張紅軍 段賀兵 曹志慷 石明明 王豫鑫

摘 要：本文介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及移動視頻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計了一套移動視頻系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，通過實驗數(shù)據(jù)測試，該系統(tǒng)在保證視頻質(zhì)量不下降和帶寬不增加的前提下，算法復(fù)雜度和壓縮時間大大縮減。

關(guān)鍵詞： 移動視頻;系統(tǒng);算法實現(xiàn);安全性

文章編號： 2095-2163（2019）03-0237-04 中圖分類號： TP312 文獻標(biāo)志碼： A

0 引 言

移動視頻監(jiān)控是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、流媒體技術(shù)以及視頻監(jiān)控技術(shù)等多種技術(shù)融合發(fā)展的新產(chǎn)物，是視頻監(jiān)控技術(shù)在移動網(wǎng)絡(luò)和移動終端上的應(yīng)用，其目的是為移動終端提供實時的視頻監(jiān)控服務(wù)。因其具有覆蓋面廣、不受空間限制、安裝接入方便、迅捷高效、成本低廉、及時聯(lián)動、性能穩(wěn)定和業(yè)務(wù)多樣等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于賓館酒店、醫(yī)院、交通樞紐、鐵路管線、金融、地鐵、公交、環(huán)保、質(zhì)檢和大型超市等行業(yè)監(jiān)控場所。

相對傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，移動視頻監(jiān)控技術(shù)雖能解決被動監(jiān)控、監(jiān)控點固定、自主識別目標(biāo)能力差等問題，但也面臨著并發(fā)訪問量大、移動網(wǎng)絡(luò)的多樣性、移動網(wǎng)絡(luò)的不完善、移動終端的異構(gòu)性和移動終端性能不足等挑戰(zhàn)。

由于視頻文件包含的數(shù)據(jù)信息量相當(dāng)巨大，如何準(zhǔn)確、高效地對其進行處理和分析即已成為學(xué)界的一個焦點課題。本文主要從移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)整體方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)四個方面來研究，有針對性地運用技術(shù)手段來提升移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和高效性。對此可展開闡釋論述如下。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

一套完整的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由視頻采集系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控端處理系統(tǒng)三部分組成。其中，視頻采集系統(tǒng)的采集端采用多通道來實現(xiàn)對多個不同地點的實時監(jiān)控;信號傳輸系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)（WLAN）來進行信號傳輸，使用無線WiFi技術(shù)，其覆蓋范圍可達200 m左右，若需要做到遠距離的監(jiān)控，可以在設(shè)計時另行建立無線橋接器設(shè)備（AP），使該系統(tǒng)與有線網(wǎng)絡(luò)（Internet）相連來實現(xiàn)遠程監(jiān)控，如此既免去了傳統(tǒng)有線監(jiān)控布線的繁瑣，而且不需要支付額外的網(wǎng)絡(luò)費用;監(jiān)控端處理系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶等優(yōu)點，可以手持監(jiān)控終端對各路采集點進行實時監(jiān)控，通道切換及對視頻的及時處理非常方便，還可以在整個局域網(wǎng)的任何地方進行監(jiān)控。

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，主要由視頻采集設(shè)備、采集端嵌入式設(shè)備、無線收發(fā)設(shè)備、視頻顯示設(shè)備組成。其中，視頻采集設(shè)備和監(jiān)控終端設(shè)備都需要采用嵌入式設(shè)備，用來對數(shù)據(jù)信息進行分析和處理。采集端的嵌入式設(shè)備主要功能是用來控制視頻采集設(shè)備進行視頻采集、視頻數(shù)據(jù)處理、控制無線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備進行數(shù)據(jù)發(fā)送;監(jiān)控終端的嵌入式設(shè)備主要功能是用來控制無線接收設(shè)備進行數(shù)據(jù)接收、視頻數(shù)據(jù)處理、在視頻顯示設(shè)備上播放視頻，無線發(fā)送設(shè)備通過WLAN無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到無線接收設(shè)備。

1.2 移動視頻系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在開啟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要先選擇適合于本次研發(fā)系統(tǒng)的硬件，而后才是對具體元器件的設(shè)計與開發(fā)。硬件設(shè)備的選擇是否優(yōu)化、合理將直接影響著系統(tǒng)后期開發(fā)的成敗，故而在研究中擬對現(xiàn)有各類型號的儀器設(shè)備進行性能、開銷、價格成本等方面的綜合衡量與對比分析。由圖1的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)可以得知，移動視頻系統(tǒng)硬件環(huán)境中主要包括視頻采集設(shè)備、嵌入式設(shè)備、無線收發(fā)設(shè)備、視頻顯示設(shè)備。這里，對此內(nèi)容將做探討分述如下。

