車輛視頻監控系統的構建及設計要點

楊 磊

(廈門雅迅網絡股份有限公司，福建廈門361008)

0 引言

社會越發展，人們對自身所處環境的安全將更加關心，對車輛視頻監控系統的需求也將越迫切。運用先進的技術手段，在一定區域范圍內警戒可能發生的侵入行為，對發生的報警及時捕獲和記錄相關影像，同時確定報警地點，這些都是視頻監控系統大顯身手之處。道路運輸企業對通過技術手段提高企業經濟效益、加強運輸過程中的全面監控也越來越重視。城市公交、長途客運、交通管理、運政執法、銀行押運等行業，對視頻監控系統的需求日益旺盛，尤其是3G通信的應用使大流量數據的遠程無線傳送更加方便，基于此技術，針對DVR移動車臺遠程視頻監控系統將擴大應用。

目前國內的商用3G無線網絡(TD－SCDMA、WCDMA、CDMA2000 網絡)［1］傳輸具有以下特點:①流量有限且費用較高;②傳輸時快時慢，帶寬不穩定;③信號時有時無，使得無線覆蓋存在盲區。DVR移動車臺無線傳輸的信息中，音視頻流媒體信息具有大容量的特點，其傳輸問題尤其突出。

1 遠程多媒體流傳輸分析

1.1 音視頻傳輸效率

要解決從車臺到多媒體中心(簡稱中心)快速可靠傳輸大容量的音視頻信息流的問題，目前的做法是，首選UDP作為網絡傳輸協議;其次，采用專用設備來保障帶寬相對充足、網絡相對穩定。上述做法中，采用專用設備實施高效穩定傳輸的方法，其成本高昂，無法兼顧硬件成本和傳輸的高效穩定性。

為解決上述問題，本系統通過引入協議窗口和補傳延遲機制，可以較好地平衡無線車臺的硬件能力及其在無線網絡傳輸中的種種不利因素，在保證傳輸可靠性的前提下，依據無線車臺的網絡傳輸特點，并盡量考慮硬件因素，達到提高傳輸效率的目的。

1.2 視頻傳輸質量

DVR移動車臺在利用3G網絡傳輸視頻圖像數據時，由于視頻圖像數據所包含的數據量一般較大，因此對帶寬要求較高，而當3G網絡的連接用戶較多時，這會降低可用帶寬，特別是受天氣等原因的影響，致使傳輸網絡不穩定，發生丟包現象，也會對視頻圖像數據的傳輸造成影響［2］。

為解決上述問題，目前在進行視頻圖像數據的傳輸時，通常采用降低視頻圖像數據的碼率或幀率的方法，實現視頻圖像數據的實時傳輸，然而，降低碼率會影響視頻播放的清晰度，而由于降低幀率是采用均勻降低的方式，這會影響視頻播放的連貫性，且有可能影響到視頻的正常播放。

文中提供一種無線遠程視頻監控的自適應傳輸方法及傳輸系統，其可適應網絡的傳輸質量，有效提高遠程監控系統中視頻圖像數據的傳輸效率，并可適用于較為惡劣的傳輸條件。

2 系統設計方案

整個系統結構如圖1所示。圖1中帶攝像頭的DVR移動車臺通過3G無線網絡接入多媒體平臺中心(簡稱中心)，終端用戶通過手持移動監控終端軟件、PC機器或數字電視機頂盒上的監控軟件接入中心平臺［3］。

圖1 系統網絡拓撲Fig.1 System network topology

中心平臺設備包含:登錄服務器、多媒體服務器、Web服務器、LDAP目錄服務器、文件服務器。中心網絡與因特網通過防火墻隔離。

2.1 中心平臺軟件架構

分布式文件服務器群與DAL邏輯層構建起分布式文件系統;多媒體服務器作為DVR移動車臺設備接入的前置機，同時作為中心分布式文件系統流媒體數據寫入設備;Web服務器作為監控終端軟件接入前置機，同時作為中心分布式系統的讀出設備;LDAP目錄服務器管理分布式文件系統，為其余中心設備提供路由查詢及權限管理服務。

如圖2所示，Web服務器為監控終端客戶端軟件提供Web訪問，并提供VOD點播服務;多媒體服務器負責流媒體轉碼和分發;三者遵循LDAP規范與目錄服務器服務器交互，以實現目錄安全的訪問控制。

