基于3G无线网络的视频监控系统探析

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摘 要 ：本文结合笔者多年实际工程经验,设计了一种基于嵌入式系统和3G无线网络的视频监控系统.选用S3C6410处理器作为本系统的核心控制器,视频采集工具为Opencv,软件编码和解码工具为基于H264算法的X264开源软件,监控视频依靠3G无线网络进行远程传输.实验结果证明本系统的监控画面流畅,视频压缩率高,在很大程度上能够满足无线视频监控的需要.

关 键 词 ：3G无线网络；视频监控；Opencv

中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02

传统的视频监控系统必须依赖于有线环境,因此在一些需要临时布控有线网络或者干脆无法布控有线网络的应用场合如矿井油田,电力线路和交通工具等,传统有线视频监控系统是无法适用的.目前为了解决这一问题,监控领域研究的热点和重点已经转移到对无线视频监控系统的研究上来.虽然基于无线局域网的视频监控方案能够很好地解决有线视频监控携带不便的缺点,但依然摆脱不了在进行远程监控时有线网络覆盖和传输距离的限制.在对视频进行压缩方面,广泛使用的MPEG-4算法的压缩率仍然不能适应无线视频监控的要求.在这种情况下,笔者结合多年实际工程经验,提出一种基于3G无线网络是视频监控系统.使用Opencv采集视频数据,大大提高了系统稳定性和执行效率.通过采用具备更高压缩率的H.264算法对视频进行压缩,大大降低了视频帧的数据量,有效地解决了3G带宽资源有限的问题,具备显著的实际应用价值.在可覆盖性方面,采用3G无线网络比无线局域网效果更好.

一、监控系统的硬件设计

监控系统的硬件部分组成模块包括主控制板模块,视频采集模块和视频传输模块.USB摄像头构成系统的视频采集模块,根据控制指令对视频进行采集编码,然后将经过编码后的图像传输给主控制模块.系统主控制模块将从摄像头采集到的视频信息进行压缩编码处理,然后将视频流封装成RTP帧.系统3G传输模块负责传输封装好的视频数据.系统硬件架构如图1所示

为了提高系统的性价比和便携性,有别于一般视频监控系统采用的DPS&ARM架构,本系统采用高性能的ARM架构作为主控制模块.采用S3C6410作为主控制板模块的核心处理器.该处理器是三星公司在第二代ARM内核基础上开发的一个高性能处理器,广泛应用于多媒体信息处理,其运行频率高达667MHz.正是因为S3C6410具有如此优越的性能,使用该处理器可以高效地实现基于H.264算法的视频编解码,避免额外搭建用于视频编解码的硬件电路,因此大大降低了开发成本,提高了系统可靠性.

二、监控系统的软件设计

(一)搭建操作系统平台

基本的嵌入式运行环境是由设备驱动程序,Linux内核以及U-boot引导程序构成的,视频的采集,编码还有传输由系统的应用层负责.系统总体软件结构如图2所示.

图2 软件层次结构

内核和根文件系统是嵌入式操作系统平台的主要组成部分.本系统采用Linux2.6.32作为内核,作为一种应用广泛的开源操作系统,Linux具备裁剪方便和可移植性强等优点.只需适当裁剪和配置源代码,然后创建镜像文件将其下载到硬件平台就可以了.本系统的根文件系统是cramfs,作为一种简单的,可压缩的只读文件系统,它能大大节省内存空间,还能通过挂载yaffs文件系统实现写操作.

(二)采集视频数据

V4L是大多数传统嵌入式视频采集的主要方式,V4L方式的可靠性和采集效率都不高,因此本系统采用Opencv方式采集视频数据.Opencv(Open Source Computer Vision Library)是一种跨平台的计算机视觉库,广泛应用于数字图像处理,经BSD许可证授权发行,由英特尔微处理器研究实验室开发.可移植性强,稳定性高,开源高效是该视觉库的显著特点.因此采用Opencv进行视频数据采集就能够大大提高系统可靠性,节约开发成本和缩短开发周期.本系统使用Opencv采集到的视频图像都是RGB格式的,需要将其进行YUV格式的转换,然后进行压缩编码.

(三)压缩视频数据

H.264视频压缩标准是由MPEG（国际化标准组织运动图像专家组）和VCEG（国际电信联合会ITU视频编码专家组）共同组合的JVT（联合视频组）联合制定的.和其他视频压缩标准相比,H.264具备更优秀的图像质量和更高的压缩效率,因此其应用前景异常广阔,具备巨大的研究价值,是目前最流行的视频处理协议.

目前主要存在几种基于H.264的开源解码软件,分别是中国的T264,法国的编解码器x264和德国的测试软件JM.通过对这三种编码软件进行比较,发现x264具备更高的实用性,能够显著降低编码的重负计算复杂度而不致使编码性能显著降低,去除了H.264标准中的那些计算复杂度高但编码性能低的新特性.考虑到本系统的操作系统平台是嵌入式平台,因此选择高效轻巧的x264方案.

(四)视频传输

传输压缩后的视频数据是通过3G网络连接因特网实现的.实时传输网络视频数据对于时延和传输丢包的要求比较高,因此需要通过配合使用实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP）,以期同时提供Qos和实时传输数据服务.RTP作为一种实时传输协议,位于UDP和TCP协议之上,具备提供端到端传输服务的能力,在通过点播和组播实现实时数据的传输方面具有无可比拟的优越性.视频传输模块的主要功能是封装经过H.264算法压缩的视频流为RPT数据包,并通过周期性地接受和发送RTCP包进行反馈控制.封装单独的NAL单元是本系统采用的封装方案.首先,将视频流封装成RTP数据包,接着继续封装成UDP数据包,最后一步再封装成IP数据包,以期实现在网络中的传输.然后通过3G网将IP数据包传送到接收端.IP数据包到达接收端之后,接收端提取IP数据包中的视频流数据和RTP报头,以RTP报头含有的序列号为依据,在接收端缓存中存入视频流数据,以供解码器进行解码输出.具体的传输步骤如图3所示.
本系统RTP/RTCP视频传输的实现依赖于JRTPLIB库,这是一个开源的面向对象的RTP/RTCP协议栈.视频数据的高速传输可以通过该库提供的相应借口实现,能够大大缩短开发周期.下载JRTPLIB3.4.0代码,然后将其移植到Linux上,即可编码实现PC机和ARM之间的视频数据传输.主要实现步骤为初始化,发送数据,接受数据.

三、性能分析

本文进行的实验是在三星公司的S3C6410开发板上进行的,将应用程序烧写进开发板并运行,开发监控终端测试是在远程PC机上的Visual C平台上完成的,程序运行结果良好.

在实际应用中,通过测试不同格式图像的实际传输帧速,结果如表1所示.由表1可以看出,即使使用经典的CIF分辨率,在3G网络环境一般的条件下其传输帧速也能达到19FPS上下,实验结果满足视频监控的实际应用需求.

四、 结论

本文设计了一个基于3G无线网络的嵌入式视频监控系统,采用H.264编码标准.该系统使用高性能的ARM2代处理器为自己的核心,以对采集到的视频数据进行控制,实现H.264编码,最后在3G网络中采用RTP协议实现H.264视频流的稳定和实时传输.经过实验测试,该方案的可行性比较高,处理后的视频质量较好.该系统能适应森林防火监控,移动平台和电力线路等多个应用领域,市场前景广阔,具备较大应用价值.