校园无线视频监控系统的设计与应用

摘要：为解决校园内及用边视频监控点布置分散等原因造成的无法实现远程视频监控问题，针对3G无线网络的特点，描述了基于3G标准的无线视频监控系统关键技术的研究与实现方法。在数据传输中利用RTP协议中时间戳，解决音视频同步的问题，对监控系统的客户端与服务器端进行了设计。实际应用表明，该系统设计合理，可靠性好，能对校园内外目标实现有效监控。
关键词：校园安全；无线视频监控；3G网络；H．264编解码；流媒体

    近年来，学校安全事故频发，识别、阻止外来人员的闯入和校内人员的非法外出成为学校安全防范的重点。根据需要，我院进行了新一期数字化视频监控系统的建设。考虑到校园整体安防系统的设计，监控系统的可扩展性，与其他子系统的联动，校方选择采用了全数字模式的建设方案。这种采用嵌入式专用服务器的系统具备网络通信、视频处理、自动控制等多项功能，采用浏览／月艮务器结构，使用十分的便捷。
    在该系统中，虽然有一百多个前端的固定监控点，但对于面积较大的校园来讲还是无法完全满足用户的需求。例如，在某些区域由于视线遮挡或距离过远等原因不能进行详细纪录，此外，校园内及周边还有很多的地方是视频监控死角，或者不方便使用固定的视频监控。因此，院方决定在系统中加入无线视频监控，以完善视频监控系统的功能性。

1 系统结构分析与设计
    传统的无线接入网络主要依托GSM、CDMA以及Wi-Fi等传输技术，但难以满足大数据量实时远程视频监控的要求，而现行的无线3 G网络能够解决以上问题。与传统网络相比，3 G的反向链路峰值速率明显高很多，响应时间短，在高速运动状态下的传输速度也快，并能够支持音视频等多媒体数据。而且，3 G网络即使在雨、雾等环境下也不会造成信号的衰减，非常适合在大学校园面积较大的这种条件下进行高质量的实时监控，系统结构如图1所示。

    该方案中3 G无线视频监控系统采用C／S架构，由3部分组成，包括前端信号采集单元、无线网络传输单元和远程监控单元。前端单元负责对图像进行采集，并将拍摄到的模拟视频信号转换为数字信号，通过编码器进行数据压缩处理，最后利用3G网络将压缩后的数据传送至监控中心，通过用户端完成实时显示。

2 无线监控系统前端设计与应用
2．1 设备的选择与功能实现
    前端设备有很多选择，如无线摄像机、手机、PDA等。现在很多手机已具有高清晰的摄像功能，而且手机既可作为前端摄像机使用，也可作为客户端进行视频浏览。因此，在该系统中，利用3 G智能手机作为系统的前端，可以实现视频监控系统的以下功能：
    1)利用手机内置高清摄像头获取现场视频数据并进行压缩，通过3 G通信网络把视频数据实时发送到远程控制中心，整个过程确保视频画面流畅、清晰，实时性高。
    2)系统通过3 G网络可以实现音视频同步传输，双向对讲功能。监控中心不仅可以实时观察前端现场视频画面，同时还可收听前端现场声音以及与前端直接进行通话。
    3)利用手机进行拍照，可立即将图片发送到监控指挥中心，并且支持图片大小设置、对焦调节等功能，为获取现场高清图片提供了技术支持。
    4)利用手机GPS定位功能，可以随时对手机位置进行追踪，形成手机运行轨迹线路，再与系统中电子地图相配合可以全方位了解前端情况，为中心指挥带来方便。
2．2 手机在视频监控系统中的特点
    数字视频监控系统由摄像机、视频接入转发服务器、调度服务器和客户端构成。其中，转发服务器主要是实现摄像机视频流的接入和摄像机状态的获取，调度服务器主要进行摄像机状态的统一管理。固定安装的摄像机由于其IP地址是稳态的，转发服务可直接将摄像机接入系统，客户端也可直接向转发服务器获取视频流并进行播放。步骤如图2所示。

    1)接入转发服务器向系统中某路摄像机申请视频流；
    2)符合申请IP地址的摄像机向接入转发服务器发送视频流；
    3)接入转发服务器向调度服务器发送被选中的摄像机状态；
    4)调度服务器向客户端发送该路摄像机状态。
    但手机作为摄像机使用具有不连续性及IP地址不固定的特点，视频接入转发服务器就不知道当前有哪些手机需要接入视频监控系统，因此手机需主动连接服务器以实现摄像机的接入，具体步骤如图3所示。

