無(wú)線(xiàn)視頻監控技術(shù)與系統綜述
北京郵電大學(xué)信息處理與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室 靳銳敏 別紅霞 2009/04/02
摘 要：主要介紹無(wú)線(xiàn)視頻監控系統的發(fā)展趨勢和涉及的關(guān)鍵技術(shù)，討論基于不同網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統的應用及無(wú)線(xiàn)視頻監控的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)視頻監控 抗干擾視頻編解碼 無(wú)線(xiàn)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò )
一、 無(wú)線(xiàn)視頻監控成為監控系統新的發(fā)展方向
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的日益發(fā)展，傳輸帶寬不斷提高，通信終端的實(shí)時(shí)信息處理能力飛速增強，無(wú)線(xiàn)多媒體應用日漸成為業(yè)內關(guān)注的焦點(diǎn)，也成為人們的必然需求。其主流應用之一是便利、靈活的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監控系統，如無(wú)線(xiàn)家庭防盜、汽車(chē)監控等。基于多種無(wú)線(xiàn)傳輸手段的移動(dòng)視頻監控以其特有的靈活性已成為視頻監控新的發(fā)展方向。
無(wú)線(xiàn)化視頻監控包括兩方面內容：一是監控中心的移動(dòng)。通常情況下，被監控對象或是攝像機往往是固定的，而作為監控系統的使用者（監控中心）則可以是動(dòng)態(tài)的。二是視頻監控網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)化。當監控點(diǎn)分散且與監控中心距離較遠，或被監控對象不固定時(shí)，利用傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的視頻監控技術(shù)，往往成本高且難以實(shí)現。
無(wú)線(xiàn)監控和傳統的監控方案相比，能夠避免大量的布線(xiàn)工作，節省施工費用，重定位能力強，靈活性高，具體地說(shuō)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）綜合成本低，無(wú)須挖溝埋管，特別適合室外距離較遠及已裝修好的場(chǎng)合；采用無(wú)線(xiàn)監控可以擺脫線(xiàn)纜的束縛，有安裝周期短、維護方便的優(yōu)點(diǎn)。（2）組網(wǎng)靈活，可擴展性好，使用時(shí)能靈活挪動(dòng)終端設備。（3）改造方便，維護費用低。
二、 無(wú)線(xiàn)視頻監控系統涉及的關(guān)鍵技術(shù)
1．高效率、抗干擾的視頻編解碼機制
當今的視頻壓縮標準有MPEG和H.26X兩大系列。MPEG-4目前已應用于Internet流媒體領(lǐng)域，為了盡量減輕MPEG-4視頻流對誤碼的敏感性，以保證壓縮視頻解壓后的恢復質(zhì)量，MPEG-4 提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )傳輸層及底層移動(dòng)通信系統也可以進(jìn)一步改善流媒體傳輸的抗誤碼性能。MPEG-7是針對存儲形式或流形式的應用而制定的，不僅僅用于多媒體信息的檢索，更能廣泛地用于其他與多媒體信息內容管理相關(guān)的領(lǐng)域，并且可以在實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)環(huán)境中操作。
ITU-T頒布的H. 261標準，用于可視電話(huà)和會(huì )議電視。H.263標準是ITU組織為了滿(mǎn)足碼率低于64kb/s的應用而提出的一個(gè)低碼率視頻壓縮編碼建議；它能夠在較低碼率的情況下達到較好的圖像質(zhì)量，因此廣泛應用于遠程監控、電視會(huì )議以及可視電話(huà)等領(lǐng)域，尤其在視頻監控領(lǐng)域，它已經(jīng)可以在嵌入式系統中達到實(shí)時(shí)、穩定的壓縮效果，是應用較多的視頻壓縮算法。目前大多數視頻監控產(chǎn)品都支持MPEG-4和H.263標準。
作為目前最新的視頻編碼技術(shù)H.264，在安防行業(yè)的應用有著(zhù)非常大的前景。H.264標準采用了高精度、多模式預測技術(shù)用來(lái)提高壓縮比以降低碼流。H.264標準針對網(wǎng)絡(luò )傳輸的需要設計了視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò )提取層NAL結構，網(wǎng)絡(luò )抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò )友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統中得到有效的應用。H.264標準針對網(wǎng)絡(luò )傳輸的需要設計了差錯消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，從而保證了視頻傳輸的有效性。支持H.264標準的無(wú)線(xiàn)視頻監控產(chǎn)品目前也已上市。
