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1、基于3G的嵌入式无线视频监控系统典型方案及分析李 楠 房好帅 王慧娟(北华航天工业学院 计算机科学与工程系,河北 廊坊065000)摘 要:提出无线视频监控系统的一般应用模型,概述了基于3G的无线视频监控系统的关键技术,同时对各关键技术当前的发展现状和实现手段进行了简要介绍。在此基础上,分别比较了典型数字视频采集设备和监控端软件的几种实现方案,分析了各方案的优缺点和应用场合,指出了市场的发展方向。关键词:3G;嵌入式;DSP;视频监控中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1673-7938(2010)03-0016-05基金项目:北华航天工业学院科研基金项目(KY22008207)
2、收稿日期:2009-11-120 引 言随着网络带宽、计算机处理能力的迅速提高以及各种视频处理技术的发展,视频监控已步入了全数字化的网络时代 第三代远程视频监控系统。作为远程视频监控典型应用之一的无线视频监控系统,以各种无线网络为依托,以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心,结合嵌入式技术和智能图像分析技术,引发了视频监控行业的技术革命。当前,伴随着3G网络技术的快速发展与应用,高至2MHz的带宽为无线视频监控提供更加强有力的支持。基于3G网络的无线视频监控系统,除具有无线视频监控部署灵活,不受时间和地域限制,可实时在线查看现场情况外,还具有图像质量高,成本低,可将个人信息终端作为监控终端等
3、特点。而这些都是基于其他无线网络的视频监控系统所无法比拟的。基于3G的无线视频监控系统一般可分为3个子系统:前端采集子系统、传输网络和后台监控子系统。其结构框图如图1所示:图1 基于3G的无线视频监控系统一般结构框图前端采集子系统主要负责音视频的采集、压缩编码、传送和存储工作。在主控模块的控制下,数字监控信息按照一定的传输协议通过传输网络发往后端监控子系统。后端监控子系统接收到数据后,将其解码,形成能够在终端上回放的媒体视频流,并实现备份和截图等功能;同时,后端监控子系统还可通过传输网络发送指令到前端,控制传输链路并实现对云台和镜头的控制。后端监控子系统可以包括各类终端,如PC,个人手持信息终
4、端等,还可以包括可在网络上发布音/视频监控数据的视频服务器。1 关键技术1.1 视频编解码摄像头采集到的模拟视频信号经数字化处理成YUV格式后,所需要的带宽很大,以传输25fps的CIF格式(3203240,4:2:2)的图像信号为例,需要占用的带宽为:35232883232325=38.67Mbps,因此视频传输和存储必须进行压缩编码。关于视频压缩编码的算法和标准有很多,目前,在该领域占主导地位的标准是由ISO/IEC组织制定的MPEG系列以及和ITU2T联合制定的的H.XXX系列标准,另外还有ISO和CCITT为静态图像制定的M2J PEG标准。对视频压缩标准的选择,主要是根据应用的需求,
5、综合考虑压缩比、传输带宽、画面质量和算法复杂度等因素。目前较新的主流产品均采用MPEG24和H.264/AVC标准。几种常见编码标准之间的比较见表1。其中H.264/AVC标准由于较高的压缩比率(相同视觉效果下,比MPEG24节约大约50%比特率)和较好的网络适应性,目前已成为业界首选的压缩编码标准。61第20卷第3期2010年6月 北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringVol120 No13Jun12010表1 几种常见编码标准的比较标准名称CIF压缩码率范围图像质量算法复杂度适用场合M2JPEG
6、较窄较好低对清晰度要求较高但对实时性要求不高的应用MPEG24较宽与码率有关较高对实时性和交互性要求较高的应用H.264宽与码率有关高良好的网络适应性和容错性、高压缩比实现视频编码算法有两种方式 硬件压缩编码和软件压缩编码。软件编码方式是指利用程序编程实现编码算法;而硬件压缩方式是指利用某些厂家提供的符合某种编码标准的专用集成电路芯片(ASIC)来实现。1.2 网络传输1.2.1 传输信道目前,在我国境内投入商用的3个3G标准,其数据业务均支持视频流的传输。选择何种网络作为监控系统的传输信道,要综合考虑现有通信模块支持的标准、传输速率、保密性、运营商网络覆盖和资费成本等因素。以下对各3G标准做
7、一简单介绍。表2 各3G标准的比较3G标准全称优势上行速率(Mbps)下行速率(Mbps)主导者国内运营商WCDMAWideband CDMA宽带分码多工存取较高的扩频增益,发展空间较大,全球漫游能力最强,技术最成熟HSDPA达到5.76HSDPA达到14.4欧洲中国联通CDMA2000码分多址频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广EV2DO RevA为1.8EV2DO RevA为3.1美国中国电信TD2SCDMA时分同步CDMA频谱利用率、对业务支持具有灵活性HSDPA达到0.384HSDPA达到2.8中国中国移动1.2.2 传输协议针对视频监控应用,图1中
