基于5G移動通信技術(shù)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

趙群東

（長訊通信服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

近年來，教育、工業(yè)、交通等領(lǐng)域為了實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展，開始逐漸應(yīng)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)時采集現(xiàn)場畫面與聲音，以準(zhǔn)確了解現(xiàn)場的具體情況，為現(xiàn)場工作的順利開展提供幫助。但是，對現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)深入研究后發(fā)現(xiàn)其中依然存在諸多缺陷，如數(shù)據(jù)傳輸效率較低等，難以發(fā)揮出最大的作用[1]。為了進(jìn)一步提升現(xiàn)場監(jiān)控效果，須開發(fā)出性能更加良好且功能更加完善的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 5G移動通信技術(shù)

近年來，社會逐漸步入5G移動通信網(wǎng)絡(luò)時代，為人們的生活與工作提供了極大便利。5G移動通信技術(shù)是具有高速率、低時延以及大連接等特點(diǎn)的新一代寬帶移動通信技術(shù)，相對于傳統(tǒng)3G、4G移動通信技術(shù)，5G移動通信技術(shù)具有以下特點(diǎn)。一是速度更快，能夠帶給用戶更加良好的體驗[2]。二是泛在化，能夠應(yīng)用在交通、教育、環(huán)保、工業(yè)生產(chǎn)等諸多方面，應(yīng)用非常廣泛，有利于推動現(xiàn)代社會朝著更加良好的方向發(fā)展。三是低時延，其時延可以達(dá)到1 ms以下，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性與實(shí)時性。四是高安全性，5G移動通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)初始構(gòu)建階段就設(shè)置了安全機(jī)制，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密，大大提升了無線通信系統(tǒng)的安全性。

2 總體設(shè)計

5G智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)十分復(fù)雜，主要由前端監(jiān)控模塊、后端服務(wù)器以及客戶端組成。

前端監(jiān)控模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)功能的不同又可將其劃分成3個子模塊，具體為信息采集子模塊、信息處理子模塊以及5G通信子模塊。信息采集子模塊用于對現(xiàn)場視頻信息的采集與整理，采用OV9650型數(shù)字化攝像頭。信息處理子模塊采用Hi3510型芯片，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求錄入相應(yīng)的數(shù)據(jù)代碼。采集到現(xiàn)場信息后，由該子模塊對數(shù)據(jù)予以分析與處理，從而得到現(xiàn)場具體畫面。5G通信子模塊用于系統(tǒng)傳輸內(nèi)部數(shù)據(jù)，采用RM500U-CN型5G通信模塊。

后端服務(wù)器是整個系統(tǒng)的傳輸中介，在獲取前端控制模塊分析出的結(jié)果后予以深入處理并傳輸給客戶端，使客戶端清晰、準(zhǔn)確地顯示出現(xiàn)場的實(shí)時畫面。

客戶端用于展示系統(tǒng)監(jiān)測到的現(xiàn)場畫面。具體來說，5G智能視頻系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 5G智能視頻系統(tǒng)總體框架

3 前端設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 硬件選擇

本系統(tǒng)前端控制模塊由5部分構(gòu)成，分別是處理器、存儲器、5G通信模塊、攝像頭模塊以及電源模塊。

處理器是整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要用于處理采集數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確得到現(xiàn)場的具體情況。通過市場調(diào)查，最終選擇由海思公司生產(chǎn)的Hi3510型處理器芯片。相對于其他芯片而言，該芯片應(yīng)用范圍較廣，且內(nèi)部由雙核構(gòu)成，具有非常強(qiáng)大的視頻處理功能。

存儲器共采用3種存儲元件，一是Flash元件，屬于斷電非易失性存儲器，用于存儲需要長期保存的信息；二是雙倍速率（Double Data Rate，DDR）存儲器，屬于同步動態(tài)隨機(jī)存儲器，本質(zhì)為掉電易失性存儲器，用于存儲臨時性信息；三是同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），與DDR元件的特性與功能基本相同。