    1)手机先向调度服务器申请接入系统；
    2)调度服务器再向接入转发服务器发送手机的IP地址；
    3)接入转发服务器向手机申请视频流；
    4)手机向接入转发服务器发送视频流；
    5)接入转发服务器向调度服务器发送手机状态；
    6)调度服务器向客户端发送手机状态。  
2．3 手机操作系统与硬件要求
    手机作为视频监控系统前端主要工作包括视频拍摄、视频编码及发送码流，作为客户端使用时主要完成码流接收与视频解码。这些都和手机的操作系统、硬件设备等有着密切关系。
    目前大部分手机使用的操作系统为Android、iOS及WindowsPho-ne。手机摄像机主要实现视频编解码与码流传输，在开发时一般采用开源库，如用于视频编解码的ffmpeg和视频码流传输的irtblib，这些开源库基本都支持Windows和Linux操作系统。Android是基于Linux平台的开源操作系统，所有支持Linux的开源库都可以移植到Android中使用。因此，从使用开源库的角度考虑，此方案中选择应用广泛的Android手机操作系统作为设计对象。
    手机既作为摄像机又作为客户端使用时，至少要处理各一路视频编解码。以清晰度为D1、帧率为20，编码方式为H．264的摄像机为例，来分析下手机对CPU及内存等硬件的要求。
    以视频播放器VLC为例，在CPU频率为3．2 GHz的PC机上播放一路D1格式视频时，需占用1％～4％的CPU和60MB的内存资源，解码是编码的逆过程，占用的资源相差不大。因此，CPU频率为1 GHz的手机处理一路视频编码和解码显示需要占用5％～30％的CPU和120 MB左右的内存。由于手机在使用时还有其它功能业务，因此手机在视频监控系统中应用时，其硬件最低配置为频率1 GHz的CPU和300 MB的内存。而当前主流手机都达到或超过该设计要求，完全能够作为系统前端使用。

3 网络传输的实现
    手机通过3 G网络接入视频监控系统，其无线传输模块集成了3 G的网络连接端口协议，并以嵌入式方式实现TCP／UDP／IP、POP3／SMTP等传输协议，同时支持3 G基站与动态IP的无线连接与数据交换。TCP／UDP／IP协议具有拥塞控制和启动慢的特性，会影响到数据传输的速率，TCP协议通过3 G网络进行数据传输时，也会产生较多的网络流量，并占用带宽。另外，系统中前端手机使用的数量、视频的分辨率和帧率也会影响所需要的无线网络带宽。
    为充分利用3 G网络最大允许带宽，该设计中引用混合编码框架下基于FPGA平台的H．264压缩编码标准对视频信号流量与网络带宽进行优化协调。该编码方式面向3 G网络，不仅可用量化步长的变化来适应信道码率，而且可利用数据分割的方式来处理信道码率的变化，在相同输出码率情况下，与其他标准相比，其信噪比要高出许多。在较宽的位速率和像素范围内使编码效率提高了约45％，压缩比可超过250：1，从而提高了系统传输的稳定性。
    在实际应用中，根据视频流量计算公式
    N=分辨率*帧速(fps)*色深(bit)      (1)
    式中：N为每秒单位数据采集量，bps。D1视频格式可以满足校园视频监控的需要。视频流经H．264编码压缩后，仅有1．236 Mbps，音频采用G．711压缩标准，每秒传输数据在8 kb～16 kb(与视频相比可忽略不计)。音视频流量完全小于3G制式网络中上行速率下限1．8 Mbps的要求，系统传输质量达到最佳优化比，因此使用3G网络传输视频监控数据是完全可行的。本设计中根据网络质量和实际需要，采用支持1：90—1：250多档压缩转换。以10路手机摄像机、压缩比150：1、2TB存储硬盘为例，校园视频监控无线传输的流量计算结果如表1所示。

