基于3G通信技術的無線視頻監控系統

黃吉林 陳明芳

摘 要：傳統的有線監控系統存在線路鋪設難、組網復雜、維護成本高、靈活性差等缺點，隨著3G技術的不斷發展，一種基于無線傳輸技術的視頻監控系統應用日漸成熟。本文重點介紹了無線視頻監控系統的各部分功能及系統中的3G技術、H.264視頻編碼技術、RTP/RTCP實時傳輸協議等相關技術應用，并對無線視頻監控的發展提出了建議。

關鍵詞：無線視頻監控；3G技術；H.264視頻編碼；RTP/RTCP實時傳輸

視頻監控系統在我們日常生活和工作中隨處可見，其作為一種便捷高效的安防系統在保護公眾和個人的生命財產安全方面發揮著重大作用。傳統的視頻監控系統大多依托有線網絡接入實現遠程視頻采集，有線線路戶外架設及維護成本高，組網復雜，靈活性差，而且有些監控點地處偏僻，分布不均，線路架設困難，應用范圍受限。隨著3G移動通信技術的日趨成熟和市場運營的日趨規范化，以3G無線網絡作為傳輸媒介的視頻監控，可以克服傳統有線方式對地理位置變化和處于運動中的監控不能實現的問題，提供更加靈活的組網方式，滿足不能架設線路的監控點的監控需求，安裝方便、易于維護、擴展性好、性價比高。

1 系統總體框架

系統結合了3G移動通信和計算機網絡技術，由前端平臺，監控中心，監控終端三大部分構成，如圖1所示。

1.1 前端平臺

視頻采集模塊從監控現場采集視頻信息，然后交由數據處理模塊進行H.264壓縮編碼及其它流媒體技術處理，最后交由3G無線傳輸模塊發送，該模塊應具有自動PPPoP重撥功能保證24小時在線，并且嵌入式地實現TCP（UDP）/IP協議、RTP/RTCP協議，同時支持動態IP和GIS服務。

1.2 監控中心

視頻監控中心平臺主要完成注冊管理、業務管理、設備管理、用戶管理、連接管理等功能，由應用服務器、數據服務器、數據倉庫服務器、備份服務器等構成，其中：

⑴應用服務器。應用服務器面向用戶提供功能響應，并根據系統配置策略完成連接管理、設備狀態監控、系統管理等功能。

⑵數據服務器。數據服務器主要處理用戶請求，高效提供對應的數據信息。

⑶數據倉庫。數據倉庫主要負責存放圖像信息、用戶信息、監控終端信息、告警信息、用戶訪問記錄、管理員信息、業務策略和網絡相關信息等。用于存儲海量數據并進行優化，滿足系統穩定運行的要求。

⑷備份服務器。備份服務器根據備份策略，完成數據的備份工作。

監控中心根據應用分為網絡管理系統、業務管理系統、軟件管理系統、數據庫系統四個子系統，其中：

⑴網管系統提供注冊、代理、重定向服務，負責用戶終端和監控終端接入認證、授權，以及用戶與監控終端之間的連接建立、維護、拆除和媒體，安全策略的協商，提供域名解析，NAT穿越等服務。

⑵業務管理系統負責用戶信息管理、用戶權限管理、網絡監控終端設備管理、安全策略管理、業務開展策略管理及用戶服務等。

⑶軟件管理系統包括實時圖像調閱、遠程控制、歷史圖像提取、圖像接入、圖像文件索引、圖像轉發、用戶管理與權限管理、GIS服務、用戶服務、其他接口、故障告警、設備管理、遠程管理、日志和統計報表等。