為了能在時(shí)變、帶寬有限、誤碼率較高、缺乏QoS保證的無(wú)線(xiàn)信道上傳輸視頻數據,視頻編碼算法必須滿(mǎn)足以下要求: （1）高效的視頻壓縮比；（2）較高的傳輸實(shí)時(shí)性：更短的傳輸時(shí)延，更快的編碼速度； （3）較強的視頻傳輸魯棒性：更好地適應傳輸信道的誤比特干擾。因此，研究在無(wú)線(xiàn)視頻監控應用中的編解碼機制，重點(diǎn)在于進(jìn)一步提高編解碼效率及抗干擾能力。
2．無(wú)線(xiàn)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò )鏈路及組網(wǎng)技術(shù)
對于無(wú)線(xiàn)視頻監控而言，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路的選取主要取決于用戶(hù)需求和系統工作的具體環(huán)境，目前已投入使用的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統主要有基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的和基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的兩種類(lèi)型。但在對音視頻質(zhì)量要求不高的應用中，也可以采用低端的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。
在中國目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的兩大運營(yíng)商中，中國聯(lián)通采用基于碼分多址的CDMA2000 1x制式，最高下載速度可達153kbit/s，現網(wǎng)實(shí)測可達100kbit/s左右。中國移動(dòng)采用GPRS技術(shù)，是基于GSM 網(wǎng)絡(luò )發(fā)展而來(lái)的新型分組交換數據應用業(yè)務(wù)，帶寬理論最高可達171.2kbit/s，中國移動(dòng)現網(wǎng)測試也可達到35kbit/s左右。在目前的網(wǎng)絡(luò )帶寬下，普通用戶(hù)可以采用彩e傳輸視頻文件，不少廠(chǎng)家也推出了基于2.5G移動(dòng)公網(wǎng)的視頻監控系統，作為對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控系統的有力補充。
基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（WLAN）的多媒體信息傳輸，是解決建筑物內靈活視頻監控的主要手段，基于802.11協(xié)議族。IEEE802.11a規定的頻點(diǎn)為5GHz，適合于室內及移動(dòng)環(huán)境，傳輸速度為1到2Mbps。IEEE802.11b（Wi-Fi）工作于2.4GHz頻點(diǎn)，當信噪比低于某個(gè)門(mén)限值時(shí)，其傳輸速率可從11Mb/s自動(dòng)降至5.5Mb/s，或者再降至直接序列擴頻技術(shù)的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代無(wú)線(xiàn)LAN標準，被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)LAN標準方式IEEE802.11的擴展標準，是在現有的802.11b及802.11a的MAC層追加了QOS功能及安全功能的標準，為其上可靠的視頻信息傳輸奠定了基礎。
隨著(zhù)WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)的日趨成熟，基于WiMax和3G的無(wú)線(xiàn)視頻監控也成為研究熱點(diǎn)。WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年來(lái)出現的一種無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)。WiMAX 采用多載波調制技術(shù)，能夠提供高速的數據業(yè)務(wù)，并且具有頻譜資源利用率高，覆蓋范圍大（傳輸距離可達數十公里）等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)（WMAN）采用了WiMax技術(shù)，組網(wǎng)采用的802.16協(xié)議族。與現有的移動(dòng)通信技術(shù)相比，WiMAX技術(shù)可以提供更高的數據速率，更強的數據業(yè)務(wù)能力。
多媒體業(yè)務(wù)是3G數據業(yè)務(wù)的重點(diǎn)，其傳輸速率要求為：高速移動(dòng)時(shí)能夠達到144kbps，慢速移動(dòng)時(shí)為384kbps，靜止狀態(tài)為2Mbps。3G的帶寬非常適合無(wú)線(xiàn)視頻監控的應用。相信隨著(zhù)3G的商用，無(wú)線(xiàn)視頻監控必將蓬勃發(fā)展。
CDMA或OFDM作為點(diǎn)到多點(diǎn)或點(diǎn)到點(diǎn)圖像、視頻信息傳輸的關(guān)鍵技術(shù)手段，其頻譜利用率高、支持高速率的多媒體服務(wù)、系統容量、抗多徑信道干擾能力強。CDMA技術(shù)是基于擴頻通信理論的調制和多址連接技術(shù)，OFDM技術(shù)屬于多載波調制技術(shù)。預計第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。
