车辆视频监控系统的构建及设计要点

杨 磊

(厦门雅迅网络股份有限公司，福建厦门361008)

0 引言

社会越发展，人们对自身所处环境的安全将更加关心，对车辆视频监控系统的需求也将越迫切。运用先进的技术手段，在一定区域范围内警戒可能发生的侵入行为，对发生的报警及时捕获和记录相关影像，同时确定报警地点，这些都是视频监控系统大显身手之处。道路运输企业对通过技术手段提高企业经济效益、加强运输过程中的全面监控也越来越重视。城市公交、长途客运、交通管理、运政执法、银行押运等行业，对视频监控系统的需求日益旺盛，尤其是3G通信的应用使大流量数据的远程无线传送更加方便，基于此技术，针对DVR移动车台远程视频监控系统将扩大应用。

目前国内的商用3G无线网络(TD－SCDMA、WCDMA、CDMA2000 网络)［1］传输具有以下特点:①流量有限且费用较高;②传输时快时慢，带宽不稳定;③信号时有时无，使得无线覆盖存在盲区。DVR移动车台无线传输的信息中，音视频流媒体信息具有大容量的特点，其传输问题尤其突出。

1 远程多媒体流传输分析

1.1 音视频传输效率

要解决从车台到多媒体中心(简称中心)快速可靠传输大容量的音视频信息流的问题，目前的做法是，首选UDP作为网络传输协议;其次，采用专用设备来保障带宽相对充足、网络相对稳定。上述做法中，采用专用设备实施高效稳定传输的方法，其成本高昂，无法兼顾硬件成本和传输的高效稳定性。

为解决上述问题，本系统通过引入协议窗口和补传延迟机制，可以较好地平衡无线车台的硬件能力及其在无线网络传输中的种种不利因素，在保证传输可靠性的前提下，依据无线车台的网络传输特点，并尽量考虑硬件因素，达到提高传输效率的目的。

1.2 视频传输质量

DVR移动车台在利用3G网络传输视频图像数据时，由于视频图像数据所包含的数据量一般较大，因此对带宽要求较高，而当3G网络的连接用户较多时，这会降低可用带宽，特别是受天气等原因的影响，致使传输网络不稳定，发生丢包现象，也会对视频图像数据的传输造成影响［2］。

为解决上述问题，目前在进行视频图像数据的传输时，通常采用降低视频图像数据的码率或帧率的方法，实现视频图像数据的实时传输，然而，降低码率会影响视频播放的清晰度，而由于降低帧率是采用均匀降低的方式，这会影响视频播放的连贯性，且有可能影响到视频的正常播放。

文中提供一种无线远程视频监控的自适应传输方法及传输系统，其可适应网络的传输质量，有效提高远程监控系统中视频图像数据的传输效率，并可适用于较为恶劣的传输条件。

2 系统设计方案

整个系统结构如图1所示。图1中带摄像头的DVR移动车台通过3G无线网络接入多媒体平台中心(简称中心)，终端用户通过手持移动监控终端软件、PC机器或数字电视机顶盒上的监控软件接入中心平台［3］。

图1 系统网络拓扑Fig.1 System network topology

中心平台设备包含:登录服务器、多媒体服务器、Web服务器、LDAP目录服务器、文件服务器。中心网络与因特网通过防火墙隔离。

2.1 中心平台软件架构

分布式文件服务器群与DAL逻辑层构建起分布式文件系统;多媒体服务器作为DVR移动车台设备接入的前置机，同时作为中心分布式文件系统流媒体数据写入设备;Web服务器作为监控终端软件接入前置机，同时作为中心分布式系统的读出设备;LDAP目录服务器管理分布式文件系统，为其余中心设备提供路由查询及权限管理服务。

如图2所示，Web服务器为监控终端客户端软件提供Web访问，并提供VOD点播服务;多媒体服务器负责流媒体转码和分发;三者遵循LDAP规范与目录服务器服务器交互，以实现目录安全的访问控制。

