基于3G網絡的消防視頻監控系統

周 勇

海南省公安消防總隊,海南海口 571100

基于3G網絡的消防視頻監控系統

周 勇

海南省公安消防總隊,海南海口 571100

目前3G網絡已廣泛應用于社會生產、生活的各個領域。3G技術的發展使傳輸各種多媒體信息成為可能，3G移動通信技術以其高速率、高度靈活性的特點，被廣泛用于多媒體通信中。本文闡述了3G網絡下的消防視頻監控，將3G網絡的圖像通信與衛星通信相比較，并說明了系統所涉及的關鍵技術。

3G；視頻監控；衛星通信；關鍵技術

0 引言

當今信息社會的發展對通信提出了更高的要求，人們希望集話音、數據、圖像于一體的多媒體通信。而3G通信技術的發展使這種多媒體通信成為可能，并且已廣泛應用到社會生產、生活的各個領域。本文中的消防視頻監控系統，主要是指將火災現場的圖像、語音信息通過3G網絡發送到指揮中心。對于在辦公室的領導及指揮員，可以通過移動終端獲取火場圖像信息，從而實現對火場實時、跨區域指揮調度。

1 視頻監控技術的發展概況

隨著計算機網絡技術、無線技術、數字視頻技術、嵌入式技術的發展，推動了視頻監控技術的迅速發展[1]。

視頻監控系統的發展大致可分為4個階段：

第一，本地模擬視頻監控。系統一般采用模擬方式傳輸，即采用視頻電纜，少數采用光纖傳輸，它主要應用于小范圍的監控，而且監控圖像一般只能在控制中心查看，地理位置受限而且還存在成本高、管理復雜、監控質量不高等特點。

第二，基于PC的視頻監控系統。先將攝像頭采集的模擬視頻信號轉化為數字信號，再利用壓縮卡對信號進行壓縮處理，最后通過網絡傳輸給監控終端的PC機，終端PC機再對數據進行解壓，重現遠端的圖像。與模擬視頻監控相比，基于PC的視頻監控具有傳送距離遠、圖像質量好、成本低等特點，但還是存在很多問題，如體積大、功耗高、實時性不強、可擴展性差等特點。

第三，基于嵌入式技術的視頻監控系統。在監控現場采用嵌入式技術，攝像機傳送來的視頻信號和麥克風的音頻信號數字化由高效壓縮芯片壓縮，通過組播方式傳送到網絡上。網絡上的用戶可直接用監控終端軟件收看監控現場的圖像。它最大的特點是把視頻壓縮和網絡傳輸功能集成到一個體積很小的設備內，可以直接接入以太網，做到即插即用，安裝方便。

第四，無線視頻監控系統。在有線的互聯網傳輸系統幾乎趨近于完美的時候，對于很多地方不方便布線，這時我們就需要移動監控設備，則無線視頻監控系統則以其移動靈活性而倍受關注。無線網絡監控的優點包括：布控區域廣闊、系統擴展能力強；沒有線纜長度和信號衰減的限制，系統無縫擴展能力強；組網方式靈活、多樣；安全性高，采用信道及網絡加密等技術。

隨著無線網絡技術的不斷發展，無論從視頻監控角度還是從視頻傳輸角度，都與人們的生產生活息息相關，無論是移動終端到Internet的視頻監控還是Internet到移動終端的視頻服務，其應用領域將相當廣泛。

這4個階段，每一階段的傳輸方式都存在不足，要因地制宜，選擇不同方式系統，滿足不同的需求。在消防視頻監控系統中，本文主要研究基于3G無線網絡的圖像傳輸，這是消防信息化建設的要求，也是信息社會發展的必然趨勢。

2 移動通信的發展歷程

2.1 移動通信技術的發展

移動通信的發展經歷了模擬移動通信（1G）、數字移動通信（2G）、第三代移動通信（3G）。第一代模擬移動通信主要實現語音業務，是基于電路交換方式實現語音數據的傳送。它具有頻譜利用率低、終端笨重昂貴、漫游范圍小、安全性低等缺點；第二代數字移動通信主要實現語音和低速率數據業務，具有容量小、制式不兼容、數據傳輸速率低等缺點；在第三代移動通信出現之前，發展成為了2.5G，即使用分組交換概念，它比2G在傳輸數據速率方面有了明顯提高，但是對于大容量的數據，視頻等就無法順利傳輸。

