3GWCDMAEVDO无线视频监控方案.doc

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1、3G/WCDMA/EVDO无线视频监控方案V1.0 上海星机高科GPS 1 综述 1.1 方案特点 针对传媒的项目需求，锐明有一套全方位的解决方案：基于我们为巴士在线开发的成熟的车载智能综合终端（A16），可迅速完成项目需求。开发完成后，系统可具备以下功能： 完备、成熟的智能交通系统功能，包括智能报站、中心调度、客流统计等； 智能化的车载电视运行状态的监视，可智能识别黑屏、停顿；可智能识别无声和长时间强烈噪声；可支持现场图片和视频流的实时上报。 基于成熟方案的车载移动电视系统功能，并支持在显示屏上显示报站等各种文字信息，支持显示监控中心下发的文字信息。 其中车载终端具有以下明显优点： 基于车载

2、应用的成熟、模块化的整机设计，宽幅电源、防水、防尘，易于安装，方便运维； 扩展性好，可扩展录像功能、行车记录仪功能、高清电视功能，并具有丰富的对外扩展接口； 1.2 创新点 本方案创新点如下： 第一， 采用先进的图像智能识别算法，可在各种复杂干扰的情况下，智能识别出电视显示屏的黑屏、停顿及正常状态。采用先进的声音滤波算法，可在各种复杂干扰的情况下，分析出喇叭输出无声、大强度噪声及正常状态。 第二， 采用先进的、专门为低带宽情况而优化的H.264图像压缩、传输及解码算法，可保证远程视频监视效果。 第三， 车载电视系统支持高清电视节目，支持H.264的信号源。产品生命周期长。 第四， 内置SD卡，

3、可用于存储广告媒体节目。当电视信号不良或者不可用的时候，比如在山区或车辆进入山洞，可自动播放SD卡中的内容。系统可自动把电视节目中的广告内容更新到SD卡中。 第五， 利用图像分析、模式识别的算法进行客流统计，提高了统计精确度，并同时降低了产品成本。另外，用于客流统计的摄像头拍摄的区域可以把公交投币箱包含在内，加上设备本身的录像功能，可为公交车队监视钱箱。 2 需求分析 从项目需求信息可以判断，需求共分为三类：基于GPS和GPRS的车辆智能调度系统（简称GPS）、GPS+移动电视远程监控（简称基本型）、GPS+移动电视远程监控+移动电视接收（简称增强型）。 本节针对三类需求做了技术难点分析。 2

4、.0.1 GPS类 GPS类，车载终端为纯粹GPS车载调度终端，平台软件仅包括GPS车载调度系统。此类需求只是满足了车队的智能交通的需求。 纯粹的GPS车载调度系统已经非常成熟，但在此项目的重点要关注的问题是：GPS系统如何与车载电视系统协调工作，主要是如何实现播放电视声音与报站声音的切换。 分为两种情况： 一、 两种系统的喇叭独立，各用各自的喇叭。此种情况两个系统完全独立。车载GPS系统自带声音功率放大。 二、 两种系统共用同一套喇叭。由于车载电视具备音频输入（Line-In）、切换开关量接口，设计方案为：车载GPS系统的声音输出为Line电平，同时输出开关量状态指示。车载电视系统内部实现两

5、种声音的切换、功率放大。 2.0.2 基本型 车载终端在纯粹GPS车载调度终端的基础上，增加了对车载移动电视的工作状况进行监视，并收集对传媒来说有用的信息，包括车辆基本信息，上车人数等。平台软件增加了一套用于终端设备远程监视的大系统。除了智能交通以外，实现以下功能： A. 通过上报车载电视的工作状态，并借助各监控平台，协助车载电视的运维工作； B. 通过上报车载电视工作现场的图片，统计上车人数，并借助分布与各大城市的平台系统，协助广告投放客户了解广告投放的实际效果。 此系统应具有以下特点： 1 车载终端： a) 实时监视电视显示屏是否出现长时间黑屏、是否出现长时间停顿；为此，需要对准显示屏安装

6、监视摄像头。实时听电视播放的输出是否长时间无声。为此，需要对准喇叭安装拾音器。当出现黑屏、停顿、无声等状态时，需要主动向平台软件报警。 b) 当客户认为需要时，比如判断故障现象、查看当时播放画面状态等，可以通过监控中心看到电视屏幕的照片或者视频流。 c) 由于采用GPRS网络与监控中心通讯，带宽有限。为了降低信息数据量，必须能够智能判断出显示屏状态（黑屏状态、停顿状态和正常状态）；喇叭输出状态（无声、正常），误判要非常低。上报至监控中心时，只需上报判断结果的状态。 d) 终端应能够采集上车的人数，并连同车牌号码、线路号、车辆当时地理位置、设备编号等信息发送至监控中心。 e) 终端应具备统计功能

