基于3G通信技术的无线视频监控系统

黄吉林 陈明芳

摘 要：传统的有线监控系统存在线路铺设难、组网复杂、维护成本高、灵活性差等缺点，随着3G技术的不断发展，一种基于无线传输技术的视频监控系统应用日渐成熟。本文重点介绍了无线视频监控系统的各部分功能及系统中的3G技术、H.264视频编码技术、RTP/RTCP实时传输协议等相关技术应用，并对无线视频监控的发展提出了建议。

关键词：无线视频监控；3G技术；H.264视频编码；RTP/RTCP实时传输

视频监控系统在我们日常生活和工作中随处可见，其作为一种便捷高效的安防系统在保护公众和个人的生命财产安全方面发挥着重大作用。传统的视频监控系统大多依托有线网络接入实现远程视频采集，有线线路户外架设及维护成本高，组网复杂，灵活性差，而且有些监控点地处偏僻，分布不均，线路架设困难，应用范围受限。随着3G移动通信技术的日趋成熟和市场运营的日趋规范化，以3G无线网络作为传输媒介的视频监控，可以克服传统有线方式对地理位置变化和处于运动中的监控不能实现的问题，提供更加灵活的组网方式，满足不能架设线路的监控点的监控需求，安装方便、易于维护、扩展性好、性价比高。

1 系统总体框架

系统结合了3G移动通信和计算机网络技术，由前端平台，监控中心，监控终端三大部分构成，如图1所示。

1.1 前端平台

视频采集模块从监控现场采集视频信息，然后交由数据处理模块进行H.264压缩编码及其它流媒体技术处理，最后交由3G无线传输模块发送，该模块应具有自动PPPoP重拨功能保证24小时在线，并且嵌入式地实现TCP（UDP）/IP协议、RTP/RTCP协议，同时支持动态IP和GIS服务。

1.2 监控中心

视频监控中心平台主要完成注册管理、业务管理、设备管理、用户管理、连接管理等功能，由应用服务器、数据服务器、数据仓库服务器、备份服务器等构成，其中：

⑴应用服务器。应用服务器面向用户提供功能响应，并根据系统配置策略完成连接管理、设备状态监控、系统管理等功能。

⑵数据服务器。数据服务器主要处理用户请求，高效提供对应的数据信息。

⑶数据仓库。数据仓库主要负责存放图像信息、用户信息、监控终端信息、告警信息、用户访问记录、管理员信息、业务策略和网络相关信息等。用于存储海量数据并进行优化，满足系统稳定运行的要求。

⑷备份服务器。备份服务器根据备份策略，完成数据的备份工作。

监控中心根据应用分为网络管理系统、业务管理系统、软件管理系统、数据库系统四个子系统，其中：

⑴网管系统提供注册、代理、重定向服务，负责用户终端和监控终端接入认证、授权，以及用户与监控终端之间的连接建立、维护、拆除和媒体，安全策略的协商，提供域名解析，NAT穿越等服務。

⑵业务管理系统负责用户信息管理、用户权限管理、网络监控终端设备管理、安全策略管理、业务开展策略管理及用户服务等。

⑶软件管理系统包括实时图像调阅、远程控制、历史图像提取、图像接入、图像文件索引、图像转发、用户管理与权限管理、GIS服务、用户服务、其他接口、故障告警、设备管理、远程管理、日志和统计报表等。

⑷数据库系统用于存储视频采集前端设备参数、监控终端设备参数、用户登入管理等信息以及视频监控故障日志。

1.3 监控终端

监控终端包括固定（PC机、电视墙）和移动（笔记本、手机、车载终端）两种方式，可以实时接收前端的视频流进行监控，又可以按照需要登陆数据服务器查询历史记录。3G移动视频监控终端作为原本基于固网宽带的PC终端的有效补充，充分利用了设备的可移动性，为用户提供了随时接入视频监控平台的便利性。相应地，监控终端需支持TCP（UDP/IP）协议和RTP/RTCP协议，移动终端还需支持动态IP和GIS服务。

2 关键技术

2.1 第三代移动通信技术

第三代移动通信技术（3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，其主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，保证可靠的服务质量，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。在三大3G国际标准中，WCDMA是最成熟稳定、市场占有率最高的3G技术，因此本系统可以采用中国联通的WCDMA网络。中国联通WCDMA网络在HSDPA支持下，下行数据速率最高可达14.4Mb/s，上行数据速率最高可达5.76Mb/s，完全可以满足CIF格式（H.264视频编码通常采用此格式）视频流的上传带宽需求，这就使得利用3G分组域承载视频监控业务成为了可能。

虽然WCDMA网络带宽足够满足视频传输的需求，但从节约流量费用的角度考虑，在设计系统时，需要尽可能地在保证图像质量的前提下减少网络流量，这取决于视频编码方法。

2.2 H.264视频压缩技术

H.264是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（JVT：joint video team）开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。H.264以低码率、高清晰的特点持续提供较高的视频质量，能够大大增强图像的编码效率和改善图像数据在网络中的传输效率，成为目前和下一代网络多媒体传输的主要格式和标准。

H.264算法在概念上分为两层：视频编码层（VCL，Video Coding Layer）和网络提取层（NAL，Network Abstract Layer）。VCL包含了代表视频图像内容的核心压缩编码部分的表述，主要用来完成视频的高效压缩编码；NAL用来适应各种通信网络，并提供适应于各种传输层或存储媒体的头信息，显著提高网络传输的抗干扰能力。与以往的H.263和MPEG-4编码标准相比，其采用的新技术有运动估计和运动补偿；帧内/帧间预测；熵编码；整数变换及量化；抗块效应滤波器等。H.264视频编解码流程如图2和图3所示。