1.2.1 視頻采集設(shè)備的選擇

研究中，在選擇視頻采集設(shè)備時，應(yīng)以簡單方便、易于實現(xiàn)為原則。本文的移動視頻系統(tǒng)，采用安士佳（Ansjer）無線監(jiān)控200萬高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備套裝一體機，該套裝設(shè)備無需布線、WiFi連接、通電出圖、手機遠控，出品時已將攝像頭和錄像機配對成功，開箱通電即用，現(xiàn)場可出圖，降低布線和維修成本。其中，監(jiān)控器采用華為海思Hi3518EV200+SC2235芯片，內(nèi)置IR-CUT雙濾光片，自動日夜切換，白天圖像采彩逼真還原度高，夜視也清晰可見，另嵌有感電光電阻會感應(yīng)環(huán)境光線的變化自動開啟和關(guān)閉，具有圖像品質(zhì)高、傳輸速率快、色彩還原度高、低照度、夜視噪點小等優(yōu)點。該套設(shè)備是目前市場上比較常見，使用效果好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

1.2.2 嵌入式設(shè)備的選擇

在嵌入式的產(chǎn)品開發(fā)中，作為核心芯片，嵌入式設(shè)備（即嵌入多微處理器）的功能、性能、可靠性將從根本上決定整個系統(tǒng)的效率和性能等。因此，選擇一款適合的嵌入式設(shè)備，需要考慮硬件接口、芯片性能、軟件使用的操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、軟件支持、價格成本等綜合因素。目前市面上常見的ARM微處理器有多個系列產(chǎn)品，以ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11 以及SecurCore系列為技術(shù)成熟代表，而每個系列又包括很多種IP內(nèi)核的產(chǎn)品。時下，有很多廠家在生產(chǎn)ARM芯片，主流半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品也很齊全，如 Samsung、Intel、Amd等。本文研究選用的是ARM11 56T2F-S嵌入式平臺，是ARM系列處理器的最新代表，該微處理器可以在使用130 nm級別的工廠技術(shù)、小至2.2 mm2芯片面積和低至0.24 mW/MHz的前提下獲得高達500 MHz的性能，與此同時也擁有著成熟的開發(fā)技術(shù)和穩(wěn)定的框架體系，是嵌入式的移動視頻系統(tǒng)首選的開發(fā)平臺。

1.2.3 無線收發(fā)設(shè)備的選擇

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的速度、性能和信號覆蓋范圍提出更高要求。原有的基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)具備11 Mbps的信號傳輸速率已無法滿足，而需要應(yīng)用配備有54 Mbps速率的802.11a與802.11g標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇支持IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸設(shè)備，選用ZD1211b無線傳輸芯片?；谠撔酒到y(tǒng)可以運行Manage、Ad-Hoc、Master三種模式供用戶選擇，還可以通過USB口與嵌入式系統(tǒng)Host端進行連接。

1.2.4 視頻顯示設(shè)備的選擇

考慮到移動視頻監(jiān)控方便性和可移動性，需要選擇尺寸較小并且具有觸摸功能的LCD，本文設(shè)計的移動視頻監(jiān)控終端采用NEC3.5寸全新真彩LCD，大小240×320，256 K色TFT真彩液晶屏，帶觸摸屏，適合手持終端進行監(jiān)控。

1.3 移動視頻系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心就是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為計算機程序提供資源管理、程序控制和人機交互等公共服務(wù)。因此需要對核心操作系統(tǒng)進行選擇與設(shè)計，而后是在此操作系統(tǒng)上進行應(yīng)用軟件的開發(fā)。這里，對此可給出研發(fā)描述如下。

1.3.1 操作系統(tǒng)的選擇

本文研究中采用的操作系統(tǒng)是針對嵌入式系統(tǒng)使用的嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，能運行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時支持32位和64位硬件，還承繼了UNIX以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計思想，是一個性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。本文的移動視頻系統(tǒng)在設(shè)計上是基于ARM11平臺，因此上選用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核就是面向ARM架構(gòu)的，而在調(diào)研后可知，嵌入式Linux對嵌入式平臺還有著良好的兼容性和適應(yīng)性，因此，本系統(tǒng)使用嵌入式Linux作為主要操作系統(tǒng)。

1.3.2 應(yīng)用程序的選擇

本系統(tǒng)使用的應(yīng)用程序有2個，分別是：采集端軟件和監(jiān)控端軟件。其中，采集端應(yīng)用軟件主要采用V4L（Video4Linux）采集技術(shù)、FFmpeg（Fast Forward Mpeg）編碼算法、RTP（Real-time Transport Protocol）傳輸?shù)燃夹g(shù)，而在采集端對視頻實現(xiàn)采集后，可對采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼并無線發(fā)送;監(jiān)控端應(yīng)用軟件主要采用FFmpeg解碼算法、SDL（Simple DirectMedia Layer）等技術(shù)，可對接收到的視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)解碼播放。

