村镇建设用地再开发现场监控系统的无线传输方案设计

胡子昂++王卫星++陆健强++石颖

摘要：本文面向省、市、县三级村镇建设用地再开发管理部门，针对带宽受限和传输数据容量大的矛盾，探讨了3G数据传输过程中的传输网络方案。在调查村镇建设用地再开发监管过程对数字化监管平台需求的基础上，结合我国村镇网络设施受限、多数地区存在WiFi网络无法覆盖的实际情况，选择了3G无线传输网络和H.264视频压缩编码标准。针对村镇建设用地再开发实际监管和监管系统视频传输的过程中存在的问题，分别探索了视频本地存档、异地调用的双码流传输方式和带宽受限条件下异步传输、可伸缩编码和视频画面切割的传输方案。本文研究村镇建设用地再开发现场监测技术，为村镇建设社会主义新农村再开发现场监测、全程监管、县市省三级互通互联与公共服务、以及信息化监管技术平台的构建提供理论基础。

关键词：建设用地再开发；视频监控；无线传输

中图分类号：TP311.5

文献标识码：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.003

0 概述

本世纪头20年，是我国经济社会发展的重要战略机遇期，也是资源环境约束加剧的矛盾凸显期。目前我国村镇建设用地总量高达16.4万平方公里，是城市建设用地总量的4.6倍，人均用地185平方米，远远超过国家标准，且土地利用结构不合理，粗放利用问题突出。因此，探索再开发现场监测、全程监管与业务系统一体化整合的方法，寻求如何构建村镇建设用地再开发现场监测、全程监管、信息共享与服务集成平台，对转变村镇土地利用的传统观念，缓解土地资源有限造成的压力，提高土地利用效益，具有重要的现实意义。

当前，在建设用地再开发方面监控系统的科研几乎空白。围绕我国建设用地再开发，在土地利用现状调查、建设用地集约节约用地评价以及有关经济、社会、环境数据的基础上，在区域规划、土地利用总体规划、城镇规划的控制下，本着“补差补缺”的原则，以加强“经济调节、市场监管、社会管理、公共服务”下的建设用地调控与监管为核心，进行建设用地再开发数字化监管技术研究，实现信息化监管具有重要意义。本文面向省、市、县三级村镇建设用地再开发管理部门，针对带宽受限和传输数据容量大的矛盾，重点探讨3G数据传输过程中的传输网络方案。

本文针对村镇建设用地再开发具有渐变性、周期较长，单纯用巡查、数据上报等常规监控手段很难满足有效实时监管的特点，研究基于多模式及多路无线捆绑安全数据接人视频网关的村镇建设用地再开发监控视频数据采集处理和智能分析技术。通过分析村镇建设用地再开发现场监控系统的技术指标要求，结合对无线视频传输技术应用的研究，进行了村镇建设用地再开发现场监控系统中的监控终端压缩编码方式的选择和视频传输网络方案的设计。

1 现场监控端视频传输模式设计

在监控系统视频传输过程中，解决3G网络环境下带宽受限和视频传输数据量大的矛盾是一个核心问题。以中国联通3G环境下室外移动网络状态为例，此种情况下的3G网络传输速率为l44kbps。根据技术指标要求，监控画面的分辨率采用720×576，每个真彩像素深度为24，H.264视频压缩比假为102：1，这样得到原始视频的数据量为720×576×24/8=1244kbpf，压缩后的数据量为9953/102=12.2kbpf。利用此条件下的3G无线网络传输可得图像的传输速率为144kbps/12.2kbpf=11.8fps。而满足流畅的实时视频监控画面需保证至少20fps的传输速率，即保证每秒能接收到的视频帧至少为20帧。

由此可见，在平均3G网络带宽下，视频的传输速率不能完全满足视频实时监控系统的流畅性需求，这就必须要对原有的视频传输方案加以改进。与此同时，村镇建设用地再开发实际监管的过程中存在着取证不及时、鉴定难度大的问题；在监管系统视频传输的过程中，存在着网络带宽受限、系统实时性不强的缺陷。