图2 中心平台软件架构Fig.2 Center software structure

Web服务器在收到从用户监控终端客户端软件对车台视频监控请求时，首先通过LDAP目录服务器获取用户组权限内的其他用户活动情况，若判定有用户在对该车台进行视频监控，则Web后台程序仅需要对发往前一个用户的流媒体数据进行分流转发就可以了，若无其他用户对该车台实施监控，则需要再一次通过LDAP目录服务器获取流媒体文件所在文件服务器的节点路径，开启新的视频监控通道。

多媒体服务器负责把接收到的实时监控流分发到目标文件服务器节点，路由信息的获取同样需要通过LDAP目录服务器来获取。

文件服务器集群通过数据访问层(DAL)构建成一个分布式文件系统，多媒体服务器通过DAL层对分布式文件系统进行写操作，Web后台程序通过DAL层对分布式文件系统进行读操作。

2.2 客户端接入

客户端包含DVR移动车台和各类运行监控终端软件的设备(如智能手机、便携式个人电脑等)。

2.2.1 DVR 移动车台接入

如图3所示，车台与中心采用C/S结构。车台首先连接登录服务器，登录服务器搜索资源占用最低的多媒体服务器，然后把该多媒体服务器的IP及其服务的端口发送给车台。车台通过其获取的IP及端口连接多媒体服务器。

以上方案可实现多媒体服务器负载均衡。

图3 DVR移动车台接入Fig.3 DVR terminal access

2.2.2 监控终端接入

监控终端(含PC监控终端和手持无线监控终端)与中心采用B/S结构。监控终端连接Web服务器，输入用户名及密码;Web后台程序根据用户的分组及权限，通知监控终端被授权监控的车台分组及明细。

2.3 通信模式说明

2.3.1 DVR车台与中心的通信

DVR车台与中心通信使用双通道，视频数据通道采用UDP协议，命令控制通道采用TCP协议。

命令控制通道主要携带一些需可靠传输的关键信息，例如监控发起命令、监控终止命令、黑匣子文件历史查询指令等。

UDP通道主要用于音视频数据的传输，利用UDP较少的报头开销及无需可靠传输的特性，可到达解决带宽和加速响应的目的。

2.3.2 监控终端与中心的通信

监控终端与中心通信采用开发的MPEG DASH－264流媒体通信协议，实现为基于HTTP的流式小文件VOD点播系统。这样做的目的主要是加强平台与第三方客户端播放软件的可交互性。

为确保音视频平台所提供的实时音视频和录像码流能被其第三方客户端软件统一播放，视频平台与调用音视频资源客户端播放插件之间的音视频码流通信协议，应采用MPEG DASH－264标准草案规定的协议，其格式及交互过程按照RFC2616的要求。

2.3.3 中心设备间的通信

如图2所示，Web服务器为监控终端客户端软件提供Web访问，并提供VOD点播服务;多媒体服务器负责流媒体转码和分发;三者遵循LDAP规范与目录服务器服务器交互，以实现目录安全的访问控制。

Web服务器在收到从用户监控终端客户端软件对车台视频监控请求时，首先通过LDAP目录服务器获取用户组权限内的其他用户活动情况，若判定有用户在对该车台进行视频监控，则Web后台程序仅需要对发往前一个用户的流媒体数据进行分流转发就可以了，若无其他用户对该车台实施监控，则需要再一次通过LDAP目录服务器获取流媒体文件所在文件服务器的节点路径，开启新的视频监控通道。

多媒体服务器负责把接收到的实时监控流分发到目标文件服务器节点，路由信息的获取同样需要通过LDAP目录服务器来获取。

文件服务器集群通过数据访问层(DAL)构建成一个分布式文件系统，多媒体服务器通过DAL层对分布式文件系统进行写操作，Web后台程序通过DAL层对分布式文件系统进行读操作。

3 视频传输质量的解决方案

DVR车台远程视频监控的自适应传输方法主要包括如下步骤:

