村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸方案設計

胡子昂++王衛(wèi)星++陸健強++石穎

摘要：本文面向省、市、縣三級村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)管理部門，針對帶寬受限和傳輸數據容量大的矛盾，探討了3G數據傳輸過程中的傳輸網絡方案。在調查村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)監(jiān)管過程對數字化監(jiān)管平臺需求的基礎上，結合我國村鎮(zhèn)網絡設施受限、多數地區(qū)存在WiFi網絡無法覆蓋的實際情況，選擇了3G無線傳輸網絡和H.264視頻壓縮編碼標準。針對村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)實際監(jiān)管和監(jiān)管系統(tǒng)視頻傳輸的過程中存在的問題，分別探索了視頻本地存檔、異地調用的雙碼流傳輸方式和帶寬受限條件下異步傳輸、可伸縮編碼和視頻畫面切割的傳輸方案。本文研究村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)測技術，為村鎮(zhèn)建設社會主義新農村再開發(fā)現場監(jiān)測、全程監(jiān)管、縣市省三級互通互聯與公共服務、以及信息化監(jiān)管技術平臺的構建提供理論基礎。

關鍵詞：建設用地再開發(fā)；視頻監(jiān)控；無線傳輸

中圖分類號：TP311.5

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.003

0 概述

本世紀頭20年，是我國經濟社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期，也是資源環(huán)境約束加劇的矛盾凸顯期。目前我國村鎮(zhèn)建設用地總量高達16.4萬平方公里，是城市建設用地總量的4.6倍，人均用地185平方米，遠遠超過國家標準，且土地利用結構不合理，粗放利用問題突出。因此，探索再開發(fā)現場監(jiān)測、全程監(jiān)管與業(yè)務系統(tǒng)一體化整合的方法，尋求如何構建村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)測、全程監(jiān)管、信息共享與服務集成平臺，對轉變村鎮(zhèn)土地利用的傳統(tǒng)觀念，緩解土地資源有限造成的壓力，提高土地利用效益，具有重要的現實意義。

當前，在建設用地再開發(fā)方面監(jiān)控系統(tǒng)的科研幾乎空白。圍繞我國建設用地再開發(fā)，在土地利用現狀調查、建設用地集約節(jié)約用地評價以及有關經濟、社會、環(huán)境數據的基礎上，在區(qū)域規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、城鎮(zhèn)規(guī)劃的控制下，本著“補差補缺”的原則，以加強“經濟調節(jié)、市場監(jiān)管、社會管理、公共服務”下的建設用地調控與監(jiān)管為核心，進行建設用地再開發(fā)數字化監(jiān)管技術研究，實現信息化監(jiān)管具有重要意義。本文面向省、市、縣三級村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)管理部門，針對帶寬受限和傳輸數據容量大的矛盾，重點探討3G數據傳輸過程中的傳輸網絡方案。

本文針對村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)具有漸變性、周期較長，單純用巡查、數據上報等常規(guī)監(jiān)控手段很難滿足有效實時監(jiān)管的特點，研究基于多模式及多路無線捆綁安全數據接人視頻網關的村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)監(jiān)控視頻數據采集處理和智能分析技術。通過分析村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)控系統(tǒng)的技術指標要求，結合對無線視頻傳輸技術應用的研究，進行了村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控終端壓縮編碼方式的選擇和視頻傳輸網絡方案的設計。

1 現場監(jiān)控端視頻傳輸模式設計

在監(jiān)控系統(tǒng)視頻傳輸過程中，解決3G網絡環(huán)境下帶寬受限和視頻傳輸數據量大的矛盾是一個核心問題。以中國聯通3G環(huán)境下室外移動網絡狀態(tài)為例，此種情況下的3G網絡傳輸速率為l44kbps。根據技術指標要求，監(jiān)控畫面的分辨率采用720×576，每個真彩像素深度為24，H.264視頻壓縮比假為102：1，這樣得到原始視頻的數據量為720×576×24/8=1244kbpf，壓縮后的數據量為9953/102=12.2kbpf。利用此條件下的3G無線網絡傳輸可得圖像的傳輸速率為144kbps/12.2kbpf=11.8fps。而滿足流暢的實時視頻監(jiān)控畫面需保證至少20fps的傳輸速率，即保證每秒能接收到的視頻幀至少為20幀。

由此可見，在平均3G網絡帶寬下，視頻的傳輸速率不能完全滿足視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)的流暢性需求，這就必須要對原有的視頻傳輸方案加以改進。與此同時，村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)實際監(jiān)管的過程中存在著取證不及時、鑒定難度大的問題；在監(jiān)管系統(tǒng)視頻傳輸的過程中，存在著網絡帶寬受限、系統(tǒng)實時性不強的缺陷。