在無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監控系統中，控制協(xié)議決定了整個(gè)系統的效率、兼容性、安全性等諸多重要問(wèn)題，是系統運轉的指揮中心。控制協(xié)議尤其是無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控系統的控制協(xié)議，不但要求能夠快速穩定的建立連接，而且要求對該連接具有一定的控制能力。會(huì )話(huà)啟動(dòng)協(xié)議SIP（session initiation protocol）是IETF的MMUSIC（multiparty multimedia session control）工作組制定的多媒體通信框架應用層信令協(xié)議，設計理念和協(xié)議結構完全符合NGN的特性和要求，得到了越來(lái)越多業(yè)內人士的認可，國內外許多知名企業(yè)都開(kāi)始從事SIP的研究與開(kāi)發(fā)工作。Nokia和Ericsson已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于SIP的端到端的網(wǎng)絡(luò )多媒體系統，3GPP和3GPP2分別在R5和Phase2階段引入了基于SIP的IMS（IP多媒體子系統）。基于SIP的多媒體通信已經(jīng)成為新的主流發(fā)展方向。
3． 數據管理與數據安全
視頻監控系統中保護數據不因偶然和惡意的原因而遭到破壞、更改和顯露是非常必要的。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或Internet傳輸的數據很有可能會(huì )遭到截取。這會(huì )給敏感數據帶來(lái)巨大風(fēng)險。對于一些網(wǎng)上黑客或惡意員工而言，為數據處理系統建立和采取技術(shù)和管理上的安全保護是不夠的。對此，就很有必要對數據采取加密技術(shù)。
隨著(zhù)監控點(diǎn)的增多、應用行業(yè)的日益普遍化、監控時(shí)間周期的延長(cháng)和視頻清晰度的提升，視頻數據容量也在飛速發(fā)展。即使按照一定的標準以壓縮形式存儲這些數據，仍然有成百TB直至上千TB的數據需要歸檔、存儲，并且需要高速傳輸。針對這些情況，優(yōu)化視頻存儲、歸檔解決方案及設備選擇已經(jīng)是很多用戶(hù)的一個(gè)現實(shí)考慮。
一般來(lái)說(shuō)，從應用需求來(lái)看，設計的系統必須具有以下的要求：保障具備長(cháng)時(shí)間無(wú)故障運行的能力；能夠遠程實(shí)時(shí)傳遞高清晰圖像，并實(shí)現回放；具備靈活存儲圖像資料的能力，存儲保留時(shí)間達到一定要求；圖像傳輸必須具備防竊取功能，圖像資料具備防篡改功能；設備操作必須具有安全的管理和控制手段。
三、 基于不同網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統
1． 基于公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統
中國移動(dòng)和中國聯(lián)通各自都已擁有遍布全國的2.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )。可在掌上電腦、PDA手機上進(jìn)行遠程視頻采集與傳輸，只要有網(wǎng)絡(luò )信號的地方就可以實(shí)現視頻的無(wú)線(xiàn)傳輸，真正實(shí)現移動(dòng)監控。
很多公司都推出了自己的基于移動(dòng)公網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)視頻監控產(chǎn)品。如2005年6月 ，北京九為安泰科技有限公司推出的新一代CDMA移動(dòng)視頻監控系統；06年12月，北京世紀樂(lè )圖數字技術(shù)公司研究開(kāi)發(fā)了“LOTOO i-Patrol” ，整合了CDMA、GPS、非硬盤(pán)的本地存儲介質(zhì)（Flash），能很好地應用在多種場(chǎng)合。
當前的2.5G技術(shù)都關(guān)注了同TCP/IP 協(xié)議的融合，使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )易于和現有因特網(wǎng)技術(shù)及應用平臺整合。IP 技術(shù)與與移動(dòng)通信技術(shù)的完美結合將能夠為用戶(hù)提供各種高速高質(zhì)的移動(dòng)數據通信業(yè)務(wù)。
2．基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)視頻監控應用
基于WLAN的無(wú)線(xiàn)視頻監控的方案，一般是在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)覆蓋區域架設支持WLAN接入的無(wú)線(xiàn)視頻前端設備（如支持WLAN的IP攝像機或IP視頻服務(wù)器加模擬攝像機），然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)將采集的IP視頻信號回傳到網(wǎng)絡(luò )中心的監控處理平臺。通常在網(wǎng)絡(luò )中心配置支持多通道的網(wǎng)絡(luò )視頻錄像機和大容量的存儲系統，用于監控視頻錄像和存儲，同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )監控終端提供實(shí)時(shí)的監控圖像，還可通過(guò)安全的網(wǎng)絡(luò )連接（如VPN），從遠端視頻監控終端上實(shí)現遠程監控和管理。
WLAN技術(shù)已經(jīng)相當成熟，各種無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品也很豐富，所以基于WLAN的無(wú)線(xiàn)視頻監控在實(shí)際工作中的很多場(chǎng)合得到了應用。