1)DVR车台作为发送端，对欲发送的视频图像数据进行压缩编码。

2)由DVR车台设定满足视频图像数据正常传输的带宽阈值，并侦测3G网络的带宽情况，当带宽高于阈值时，将步骤1)中的码流数据全部送入3G网络进行传输;当带宽低于阈值时，只提取码流中的I帧数据，送入3G网络进行传输。

3)多媒体服务器作为接收端，对接收到的码流数据进行解码。

发送端将视频数据组包时，以视频帧为单位组包传输［4］;发送端在发送前对视频数据包进行编号，以窗口号为单位进行组织，以一组或多组可完整进行解码播放的帧为一个窗口，一个窗口可以包含一个或多个i帧，以及多个p帧，编号格式为(窗口号，窗口内帧号)，上报组包示意图见图4。

接收端根据接收帧的编号判断数据的接收完整度，若发现有未收到的数据帧，则接收端发送控制命令给发送端要求重传;接收端每收到一个窗口的最后一帧数据，对该窗口进行接收完整度的判断和重传处理;若接收端没有收到窗口的最后一帧数据，直接开始收到后续窗口的数据帧，则接收端仍然会对上一窗口进行接收完整度的判断和重传处理;传输完一个窗口的数据帧后，发送端不需要等待接收端的接收完成应答，直接传输后续窗口的数据，一旦收到接收端的重传控制指令，发送端优先重传接收端指定的数据帧。

图4 上报组包示意Fig.4 Upload package diagram

接收端接收到发送端传来的视频数据不立即解码播放，而是先存入缓存，当缓存中的视频数据达到一定数量时才开始解码播放;在解码播放时，接收端对缓存中的视频数据，以一个窗口为一组可完整编码播放的帧进行处理，判断方式如下:

1)若窗口数据中没有i帧，则此窗口数据不进行播放处理。

2)若窗口数据中i帧存在，而后续有连续N个p帧不存在，则从这连续N个p帧的第一帧起之后的帧不进行解码。如图5所示。

3)若窗口数据中i帧存在，后续有M个p帧不存在，这M个不存在的帧在编号上并非连续的，则在这M个p帧的最后一帧起之后的帧不进行解码。如图6所示。

图5 连续缺帧解决示意Fig.5 Solution of continuous frame missing

1)在传输网络的带宽较低或稳定性不佳时，只传输I帧数据，可降低传输流量，节约视频监控的成本。

2)剔除码流中的P帧数据，使得原始码流的数据量变小，进而降低对传输网络的带宽要求，更适用于较低带宽或网络不稳定的传输条件;保留I帧抑制图像的马赛克出现几率或面积，提高传输的质量。

4 结语

综上所述，使用文中介绍的构建方法及设计要点，对车载视频监控系统有了一个较好的了解，可以快速地组建相关行业所需的车辆视频监控系统，并且可以针对特殊行业开展定制化需求的功能扩展。比如针对银行押钞车的应用场景，可以实现针对押运车厢非正常开关门触发的视频报警实时监控，上报的视频流可以同时分流给保安公司、支行、总行、公安机关等地的监控平台。通过构建这样的监控系统，对企业及行业车辆应用的现代化管理有着一定的意义。

图6 非连续缺帧解决示意Fig.6 Solution of discontinuous frame missing

该接收端在解码播放时，解码播放设备按照数据中的原始帧率进行匀速播放，若缓存占用率超过阈值时，则加快播放速度，一旦缓存占用率低于阈值，则立即按原始帧率进行播放。

这个技术方案有如下两个优点:

［1］谷胜，王建华.基于ARM Linux的3G无线车载视频监控系统［J］.现代电子技术，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］惠晓威，王克.移动视频监控系统的实现［J］.计算机应用与软件，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］张美平，王丽明，赵树峰.客运车辆3G视频监控［J］.黑龙江科技信息，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］张登伟，姜其岩.高效的H.264空域错误隐藏算法［J］.通信技术，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.