7、，统计车载电视的开机率等。 f) 考虑到GPRS网络可能中断，在网络中断时，应把信息缓存在本地，网络恢复时上报。 g) 具备本地存储功能，可把各种信息记录到本地。 2 监控中心平台，： a) 是基于全国业务的三级中心：主控中心、分控中心和本地控制中心； b) 具有严格的权限管理制度； c) 客户端分为三类：管理员客户端；车载电视运维中心客户端；广告客户操作的客户端。每种客户端关注的内容不同。 2.0.3 增强型 增强型，在基本型的基础上，又增加了车载移动电视的功能。这是个一揽子解决方案，全方位满足了传媒的技术要求。可用于直接替代原有淘汰设备，在装配新车的时候，免去了装几种设备的麻烦。 需要关注

8、的要点是： 采用哪种电视接收、解调和解码方案，以便实现车载复杂的环境； 电视模块如何与监播模块配合工作。 3 车载终端设计方案 3.1 系统设计原则 1. 创新性 采用先进的车载电视的状态监视技术，具体展现在： 采用先进的图像智能识别算法，可在各种复杂干扰的情况下，智能识别出电视显示屏的黑屏、停顿及正常状态。 采用先进的声音滤波算法，可在各种复杂干扰的情况下，分析出喇叭输出无声、大强度噪声及正常状态。 采用先进的、专门为低带宽情况而优化的H.264图像压缩、传输及解码算法，可保证远程视频监视效果。 车载电视系统支持高清电视节目，支持H.264的信号源。产品生命周期长。 内置SD卡，可用于存储广

9、告媒体节目。当电视信号不良或者不可用的时候，可自动播放SD卡中的内容。如果无线电视节目数据流中包含EPG（电子节目表）数据，则系统可自动把电视节目中的广告内容自动更新到SD卡中。 利用图像分析、模式识别的算法进行客流统计，提高了统计精确度，并同时降低了产品成本。另外，用于客流统计的摄像头拍摄的区域可以把公交投币箱包含在内，加上设备本身的录像功能，可为公交车队监视钱箱。 2. 实用性 采用成熟的、基于GPS、GPRS的智能交通系统，可有效满足常见公交企业的相关业务要求； 采用成熟的车载移动电视方案，保证电视信号的接收、信号快速恢复、流畅地解码，系统可靠性高，从而实现车载移动电视的长期可靠运行。

10、系统扩展性很强，可根据客户要求增加录像监控、行车记录功能；可采集车内温度、振动数值可满足更高层次的客户需求；可把电视部分扩展到接收、解码高清节目，可支持H.264码流。 3. 易维护 整机设计经过多个大型应用的考验，可适应复杂、严酷的车载环境条件。 增强型整机为模块化设计，各个主要的功能模块的运行互不干扰。当某个模块损坏后，不影响其它模块的功能，可直接更换，维护方便。 设备自身具有全面的自检功能，当监播系统自身出现问题时，监控平台可实时掌握。 3.2 方案设计 针对项目的三类需求，车载终端方面，我们的全面解决方案简述如下： 基于车载环境的模块化设计，整机分为三大模块：电源、功放模块；移动电视模

11、块；智能交通及监播模块。 电源、功放模块负责为车载终端及外设（摄像头、拾音器、客流统计等，当为增强型设备时，还需为显示屏供电）提供干净、稳定的电源；把电视声音、报站声音切换后功率放大，直接驱动车内喇叭。 移动电视模块负责电视信号的接收、解调、解码、输出分路驱动；并接收智能交通及监播模块发来的文字信息，叠加到播放画面。 智能交通及监播模块负责公交自动报站、智能调度终端、客流统计；负责接收摄像头、拾音器信号，智能分析、压缩视频形成图片及实时视频流，向监控中心发送报警及状态信息，接收各种监控命令或文本信息。 本章给出了三大模块的设计方案，并给出了车载终端的关键技术分析及解决方案。 3.2.1 电源、

12、功放模块 1. 电源 车辆的电源环境非常恶劣，主要特点为： l 电压变化范围宽：电池电压为12V的车辆在电池老化或者电量不足时，电压可能降到8V。电池电压24V及其以上的车辆高电压可以达到36V。 l 电源纹波严重：车辆输出电压纹波非常严重，处理稍有不慎就会把干扰引入车载电子系统。表现为图像出现干扰条纹等。 司机的很多动作都会导致电源上出现高低脉冲，比如发动机点火、踩油门、按喇叭。低电压脉冲可以达到5V，高电压脉冲经常性可以达到60V。持续时间一般是几百毫秒至几秒。 因此，电源设计是可靠性设计的重点之一。 为解决这些问题，本系统采用车载专业电源模块，性能如下： 可适应宽电压范围，在8V36V可