⑷數據庫系統用于存儲視頻采集前端設備參數、監控終端設備參數、用戶登入管理等信息以及視頻監控故障日志。

1.3 監控終端

監控終端包括固定（PC機、電視墻）和移動（筆記本、手機、車載終端）兩種方式，可以實時接收前端的視頻流進行監控，又可以按照需要登陸數據服務器查詢歷史記錄。3G移動視頻監控終端作為原本基于固網寬帶的PC終端的有效補充，充分利用了設備的可移動性，為用戶提供了隨時接入視頻監控平臺的便利性。相應地，監控終端需支持TCP（UDP/IP）協議和RTP/RTCP協議，移動終端還需支持動態IP和GIS服務。

2 關鍵技術

2.1 第三代移動通信技術

第三代移動通信技術（3G），是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術，其主要特征是可提供移動寬帶多媒體業務，保證可靠的服務質量，能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。在三大3G國際標準中，WCDMA是最成熟穩定、市場占有率最高的3G技術，因此本系統可以采用中國聯通的WCDMA網絡。中國聯通WCDMA網絡在HSDPA支持下，下行數據速率最高可達14.4Mb/s，上行數據速率最高可達5.76Mb/s，完全可以滿足CIF格式（H.264視頻編碼通常采用此格式）視頻流的上傳帶寬需求，這就使得利用3G分組域承載視頻監控業務成為了可能。

雖然WCDMA網絡帶寬足夠滿足視頻傳輸的需求，但從節約流量費用的角度考慮，在設計系統時，需要盡可能地在保證圖像質量的前提下減少網絡流量，這取決于視頻編碼方法。

2.2 H.264視頻壓縮技術

H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動圖像編碼專家組）的聯合視頻組（JVT：joint video team）開發的一個新的數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。H.264以低碼率、高清晰的特點持續提供較高的視頻質量，能夠大大增強圖像的編碼效率和改善圖像數據在網絡中的傳輸效率，成為目前和下一代網絡多媒體傳輸的主要格式和標準。

H.264算法在概念上分為兩層：視頻編碼層（VCL，Video Coding Layer）和網絡提取層（NAL，Network Abstract Layer）。VCL包含了代表視頻圖像內容的核心壓縮編碼部分的表述，主要用來完成視頻的高效壓縮編碼；NAL用來適應各種通信網絡，并提供適應于各種傳輸層或存儲媒體的頭信息，顯著提高網絡傳輸的抗干擾能力。與以往的H.263和MPEG-4編碼標準相比，其采用的新技術有運動估計和運動補償；幀內/幀間預測；熵編碼；整數變換及量化；抗塊效應濾波器等。H.264視頻編解碼流程如圖2和圖3所示。

H.264編碼過程采用幀內預測、幀間預測、運動估計和運動補償、整數變換等方式進行壓縮編碼以提高對圖像的壓縮率。幀內預測是進行圖像空間域的壓縮，利用圖像中相鄰像素的相關性，采用新的幀內預測模式，通過當前像素塊的左邊和上邊的已編碼重建的像素進行預測，只對實際值和預測值的差值進行編碼從而能用較少的比特數來表達幀內編碼的像素塊信息；而幀間預測是對圖像的時間預進行壓縮，根據前后圖像的相關性進行編碼，通過多幀參考和更小運動預測區域等方法對下一幀進行精確預測，從而減少傳輸的數據量，實現降低圖像的時域相關性。H.264把運動估值和幀內預測的殘差結果從時域變換到頻域，使用了類似于4*4離散余弦變換DCT的整數變換，而不是像MPEG-2那樣采用8*8DCT的浮點數變換。以整數為基礎的空間變換具備效果好、計算快，只需加法和移位運算，反變換過程中不會出現適配問題等優點。最后，進行無損熵編碼進一步提高碼率。解碼則為編碼的逆過程。

2.3 流媒體實時傳輸技術

實時傳輸協議包含兩個部分，即實時數據傳輸協議RTP和實時傳輸控制協議RTCP。它們可以一起提供流量控制和擁塞控制服務，以保證網絡傳輸質量。

實時傳輸協議RTP（Real-time Transport Protocol）是針對Internet上多媒體數據流的一個傳輸協議，它被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協議之上工作。RTP本身只保證實時數據的傳輸，并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。