圖2 中心平臺軟件架構Fig.2 Center software structure

Web服務器在收到從用戶監控終端客戶端軟件對車臺視頻監控請求時，首先通過LDAP目錄服務器獲取用戶組權限內的其他用戶活動情況，若判定有用戶在對該車臺進行視頻監控，則Web后臺程序僅需要對發往前一個用戶的流媒體數據進行分流轉發就可以了，若無其他用戶對該車臺實施監控，則需要再一次通過LDAP目錄服務器獲取流媒體文件所在文件服務器的節點路徑，開啟新的視頻監控通道。

多媒體服務器負責把接收到的實時監控流分發到目標文件服務器節點，路由信息的獲取同樣需要通過LDAP目錄服務器來獲取。

文件服務器集群通過數據訪問層(DAL)構建成一個分布式文件系統，多媒體服務器通過DAL層對分布式文件系統進行寫操作，Web后臺程序通過DAL層對分布式文件系統進行讀操作。

2.2 客戶端接入

客戶端包含DVR移動車臺和各類運行監控終端軟件的設備(如智能手機、便攜式個人電腦等)。

2.2.1 DVR 移動車臺接入

如圖3所示，車臺與中心采用C/S結構。車臺首先連接登錄服務器，登錄服務器搜索資源占用最低的多媒體服務器，然后把該多媒體服務器的IP及其服務的端口發送給車臺。車臺通過其獲取的IP及端口連接多媒體服務器。

以上方案可實現多媒體服務器負載均衡。

圖3 DVR移動車臺接入Fig.3 DVR terminal access

2.2.2 監控終端接入

監控終端(含PC監控終端和手持無線監控終端)與中心采用B/S結構。監控終端連接Web服務器，輸入用戶名及密碼;Web后臺程序根據用戶的分組及權限，通知監控終端被授權監控的車臺分組及明細。

2.3 通信模式說明

2.3.1 DVR車臺與中心的通信

DVR車臺與中心通信使用雙通道，視頻數據通道采用UDP協議，命令控制通道采用TCP協議。

命令控制通道主要攜帶一些需可靠傳輸的關鍵信息，例如監控發起命令、監控終止命令、黑匣子文件歷史查詢指令等。

UDP通道主要用于音視頻數據的傳輸，利用UDP較少的報頭開銷及無需可靠傳輸的特性，可到達解決帶寬和加速響應的目的。

2.3.2 監控終端與中心的通信

監控終端與中心通信采用開發的MPEG DASH－264流媒體通信協議，實現為基于HTTP的流式小文件VOD點播系統。這樣做的目的主要是加強平臺與第三方客戶端播放軟件的可交互性。

為確保音視頻平臺所提供的實時音視頻和錄像碼流能被其第三方客戶端軟件統一播放，視頻平臺與調用音視頻資源客戶端播放插件之間的音視頻碼流通信協議，應采用MPEG DASH－264標準草案規定的協議，其格式及交互過程按照RFC2616的要求。

2.3.3 中心設備間的通信

如圖2所示，Web服務器為監控終端客戶端軟件提供Web訪問，并提供VOD點播服務;多媒體服務器負責流媒體轉碼和分發;三者遵循LDAP規范與目錄服務器服務器交互，以實現目錄安全的訪問控制。

Web服務器在收到從用戶監控終端客戶端軟件對車臺視頻監控請求時，首先通過LDAP目錄服務器獲取用戶組權限內的其他用戶活動情況，若判定有用戶在對該車臺進行視頻監控，則Web后臺程序僅需要對發往前一個用戶的流媒體數據進行分流轉發就可以了，若無其他用戶對該車臺實施監控，則需要再一次通過LDAP目錄服務器獲取流媒體文件所在文件服務器的節點路徑，開啟新的視頻監控通道。

多媒體服務器負責把接收到的實時監控流分發到目標文件服務器節點，路由信息的獲取同樣需要通過LDAP目錄服務器來獲取。

文件服務器集群通過數據訪問層(DAL)構建成一個分布式文件系統，多媒體服務器通過DAL層對分布式文件系統進行寫操作，Web后臺程序通過DAL層對分布式文件系統進行讀操作。

3 視頻傳輸質量的解決方案

DVR車臺遠程視頻監控的自適應傳輸方法主要包括如下步驟:

1)DVR車臺作為發送端，對欲發送的視頻圖像數據進行壓縮編碼。

2)由DVR車臺設定滿足視頻圖像數據正常傳輸的帶寬閾值，并偵測3G網絡的帶寬情況，當帶寬高于閾值時，將步驟1)中的碼流數據全部送入3G網絡進行傳輸;當帶寬低于閾值時，只提取碼流中的I幀數據，送入3G網絡進行傳輸。