H.264编码过程采用帧内预测、帧间预测、运动估计和运动补偿、整数变换等方式进行压缩编码以提高对图像的压缩率。帧内预测是进行图像空间域的压缩，利用图像中相邻像素的相关性，采用新的帧内预测模式，通过当前像素块的左边和上边的已编码重建的像素进行预测，只对实际值和预测值的差值进行编码从而能用较少的比特数来表达帧内编码的像素块信息；而帧间预测是对图像的时间预进行压缩，根据前后图像的相关性进行编码，通过多帧参考和更小运动预测区域等方法对下一帧进行精确预测，从而减少传输的数据量，实现降低图像的时域相关性。H.264把運动估值和帧内预测的残差结果从时域变换到频域，使用了类似于4*4离散余弦变换DCT的整数变换，而不是像MPEG-2那样采用8*8DCT的浮点数变换。以整数为基础的空间变换具备效果好、计算快，只需加法和移位运算，反变换过程中不会出现适配问题等优点。最后，进行无损熵编码进一步提高码率。解码则为编码的逆过程。

2.3 流媒体实时传输技术

实时传输协议包含两个部分，即实时数据传输协议RTP和实时传输控制协议RTCP。它们可以一起提供流量控制和拥塞控制服务，以保证网络传输质量。

实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）是针对Internet上多媒体数据流的一个传输协议，它被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP的典型应用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他协议之上工作。RTP本身只保证实时数据的传输，并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。

RTCP（RTP Control Protocol），即RTP控制协议。RTP通过RTCP携带的信息，实时监测音视频数据包的延时、抖动、丢包状况，以及网络带宽变化情况，从而可在应用层对视频源的发送参数做出调整，适应网络的变化。在RTCP通信控制中，RTCP协议的功能是通过不同的RTCP数据报来实现的，主要有如下几种类型：SR，发送端报告（Sender Report）；RR，接收端报告（Receive Report）；SDES，源描述（Source Description）；BYE，通知离开；协议流程如图4所示。

在服务端，RTP模块主要负责对H.264视频流进行打包，封装成RTP数据包，并且将RTP包发送到缓冲区。RTCP模块主要负责产生和发送RTCP包以及接收分析收到的RTCP包，它包含以下几个过程：（1） 发送：当数据包传输一定的时间间隔后，根据统计的数据进行SR打包并发送到客户端；（2） 接收：接收客户端产生的RR报文进行分析，统计丢包率，延迟等；（3） 结束：如果收到客户端用户发来的终止事件时，立即发送一个BYE包给客户端，释放资源并退出对话。服务器端的发送缓冲模块根据RR报文反馈信息判断网络状况，动态的对发送速率进行调整。

在客户端，RTP模块主要是进行解包处理，提取RTP包中的有用信息。这些信息主要包括版本号和报文负载类型的判断、媒体数据的长度、报文头中序列号的检查等等。RTCP模块利用服务器端发来的RTP包和SR包中的信息，统计出丢包率，接收到的数据包数，乱序等等，并动态产生RR包，等过了一个RTCP间隔后，发送RR包。接收缓冲模块存放收到的RTP包，由于RTP数据包是采用UDP的传输，所以可能会出现乱序和丢包的情况，因此在客户端建立一个缓冲区来存放收到的RTP包，以恢复正确的RTP包顺序和防止丢包。

3 系统视频流传输流程

在无线视频监控系统中，视频监控中心和视频采集前端，视频监控终端和视频监控中心，二者均采用Client/Server（C/S）模式。监控终端运行在Client模式，主动向监控中心发起视频监控请求，监控中心同样在Client模式下主动向采集前端发起视频回传请求，采集前端在Server模式接受请求并通过3G无线网络将监控画面传回到监控中心服务器，最后监控中心在Server模式下将监控画面传送至监控终端并同时将视频流保存到服务器中供日后调阅录像用。视频采集前端发送流程，监控中心运行流程，监控终端接收流程分别如图5、图6、图7所示。

4 结论

随着3G网络的不断完善，3G视频监控的应用也越来越广泛。3G与固网的融合，只要IP可达，便可以实现任意时间、任意地点的无线监控。然而，无线信道具有不稳定性，传输误码率在信道恶劣的情况下较高，因此研发抗误码技术是保证数据可靠、鲁棒性传输的关键；同时，由于信道带宽抖动，码率控制对于视频编码器输出码流与信道速率的匹配，以及在码率受限的条件下重建视频质量的优化都具有十分重要的意义；此外，H.264使用了多种新技术，增加了编解码的复杂度，有时难以满足实时性的要求，因此对H.264算法进行优化，降低计算复杂度以更好的满足实时视频监控的需求是值得探讨的。总之，由于无线信道固有的特性，致使无线环境下的视频通信将面临着比其它环境下更大的挑战，未来的发展趋势可以从抗信道误码、自适应码率控制、H.264编解码优化等方面入手，以使无线视频监控更好地服务于各种安防领域。

[参考文献]

[1]赵军.应急指挥移动监控系统的设计与实现[J].电脑学习.

[2]牛双庆，王崇萍.HSUPA空分复用技术在无线视频监控中的应用[J]. 电信技术.

[3]崔玉斌.基于H.264/AVC的无线视频通信系统关键技术研究[D].北京邮电大学博士学位论文.

[4]常侃.H.264的关键技术研究[D].北京邮电大学博士学位论文.

[5]樊姗.基于RTP/RTCP的H.264视频实时传输系统设计[J].现代商贸工业.