8、的网络传输模块主要完成编码数据和控制指令的传输。在网络层一般都采用IP协议。在传输层,监控终端传输的数据大部分是图像编码数据,这些数据对实时性和传输率的要求较高,而对数据可靠性的要求则相对较低,如果采用单纯的UDP协议,由于UDP协议不提供任何的QoS保证,传输质量不理想。为此IETF音频工作组制定了RTP/RTCP协议,它使得现有的IP网络在理论上具有提供多媒体实时传输的能力。RTP一般使用UDP协议作为下层协议传输数据,负责对流媒体数据打包并实现媒体流的实时传输,依靠RTCP来提供流量控制和拥塞控制服务。RTP提供端到端的实时数据传输服务,包括载荷标识,数据序号,时间戳和传输控制。RTP数
9、据通常采用UDP/IP封装,它利用UDP的多路复用及校验服务,共同完成实时数据传输功能。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口,一个给RTP,一个给RTCP。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制,也不提供流量控制或拥塞控制,它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现,而是作为应用程序代码的一部分。RTP协议只提供了基本的协议框架,使用者可以针对具体的应用对它进行扩展。RTP协议的协议栈如图2所示。图2RTP协议栈另外,如果在应用层采用B/S架构,使用Web浏览器作为用户界面,还需要建立一个HTTP服务器,通过它来管理用户信息和各采集端信息、发
10、布流媒体。1.3 流媒体播放技术流媒体(Streaming Media)是应用流式传输技术在网络上传输的多媒体文件。流(Streaming)是对在网络上传输特别的编码数字媒体内容,如音频、视频、动画片、图形、照片、文本到最终用户的一种描述。流式传输就是把声音、影像或动画等信息由音/视频服务器向用户计算机连续、实时传送。第三代视频监控系统中前端发送到监控端的音/视频信息就是流媒体的一种。目前,流媒体技术已大量应用于数字视频监控系统的开发中。71第3期李 楠等:基于3G的嵌入式无线视频监控系统典型方案及分析2010年6月在对视频流的播放和处理方面,目前常用到微软的DirectShow技术和一个Li
11、nux下的开源项目ffmpeg。1.3.1DirectShow技术DirectShow是微软DirectX家族的成员之一,为在Windows平台上处理各种格式的媒体文件的回放、音视频采集等高性能要求的多媒体应用,提供了完整的解决方案。DirectShow提供了一个开放的开发环境,开发人员通过组合、控制具有不同功能的Filter来实现所需的应用,从而使开发人员从复杂的数据传输、硬件差异、同步性等工作中解脱出来。DirectShow主要有以下组件:1)过滤器(Filter)过滤器是DirectShow的功能实体,分为源过滤器,转换过滤器和显示过滤器。2)针脚(Pin)在DirectShow中,针脚
12、是进程内组件的端口,每个针脚可以支持若干种媒体格式,过滤器间的连接实际是针脚间的协商过程。3)过滤器图(Filter Graph)过滤器图是Direct2Show提供的一个框架,同一个项目中的组件,包括过滤器和针脚都必须置于同一个过滤器图中才能作为一个流水线运行工作。4)过滤器图管理器(Filter Graph Manager)过滤器图管理器DirectShow架构的核心。它位于应用程序与过滤器图中间,向上为应用程序提供编程接口,向下控制各个过滤器。在DirectShow系统之上,应用程序要按照一定的意图建立起相应的Filter Graph,然后通过FilterGraph Manager来控制
13、整个数据处理过程并与应用程序交互。各个Filter在Filter Graph中按一定的顺序连接成一条“流水线”协同工作。图3体现了DirectShow与应用程序的关系。图3DirectShow体系图1.3.2ffmpeg项目ffmpeg是一个集录制、转换、音/视频编码解码功能为一体的完整的开源解决方案。ffmpeg的开发是基于Linux操作系统,但可以在大多数操作系统中编译和使用,包括Windows和Symbian。ffm2peg支持MPEG、DivX、MPEG4、AC3、DV、FLV等40多种编码以及AVI、MPEG、OGG、Matroska、ASF等90多种解码。ffmpeg项目主要由以下
14、几部分组成:1)ffmpeg视频文件转换命令行工具,也支持经过实时电视卡抓取和编码成视频文件。2)ffserver基于HTTP用于实时广播的多媒体服务器,也支持时间平移。3)ffplay用SDL和FFmpeg库开发的一个简单的媒体播放器。4)libavcodec一个包含了所有FFmpeg音视频编解码器的库。5)libavformat一个包含了所有的普通音视格式的解析器(demuxers)和产生器(muxer)的库。2 前端采集子系统的几种系统方案对比分析2.1MCU+DSP双处理器方案视频编码部分是数字视频监控系统的核心所在。视频编码技术不断发展的同时,ISO等标准化组织也在不断推出新的压缩编