RTCP（RTP Control Protocol），即RTP控制協議。RTP通過RTCP攜帶的信息，實時監測音視頻數據包的延時、抖動、丟包狀況，以及網絡帶寬變化情況，從而可在應用層對視頻源的發送參數做出調整，適應網絡的變化。在RTCP通信控制中，RTCP協議的功能是通過不同的RTCP數據報來實現的，主要有如下幾種類型：SR，發送端報告（Sender Report）；RR，接收端報告（Receive Report）；SDES，源描述（Source Description）；BYE，通知離開；協議流程如圖4所示。

在服務端，RTP模塊主要負責對H.264視頻流進行打包，封裝成RTP數據包，并且將RTP包發送到緩沖區。RTCP模塊主要負責產生和發送RTCP包以及接收分析收到的RTCP包，它包含以下幾個過程：（1） 發送：當數據包傳輸一定的時間間隔后，根據統計的數據進行SR打包并發送到客戶端；（2） 接收：接收客戶端產生的RR報文進行分析，統計丟包率，延遲等；（3） 結束：如果收到客戶端用戶發來的終止事件時，立即發送一個BYE包給客戶端，釋放資源并退出對話。服務器端的發送緩沖模塊根據RR報文反饋信息判斷網絡狀況，動態的對發送速率進行調整。

在客戶端，RTP模塊主要是進行解包處理，提取RTP包中的有用信息。這些信息主要包括版本號和報文負載類型的判斷、媒體數據的長度、報文頭中序列號的檢查等等。RTCP模塊利用服務器端發來的RTP包和SR包中的信息，統計出丟包率，接收到的數據包數，亂序等等，并動態產生RR包，等過了一個RTCP間隔后，發送RR包。接收緩沖模塊存放收到的RTP包，由于RTP數據包是采用UDP的傳輸，所以可能會出現亂序和丟包的情況，因此在客戶端建立一個緩沖區來存放收到的RTP包，以恢復正確的RTP包順序和防止丟包。

3 系統視頻流傳輸流程

在無線視頻監控系統中，視頻監控中心和視頻采集前端，視頻監控終端和視頻監控中心，二者均采用Client/Server（C/S）模式。監控終端運行在Client模式，主動向監控中心發起視頻監控請求，監控中心同樣在Client模式下主動向采集前端發起視頻回傳請求，采集前端在Server模式接受請求并通過3G無線網絡將監控畫面傳回到監控中心服務器，最后監控中心在Server模式下將監控畫面傳送至監控終端并同時將視頻流保存到服務器中供日后調閱錄像用。視頻采集前端發送流程，監控中心運行流程，監控終端接收流程分別如圖5、圖6、圖7所示。

4 結論

隨著3G網絡的不斷完善，3G視頻監控的應用也越來越廣泛。3G與固網的融合，只要IP可達，便可以實現任意時間、任意地點的無線監控。然而，無線信道具有不穩定性，傳輸誤碼率在信道惡劣的情況下較高，因此研發抗誤碼技術是保證數據可靠、魯棒性傳輸的關鍵；同時，由于信道帶寬抖動，碼率控制對于視頻編碼器輸出碼流與信道速率的匹配，以及在碼率受限的條件下重建視頻質量的優化都具有十分重要的意義；此外，H.264使用了多種新技術，增加了編解碼的復雜度，有時難以滿足實時性的要求，因此對H.264算法進行優化，降低計算復雜度以更好的滿足實時視頻監控的需求是值得探討的。總之，由于無線信道固有的特性，致使無線環境下的視頻通信將面臨著比其它環境下更大的挑戰，未來的發展趨勢可以從抗信道誤碼、自適應碼率控制、H.264編解碼優化等方面入手，以使無線視頻監控更好地服務于各種安防領域。

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