3．基于無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)視頻監控應用
無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的WiMAX技術(shù)覆蓋范圍達幾十千米，多被使用在戶(hù)外，例如高速公路沿線(xiàn)、學(xué)校校區、碼頭等地，可以為用戶(hù)提供便利、優(yōu)良的移動(dòng)多媒體寬帶服務(wù)和高速的無(wú)線(xiàn)數據傳輸。通過(guò)WiMAX技術(shù)承載流媒體業(yè)務(wù)是一種更為經(jīng)濟靈活的手段。許多運行商認為在WiMAX網(wǎng)絡(luò )上開(kāi)展移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)，將是WiMAX技術(shù)應用的潛在市場(chǎng)。
2006年10月16日，互聯(lián)網(wǎng)周刊報道：上海市的嘉定區目前正在實(shí)施一項規模宏大的信息化工程：建設中國內地第一個(gè)“無(wú)線(xiàn)城市”項目。 隨著(zhù)建立無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的城市日益增多，基于無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統必將成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。將WiMAX導入安全監控領(lǐng)域，將是廠(chǎng)商拓展市場(chǎng)最有效的方法之一。隨著(zhù)WiMAX技術(shù)的成熟和產(chǎn)品的上市，具有WiMAX傳輸技術(shù)的無(wú)線(xiàn)安全監控系統，距離普及之日已不遙遠。
4．基于3G的無(wú)線(xiàn)視頻監控應用
為了保證視頻文件的傳輸就必須有足夠的網(wǎng)絡(luò )帶寬，不同的流媒體文件對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求各不相同，為了達到更好的視頻質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò )帶寬就更為重要。當前市場(chǎng)上常見(jiàn)的利用公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監控傳輸的產(chǎn)品基本上只能傳輸窄帶視頻。伴隨著(zhù)3G在全球商用步伐的加快，3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也在加速創(chuàng )新，3G無(wú)線(xiàn)接入設備在功能和性能方面也取得了較大提升。
日本作為全球最早提供3G業(yè)務(wù)的國家，其3G手機的服務(wù)覆蓋區域已接近2G。在中國臺灣，3G的傳輸優(yōu)勢讓新一代智能手機有了更多用武之地，使用者可以直接透過(guò)3G手機對家庭情況進(jìn)行監控。
在我國，隨著(zhù)3G移動(dòng)通信系統走向實(shí)用，高至2MHz的帶寬將為無(wú)線(xiàn)視頻監控提供更加強有力的支持，此時(shí)視頻的質(zhì)量將會(huì )有極大的改善。此外，未來(lái)的3G系統也將考慮公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )與WLAN系統的融合，用戶(hù)將有可能真正實(shí)現“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何終端”的無(wú)縫式無(wú)線(xiàn)視頻監控。
5． 基于無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)絡(luò )的低成本無(wú)線(xiàn)監控應用
基于Zigbee的語(yǔ)音通信和基于無(wú)線(xiàn)數傳電臺的低端應用主要是用來(lái)傳輸低速數據和語(yǔ)音，但是在視頻實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，也可以用來(lái)傳輸低質(zhì)量的視頻。
四、 無(wú)線(xiàn)視頻監控系統的應用及展望
隨著(zhù)各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)視頻監控的應用也會(huì )隨之發(fā)生變化。各種無(wú)線(xiàn)視頻監控方案必將互相補充、互相滲透。
在無(wú)線(xiàn)視頻監控應用過(guò)程中，如果覆蓋范圍達到數十公里時(shí)，基于無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的視頻監控會(huì )是個(gè)一個(gè)很好的解決方案,與WiFi之間存在著(zhù)互補和競爭的關(guān)系。隨著(zhù)市場(chǎng)需求和各領(lǐng)域的融合之勢的愈加明顯，移動(dòng)視頻已經(jīng)逐步走向市場(chǎng)。這大大激發(fā)了普通家庭和大眾對視頻監控的需求，正在蓬勃發(fā)展的3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )可以很好的應用到未來(lái)的數字家庭網(wǎng)絡(luò )中。
中國多媒體通信
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