5G通信模塊用于與其他各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，型號為RM500U-CN，內(nèi)部包含相配套的核心模組，支持多種網(wǎng)絡(luò)制式。該模塊包含多種接口，能夠外接更多負(fù)載元件。

攝像頭模塊用于采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，型號為OV9650，能夠直接與Hi3510連接到一起，并在5G通信模塊的作用下將采集到的信息快速傳輸給處理器。該元件體積較小，集成化程度較高，不會對現(xiàn)場工作與美觀性造成影響。

電源模塊中，選擇外接電源方案，所需成本較低且易于實(shí)現(xiàn)。在電池選擇方面，應(yīng)針對其元件運(yùn)行需求而定[3]。將不同的元件劃分成5種類型，每種類型需要匹配不同的電源。對于電壓2.3 V的元件，選擇MIC29302BUTR電池；對于電壓3.3 V的元件，選擇LM1084IT電池；對于電壓1.25 V的元件，選擇LP2996M電池；對于電壓1.2 V的設(shè)備，選擇MIC49150BR電池；對于外圍元件，采用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）供電。

3.1.2 PCB板焊接

選擇相應(yīng)的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）板，并按照各模塊的電路原理圖依次將各種元件焊接上去。對于智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，內(nèi)部元件眾多，在具體焊接時應(yīng)采用分模塊焊接的方式，以保證整個集成板的良好性能。在焊接前，先要對PCB板予以檢查，判斷板是否存在短路等問題，確保無任何問題后再焊接電源模塊，之后依次焊接存儲器模塊、外設(shè)接口模塊、時鐘復(fù)位模塊、攝像頭模塊以及5G通信模塊，每個模塊焊接結(jié)束后均應(yīng)予以調(diào)試[3]。上電測試過程中，選擇具有限流功能的可調(diào)穩(wěn)壓電源，并設(shè)置相應(yīng)的過流保護(hù)措施，以提升系統(tǒng)安全性。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 開發(fā)環(huán)境

本次設(shè)計過程中，由于前端硬件設(shè)備數(shù)量有限，無法在設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)完成開發(fā)調(diào)試工作，因此軟件開發(fā)主要在個人計算機(jī)（Personal Computer，PC）端完成，利用交叉編譯的方法將軟件傳輸至前端控制模塊內(nèi)。先在PC機(jī)內(nèi)加載Linux系統(tǒng)，并安裝相應(yīng)的交叉編譯工具。在Linux系統(tǒng)方面，選擇常規(guī)版本，具體為RedHat Enterprise Linux，以更好地采集相應(yīng)計數(shù)資料。之后對Linux進(jìn)行配置，主要包括2個方面。一是Samba服務(wù)，用于Windows與Linux間的數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建相應(yīng)的Samba用戶并創(chuàng)建共享文件夾即可獲取Samba服務(wù)；二是對于/etc/export文件增加網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（Network File System，NFS）目錄，并重新啟動NFS服務(wù)[4]。

3.2.2 編譯環(huán)境

Hi3510處理器內(nèi)含有獨(dú)特的交叉編譯工具，可以直接使用交叉編譯工具，也可以在互聯(lián)網(wǎng)中下載相應(yīng)的交叉編譯工具。但是，不論是Hi3510內(nèi)的工具，還是其他工具，均應(yīng)與處理器相匹配。在實(shí)際操作時，為了防止出現(xiàn)與處理器不匹配的情況，本研究直接選擇Hi3510內(nèi)的編譯工具。

3.2.3 算法實(shí)現(xiàn)

選擇交通智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為研究對象，在算法實(shí)現(xiàn)方面主要包括3個步驟，具體如下。

（1）預(yù)處理。對圖像進(jìn)行灰度化處理，將彩色位圖轉(zhuǎn)變成灰度圖，減少圖像信息所占用的空間，提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度。本研究中采用的是加權(quán)平均值法，其計算公式為