15、码标准。新的编码标准一般都具有更好的压缩比和图像质量,相应地视频压缩编码的算法复杂度也随之增大。由普通的MCU来完成这些编码工作已经是力不从心了,一些厂商便推出了一系列的适用于视频处理的DSP来迎合市场,另有一些厂商更推出了专用视频编码算法ASIC芯片以缩短系统开发者的开发周期。这些DSP或ASIC编码完成的数据通过某种接口(如HPI接口等)送往主控制器MCU(一般采用ARM),在MCU控制下发送到传输通道。其典型框图如图4所示。图4MCU+DSP/ASIC双芯片方案结构图此方案结合了嵌入式微处理器强大的控制能力和DSP的编码运算能力,一般所选择的MCU都具有极强的外围扩展能力,例如集成有以太
16、网控制器、812010年6月北华航天工业学院学报 第20卷UART接口、USB接口等。另外,压缩编码的开发和应用软件的开发分工明确,相互之间可同步进行,使开发周期大为缩短。其缺点在于MCU同DSP/ASIC需要各用一块内存,两个模块之间的同步、逻辑转换也有一定的问题,因此通常还需要外加CPLD或FPGA来解决逻辑转换和逻辑时序运算的问题,这样,就需要有3块芯片,既加大了体积又增加了功耗。此方案适用于监控路数不多、对采集设备体积要求较高的场合。2.2 单片DSP处理器方案如果采用专用视频压缩编码芯片,升级时就不能再采用新的编码算法。DSP相对于专用编码芯片的另一个优点就是可以改进算法以适应各自的
17、监控系统。利用DSP芯片集成的外部接口,节省了系统ROM,减小了体积,比方案1具有更高的性价比。基于单片DSP视频监控终端,除了需要在单片DSP上实现实时、高效、高质量的视频压缩算法,还需要实现任务调度、同步等系统控制功能,需要占用大量的资源。网络通信协议栈能够使用的运算资源、内存资源都受到很大的限制。而缺乏操作系统也给网络协议栈的实现带来困难。一般针对视频监控的解决办法是完成一个精简的TCP/IP,实现一些必需的协议,例如ICMP、ARP、IP、UDP等协议的子集,满足一般数据传输的要求。此方案适用于对采集设备体积要求严格但并不要求其功能很强大的场合。2.3 单芯片集成双处理核方案如果要兼具
18、方案1的强大功能和方案2的较小设备体积,就需要将方案1中的MCU和DSP/ASIC集成到一个芯片中。这样在一块芯片中既有功能强大的可以运行嵌入式操作系统的微处理器,又有专门进行数据运算的内核,两者之间的一些同步和逻辑转换问题也不再需要开发人员关心。此方案中的编码部分既可以由DSP软件解码来完成,以便今后的编码方案升级,又可以由生产厂商的硬核来完成,以减少系统开发人员的工作量。这种双核结构在减小设备体积的同时亦减小了系统功耗。TI公司的达芬奇技术(DaVinci),其硬件部分就 是 基 于 双 核 的 高 性 能 数 字 媒 体SoC TMS320DM6446/6443,其内部包含一个297MH
19、z时钟频率的ARM926EJ2S核和一个594MHz时钟频率的TMS320C64x+DSP核,指令速度达到4752Mips。国内一些厂家也已推出具有ARM内核和专用H.264/MPEG24编码硬核的SoC芯片,例如深圳海思半导体(Hisilicon)的Hi3510系列H.264处理器和上海杰得(Jade)的Z228MG24处理器。3 后端监控子系统与前端建立连接的方案前端采集子系统采用一个3G通信模块进行音视频数据的传输。当3G模块拨号成功,与后端监控子系统用户通信时,存在两种情况,即监控端采用静态互联网IP地址或监控端采用动态互联网IP地址。下面分别对这两种情况下的通信进行讨论。3.1 监控
20、子系统采用静态IP当监控子系统有一个固定的互联网IP地址时,通信流程如下:1)前端采集子系统通过3G模块与后端具有固定IP地址的监控子系统建立通信链路;2)监控子系统发送控制命令给前端的3G模块,启动视频传输;3)3G模块向监控子系统的接收模块发送视频数据;4)通信过程中,后端向前端反馈线路状况,以便进行速率控制。3.2 监控子系统采用动态IP当监控子系统采用动态互联网IP地址时,可采用两种方式与前端设备进行通信:通过DNS服务器实现地址解析;通过短消息报告接收端的动态IP。下面简单介绍一下这两种方式的实现。地址解析方式:通过互联网上的DNS服务器实现前端采集子系统与监控子系统之间的地址解析。
21、通信流程如下:首先前端采集子系统通过DNS解析得到监控端互联网IP地址,然后按照静态IP时的流程进行通信。SMS设置方式:在3G无线通信中,3G通信模块获得的IP地址虽然是动态的,但是其绑定的UIM卡的电话号码却是固定的。因此,可以借助短消息服务来实现前端和后端的通信地址交互。4 监控子系统终端设计方案分析监控子系统终端可以是基于PC的,也可基于3G手机。终端软件的设计可以采用C/S架构,也可以采用B/S架构。目前基于PC的监控终端软件多为Windows平台下开发,大多采用C/S架构,仅有少数终端采用B/S架构。采用C/S架构的终端软件的开发常采用Windows+VC+DirectShow的组