13、正常工作； 可承受6V的电压脉冲，60V的高电压脉冲。 电源效率很高，当输入电压为16V以上时，效率接近90；当输入电压为8V12V时，效率也能达到70。 支持输入防反接保护、输出防短路保护功能。 整套车载系统供电方案如下：电源直接取自车辆直流电池，并从车钥匙处获得开关点火信号。电源模块内置于车载DVR主机中，不但方便工程安装，而且保护了电源模块本身，不需单独对电源模块做各种环境适应性（散热、防尘、防水、防爆等）设计； 摄像头、拾音器、报站器、客流统计设备、显示屏等有源设备均由本电源模块供电。 2. 功放 车辆环境声音嘈杂，功放的功率一定要足够大才能达到投放广告的效果。同样因为车辆环境声音嘈杂

14、，双声道输出不能表现出其效果，而且装车线材更多，接法更复杂。 一般地，功放分为数字功放和模拟功放两种。相对模拟功放，数字功放具有体积小，效率高和功耗小的优点。 本方案采用单声道数字功放，特点及参数如下： 车内声音功放功率可达到20W；车外功放（用于车外报站）为10W。 负载电阻最小为4欧姆； 带有输出过载自动保护功能。 为排除功放输出对视频的共模干扰，在装车的时候，应禁止喇叭的另一端直接搭铁，而应通过电缆直接接到设备的功放地线上，使得回流电流直接通过电缆回流到主机。 注： 本方案可根据要求把驱动车内喇叭的功放修改为双声道，每声道1520W； 3.2.2 移动电视模块 1. 基本方案 本模块采用

15、成熟的方案：采用SigmaDesign高清媒体处理芯片和凌讯LGS-8913-A1芯片，完全符合DMB-T/H标准，框图如下： 特点如下： 支持接收地面无线数字电视信号，完全符合DMB-T/H（GB20600-2006）标准。 支持标清和高清信号的接受和播放，支持MPEG2、H.264视频格式。 支持全自动搜台、手动搜台，强制或自动PAL/NTSC切换。 具有掉电记忆功能及自动开、关机功能 支持OSD & VBI图文输出。 软件通过USB、串口及GPRS网络远程升级。 可在电视信号不良或不可用的时候播放SD卡中媒体内容。 可根据电视信号中EPG（电子节目表）中获取广告节目并存储于SD卡中，从而

16、可自动更新SD卡中的内容。 电视图像解码输出后，可利用视频分路驱动，输出4路CVBS信号，以便驱动4个显示屏（某些类型的公交车辆为双层或者很长，需要3至4个显示屏）。 3.2.3 智能交通及监播模块 本模块采用了一个集成的方案，综合实现了智能交通及监播模块功能。 1. 智能交通 本方案直接取自其它项目已经大量商用的成熟模块，包含功能为： 基于GPS的公交自动报站； 基于GPRS无线网络的智能调度； 客流统计。 其中，客流统计是关键点。当前商用的客流统计分为三类： 第一类、红外遮挡计数式，原理是根据红外线被遮挡的次数来判断人数。常见于超市、图书馆等固定场所，公交车辆的场所也有应用。当乘客不愿排队

17、上车时，这种技术准确度很低。 第二类，踏板式，原理是根据踏板踩踏次数来判断人数。但当乘客一拥而上时，准确度依然不高。 第三类，图像目标模式识别式，原理是从车顶用摄像头采集到上车的画面，利用模式识别算法提取人头的特征，通过对人头的计数来判断上车人数，精确度明显高于上述两种模式。由于硬件上只需要安装摄像机，工程施工简单，硬件成本低。虽然该算法需要付费获得，但总体来说成本还是比前两种模式低很多。 采用“图像目标模式识别”还有另外一个好处：摄像头拍摄的区域可以把公交投币箱包含在内。加上设备本身的录像功能，可为公交车队监视钱箱。 2. 监播 监播模块功能相对复杂，归类如下： 音、视频采集； 视频编码（H