隨著通信技術的不斷發展，第三代移動通信（3G）滿足了人們的需求，它的出現使傳輸各種多媒體信息成為可能，它提供了語音，多類型、高質量的多媒體業務。它的優點是：具有更大的系統容量、更高的傳輸速率、豐富的業務各類、更好的語音質量及更綠色的使用環境，給人們的生產、生活和娛樂提供一個全新的平臺。國際電信聯盟（ITU）在2005年5月確定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流無線接口標準作用3G的三大技術標準。

2.2 第三代移動通信系統的網絡演進[2]

ITU最初在構思第三代移動通信系統時，曾希望制訂出一套全球統一的移動通信網絡體系結構。但由于第三代移動通信標準化時，第二代移動通信的規模已經極為龐大，在這樣的情況下，如何使未來的第三代移動通信網能夠兼容現有不同體制的網絡自然成為不可避免的問題。由于北美和歐洲第二代移動通信核心網絡差別較大，難以用統一的方法兼容現有的各種系統.因此，ITU被迫提出了IMT-2000核心網絡“家族”這一概念，這實際上意味著北美移動通信網絡和基于GSM MAP標準的歐洲移動通信網絡將采用不同的方式演進到未來的第三代移動通信系統。

未來的移動通信網絡將向IP化方向演進，未來的移動通信網絡將是一個全IP的分組網絡。對此，兩個主要的第三代移動通信標準化組織3GPP和3GPP2,都將第三代移動發展的目標高定為全IP網。未來的移動通信核心網絡將采用寬帶IP網絡，在此IP網上，承載從實時話音、視頻到Web瀏覽、電子商務等多種業務，它將是一個電信級的多業務統一網絡，在無線部分使用寬帶無線接入技術。未來的移動通信網絡將真正實現移動和IP的融合。

3 系統的實現功能

3.1 無線視頻監控系統

圖1 無線視頻監控系統

將視頻監控和無線網絡相互結合，將難于布線的被監控點與控制中心連接起來，達到無線監控的目的[3]。對于不在指揮中心的指揮員或領導來說，可以實時了解火場情況，能夠及時對現場進行指揮調度，提出救援方案。圖1為無線視頻監控系統的基本框圖。

基于無線網絡的消防視頻監控系統由車載（手持）終端、數據傳輸網絡及監控中心3部分組成。

基于無線網絡的消防視頻監控系統，通過車載音視頻攝錄裝置，將災害現場、消防車內部監控信息攝錄并存儲于車載存儲設備中，同時可以通過無線網絡實時上傳到指揮中心，對于不在指揮中心的領導想實時了解災害現場情況，就可以通過手持終端通過內部網絡訪問指揮中心，實時獲取現場圖片，從而實現對消防車輛進行監控和現場指揮調度。同時，監控中心也可以根據需要，利用無線網絡對特定車輛進行音視頻、圖片抓取或點播。

3.2 衛星通信系統

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電信號，在兩個或多個地面站之間進行的通信過程或方式。衛星通信屬于宇宙無線電通信的一種形式，工作在微波頻段。與其它通信系統相比較，衛星通信有覆蓋區域大、通信距離遠、頻帶寬、可靠性高、通信機動靈活等特點。消防衛星通信系統的業務速率能滿足低速、中速、高速業務需求。并具有動態的按需分配帶寬功能。衛星通信系統框圖如圖2所示。

圖2 衛星通信系統

在衛星視頻監控系統中，火場消防移動指揮車所拍攝的視頻圖像數據通過通信衛星被地面站接收，再傳到各級監控指揮中心，從而了解火場情況，實現了部局、總隊及支隊的互通，完成上級對下級的調度和下級對上級的反饋工作。但是利用衛星通信來傳送圖像無疑會使系統成本增高，難于運行維護，而且衛星通信的傳輸距離遠，導致系統時延增大，影響圖像傳輸的實時性。

3.3 3G視頻監控系統

在消防視頻監控系統中，利用3G手機對火災現場的情況實時監控，可以實現任意時間、任意地點對火場的監控。利用3G網絡的高速率傳輸火場圖像信息，能夠使指揮人員在任意地點獲取實時獲取現場圖像，只要基站所能覆蓋的區域都可以通過3G網絡進行信息傳遞，極大地方便了各領導對火場的指揮調度。而且3G網絡的建設要比衛星通信網建設投資少、易于管理、方便維護，圖3為3G視頻監控系統框圖。

