無線視頻監控可靠性保障技術設計與實現

周曉

摘 要：本文主要討論如何實現不同無線信號下的視頻完成實時監控，在監控中設計一種參數能有效實現無線視頻監控，而且還提高了無線視頻監控中的視頻清晰度。開始介紹了無線視頻監控的總體設計方案和無線實時監控的工作原理，描述了方案的可靠性和保障技術，本次的監控方式原理是將數據引入圖像緩沖區，在設置H.264編碼參數、并通過圖像幀的處理技術以及RTP/RTCP傳輸協議，這樣一來不但保障了無線實時視頻的傳輸性，還在傳輸方面提高了速度及可考性。通過網絡環境下的wifi、wcdma、td-lte等無線信息進行測試，對無線監控系統進行全面分析，證實了改系統的可靠性。

關鍵詞：無線監控；視頻傳輸；可靠性

現今我國的網絡信息技術發展迅速，并且現在的網絡具有開放性、靈活性等給人們的生活帶來了很多便捷之處，在網絡信息發展的年代，網絡應用的開發和使用逐漸被重視起來。由于無線網絡技術的誕生，在不同的使用環境中對無線網絡協議的形式也隨之改變，無線網絡技術目前已經實現了寬帶化，加快了網絡信息傳輸速度影響著各行各業的發展。目前，wifi網絡信號已經覆蓋了城市大部分面積，實現了個人與pc無線連接，包括智能終端及互聯網電視設備等無線網絡技術，支持目前處在主流階段的連接方式IEEE的802.11b、80211g和802.11n，能輕松實現百米內提供300Mbit/s的傳輸速度。現在的無線移動通訊網絡，3G網絡把無線通訊和互聯網技術相結合，不但能進行高速信息傳輸，還能利用HSPA和HSPA+技術實現21Mbit/s的傳輸速度。然而，現在主流網絡已經被4G所取代，利用LTE技術在20MHz的寬帶下也能提供下行速率高達100Mbit/s，最大的上行速率也有50Mbit/s的速度[1]。 在視頻領域方面以往的監控多數利用有限傳輸，雖然能實現實時監控，但是安裝線路煩雜，要在固定的區域內裝置視頻監控器，在監控期間監控人員不得擅自離開崗位，從意義上來講和人到現場監視無差別。之前也有過無線視頻監控的技術，但是由于網絡信息傳輸速度較慢，往往會出現延遲，沒辦法實現實時監控。因此，本文將結合所發現的問題加上現在網絡信息傳播技術，設計具可靠性并能實現實時監控的無線視頻監控系統。

1 無線視頻監控系統的總體方案及原理

無線視頻監控系統的總體方案主要由3個部分組成：便攜式終端、中心節點、監控中心，如圖1所示。便攜式終端設備又分為3個模塊包括視頻采集模塊、視頻編碼模塊、視頻傳輸模塊。便攜式終端設備使用目前市場上比較主流的達芬奇技術平臺TMS320DM3730，使用ARM+DSP雙核結構，此技術平臺能對視頻進行采集、編碼、傳輸調度。視頻采集模塊使用支持多種分辨率的高清USB攝像頭，最大分辨率要在1920×1080，最高支持幀率為30f/s。視頻的編碼模塊由TMS320DM3730的DSP，此設備的編碼模塊最高主頻為800MHz，有效的加快了運算速度和具有較高效率的編碼過程[2]。視頻傳輸模塊使用現今無線網絡信息傳播方式，使用不同無線網絡數據終端進行測試傳播，視頻的無線傳播模塊使用無線網卡、WCDMA無線上網卡 TD-LTE無線數據卡進行視頻數據傳輸。

中心節點接受便攜式終端能發送實時數據，把監控視頻中的實時數據發給監控中心。使用wifi、WCDMA和TD-LTE信道，中心節點分別是wlan ap接入點、WCDMA基站和TD-LTE基站。

監控中心可以用Windows系統進行開發，使用電腦軟件FFmpeg編輯庫對視頻所拍到的數據進行解碼，然后由OpenCV把解碼后的視頻數據進廠圖像處理從而實現同步顯示。同時，監控中心接受到的數據信息進行體統的性能評估。

2 無線監控系統的可靠性保障技術

本文系統設計使用Video4Linux2（V4L2）視頻采集框架和達芬奇技術平臺的H.264編碼器的特征，結合相關的視頻數據包在傳輸層、無線網絡層、鏈路層上的傳輸特點進行傳輸，實現了無線網絡實時監控系統的可靠性。該系統的安全技術主要是在原始圖像緩沖區、H264解碼器上進行圖像參數設置、圖像幀數處理和RTP/RTCP實時傳輸來實現安全性[3]。

