校園無線視頻監控系統的設計與應用

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摘要：為解決校園內及用邊視頻監控點布置分散等原因造成的無法實現遠程視頻監控問題，針對3G無線網絡的特點，描述了基于3G標準的無線視頻監控系統關鍵技術的研究與實現方法。在數據傳輸中利用RTP協議中時間戳，解決音視頻同步的問題，對監控系統的客戶端與服務器端進行了設計。實際應用表明，該系統設計合理，可靠性好，能對校園內外目標實現有效監控。
關鍵詞：校園安全；無線視頻監控；3G網絡；H．264編解碼；流媒體
近年來，學校安全事故頻發，識別、阻止外來人員的闖入和校內人員的非法外出成為學校安全防范的重點。根據需要，我院進行了新一期數字化視頻監控系統的建設。考慮到校園整體安防系統的設計，監控系統的可擴展性，與其他子系統的聯動，校方選擇采用了全數字模式的建設方案。這種采用嵌入式專用服務器的系統具備網絡通信、視頻處理、自動控制等多項功能，采用瀏覽／月艮務器結構，使用十分的便捷。
在該系統中，雖然有一百多個前端的固定監控點，但對于面積較大的校園來講還是無法完全滿足用戶的需求。例如，在某些區域由于視線遮擋或距離過遠等原因不能進行詳細紀錄，此外，校園內及周邊還有很多的地方是視頻監控死角，或者不方便使用固定的視頻監控。因此，院方決定在系統中加入無線視頻監控，以完善視頻監控系統的功能性。
1 系統結構分析與設計
傳統的無線接入網絡主要依托GSM、CDMA以及Wi-Fi等傳輸技術，但難以滿足大數據量實時遠程視頻監控的要求，而現行的無線3 G網絡能夠解決以上問題。與傳統網絡相比，3 G的反向鏈路峰值速率明顯高很多，響應時間短，在高速運動狀態下的傳輸速度也快，并能夠支持音視頻等多媒體數據。而且，3 G網絡即使在雨、霧等環境下也不會造成信號的衰減，非常適合在大學校園面積較大的這種條件下進行高質量的實時監控，系統結構如圖1所示。

該方案中3 G無線視頻監控系統采用C／S架構，由3部分組成，包括前端信號采集單元、無線網絡傳輸單元和遠程監控單元。前端單元負責對圖像進行采集，并將拍攝到的模擬視頻信號轉換為數字信號，通過編碼器進行數據壓縮處理，最后利用3G網絡將壓縮后的數據傳送至監控中心，通過用戶端完成實時顯示。
2 無線監控系統前端設計與應用
2．1 設備的選擇與功能實現
前端設備有很多選擇，如無線攝像機、手機、PDA等。現在很多手機已具有高清晰的攝像功能，而且手機既可作為前端攝像機使用，也可作為客戶端進行視頻瀏覽。因此，在該系統中，利用3 G智能手機作為系統的前端，可以實現視頻監控系統的以下功能：
1)利用手機內置高清攝像頭獲取現場視頻數據并進行壓縮，通過3 G通信網絡把視頻數據實時發送到遠程控制中心，整個過程確保視頻畫面流暢、清晰，實時性高。
2)系統通過3 G網絡可以實現音視頻同步傳輸，雙向對講功能。監控中心不僅可以實時觀察前端現場視頻畫面，同時還可收聽前端現場聲音以及與前端直接進行通話。
3)利用手機進行拍照，可立即將圖片發送到監控指揮中心，并且支持圖片大小設置、對焦調節等功能，為獲取現場高清圖片提供了技術支持。
4)利用手機GPS定位功能，可以隨時對手機位置進行追蹤，形成手機運行軌跡線路，再與系統中電子地圖相配合可以全方位了解前端情況，為中心指揮帶來方便。
2．2 手機在視頻監控系統中的特點
數字視頻監控系統由攝像機、視頻接入轉發服務器、調度服務器和客戶端構成。其中，轉發服務器主要是實現攝像機視頻流的接入和攝像機狀態的獲取，調度服務器主要進行攝像機狀態的統一管理。固定安裝的攝像機由于其IP地址是穩態的，轉發服務可直接將攝像機接入系統，客戶端也可直接向轉發服務器獲取視頻流并進行播放。步驟如圖2所示。

1)接入轉發服務器向系統中某路攝像機申請視頻流；
2)符合申請IP地址的攝像機向接入轉發服務器發送視頻流；
3)接入轉發服務器向調度服務器發送被選中的攝像機狀態；
4)調度服務器向客戶端發送該路攝像機狀態。
但手機作為攝像機使用具有不連續性及IP地址不固定的特點，視頻接入轉發服務器就不知道當前有哪些手機需要接入視頻監控系統，因此手機需主動連接服務器以實現攝像機的接入，具體步驟如圖3所示。