針對以上問題，本文分別從兩個方面人手，提供了視頻本地存檔、異地調用的雙碼流傳輸方式和帶寬受限條件下的視頻傳輸方案。

2 雙碼流視頻傳輸方案設計

為了滿足村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)實際監(jiān)管過程中視頻取證的需求，本節(jié)參照3GPP標準協(xié)議框架，在雙碼流技術的基礎上設計一個的3GSS流分發(fā)服務器用于現場監(jiān)控視頻的存檔與傳輸。

在雙碼流傳輸過程中，流分發(fā)服務器可對單路模擬視頻進行兩種格式的同時編碼上傳，并有由中心服務器進行差異化轉發(fā)。如圖1所示，視頻解碼器和錄像存儲單元接受高清晰度的視頻并存儲，而監(jiān)控端接受低品質網絡傳輸視頻，可有效降低帶寬資源的消耗，提升視頻監(jiān)控畫面的流暢度，從而保證監(jiān)控中心在進行多畫面視頻實時瀏覽時的應用效果。

3 傳輸方式的選擇

前文的分析中指出，在3G網絡帶寬受限的情況下，要傳輸滿足技術指標的高清視頻，并保證監(jiān)控畫面的流暢性，只能通過降低監(jiān)控視頻的實時性和減少3G網絡中單條信道內的數據傳輸量的方法來實現現場監(jiān)控的目的。針對該問題本文通過引入異步傳輸機制、視頻可伸縮編碼和視頻圖像裁剪方式，提出了相對應的解決方案。

3.1 步傳輸機制

與安全設施監(jiān)控、違法犯罪監(jiān)控等強調的及時報警、快速響應不同，村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)的現場監(jiān)控不需要過分強調監(jiān)控畫面的實時性，可以允許適當的緩沖延時以保證監(jiān)控畫面的質量，以便于對違規(guī)用地進行更加詳細地取證。

考慮到本系統(tǒng)在實際應用中對傳輸畫面的實時性要求并不是很高，引入異步傳輸機制，以降低實時性為代價完成對高清視頻流的異步傳輸，達到監(jiān)控視頻流暢播放的目的；與此同時，引入一個基于RTCP報告、可獲取對網絡狀況變化趨勢的反饋機制。并利用其提供的動態(tài)的反饋信息實現了對發(fā)送端和接收端Buffer的控制，使其適應當前網絡的狀況，保證流媒體傳輸的QoS，以提高流媒體傳輸的效率。

如圖2所示，在現場監(jiān)控發(fā)送端和監(jiān)控中心接收端設置視頻緩沖區(qū)，由會話管理中心不斷獲取RTCP報告信息，控制緩沖區(qū)的大小，以保證傳輸效率。完成壓縮編碼后的本地高清視頻封裝包在緩沖區(qū)列隊傳出，接收端緩沖區(qū)對視頻進行列隊處理。

在實際系統(tǒng)應用中，攝像頭連接無線網關傳輸設備，接收端架設視頻轉發(fā)平臺，利用一定的緩沖時間，來實現高清視頻圖像的流暢傳輸。無線網關傳輸設備要先實現視頻數據實時記錄，然后再異步無線發(fā)送數據，然后視頻轉發(fā)平臺經過一定緩沖時間再實現流暢播放。

3.2 頻可伸縮編碼傳輸

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，編碼器將視頻信號壓縮到一個特定的比特率，使此比特率小于或接近信道容量，解碼器利用收到的全部數據重建視頻信號。但是在本文所研究的系統(tǒng)流媒體應用環(huán)境下，由于村鎮(zhèn)網絡設施不健全帶來的帶寬不足和考慮到設備成本的問題，編碼器無法預知終端設備能力，因此要求視頻編碼器能夠實現特定使用環(huán)境下的最優(yōu)編碼，使得編碼后的碼流可以靈活地適應不同的網絡環(huán)境。

在實際應用中，為了解決3G網絡傳輸帶寬不足的問題，需要設計對視頻傳輸請求有自適應性的視頻服務器。

可伸縮編碼（SVC， Scalable Video Coding）能很好滿足系統(tǒng)的這種自適應性，能夠將視頻信息按照重要性分解，對分解的各個部分按照其自身的統(tǒng)計特性進行編碼。

如圖3所示的是H.264擴展的可伸縮編碼示意圖。空間可伸縮性通過空域分解下采樣來生成多個不同空間分辨率的信號。每個空域層再經過層次B幀預測編碼結構來提供時域可伸縮性。低空域層的運動信息和紋理信息可以用于高空域層相關信息的預測。H.264 SVC的視頻編碼也是基于宏塊的，每個宏塊除了可以進行幀內預測編碼和幀間預測編碼之外，高空間層的圖像還可以進行層間預測編碼。對于每個空間分層中的任意時間級圖像，都采用質量可伸縮性編碼。