3)多媒體服務器作為接收端，對接收到的碼流數據進行解碼。

發送端將視頻數據組包時，以視頻幀為單位組包傳輸［4］;發送端在發送前對視頻數據包進行編號，以窗口號為單位進行組織，以一組或多組可完整進行解碼播放的幀為一個窗口，一個窗口可以包含一個或多個i幀，以及多個p幀，編號格式為(窗口號，窗口內幀號)，上報組包示意圖見圖4。

接收端根據接收幀的編號判斷數據的接收完整度，若發現有未收到的數據幀，則接收端發送控制命令給發送端要求重傳;接收端每收到一個窗口的最后一幀數據，對該窗口進行接收完整度的判斷和重傳處理;若接收端沒有收到窗口的最后一幀數據，直接開始收到后續窗口的數據幀，則接收端仍然會對上一窗口進行接收完整度的判斷和重傳處理;傳輸完一個窗口的數據幀后，發送端不需要等待接收端的接收完成應答，直接傳輸后續窗口的數據，一旦收到接收端的重傳控制指令，發送端優先重傳接收端指定的數據幀。

圖4 上報組包示意Fig.4 Upload package diagram

接收端接收到發送端傳來的視頻數據不立即解碼播放，而是先存入緩存，當緩存中的視頻數據達到一定數量時才開始解碼播放;在解碼播放時，接收端對緩存中的視頻數據，以一個窗口為一組可完整編碼播放的幀進行處理，判斷方式如下:

1)若窗口數據中沒有i幀，則此窗口數據不進行播放處理。

2)若窗口數據中i幀存在，而后續有連續N個p幀不存在，則從這連續N個p幀的第一幀起之后的幀不進行解碼。如圖5所示。

3)若窗口數據中i幀存在，后續有M個p幀不存在，這M個不存在的幀在編號上并非連續的，則在這M個p幀的最后一幀起之后的幀不進行解碼。如圖6所示。

圖5 連續缺幀解決示意Fig.5 Solution of continuous frame missing

1)在傳輸網絡的帶寬較低或穩定性不佳時，只傳輸I幀數據，可降低傳輸流量，節約視頻監控的成本。

2)剔除碼流中的P幀數據，使得原始碼流的數據量變小，進而降低對傳輸網絡的帶寬要求，更適用于較低帶寬或網絡不穩定的傳輸條件;保留I幀抑制圖像的馬賽克出現幾率或面積，提高傳輸的質量。

4 結語

綜上所述，使用文中介紹的構建方法及設計要點，對車載視頻監控系統有了一個較好的了解，可以快速地組建相關行業所需的車輛視頻監控系統，并且可以針對特殊行業開展定制化需求的功能擴展。比如針對銀行押鈔車的應用場景，可以實現針對押運車廂非正常開關門觸發的視頻報警實時監控，上報的視頻流可以同時分流給保安公司、支行、總行、公安機關等地的監控平臺。通過構建這樣的監控系統，對企業及行業車輛應用的現代化管理有著一定的意義。

圖6 非連續缺幀解決示意Fig.6 Solution of discontinuous frame missing

該接收端在解碼播放時，解碼播放設備按照數據中的原始幀率進行勻速播放，若緩存占用率超過閾值時，則加快播放速度，一旦緩存占用率低于閾值，則立即按原始幀率進行播放。

這個技術方案有如下兩個優點:

［1］谷勝，王建華.基于ARM Linux的3G無線車載視頻監控系統［J］.現代電子技術，2012，23(35):141 －145.GU Sheng，WANG Jian －hua，3G Wireless Vehicle－Mounted Video Surveillance System based on ARM Linux［J］.Modern Electronics Technique，2012，23(35):141 －145.

［2］惠曉威，王克.移動視頻監控系統的實現［J］.計算機應用與軟件，2014，1(38):148 －150，179.HUI Xiao － wei，WANG Ke，Realistation of Mobile Video Surveillance System［J］.Computer Applications and Software，2014，1(38):148 －150，179.

［3］張美平，王麗明，趙樹峰.客運車輛3G視頻監控［J］.黑龍江科技信息，2011，11(25):69.ZHANG Mei－ping，WANG Li－ ming，ZHAO Shu － feng，Passenger Vehicle 3G Video Monitoring［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2011，11(25):69.

［4］張登偉，姜其巖.高效的H.264空域錯誤隱藏算法［J］.通信技術，2011，44(12):90－92.ZHANG Deng － wei，JIANG Qi－ yan，Blind DOA Estimation based on PARAFAC under Uniform Array［J］.Communications Technology，2011，44(12):90 －92.