1)手機先向調度服務器申請接入系統；
2)調度服務器再向接入轉發服務器發送手機的IP地址；
3)接入轉發服務器向手機申請視頻流；
4)手機向接入轉發服務器發送視頻流；
5)接入轉發服務器向調度服務器發送手機狀態；
6)調度服務器向客戶端發送手機狀態。
2．3 手機操作系統與硬件要求
手機作為視頻監控系統前端主要工作包括視頻拍攝、視頻編碼及發送碼流，作為客戶端使用時主要完成碼流接收與視頻解碼。這些都和手機的操作系統、硬件設備等有著密切關系。
目前大部分手機使用的操作系統為Android、iOS及WindowsPho-ne。手機攝像機主要實現視頻編解碼與碼流傳輸，在開發時一般采用開源庫，如用于視頻編解碼的ffmpeg和視頻碼流傳輸的irtblib，這些開源庫基本都支持Windows和Linux操作系統。Android是基于Linux平臺的開源操作系統，所有支持Linux的開源庫都可以移植到Android中使用。因此，從使用開源庫的角度考慮，此方案中選擇應用廣泛的Android手機操作系統作為設計對象。
手機既作為攝像機又作為客戶端使用時，至少要處理各一路視頻編解碼。以清晰度為D1、幀率為20，編碼方式為H．264的攝像機為例，來分析下手機對CPU及內存等硬件的要求。
以視頻播放器VLC為例，在CPU頻率為3．2 GHz的PC機上播放一路D1格式視頻時，需占用1％～4％的CPU和60MB的內存資源，解碼是編碼的逆過程，占用的資源相差不大。因此，CPU頻率為1 GHz的手機處理一路視頻編碼和解碼顯示需要占用5％～30％的CPU和120 MB左右的內存。由于手機在使用時還有其它功能業務，因此手機在視頻監控系統中應用時，其硬件最低配置為頻率1 GHz的CPU和300 MB的內存。而當前主流手機都達到或超過該設計要求，完全能夠作為系統前端使用。
3 網絡傳輸的實現
手機通過3 G網絡接入視頻監控系統，其無線傳輸模塊集成了3 G的網絡連接端口協議，并以嵌入式方式實現TCP／UDP／IP、POP3／SMTP等傳輸協議，同時支持3 G基站與動態IP的無線連接與數據交換。TCP／UDP／IP協議具有擁塞控制和啟動慢的特性，會影響到數據傳輸的速率，TCP協議通過3 G網絡進行數據傳輸時，也會產生較多的網絡流量，并占用帶寬。另外，系統中前端手機使用的數量、視頻的分辨率和幀率也會影響所需要的無線網絡帶寬。
為充分利用3 G網絡最大允許帶寬，該設計中引用混合編碼框架下基于FPGA平臺的H．264壓縮編碼標準對視頻信號流量與網絡帶寬進行優化協調。該編碼方式面向3 G網絡，不僅可用量化步長的變化來適應信道碼率，而且可利用數據分割的方式來處理信道碼率的變化，在相同輸出碼率情況下，與其他標準相比，其信噪比要高出許多。在較寬的位速率和像素范圍內使編碼效率提高了約45％，壓縮比可超過250：1，從而提高了系統傳輸的穩定性。
在實際應用中，根據視頻流量計算公式
N=分辨率*幀速(fps)*色深(bit) (1)
式中：N為每秒單位數據采集量，bps。D1視頻格式可以滿足校園視頻監控的需要。視頻流經H．264編碼壓縮后，僅有1．236 Mbps，音頻采用G．711壓縮標準，每秒傳輸數據在8 kb～16 kb(與視頻相比可忽略不計)。音視頻流量完全小于3G制式網絡中上行速率下限1．8 Mbps的要求，系統傳輸質量達到最佳優化比，因此使用3G網絡傳輸視頻監控數據是完全可行的。本設計中根據網絡質量和實際需要，采用支持1：90—1：250多檔壓縮轉換。以10路手機攝像機、壓縮比150：1、2TB存儲硬盤為例，校園視頻監控無線傳輸的流量計算結果如表1所示。