圖3 3G手機視頻監控系統

基于3G網絡的視頻監控系統，可真正實現任意時間、任意地點的監控。移動指揮車在火災現場所拍攝的火場圖像可通過3G網絡發送到指揮中心，由指揮中心的指揮員對現場情況及時調度指揮。而對于不在指揮中心的指揮員或其他領導可利用手機或PDA通過3G網絡去訪問火場指揮車服務器，實時獲到話音、圖像信息，從而對救援工作做出重要決策。而在火災現場的作戰員也可配置帶3G手機或PDA，在一般災情以及衛星指揮車未到達現場時，可以將現場音視頻第一時間發送給各級指揮中心，使指揮員對火勢有一定了解，從而實施快速、高效的救援工作。

在這里，重點對衛星指揮車與3G手機、PDA用戶作出特殊要求。衛星指揮車，需要配備專業衛星編解碼器和會議終端方式，編解碼器簡單耐用，在移動中有良好的視頻效果和快速恢復能力，在現場指揮時能夠快速實現多方互動以及數據協作等功能。

4 關鍵技術

4.1 視頻壓縮編碼

對于視頻監控系統，視頻傳輸是關鍵。為了保證監控現場的圖像實時、準確地傳送到監控中心，對視頻傳輸有特定的要求，如最低傳輸速率、小的時延、平穩性及小的丟包率等要求。對于視頻傳輸最關鍵的是視頻壓縮，沒有壓縮過的圖像體積龐大，難以存儲，無法實現實時傳輸。視頻壓縮就是將視頻信號中主觀和客觀的冗余信息去除，在盡量不影響視頻圖像效果的前提下，達到減少視頻圖像文件的大小，其核心是利用人的視覺心理特性以及信息論的理論，去除視頻圖像中的信息冗余部分，達到數據壓縮的目的[4]。

目前，廣泛應用的視頻壓縮標準為MJPEG、MPEG4、H.264。MJPEG的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。MJPEG功能很強大，能發送高質圖片，生成完全動畫視頻等。相應地MJPEG對帶寬的要求也很高，相當于T-1。MJPEG信息需要大量的存儲空間以滿足如今多數用戶的需求。MPEG4是一種適用在低帶寬下進行信息交換的音視頻處理技術，它的特點是可以動態的偵測圖像各個區域變化，壓縮碼流更低，特點是壓縮比高、成像清晰。H.264是繼MPEG4之后的新一代數字視頻壓縮格式，在較低帶寬上提供高質量的圖像傳輸是H.264的應用亮點。具有低碼流、高質量圖像、容錯力強、網絡適應性強的特點。

4.2 視頻傳輸協議

視頻傳輸協議對圖像質量及監控系統的性能也起著決定性作用。在網絡層上上使用的視頻傳輸協議有TCP和UDP。雖然TCP傳輸提供了可靠的數據傳輸數據。但它不適合實時視頻傳輸。TCP協議結構復雜，對于有錯誤的數據信息有重傳機制，這樣在實時視頻傳輸系統中會大大加大系統延時，影響監控質量。而UDP則沒有重傳機制。所以在實時性要求高的監控系統中，適合使用UDP協議傳輸視頻圖像。RTP/RTCP是一種應用型的傳輸層協議，它并沒有提供任何傳輸可靠性的保證和流量擁塞控制機制。RTP協議位于UDP協議之上，在功能上獨立于下面的傳輸層（UDP）和網絡層，但不能單獨作為一個層次存在，通常是利用低層的UDP協議對實時視頻數據進行組播或單播，從而實現多點或單點視頻數據的傳輸。

5 結論

隨著3G網絡的不斷完善，3G視頻監控的應用也越來越廣泛。3G與固網的融合實現了視頻監控終端的無線布放。在視頻監控系統迅速發展過程中，基于TCP/IP網絡，只要IP可達，即可方便靈活地布放前端攝像頭，實現手機監控。將3G網絡應用到消防視頻監控系統中，能夠實現任意時間、任意地點對災害現場的指揮調度。3G視頻監控系統將會在消防通信指揮中發揮其巨大作用，滿足消防業務需求。

[1]王軍選.未來移動通信系統及其關鍵技術[J].通信技術，2009，42(9)：142-147.

[2]本書編委會.移動通信技術分冊[M].北京：北京郵電大學 出版社，2002.

[3]李秀.坤無線信道圖像傳輸系統設計[J].現代電子技術， 2009 (23)：95-97.

[4]季虹.視頻圖像處理與傳輸技術研究及應用.西安：西安電 子科技大學，2007.

TN929.5

A

1674-6708（2010）24-0213-03