS 模塊通過串口直接相連，數字處理器模塊內置了自動網絡連接和協議處理模塊，開機后就能自動鏈接到GPRS 網絡上，與監控中心建立通信，可以隨時接收或發送數據。

圖2 視頻采集終端結構圖

視頻圖像通過視頻解碼器IRD2600 輸入到TMS320C6472的PPI 接口上。TMS320C6472的PPI采用DMA 方式，將視頻圖像存儲到外部存儲器SRAM 中。當一幀圖像存放在SRAM 之后，數據將傳輸到內部數據存儲器中，TMS320C6472 對數據按照所需的視頻格式壓縮處理后，通過RS－232 接口發送到GPRS 模塊MD－609G，再由MD－609G 將信號發送出去。

4.2 系統硬件初始化

視頻圖像輸入前，首先對系統硬件進行初始化:

4.3 基于小波變換的算法設計

小波變換對原始信號可以在時域和頻域上進行多分辨率分解。二維圖像進行小波變換時，首先把原圖像的像素值矩陣變換成一個便于壓縮的稀疏矩陣，經過變換后源圖像被分解成幾個子圖像，每個子圖像包含了原始圖像中的不同頻率成分［5］。圖像壓縮時只對低頻子圖進行編碼而丟棄三個細節子圖。在實際應中可以將三個細節子圖保留下來，與低頻子圖一起進行編碼，這樣在解碼時才能保證恢復出完整的圖像。如果只需要一個小尺寸的圖像，則可以直接解碼低頻子圖編碼?？梢詫Φ皖l子圖進行二次分解，經二次分解后，低頻子圖的尺寸降到了原始圖像的十六分之一，可見基于小波變化的算法設計既能滿足高的壓縮比又能滿足高清晰的圖像要求。

設離散小波正變換的輸入為填充分量采樣I(x，y)和分解層次NL，輸出子帶系數ab(mb，nb)。具體實現步驟如下:

(1)輸入填充分量采樣I(x，y)和分解層次NL;

(2)分解層次NL 與當前層次lev 比較，如果lev ＜NL，進行下一層分解，即第(3)步處理;如果lev ＞NL，直接輸出子帶系數;

(3)對圖像數據的列進行一維小波正變換;

(4)當前列數n 與數組最大列數nmax比較，如果n ＜nmax時，繼續處理下一列，進行第3 步處理;如果n ＞nmax時，列處理結束，進行第(5)步處理;

(5)對圖像數據的行進行一維小波正變換;

(6)當前的行數m 與數組最大行數mmax比較，如果m ＜mmax時，繼續處理下一行，進行第(5)步處理;如果m ＞mmax時，行處理結束，進行第(7)步處理;

(7)進行二維系數的反交錯處理。然后跳回第(2)步進行處理。

圖3 離散小波正變換流程圖

4.4 運動估計優化

4.5 運動估計優化前后性能比較

通過采用以上的運動估計優化算法，在不影響正常監控的情況下發現每幀數據的處理速度有明顯提高，如表1 所示。

表1 優化前后圖像壓縮時間比較

5 結束語

選用 TI 公司多核數字信號處理器TMS320C6472 及驛唐公司MD－609G 低功耗專用GPRS 模塊對基于GPRS的無線監控系統進行了設計與實現，對基于小波變換的算法進行了設計。通過對視頻圖像運動估計的優化，可以看出在不影響視頻質量的前提下，使得視頻數據的壓縮速度得到了大幅提升。本系統運行穩定，滿足了無線監控系統實時性強、圖像清晰、數據處理容量大的要求。

［1］李樹新.基于GPRS的無線報警系統［D］.武漢:武漢理工大學，2006.

［2］易飛，余剛，何凌，等.GPRS 網絡信令實例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［3］MD－609G GPRS DTU 產品介紹［DB/OL］.http://www.cnledw.com/product/detail－13086.htm，2013－7－10.

［4］TMS320C6472模塊特性［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/tool/cn/tmdsevm6472，2013－7－9.

［5］成禮智.小波的理論與應用［M］.北京:科學出版社，2004.

［6］胡平，韓興.基于3G的無線實時視頻監控系統設計［J］.計算機工程與設計，2011，32(12):4018－4018.