4 監控軟件的設計
4．1 流媒體系統結構
系統中，流媒體的傳輸與播放是關鍵技術。流媒體技術是把連續得到的媒體信息經過壓縮后傳至網絡服務器，客戶可實現邊下載邊觀看，而無需將整部文件全部下載完，所以流媒體技術非常適合現場事件的播報，可以進行隨機訪問和快進或倒退觀看。流媒體實時傳輸主要采用RTP／RICP及RTSP等網絡協議，分實時流式傳輸和順尋流式傳輸兩種方式。實時流式傳輸可以保證媒體信號與網絡連接相匹配，媒體信息可被實時觀看，并且允許對媒體進行多項的控制，使用比HTTP服務器方便。順尋流式傳輸用的是順序下載，客戶只能觀看已下載的部分，可使用HTTP服務器，比實時流式傳輸要簡單。
該設計采用了處理器與嵌入式操作系統并加上所需應用程序軟件的實時傳輸方式。嵌入式操作系統采用Linux，流媒體系統由服務器和客戶端組成，其中服務器是最關鍵設備。為此，該系統配置了專門的流媒體服務器與手機視頻服務器，均采用了Dell PowerEdge R810。服務器由四個模塊組成，分別負責數據采集、數據壓縮、數據打包和RTP包發送。數據采集模塊是將音視頻模擬信號轉換成數字信號。從采集模塊得到的數據經壓縮模塊進行處理，可以減少網絡傳輸數據量及提高傳輸效率。數據打包模塊是向數據添加一些必要的包頭信息(如數據類型、序列號、時間信息等)，在客戶端通過包頭信息來實現音視頻信號同步。包發送模塊的作用就是將已打好包的數據通過3 G網絡發送至客戶端。
系統中客戶端工作原理是服務器端的逆過程，在網絡傳輸過程中由于網絡延遲等因素會導致接收到的數據包順序發生紊亂，必須通過數據緩存模塊來恢復數據包的正常順序，從緩存模塊輸出的數據傳入到同步調整模塊，然后將同步調整后的數據包傳入到數據解壓模塊和播放模塊進行實時播放。整個嵌入式流媒體系統結構如圖4所示。

4．2 監控數據同步的原理
對于系統來說，如果音視頻數據不同步，就無法準確反映監控現場的真實情景。為解決該問題，在設計中，先在手機用戶上利用RTP包中的時間戳來標記每幀音視頻信號的時間信息，然后再將標記了時間戳的信號流通過3 G網絡發送至客戶端。在客戶端使用緩存來消除數據流中的延時以及恢復數據包的正確順序，最后再將數據流送到同步調整模塊中進行同步播放。同步調整模塊里，在客戶端設計一個參考時鐘，根據參考時鐘和接收到的音視頻信息時間戳之間的關系，來判斷當前的信號是立刻播放還是延時播放，或者是丟棄。參考時鐘主要以視頻為主，對關鍵幀進行判斷，算法如下：將接收到的音視頻信息分別存放到各自的緩存中，當緩存到一定數量時，開始播放，同時進行同步調整。當視頻時間戳小于音頻時間戳一定值時，說明視頻超前音頻，需要等待；當視頻時間戳大于音頻時間戳一定值時，說明視頻滯后于音頻，則需要加快播放，設計中采取的是丟棄音頻包，從而加快播放的速度。
系統在信號播放時接收視頻數據，如果進入解碼器的首幀不是關鍵幀，會導致解碼器無法讀取，所以將視頻數據寫入緩存前先要進行一個首幀是否關鍵幀的判斷。當緩存區內數據寫入達到一定數量時，才開始讀取，再獲取各自的時間戳信息，在音視頻信號播放前進行同步調整，以達到同步播放的目的，設計如圖5所示

4．3 播放軟件應用程序設計
該系統采用嵌入式設計，Linux內核為圖形處理界面提供最基本的底層驅動接口。應用程序不需要了解底層硬件的具體情況，只需通過節點對設備進行操作，就可完成圖像的顯示。系統中采用SDL開源共享庫，底層使用API，在平臺間統一了接口。使用雙線程設計，即用戶界面線程與工作者線程。用戶界面線程包括音視頻數據同步播放及接收響應用戶的操作，然后再將工作者線程解碼出的音視頻數據傳遞給使
用者，如圖6所示。

程序設計中，視頻壓縮編碼是十分關鍵的步驟。該系統用的是H．264壓縮算法，它是由網絡提取層NAL和視頻編碼層VLC兩部分組成。 H．264標準對圖像質量和編碼效率進行了多項優化，且抗誤碼和抗丟包性能良好，能適應各種網絡環境，用在對壓縮率要求高，網絡環境復雜的移動視頻監控最為合適。
客戶端接收的經過H．264壓縮編碼后的數據，還需要經過H．264解碼才能夠顯示還原視頻圖像，因此，在客戶端還要設計H．264解碼器。該系統在Android應用程序中使用移植了開源的音視頻解碼庫FFmpeg來進行H．264解碼。
5 測試結果
院方在校園內及周邊多點對無線視頻監控系統進行了測試，將客戶端安裝在手機上，接入3G信號網絡與服務器建立連接，向服務器端發送數據。視頻畫面質量主要是受幀率(每秒鐘顯示圖片數)和碼率(數據傳輸時單位時間傳輸的數據量)的影響，幀率越大畫面越流暢，碼率越大畫面越清楚。在測試實際幀率為16fps，碼率在550kbps時的視頻非常流暢，而且在音視頻同步方面表現也非常好，畫面如圖7所示。


6 結束語
江陰職業技術學院采用基于3G標準的無線視頻監控，再結合全數字網絡視頻監控系統，實現了資源的統一管理和調度，有效整合利用。該系統主要涉及視頻編解碼、流媒體協議、無線網絡通信等技術，隨著網絡速度的不斷提高和壓縮技術的新發展，可以進一步降低無線信號的延遲，實現更快捷的實時傳輸，不斷完善校園安防系統的智能化操作和現代化管理。