18、.264）、传输，用于远程查看实时图像； 图片编码（JPG），用于远程调看现场图片； 图像智能识别，用于识别黑屏、画面静止等故障状态； 声音智能识别，用于识别电视节目声音无声、高强度噪声等故障状态； 统计上报功能，用于统计开机率，连同其它信息，利用GPRS网络上报给监控平台； 故障报警自动上报功能，当发现电视图像、声音异常时主动上报给监控平台。 本地存储未能及时上报的信息、统计信息及自身的工作日志，存储设备采用SD卡。 其中H.264视频编码和传输、图像智能识别、声音智能识别是该模块的关键技术。本节重点叙述了这三个方面。 1） H.264视频编码和传输 GPRS无线网络带宽很窄，平均只有20k

19、bps左右，降低到8kbps以下是常见的事情。网络带宽的变化也很严重，从而造成数据传输抖动也很严重。大量工程实践告诉我们，基于这么窄的网络带宽，实现实时视频流的传输，又要保证一定的效果，难度很大。必须具备以下几个条件： A. 图像压缩率一定要非常高； B. 视频流的码率和帧率应可控，可自适应网络带宽； C. 可适应恶劣网络环境的图像传输控制算法； D. 可适应严重抖动的图像解码算法。 通过在几个大型项目的锤炼，我们在这个领域有了丰富的经验。我们采用了当前压缩率最高的，专门为低带宽情况下而优化的H.264算法，并可根据带宽的情况自动调整编码帧率和画质；针对抖动严重的网络环境，我们发明了一套基于缓

20、冲池和跳跃的传输控制算法；并在解码端做了播放平滑算法，使得即使经过抖动情况严重的网络传输过来的数据，解码效果依然良好。 本方案也提供了上传JPG照片的功能。与实时视频流相比，各有优缺点： 传输JPG图片的优点是每一张照片可以单独解码，方便归档和传阅，缺点是每张照片的数据量都很大，从而十几甚至几十秒才能看到一幅画面，并增加了单位时间内的通讯费用。因此这种功能主要应用于运维人员。 传输实时视频流的优点是实时性好，在20kbps的带宽条件下，每秒可观看23幅QCIF画面，主观效果很好。缺点是画面的解码显示是有关联性的，但可以通过解码后抓图生成JPG图片。此种功能可以为广告投放客户很好的主观感觉，同时

21、也是运维人员远程检查设备的有力工具。 2） 图像智能识别 为了全面监视车载电视的视频画面状态，必须利用摄像头采集的显示屏的画面数据。但获取得数据存在以下特点： 1、 干扰情况严重，比如显示屏反光，物体阴影等； 2、 摄像头采集下来的场景不可能全部是显示屏的画面，有些区域可能存在其它运动物体； 3、 显示屏部分的画面也可能被运动物体遮挡； 4、 由于摄像头CCD本身的特点，光线的变化对图像本身的影响比较严重。当视频画面本身比较阴暗时，白天黑夜、晴天下雨及灯光变化都会导致采集到的数据有显著的不同。 以上这些因素会严重干扰设备对图像内容进行智能识别。针对这些情况，我们引入了一套专门的模式识别算法，该

22、算法抗干扰能力强，可有效识别视场范围内指定区域内运动物体的特征。把该算法应用到本项目，只要在装车时划定显示屏有效内容的区域范围，即可有效识别出显示屏内容是否黑屏、是否静止。 3） 声音智能识别 为了有效探测车载电视的声音输出效果，必须用拾音器采集其喇叭的输出。拾音器可安装在喇叭附近。但获取的数据存在以下特点： 1、 声音干扰源很多，比如车辆发动机噪声，车辆颠簸振动噪声，乘客发出的噪声； 2、 考虑到很多乘客对电视的声音比较反感，电视声音一般会应乘客投诉而调整的很小；即信噪比比较小。 3、 喇叭同时兼做报站喇叭时，两种声音需要进行分辨。 如何在嘈杂的背景和报站的干扰下，提取出电视本身的声音，是一

23、个技术难点。针对这一难题，监播系统首先与报站系统取得沟通，在报站的时候取消对电视声音的检测，从而排除了报站声音的干扰。然后，引入了一套基于随机信号滤波、信号检测的算法，把背景噪声虑除，从而可检测到电视声音的有、无，以及是否存在声音很大的噪声。 3.3 整机关键技术分析 3.3.1 热设计（高低温、防尘） 中国幅员辽阔，全国各地冷热差别很大。很多车辆不具备空调条件。由于票价的因素，没有空调的车辆乘客特别多。南方地区夏天，车厢内是一个闷热环境，温度可以甚至4550；而北方地区的冬天，早晨起来低温到-30也经常遇见。 归纳起来，车载DVR面对的考验是： l 环境温度范围很广； l 空气流动不畅； l 车辆上灰尘、油烟严重； l 设备自身正常工作情况下有一定的发热量。 如此，设备散热设计、低温设计是环境适应性设计的重中之重。