式中：WR、WG與WB代表各點(diǎn)的權(quán)重，根據(jù)系統(tǒng)要求分別設(shè)定成0.9、1.77與1.33。經(jīng)過計算，能夠得到灰度圖。

（2）二值化。灰度圖中共包含256級灰度，數(shù)據(jù)容量更小，易于處理，但容易受到背景等因素的干擾，得到灰度圖后還應(yīng)予以二值化處理。處理公式為

式中：F(i,j)表示導(dǎo)出數(shù)據(jù)；f(i,j)表示錄入數(shù)據(jù)。

二值化處理過程中需要選擇合理的閾值，以確保處理結(jié)果的精確性[5]。閾值確定可以采用多種方法，如全局閾值法、局部閾值法等。本研究中采用了大律法（Otsu法），處理方程為

式中：k1表示前景點(diǎn)數(shù)占比；u1表示前景灰度均值；k2表示后景點(diǎn)數(shù)占比；u2表示后景灰度均值。當(dāng)γ處于最高值時，即可得到合理的閾值。

（3）去噪處理。由于受到噪聲的干擾會導(dǎo)致圖像模糊或不準(zhǔn)確等問題，需要進(jìn)行去噪處理[6]。去噪處理的方法有很多，如均值濾波法、順序濾波法，需要針對具體的操作對象選擇相應(yīng)的去噪處理方式。

4 后端設(shè)計

實(shí)時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）封包用于端到端的數(shù)據(jù)傳輸，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?shí)時性，為圖像的繪制提供支持。數(shù)據(jù)傳輸時，以最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）為基準(zhǔn)，將MPEG-4 Frame分割成多個小部分，并分別傳輸各個小部分，確保各RTP數(shù)據(jù)包內(nèi)僅有1個Frame信息。與此同時，根據(jù)RTP協(xié)議要求，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加相應(yīng)的Heade。具體操作原理如圖2所示。

圖2 RTP封包處理原理

采用分組密碼算法，組塊長度應(yīng)為128 Byte，密鑰長度為128 Byte、192 Byte或256 Byte，本研究中采用的是128 Byte。在模塊接口處設(shè)置2項區(qū)域：一是數(shù)據(jù)所處區(qū)域，即從何處采集到數(shù)據(jù)信息；二是數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，即將數(shù)據(jù)存儲到哪一位置。采用指針方式，在符合功能需求的同時減少內(nèi)容占用量。

對相應(yīng)內(nèi)容識別時，先對前一模塊傳輸?shù)男畔㈩A(yù)處理并提取出數(shù)據(jù)特征，利用這些特征與后端模塊內(nèi)存儲的字符予以匹配，從而得到相應(yīng)結(jié)果[7]。字符識別時，選擇反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

針對傳統(tǒng)公交運(yùn)營調(diào)度管理效率低、人力成本高、信息零散以及信息孤立等問題，應(yīng)用所設(shè)計的基于5G移動通信技術(shù)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。行車前，通過現(xiàn)場全面檢測系統(tǒng)，對駕駛員以及車輛狀態(tài)進(jìn)行檢測；行車中，通過智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對駕駛員疲勞駕駛、斑馬線禮讓行人、路口減速等行車重點(diǎn)風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時預(yù)警、重點(diǎn)監(jiān)控；行車后，通過安全相關(guān)的大數(shù)據(jù)分析，建立駕駛員畫像和路段行車風(fēng)險圖等，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，帶來切實(shí)可靠的安全保障和行車安全保障。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)的智能監(jiān)測效果較好。

6 結(jié) 論

以5G移動通信技術(shù)為依托，設(shè)計了一種全新的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)信息，能夠繪制出較為清晰的視頻圖像，有利于提升實(shí)時監(jiān)控效果，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值。