微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的ＲＴＰ協(xié)議設計

摘 要：有線電視監(jiān)控在生活和工作中得到了廣泛的應用，然而在某些環(huán)境中，由于成本或地形所限，有線電視監(jiān)控無法實現(xiàn)。無線網(wǎng)絡產(chǎn)品的快速發(fā)展和視頻壓縮標準的日漸完善對此提供了較好的解決方案。介紹了視頻壓縮技術(H.264)的基本實現(xiàn)思想和軟件系統(tǒng)的組成，闡述了RTP協(xié)議和協(xié)議的具體實現(xiàn)。在此基礎上，提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設計，取得了良好的效果。

關鍵詞：RTP；微波；視頻監(jiān)控;H.264

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0508403

RTP Protocol Design of Microwave Video Surveillance System

GAO Qiang1，LV Wei1，HU Ziheng1，YUAN Yule2，WU Yun2，ZHAO Yong2

(1.Administration of Power Supply of Shenzhen，Guangdong Power Grid，Shenzhen，518001，China;

2.Shenzhen Graduate School，Peking University，Shenzhen，518055，China)

Abstract：Closed circuit television monitor system is widely applied in living and working.But in some environments，closed circuit television monitor system can not be realized due to the limitation of the cost and landform.The development of wireless web products and the maturation of video compression standard provide a good solution for this condition.The paper introduces the basic realization theory of Video Compress (H.264) and the form of software system，dissertates RTP protocol and the protocol implementation in the system.On the foundation of these methods，the paper offers a sort of RTP protocol design of microwave video surveillance system，and obtains perfect effects.

Keywords：RTP;microwave;video surveillance;H.264

1 引 言

微波站通常位于高山上，設施被盜問題一直非常突出，給微波系統(tǒng)的正常工作帶來嚴重影響。如能利用圖像監(jiān)控系統(tǒng)將微波站圖像實時傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)管中心，這樣就會大大提高微波站設施的安全性，保障系統(tǒng)的正常工作。

本系統(tǒng)采用微波通信鏈路，提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設計。在實際應用中，由于視頻數(shù)據(jù)的信息量巨大，必須對視頻信號進行有效的壓縮。因此，針對基于微波鏈路的視頻壓縮技術對系統(tǒng)的性能有著重要的影響。

2 視頻壓縮技術的選擇

目前最權威，應用最為廣泛的兩個壓縮標準算法分別為MPEG4和H.264。MPEG4覆蓋的技術范圍太廣，是一種面向對象的、交互式的編碼，一般都只能用到Simple Video Coding和Advanced Simple Video Coding，而且壓縮性能比H.264要低3 dB左右。

H.264是目前世界上公認最好的視頻壓縮標準，2003年，ISO/IEC的運動圖像專家組(MPEG)與ITU-T的視頻編碼專家組(VCEG)聯(lián)手制定了最新的第三代視頻編碼標準H.264/AVC，其主要目的就是為了提供更高的編碼效率和更好的網(wǎng)絡適應性。在相同重構圖像質量下，與H.263+和MPEG-4 ASP標準相比，能節(jié)約50%的碼流；采用分層模式，定義了視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡提取層(NAL)，后者專為網(wǎng)絡傳輸設計，能適應不同網(wǎng)絡中的視頻傳輸，進一步提高網(wǎng)絡的“親和性”。H.264引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡中視頻的流媒體傳輸，具有較強的抗誤碼特性，特別適應丟包率高、干擾嚴重的無線視頻傳輸要求。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 基本軟件平臺與操作系統(tǒng)

采用基于達芬奇的軟件開發(fā)平臺DVSDK，即數(shù)字視頻開發(fā)平臺，是由Monta Vista公司提供的。他包括：

(1) eXpress Configure Kit：他可將各個不同的軟件模塊集成為一個可執(zhí)行文件，避免手工集成包括ARM和DSP上的軟件，以及如何協(xié)調他們的工作。

(2) TMS320C644x SoC Analyzer：他是一個單一的圖形化系統(tǒng)，使開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的瓶頸，找出問題并加以解決。他包括：系統(tǒng)集成、負載分布、數(shù)據(jù)輸入輸出等各種行為。

(3) Monta Vista 操作系統(tǒng)：Monta Vista 是公認的十分穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)，但DVSDK中專為數(shù)字視頻應用而進行了大量的優(yōu)化，使其成為支撐視頻處理最優(yōu)秀的作業(yè)系統(tǒng)。

3.2 H.264壓縮算法

H.264既保留了以往壓縮技術的優(yōu)點和精華，又具有其他壓縮技術無法比擬的許多優(yōu)點。

低碼流(Low Bit Rate) 和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。顯然，H.264壓縮技術的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。

高質量的圖像 H.264能提供連續(xù)、流暢的高質量圖像(DVD質量)。

容錯能力強 H.264提供了在不穩(wěn)定網(wǎng)絡環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要解決工具。

網(wǎng)絡適應性強 H.264提供了網(wǎng)絡適應層(Network Adaptation Layer)，使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