2.1 原始圖像緩沖區

便攜式終端設備使用的是嵌入式Linnx系統中的V4L2視頻采集框架，在這種便攜式設備終端進行視頻采集，一般設置采集視頻的格式為YUV格式，設置采集的最大幀數為30f/s，圖像分辨率調制為352×288，分辨率的格式設置成CIF格式，這樣適合用在網絡視頻信息傳播。在實際的視頻采集過程中，采集的幀率是會發生變化的，一般的變化范圍是在20～30f/s之間。同時，TMS320DM3730平臺上DSP核的H.264編碼速率也是動態的，在視頻采集過程中編碼的速率低于視頻采集幀率的要求時，就會出現原始圖數據丟失的情況，這樣就會降低了視頻傳輸系統的可靠性。所以，在通過設置原始圖像緩沖區來進行控制H.264編碼的速率和視頻采集幀數，這樣一來就能有效的提高無線監控系統的可靠性。原始圖像緩沖區的大小要按照不同的無線信號質量來設置圖像幀數，一般設置為10～30幀，這樣系統在進行圖像緩沖時的延遲就為333～1000ms。

2.2 圖像幀的處理機制

圖像幀的處理要從原始圖像緩沖區取出只含有1幀的圖像，然后經過編碼器H.264進行編碼，通過便攜式終端設備上的信息傳輸到模塊各幀圖像信息發送給中心節點。在視頻的傳輸過程中要是直接使用視頻傳輸模塊在網絡層中對1幀H.264的圖像進行數據傳輸，這樣一來網絡層中的ip協議就會出現以下的處理過程：第一，判斷傳輸過來的圖像數據的大小是否超過了網絡端口的最大傳輸單元，要是傳輸過來的圖像超過了網絡端口的最大傳輸單元，網絡層就會自動將圖像數據按照MTU值的大小來進行分包傳輸，在分包傳輸時，會給傳輸任務進行編號處理，使用網絡層發送信號給接收端；網絡層會自動對接收到的分包進行排列組合，如果相關的數據在傳輸過程中丟失，網絡層這時就會自動丟棄改數據，這樣一來就造成了圖像幀的丟失，降低了系統的可靠性，這就是網絡層的自動分包重組機制[3]。

把1幀H.264的圖像通過網絡層發送之前，要把需要通過處理的每一幀進行手動分包，并給所分的包加上一個編號，這樣在進行網絡層傳輸過程中就不會因為不同網絡層的ip協議而引起自動分包和重組，避免了圖像數據的丟失，圖像幀的處理方法如表2所示。

便攜式終端設備所采用是的視頻傳輸模塊接口的MTU值一般為1500byte，MTU值中還包含網絡協議開銷，所以在幀的處理過程中，分包的大小最好不要超過1500byte。幀處理機制會自動把1幀H.264的圖像按照比1500byte還小的進行手動分包，在分包過程中會給每一個包添加一個幀號、幀長、包號等信息各自占4byte，那么一個分包的總大小就是1012byte，在進行分包后的各種數據結構如下表3所示。

3 測試結果

系統的無線傳輸信息使用的是WiFi信道、WCDMA信道和TD-LTE信道，三種測試結果和質量可見下表4所示。

4 結束語

wifi網絡信號已經覆蓋了城市大部分面積，實現了個人與pc無線連接，包括智能終端及互聯網電視設備等無線網絡技術，支持目前處在主流階段的連接方式IEEE的802.11b、80211g和802.11n，能輕松實現百米內提供300Mbit/s的傳輸速度。現在的無線移動通訊網絡，3G網絡把無線通訊和互聯網技術相結合，不但能進行高速信息傳輸，還能利用HSPA和HSPA+技術實現21Mbit/s的傳輸速度，使用三種方式的傳輸都能有效的實現無線網絡視頻實時監控。

參考文獻

[1]張玲.軟件視頻會議系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2011，2（9）：116-117.

[2]張常亮，馬渝勇，劉一謙，等.MCU級聯的省一市一縣三級高清視頻會議系統設計[J].電視技術，2012，36（9）：138-141.

[3]高白龍，白旭，吳瑋. 達芬奇技術開發基礎、原理和實例[M]. 北京：電子工業出版社，2012.

[4]孫韶.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.