22、合方式,或Win2dows+Java+ffmpeg的方式或Linux+Java+ffm291第3期李 楠等:基于3G的嵌入式无线视频监控系统典型方案及分析2010年6月peg的组合。采用B/S架构的终端,则采用Win2dows+VC+JavaScript+DirectShow的组合方式,或Linux+JavaScript+ffmpeg的组合。以下简单说明B/S架构下Windows+VC+JavaScript+Direct2Show的开发组合方式。此种组合下,需要采用微软的DirectShow技术,用Visual C+6.0生成一个ActiveX控件,并嵌入到IE浏览器中。Plug In是使用A
23、ctiveX技术开发的控件,使用时在客户端注册安装。在打开IE浏览器访问图像采集端时,Plug In被加载。将图像接收与监控端的RTP接收模块、解码显示模块(Direct Show)和HTTP Client模块做成一个Plug In插件。Plug In的结构如图5所示。图5Plug In结构图此外,还需要在前端采集子系统中运行一个Http服务器。这就要求采集子系统必须采用上述的ARM+DSP的处理器方案。这样,采用B/S架构后,不仅在部署监控终端时需要另外安装一个ActiveX控件,而且对前端采集子系统的处理器有了更高的要求。这也就是目前在该领域B/S架构很少被采用的主要原因。如果用手机作监控
24、终端,则需要结合所选的运营商来选择适当的手机操作系统。目前支持3G技术的手机操作系统主要有Symbian,微软的Win2dows Mobile,苹果的iPhone OS和Google的An2droid。其中除iPhone OS不支持第三方软件外,其他3种操作系统均支持第三方工具。由此可以在Symbian平台下,结合ffmpeg,用C+或.net开发终端软件,也可以在Windows Mobile平台下,结合DirectShow,用.net进行开发。5 结 语嵌入式技术、DSP技术和3G技术在视频监控领域的应用,使以往的视频监控技术在图像处理能力、图像质量、功耗以及部署的灵活性等方面得到了明显改善
25、。尤其是3G技术的应用,大大拓展了视频监控解决方案的适用范围。利用3G网络平台,可在高速运动的物体上实现高速数据传输。由此,基于3G的无线视频监控系统将广泛的应用于地铁、公交和铁路客运。此外,借助个人信息终端和高带宽的3G网络,人们可以随时随地查看家中的情况。未来,家用无线视频监控也将飞速发展。参考文献:1谢红华,陆以勤,吕锦.基于3G无线网络的高质量实时视频监视系统的设计J.计算机应用研究,2007,24(01):314-315.2徐国峰,汪理虎.基于DirectShow和RTP的网络视频流研究与应用J.南京工程学院学报,2007,05(03):45-49.3金亮.基于3G网络的视频传输技术
26、的研究与仿真D.保定:华北电力大学,2007.4邹纯宏.基于DirectShow和RTP的网络视频监视系统设计与实现D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2007.5郑晖.基于嵌入式LINUX的CDMA1X无线视频监控系统的设计和实现D.上海:同济大学,2007.6张溢华,万晓榆,樊自甫.3G视频监控系统传输部分的设计J.视频应用与工程,2009,33(2):61-62.The Introduction and Analysis of Typical Schemes forWireless Embedded Video Surveillance System Based on 3G NetworkLI
27、NanFANG Hao2shuaiWANG Hui2juan(Department of Computer Science and Engineering,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000,China)Abstract:A general application model of wireless embedded video surveillance system was introduced along with its key technology,present development stat
28、us and solutions.Furthermore,several typical realization schemes for digital video surveillance device andclient software were presented based on the comparison of the features and application situations,it offered useful references for thedevelopment of market trend.Key words:3G;embedded;DSP;video surveillance022010年6月北华航天工业学院学报 第20卷