H.264的基本流程是編碼器先將圖像分割成圖片，圖片再分為宏塊，對于每個宏塊根據(jù)幀的類型分別加以處理。對于獨立(I)幀，采用所謂的幀內(nèi)預測；對非獨立幀，采用幀間預測，即所謂的運動搜索，然后進行預測。并對預測采用DCT變換，最后采用熵編碼(算術或變碼長編碼)。H.264由于采用了以下技術使壓縮比大幅提高：

(1) 1/4，1/8 運動搜索技術，使運動搜索的匹配精度提高;

(2) 多參考幀技術;

(3) 幀內(nèi)的精細預測技術;

(4) 4×4小塊預測技術，使圖塊更加容易匹配。

3.3 RTP傳輸協(xié)議

實時傳輸協(xié)議RTP是針對多媒體數(shù)據(jù)在單播和多播網(wǎng)絡上實時傳輸?shù)膫鬏攲訁f(xié)議，由IETF提議標準協(xié)議是RFC1889，其在音頻/視頻應用中的框架協(xié)議是RFC1890。實時傳輸協(xié)議與實時傳輸控制協(xié)議(RTCP)配合使用，實現(xiàn)在非寬帶網(wǎng)絡中媒體流的傳輸、控制和質量反饋，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆召|量。

4 實時傳輸協(xié)議RTP的設計

4.1 RTP協(xié)議基本原理

在有線網(wǎng)絡上經(jīng)常使用的兩種傳輸協(xié)議TCP和UDP對無線視頻來說都不是很合適。TCP需要大量重傳，因而會導致很大的時延，而且還會因為誤碼后反復需要重傳而導致信道阻塞，從而導致系統(tǒng)癱瘓。對于UDP來說，由于沒有任何QoS的保證，很容易導致丟包后無法恢復數(shù)據(jù)，從而導致解碼失敗。由于無線信道的誤碼率很高，所以UDP也很不合適。

RTP的一個基本應用的機制如圖1所示。

RTP協(xié)議包含了兩部分：

實時傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol，RTP)：用來攜帶具有實時數(shù)據(jù)。

實時傳輸控制協(xié)議(Real-time Control Protocol，RTCP)：用來提供服務品質(QoS)保證、身份驗證。

RTP本身并不提供任何機制來確認傳送時間與提供服務品質(QoS) 保證，這些功能只能靠著較低層網(wǎng)絡的服務來提供。RTP不保證數(shù)據(jù)一定送到，也不會糾正包的失序，但是RTCP包中包含了包序號，接收端依照包序號重建數(shù)據(jù)。

RTP專為實時流媒體的傳輸制定，他是基于UDP的基礎上，充分考慮到實時性的要求，同時RTCP(實時傳輸控制協(xié)議)給予適當?shù)腝oS保證。RTP協(xié)議包括網(wǎng)絡的初始化，IP地址與端口的設置，把數(shù)據(jù)幀拆分為小包以便通過適應網(wǎng)絡環(huán)境，發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送后的數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉換器后通過阿爾卡特A98000以微波方式進行傳輸，或者通過CDMA信道直接進行傳輸。基于RTP的視頻傳輸系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

在某個會話中，參與者可能位于防火墻之后，不能通過組播方式參與會話。可以將兩個轉換器分別放在防火墻的兩側，在外側的轉換器將收到的組播包集中起來，通過可以穿透防火墻的管道連接到防火墻內(nèi)部的轉換器，而防火墻內(nèi)部的轉換器將包重新以組播的方式發(fā)送給防火墻內(nèi)的參與者。轉換器和混合器的框圖如圖4所示。

RTP通過發(fā)送冗余信息來減少接收端的丟包率，這樣會增加時延，與冗余片不同的是他增加的冗余信息是個

別重點信息的備份，適合于應用層的重要信息的保護。

5 結 語

微波傳輸方式的主要缺點是帶寬窄和誤碼率高。因此需要更好的傳輸技術，以得到高質量的圖像監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設計，取得了良好的效果。

(1) 視頻圖像傳輸功能的測試。本系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)窄帶帶寬下的視頻傳輸。我們首先測試了在64 k的低帶寬條件下的視頻傳輸，對于CIF圖像，即352×288的標準分辨率圖像，我們可以獲得大約高達2-5幀/s的傳輸速率。傳輸速度同時會隨著視頻流的不同，而有所變化。這樣的幀率對安全監(jiān)控已經(jīng)滿足要求。個別時候由于干擾發(fā)生丟幀情況時，時延會增大，畫面質量的平均PSNR在30 dB左右，基本滿足了視覺需要。

(2) 如果將6個64 k綁定成為一個384 k的通道，為了實現(xiàn)高性能的圖像傳輸，我們選定分辨率D1，即704×576，即實現(xiàn)高于DVD的畫質。針對384 k的鏈路也進行了測試，壓縮幀率平均在20~25幀左右，基本連續(xù)，對人眼沒有跳躍的感覺。人物面貌清晰可辨，對于辨認不法闖入分子的身份有很大的幫助，達到了預先的設計目標。但在微波鏈路受到干擾的時候，時延也會有所增大。

參考文獻

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”