针对以上问题，本文分别从两个方面人手，提供了视频本地存档、异地调用的双码流传输方式和带宽受限条件下的视频传输方案。

2 双码流视频传输方案设计

为了满足村镇建设用地再开发实际监管过程中视频取证的需求，本节参照3GPP标准协议框架，在双码流技术的基础上设计一个的3GSS流分发服务器用于现场监控视频的存档与传输。

在双码流传输过程中，流分发服务器可对单路模拟视频进行两种格式的同时编码上传，并有由中心服务器进行差异化转发。如图1所示，视频解码器和录像存储单元接受高清晰度的视频并存储，而监控端接受低品质网络传输视频，可有效降低带宽资源的消耗，提升视频监控画面的流畅度，从而保证监控中心在进行多画面视频实时浏览时的应用效果。

3 传输方式的选择

前文的分析中指出，在3G网络带宽受限的情况下，要传输满足技术指标的高清视频，并保证监控画面的流畅性，只能通过降低监控视频的实时性和减少3G网络中单条信道内的数据传输量的方法来实现现场监控的目的。针对该问题本文通过引入异步传输机制、视频可伸缩编码和视频图像裁剪方式，提出了相对应的解决方案。

3.1 步传输机制

与安全设施监控、违法犯罪监控等强调的及时报警、快速响应不同，村镇建设用地再开发的现场监控不需要过分强调监控画面的实时性，可以允许适当的缓冲延时以保证监控画面的质量，以便于对违规用地进行更加详细地取证。

考虑到本系统在实际应用中对传输画面的实时性要求并不是很高，引入异步传输机制，以降低实时性为代价完成对高清视频流的异步传输，达到监控视频流畅播放的目的；与此同时，引入一个基于RTCP报告、可获取对网络状况变化趋势的反馈机制。并利用其提供的动态的反馈信息实现了对发送端和接收端Buffer的控制，使其适应当前网络的状况，保证流媒体传输的QoS，以提高流媒体传输的效率。

如图2所示，在现场监控发送端和监控中心接收端设置视频缓冲区，由会话管理中心不断获取RTCP报告信息，控制缓冲区的大小，以保证传输效率。完成压缩编码后的本地高清视频封装包在缓冲区列队传出，接收端缓冲区对视频进行列队处理。

在实际系统应用中，摄像头连接无线网关传输设备，接收端架设视频转发平台，利用一定的缓冲时间，来实现高清视频图像的流畅传输。无线网关传输设备要先实现视频数据实时记录，然后再异步无线发送数据，然后视频转发平台经过一定缓冲时间再实现流畅播放。

3.2 频可伸缩编码传输

传统的通信系统中，编码器将视频信号压缩到一个特定的比特率，使此比特率小于或接近信道容量，解码器利用收到的全部数据重建视频信号。但是在本文所研究的系统流媒体应用环境下，由于村镇网络设施不健全带来的带宽不足和考虑到设备成本的问题，编码器无法预知终端设备能力，因此要求视频编码器能够实现特定使用环境下的最优编码，使得编码后的码流可以灵活地适应不同的网络环境。

在实际应用中，为了解决3G网络传输带宽不足的问题，需要设计对视频传输请求有自适应性的视频服务器。

可伸缩编码（SVC， Scalable Video Coding）能很好满足系统的这种自适应性，能够将视频信息按照重要性分解，对分解的各个部分按照其自身的统计特性进行编码。

如图3所示的是H.264扩展的可伸缩编码示意图。空间可伸缩性通过空域分解下采样来生成多个不同空间分辨率的信号。每个空域层再经过层次B帧预测编码结构来提供时域可伸缩性。低空域层的运动信息和纹理信息可以用于高空域层相关信息的预测。H.264 SVC的视频编码也是基于宏块的，每个宏块除了可以进行帧内预测编码和帧间预测编码之外，高空间层的图像还可以进行层间预测编码。对于每个空间分层中的任意时间级图像，都采用质量可伸缩性编码。

