基于３Ｇ無線網絡的高質量實時視頻監視系統的設計

摘要:提出了利用3G無線網絡傳輸視頻信號的新一代無線視頻監控系統，該系統將現場采集的圖像經過視頻壓縮編碼模塊壓縮編碼，通過3G無線網絡發射到遠程監控中心，實現了高質量無線實時遠程監控#65377;

關鍵詞:小波變換; 第三代移動通信系統; 視頻監視

中圖分類號:TP23文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0313-02

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無線遠程監控系統指的是利用無線傳輸網絡實現遠程現場視頻信號傳輸的系統#65377;無線傳輸網絡可以是微波#65380;衛星或移動通信網絡#65377;其中，成本最低#65380;靈活性最強的是移動通信網絡#65377;目前最常用的無線數據網絡有GPRS或CDMA1.x#65377;無論是CDMA 1.x還是GPRS網絡，其上行帶寬均在100 kbps以下，監控畫面的圖像格式要求在320×240以上#65377;通常情況下傳輸的是一幅幅采集時間間隔為幾秒的圖像，圖像連續性差，還無法傳輸實時連貫的畫面#65377;而3G(第三代移動通信系統)是一種能提供多種類型#65380;高質量的多媒體業務，能實現全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力#65377;在準靜止條件下能夠達到2 Mbps的速率，即使在高速的列車上，傳輸速率也可以達到144 kbps，能夠支持音頻或低速率視頻等多媒體業務#65377;由于3G網絡的發展，實現遠程視頻的無線傳輸已不再是遙遠的夢想#65377;

假設在最差狀態下，3G網絡的傳輸速率為144 kbps，監控畫面圖像格式采用320×240像素，且每個像素采用24 bit，則每幀的數據量為320×240×24=1 843 200 bit/幀，壓縮比采用250 ∶1， 則壓縮后的數據量為1 843 200 bit/250=7372.8bit/幀，那么用3G無線網絡傳輸可達的幀數是144kbps/7372.8bit/幀

=20幀#65377;由此可以看出，即使在最差的情況下，視頻通信還能夠保證以20 fps的傳輸速率，完全滿足高質量實時視頻要求#65377;本文提出一個基于3G無線網絡的高質實時遠程視頻監控系統#65377;

1實時視頻網絡傳輸系統設計

本系統是利用3G無線網絡傳輸視頻信號的新一代視頻監控系統(圖1)#65377;該系統主要由三部分組成，即視頻采集壓縮模塊#65380;無線的數據傳輸模塊和遠程的監控中心#65377;視頻采集壓縮模塊采用TMS320VC5416作為中央處理器，OV7620完成現場圖像的采集，由ADV611負責圖像的壓縮和編碼，CPLD完成各種接口邏輯和時序匹配的控制系統#65377;無線數據傳輸模塊采用3G無線modem，它內部存放有3G的網絡連接端口協議，并嵌入式地實現了TCP/IP協議#65380;POP3/SMTP協議，同時支持動態IP，完成與3G基站的無線連接與數據交換#65377;遠程監控由PC機和相應的解壓及視頻軟件組成，如圖1所示#65377;

整個視頻流的處理#65380;傳輸和接收過程是:在視頻發送端，OV7620對模擬視頻進行采樣，獲得數字視頻信號，ADV611對數字視頻信號進行視頻編碼，生成適應網絡傳輸的視頻碼流，DSP可以根據網絡反饋信息，估計網絡的可用傳輸帶寬，自適應地調整ADV611編碼器的編碼輸出速率，使得視頻碼流能夠滿足當前網絡可用帶寬;視頻碼流通過調制由3G無線網絡傳送到監控中心;在監控中心，對接收的視頻流進行解碼#65380;重構視頻信號#65380;計算當前網絡傳輸參數(如傳輸過程中丟包情況和出錯情況等)，然后根據該信息發出反饋控制信息#65377;

該系統采用功能強大的數字處理芯片和高效的壓縮芯片，將視頻壓縮與傳輸處理工作分別內置到芯片上#65377;由現場圖像采集芯片傳來的視頻信號數字后由高效壓縮芯片壓縮和編碼后，通過數字處理芯片內部處理后通過USB控制器傳輸到3G無線modem，最后通過3G無線網絡轉發到遠程監控中心上#65377;監控中心的用戶可以通過專用軟件或直接用瀏覽器觀看Web服務器上攝像機圖像，并且授權用戶可以控制終端動作#65377;

2實時監控系統實現模塊

針對視頻信號的速度快及數據量大的特點，圖1中的數字處理芯片采用TI公司的高速定點TMS320VC5416#65377;這樣既可以滿足對各芯片控制速度的要求，同時，具有較多的內部RAM可滿足圖像處理的一般要求#65377;

本系統另一個關鍵芯片是圖像壓縮芯片ADV611，它是采取小波變換進行圖像壓縮的#65377;小波變換可以將圖像分解為低頻成分與高頻成分，從而更加有利于對圖像的分析和處理#65377;并且，利用小波變換可以消除傳統DCT變換帶來的方塊效應#65377;

2.1視頻采集模塊

本系統的視頻采集芯片采用OV7620#65377;OV7620芯片是美國OmniVision公司的CMOS圖像傳感芯片，包括664×492的感光陣列#65377;感光陣列輸出原始的R#65380;G#65380;B彩色圖像信號，經模擬處理電路進行曝光#65380;gamma校正#65380;白電平調整等處理后根據輸出要求還可轉換成YUV等多種信號輸出格式#65377;它包括664×492高分辨率圖像數組，一個模擬信號處理器，雙10 bit A/D轉換，模擬視頻合成，數字數據格式化和視頻輸出，SCCB接口和寄存器，數字控制包括定時塊#65380;掃描塊和白平衡#65377;該芯片可提供0.5~30 fps，640×480像素點陣CMOS的彩色或黑白數字圖像，工作頻率為27 MHz，像素時鐘為27 MHz#65377;