4 监控软件的设计
4．1 流媒体系统结构
    系统中，流媒体的传输与播放是关键技术。流媒体技术是把连续得到的媒体信息经过压缩后传至网络服务器，客户可实现边下载边观看，而无需将整部文件全部下载完，所以流媒体技术非常适合现场事件的播报，可以进行随机访问和快进或倒退观看。流媒体实时传输主要采用RTP／RICP及RTSP等网络协议，分实时流式传输和顺寻流式传输两种方式。实时流式传输可以保证媒体信号与网络连接相匹配，媒体信息可被实时观看，并且允许对媒体进行多项的控制，使用比HTTP服务器方便。顺寻流式传输用的是顺序下载，客户只能观看已下载的部分，可使用HTTP服务器，比实时流式传输要简单。 
   该设计采用了处理器与嵌入式操作系统并加上所需应用程序软件的实时传输方式。嵌入式操作系统采用Linux，流媒体系统由服务器和客户端组成，其中服务器是最关键设备。为此，该系统配置了专门的流媒体服务器与手机视频服务器，均采用了Dell PowerEdge R810。服务器由四个模块组成，分别负责数据采集、数据压缩、数据打包和RTP包发送。数据采集模块是将音视频模拟信号转换成数字信号。从采集模块得到的数据经压缩模块进行处理，可以减少网络传输数据量及提高传输效率。数据打包模块是向数据添加一些必要的包头信息(如数据类型、序列号、时间信息等)，在客户端通过包头信息来实现音视频信号同步。包发送模块的作用就是将已打好包的数据通过3 G网络发送至客户端。
    系统中客户端工作原理是服务器端的逆过程，在网络传输过程中由于网络延迟等因素会导致接收到的数据包顺序发生紊乱，必须通过数据缓存模块来恢复数据包的正常顺序，从缓存模块输出的数据传入到同步调整模块，然后将同步调整后的数据包传入到数据解压模块和播放模块进行实时播放。整个嵌入式流媒体系统结构如图4所示。

4．2 监控数据同步的原理
    对于系统来说，如果音视频数据不同步，就无法准确反映监控现场的真实情景。为解决该问题，在设计中，先在手机用户上利用RTP包中的时间戳来标记每帧音视频信号的时间信息，然后再将标记了时间戳的信号流通过3 G网络发送至客户端。在客户端使用缓存来消除数据流中的延时以及恢复数据包的正确顺序，最后再将数据流送到同步调整模块中进行同步播放。同步调整模块里，在客户端设计一个参考时钟，根据参考时钟和接收到的音视频信息时间戳之间的关系，来判断当前的信号是立刻播放还是延时播放，或者是丢弃。参考时钟主要以视频为主，对关键帧进行判断，算法如下：将接收到的音视频信息分别存放到各自的缓存中，当缓存到一定数量时，开始播放，同时进行同步调整。当视频时间戳小于音频时间戳一定值时，说明视频超前音频，需要等待；当视频时间戳大于音频时间戳一定值时，说明视频滞后于音频，则需要加快播放，设计中采取的是丢弃音频包，从而加快播放的速度。

 
    系统在信号播放时接收视频数据，如果进入解码器的首帧不是关键帧，会导致解码器无法读取，所以将视频数据写入缓存前先要进行一个首帧是否关键帧的判断。当缓存区内数据写入达到一定数量时，才开始读取，再获取各自的时间戳信息，在音视频信号播放前进行同步调整，以达到同步播放的目的，设计如图5所示

4．3 播放软件应用程序设计
    该系统采用嵌入式设计，Linux内核为图形处理界面提供最基本的底层驱动接口。应用程序不需要了解底层硬件的具体情况，只需通过节点对设备进行操作，就可完成图像的显示。系统中采用SDL开源共享库，底层使用API，在平台间统一了接口。使用双线程设计，即用户界面线程与工作者线程。用户界面线程包括音视频数据同步播放及接收响应用户的操作，然后再将工作者线程解码出的音视频数据传递给使
用者，如图6所示。

    程序设计中，视频压缩编码是十分关键的步骤。该系统用的是H．264压缩算法，它是由网络提取层NAL和视频编码层VLC两部分组成。  H．264标准对图像质量和编码效率进行了多项优化，且抗误码和抗丢包性能良好，能适应各种网络环境，用在对压缩率要求高，网络环境复杂的移动视频监控最为合适。
    客户端接收的经过H．264压缩编码后的数据，还需要经过H．264解码才能够显示还原视频图像，因此，在客户端还要设计H．264解码器。该系统在Android应用程序中使用移植了开源的音视频解码库FFmpeg来进行H．264解码。

5 测试结果
    院方在校园内及周边多点对无线视频监控系统进行了测试，将客户端安装在手机上，接入3G信号网络与服务器建立连接，向服务器端发送数据。视频画面质量主要是受帧率(每秒钟显示图片数)和码率(数据传输时单位时间传输的数据量)的影响，帧率越大画面越流畅，码率越大画面越清楚。在测试实际帧率为16fps，码率在550kbps时的视频非常流畅，而且在音视频同步方面表现也非常好，画面如图7所示。

6 结束语
    江阴职业技术学院采用基于3G标准的无线视频监控，再结合全数字网络视频监控系统，实现了资源的统一管理和调度，有效整合利用。该系统主要涉及视频编解码、流媒体协议、无线网络通信等技术，随着网络速度的不断提高和压缩技术的新发展，可以进一步降低无线信号的延迟，实现更快捷的实时传输，不断完善校园安防系统的智能化操作和现代化管理。