3.3 频画面切割传输

从减少3G网络中单条信道内的数据传输信息量的角度出发，考虑先将大数据量的每帧图片在本地视频处理端物理分割成几个等大小的画面，分别经过编码传输，在接收端解码后对分割的画面进行再融合。再对得到的融合画面进行显示。这样在单条传输信道上的传输数据量将成倍缩小，缓解了带宽不足的压力，提高了视频的流畅度，增加了视频监控的实时性。

以技术指标要求为例，在144kbps网速下传输分辨率为750×576的视频监控画面，每个真彩像素深度为24，所以原始视频的数据量为720×576×24/8=1244kbpf。经过视频分割，将照片等分成4个部分，每部分的数据量为1244/4=3 llkbpf，采用H.264压缩编码后的数量为3kbpf。也就是说，在每条独立的3G网络信道内传输的数据量为3kbpf。由此可以得出，此条件下的3G无线网络传输可得图像的传输速率为144kbps/3kbpf=48fps。这远远大于视频播放所需要的25帧/s的播放量，完全可以满足视频监控应用中视频实时传输的要求。

本文以图片的四分法为例，如图4所示。先将视频摄像头拍摄到的画面ABCD经过分割处理，得到四张等大小的图片A、B、C、D，分成四路经过编码封装后接人3G网络传输。接收端接收到四幅图片A、B、C、D后，通过视频解码融合器，将图片还原成拍摄所得的图片ABCD，最后将还原的图片压人队列形成视频流。

3.4 频传输模式方案的选择

在视频画面分割传输方案中，如何解决掉帧和失帧后的同步问题是一个难点。不难预想到在实际传输过程中，由于单条或多条信道上可能存在的数据掉包，出现某一或多个画面的失帧，如图5所示。这大大降低了视频的监控效果，不能满足高清视频监控的要求。所以，在建设用地现场监控系统中单纯采用这种传输方案易造成视频卡顿、失真严重等不良后果。

前文提出的设置缓冲区、异步传输视频的方式，缓冲区的等待队列以降低实时性的代价来保证高清的视频监控，恰恰为视频画面分割传输中画面同步的问题提供的解决办法。而视频画面分割传输的思路又降低了单条信道上的带宽压力，减小了缓冲区域的分配，缩短了视频缓冲时间，大大增强了视频监控的实时性。但复杂的算法和增加的传输网关带来的成本增加，是该传输模式在实际应用中需要解决的问题。因此，结合异步传输方式和视频图像分割传输方法对视频进行无线传输的新型传输模式值得进一步探讨。

与此同时，相比异步传输方式和视频图像分割传输方法相结合的传输方式，将可伸缩编码和异步传输方式相结合的传输方式更适合在3G网络不稳定，网络信号较弱的情况下进行数据传输。在网速较慢的环境下，可伸缩编码能将视频监控所需的基本层剥离出来进行传输，这大大减少了无线传输信息量，缓解了3G网络的压力。

综上所述，视频传输模式方案的选择需要根据具体网络环境来决定。在无线传输网络稳定的条件下，选择异步传输方式和视频图像分割传输方法相结合的传输方式，能够缓解传输信道上的压力，提高现场视频监控的实时性；在无线网络信号较弱的条件下，可伸缩编码和异步传输方式相结合的传输方式能够调节视频监控传输信道上的数据量，获得更好的监控效果。

4 结论与展望

本文依据村镇建设用地再开发现场视频监管的实际需求，结合村镇网络设施建设中存在的带宽受限问题，进行了村镇建设用地再开发现场监控系统中的监控终端视频传输网络方案的设计，完成的工作主要包括：研究无线网关传输设备带宽受限情况下，保证接收端视频清晰流畅接收的传输方法。为解决文中构思了三种传输方案，分别是设置本地缓冲区，对视频进行异步传送；对视频每帧图像在本地进行切割后分别传送，接收端融合；以牺牲低网速下的视频画面质量来换取换面流畅度的H.264可伸缩编码形式。在保证监控质量的前提下，经过对比分析，本文提出了将几种方式融合的思路，在具体的网络环境中来决定不同视频传输模式方案。我们计划在未来利用该套无线传输方式，解决无线传输带宽受限和视频传输数据容量大的问题。并结合CORS高精度定位装置，实现综合整治村镇建设用地的视频高精度实时监管功能。