2.2視頻編/解碼模塊

本系統采用了基于小波變換的ADV611編/解碼芯片#65377;ADV611是AD公司推出的新一代基于小波理論的視頻壓縮/解壓縮芯片，是一種低價#65380;單機#65380;多功能#65380;全數字的CMOS2VLSI器件#65377;支持對CCIR 2611數字視頻進行高畫質實時壓縮解壓縮#65377;ADV611在壓縮時，其視頻信號的奇偶場是單獨進行的，壓縮比可以從4 ∶1~7 500 ∶1，在不同的圖像質量要求選擇不同的壓縮倍數，并獲得比較好的主觀評價效果#65377;視頻信號壓縮數據率由輸入數據率和選擇壓縮率決定#65377;ADV611內部有一個小波變換核，壓縮算法使用基于雙正交(7，9)的小波變換，每場獨立進行子代編碼#65377;ADV611采用Mallat快速算法，首先通過濾波將一幀視頻分成42個分離的頻帶，然后再進行相應壓縮，最優化每個頻帶使之只包含那些肉眼能看到的頻率分量(對應有用的信息)，由于人眼對高頻分量不敏感，就沒有必要壓縮和存儲這部分信息，色度分量占總頻帶數的三分之二即28個頻帶，亮度占剩下的14個頻帶[1]#65377;ADV611片內集成了一片SRAM，用做變換時的高速數據緩存，保證視頻信號能實時處理#65377;

3實時監控系統工作流程

實時監控系統視頻信號處理流程如圖2所示#65377;系統啟動后，DSP(數字信號處理芯片)對各芯片進行初始化操作，設置各芯片的工作參數后，各芯片便開始工作(OV7621圖像采集芯片和ADV611圖像壓縮芯片，圖2未畫出)#65377;CPLD利用OV7621和ADV611的輸出信號參數對信號的行和列進行計數，送出符合要求分辨率的圖像信號，并產生雙口RAM的地址#65380;讀和寫的選通信號#65377;將壓縮編碼后的圖像寫入雙口RAM中，寫完一幀圖像后發出中斷信號通知DSP讀取，DSP響應中斷信號，從雙口RAM中讀取該幀圖像，對該幀圖像作相應處理后通過USB控制器轉發圖像數據到3G無線模塊中，最終通過3G網絡傳輸到遠程的視頻監控中心#65377;

4系統服務質量的保證

視頻信號傳輸和一般的網絡數據傳輸有明顯的區別，主要表現在:一般的網絡數據對傳輸延時和傳輸抖動并沒有特別的要求，但是對流量控制和差錯控制有嚴格的要求#65377;視頻信號傳輸則要求傳輸具有實時性，對傳輸延時和傳輸抖動特別敏感，但是允許一定程度的傳輸錯誤#65377;基于上述網絡要求，特別是在3G無線網絡上提供實時視頻服務，本系統使用了RTP/RTCP(實時傳輸協議/實時傳輸控制協議)#65377;RTP協議利用傳輸分組頭中指定時間戳和順序號來消除抖動和亂序的影響，而RTCP協議起到同步作用，RTP與RTCP相互配合，共同提供了網絡傳輸中的流量控制和擁塞控制#65377;

在實際傳輸過程中會因為傳輸信道容量的限制，常常很難同時滿足視頻質量和視頻傳輸速率的要求，這時本系統利用可伸縮視頻編碼方法來解決這兩者之間的矛盾#65377;可伸縮的視頻編碼基本思想是將碼流分成基本層和增強層#65377;其中基本層碼流優先級最高，包括提供最低質量等級保證的視頻碼流和視頻序列的運動矢量，而增強層優先級低，當網絡擁塞時可以相應丟棄，從而解決了視頻質量和視頻傳輸速率的矛盾#65377;

在視頻傳輸過程中，丟數據包是不可避免的(特別是無線網絡)，然而為了實現實時視頻監控的功能，不允許網絡對丟失的數據包重傳，所以，在遠程的監控中心采取錯誤隱藏策略，即利用接收數據包的冗余信息，提供效果更為滿意的解碼視頻流輸出#65377;錯誤隱藏有三種主要的方法:a)基于空間相關性的錯誤隱藏，即利用錯誤塊在同一幀內相鄰的正確數據來重構數據;b)基于時間相關性的錯誤隱藏，即利用時間上相鄰幀很強的相關性來進行錯誤隱藏;c)采用自適應方法進行改進，即根據圖像的特點和誤碼的類型來選擇相應的恢復方法#65377;

5結束語

與目前使用的采用衛星或微波技術實現實時視頻監控相比較，本系統抗干擾性大大提高#65377;由于衛星和微波技術中，天線是系統的重要部分，它直接影響到系統的性能，然而天線卻容易受到外界環境的影響，如在雨#65380;霧和氣溫轉變會造成信號的急劇衰減[2]#65377;本系統則充分利用了3G網絡，受外界環境的影響相對較小，所以具有較好的穩定性#65377;本系統可方便地應用在各種臨時或緊急場合，如現場指揮系統，為專家在遠程指揮現場獲取最寶貴的信息#65377;另外，結合報警系統可應用在汽車防盜上，當盜車賊作案時，防盜報警系統可以實行與視頻監控系統聯動，及時將現場犯罪信息傳給遠程的監控中心，這樣對發生意外事件及時監控起到良好的作用#65377;

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