2 移動視頻系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)于進程與線程的設(shè)計

2.1.1 采集端應(yīng)用程序關(guān)于進程與線程的設(shè)計

采集端的應(yīng)用軟件面對的任務(wù)是：首先用嵌入式系統(tǒng)控制USB視頻采集設(shè)備進行視頻采集，然后將采集的視頻信息進行壓縮編碼，最后將壓縮的編碼數(shù)據(jù)通過無線RTP 發(fā)送出去。從功能上來看，其數(shù)據(jù)流程是自頂而下依次進行的，也就是經(jīng)歷了一個完整的進程。

2.1.2監(jiān)控端視頻監(jiān)控應(yīng)用程序關(guān)于進程與線程的設(shè)計

監(jiān)控端的應(yīng)用軟件在視頻信息上面對的任務(wù)是：通過無線網(wǎng)卡接收采集端發(fā)送的壓縮視頻，并由ARM11 56T2F-S微處理器進行視頻的解碼，而后在3.5寸液晶LCD上顯示播放。將整個監(jiān)控端軟件的視頻處理進程設(shè)計成單線程，經(jīng)反復(fù)測試驗證后得知，可以流暢播放視頻。由測試結(jié)果可以看出對于JPEG、MPEG2、MPEG4的播放速度與采集端的視頻處理速度是一樣的，這也表明將監(jiān)控設(shè)計成單線程完全能夠滿足視頻播放的要求。

2.2 移動視頻編解碼方案的選擇與設(shè)計

2.2.1 視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

視頻壓縮編碼目前分為基于波形的編碼、基于內(nèi)容的編碼和三維視頻編碼。分析表述詳見如下。

（1）基于波形的編碼。采用了把預(yù)測編碼和變換編碼組合起來的基于塊的混合編碼方法，利用像素間（幀內(nèi)）的空間相關(guān)性和幀間的時間相關(guān)性，采用預(yù)測編碼和變換編碼技術(shù)可大大減少視頻信號的相關(guān)性，從而顯著降低視頻序列的碼率，達到壓縮編碼的設(shè)計目標(biāo)。

（2）基于內(nèi)容的編碼技術(shù)。先把視頻幀分成對應(yīng)于不同物體的區(qū)域，然后對其編碼;即對不同物體的形狀、運動和紋理進行編碼;在最簡單情況下，利用二維輪廓描述物體的形狀，利用運動矢量描述其運動狀態(tài)，而紋理則用顏色的波形進行描繪。

（3）三維視頻編碼。除平面信息外增加了深度信息，數(shù)據(jù)量非常龐大，是視頻編碼的發(fā)展方向之一，有2種類型。一種是基于波形的，可組合運動補償預(yù)測和位差補償預(yù)測。所謂的位差估計就是在2幅不同圖像中尋找對應(yīng)的點。另一種是基于物體的，可直接對成像物體的三維結(jié)構(gòu)和運動進行編碼。當(dāng)物體結(jié)構(gòu)簡單時，可獲得非常高的壓縮比。

不論哪種視頻壓縮編碼，都要滿足2個需求，也就是：壓縮在一定的帶寬內(nèi)，即視頻編碼器應(yīng)具有足夠的壓縮比;視頻信號壓縮之后，應(yīng)保持一定的視頻質(zhì)量。可用2個標(biāo)準(zhǔn)來衡量，分別是：主觀質(zhì)量，由人從視覺上進行評定;客觀質(zhì)量，通常用信噪比（S/N）進行表示。

2.2.2 移動視頻系統(tǒng)編解碼方案的選擇與設(shè)計

無線移動視頻系統(tǒng)研發(fā)上要綜合考證視頻的質(zhì)量、壓縮比以及壓縮算法的復(fù)雜度等多個方面表現(xiàn)，選擇合適的編解碼算法至關(guān)重要。通過數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Fmpeg 技術(shù)支持 MPEG2、MPEG4、Div X、AC3、FLV、H.26X 等30種編碼，同時支持AVI、MPEG、ASF 等上百種解碼。因此最終選用FFmpeg進行實驗測試。經(jīng)過對所測數(shù)據(jù)運行結(jié)果的分析對比可知，研究中進一步選擇MPEG4壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)移動視頻系統(tǒng)中的視頻處理算法。系統(tǒng)測試表明，使用所選擇的MPEG4壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，移動視頻系統(tǒng)監(jiān)控過程流暢，視頻圖像效果良好。

3 結(jié)束語

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)是第三代視頻監(jiān)控，得到日趨廣泛的研發(fā)與應(yīng)用，是監(jiān)控領(lǐng)域新的研究熱點。通過實驗測試與分析，在保證視頻質(zhì)量不下降和帶寬不增加的前提下，算法的復(fù)雜度減小，壓縮時間縮短，既能保證視頻質(zhì)量，又能獲得較好的實時性。

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