3.3 頻畫面切割傳輸

從減少3G網絡中單條信道內的數據傳輸信息量的角度出發(fā)，考慮先將大數據量的每幀圖片在本地視頻處理端物理分割成幾個等大小的畫面，分別經過編碼傳輸，在接收端解碼后對分割的畫面進行再融合。再對得到的融合畫面進行顯示。這樣在單條傳輸信道上的傳輸數據量將成倍縮小，緩解了帶寬不足的壓力，提高了視頻的流暢度，增加了視頻監(jiān)控的實時性。

以技術指標要求為例，在144kbps網速下傳輸分辨率為750×576的視頻監(jiān)控畫面，每個真彩像素深度為24，所以原始視頻的數據量為720×576×24/8=1244kbpf。經過視頻分割，將照片等分成4個部分，每部分的數據量為1244/4=3 llkbpf，采用H.264壓縮編碼后的數量為3kbpf。也就是說，在每條獨立的3G網絡信道內傳輸的數據量為3kbpf。由此可以得出，此條件下的3G無線網絡傳輸可得圖像的傳輸速率為144kbps/3kbpf=48fps。這遠遠大于視頻播放所需要的25幀/s的播放量，完全可以滿足視頻監(jiān)控應用中視頻實時傳輸的要求。

本文以圖片的四分法為例，如圖4所示。先將視頻攝像頭拍攝到的畫面ABCD經過分割處理，得到四張等大小的圖片A、B、C、D，分成四路經過編碼封裝后接人3G網絡傳輸。接收端接收到四幅圖片A、B、C、D后，通過視頻解碼融合器，將圖片還原成拍攝所得的圖片ABCD，最后將還原的圖片壓人隊列形成視頻流。

3.4 頻傳輸模式方案的選擇

在視頻畫面分割傳輸方案中，如何解決掉幀和失幀后的同步問題是一個難點。不難預想到在實際傳輸過程中，由于單條或多條信道上可能存在的數據掉包，出現某一或多個畫面的失幀，如圖5所示。這大大降低了視頻的監(jiān)控效果，不能滿足高清視頻監(jiān)控的要求。所以，在建設用地現場監(jiān)控系統(tǒng)中單純采用這種傳輸方案易造成視頻卡頓、失真嚴重等不良后果。

前文提出的設置緩沖區(qū)、異步傳輸視頻的方式，緩沖區(qū)的等待隊列以降低實時性的代價來保證高清的視頻監(jiān)控，恰恰為視頻畫面分割傳輸中畫面同步的問題提供的解決辦法。而視頻畫面分割傳輸的思路又降低了單條信道上的帶寬壓力，減小了緩沖區(qū)域的分配，縮短了視頻緩沖時間，大大增強了視頻監(jiān)控的實時性。但復雜的算法和增加的傳輸網關帶來的成本增加，是該傳輸模式在實際應用中需要解決的問題。因此，結合異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法對視頻進行無線傳輸的新型傳輸模式值得進一步探討。

與此同時，相比異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法相結合的傳輸方式，將可伸縮編碼和異步傳輸方式相結合的傳輸方式更適合在3G網絡不穩(wěn)定，網絡信號較弱的情況下進行數據傳輸。在網速較慢的環(huán)境下，可伸縮編碼能將視頻監(jiān)控所需的基本層剝離出來進行傳輸，這大大減少了無線傳輸信息量，緩解了3G網絡的壓力。

綜上所述，視頻傳輸模式方案的選擇需要根據具體網絡環(huán)境來決定。在無線傳輸網絡穩(wěn)定的條件下，選擇異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法相結合的傳輸方式，能夠緩解傳輸信道上的壓力，提高現場視頻監(jiān)控的實時性；在無線網絡信號較弱的條件下，可伸縮編碼和異步傳輸方式相結合的傳輸方式能夠調節(jié)視頻監(jiān)控傳輸信道上的數據量，獲得更好的監(jiān)控效果。

4 結論與展望

本文依據村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場視頻監(jiān)管的實際需求，結合村鎮(zhèn)網絡設施建設中存在的帶寬受限問題，進行了村鎮(zhèn)建設用地再開發(fā)現場監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控終端視頻傳輸網絡方案的設計，完成的工作主要包括：研究無線網關傳輸設備帶寬受限情況下，保證接收端視頻清晰流暢接收的傳輸方法。為解決文中構思了三種傳輸方案，分別是設置本地緩沖區(qū)，對視頻進行異步傳送；對視頻每幀圖像在本地進行切割后分別傳送，接收端融合；以犧牲低網速下的視頻畫面質量來換取換面流暢度的H.264可伸縮編碼形式。在保證監(jiān)控質量的前提下，經過對比分析，本文提出了將幾種方式融合的思路，在具體的網絡環(huán)境中來決定不同視頻傳輸模式方案。我們計劃在未來利用該套無線傳輸方式，解決無線傳輸帶寬受限和視頻傳輸數據容量大的問題。并結合CORS高精度定位裝置，實現綜合整治村鎮(zhèn)建設用地的視頻高精度實時監(jiān)管功能。