3G网络H_264视频监控系统的设计和实现

第 31 卷第 5 期 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol． 31，No． 5 2011 年 10 月 Journal of Hangzhou Dianzi University Oct． 2011 3G网络 H． 264 视频监控系统的和实现 蒋 维，孟利民 (浙江工业大学信息工程学院，浙江 杭州 310023) 收稿日期:2011 － 07 － 20 基金项目:浙江省科技厅重大资助项目(C11103 － 1) 作者简介:蒋维(1987 －) ，男，浙江桐庐人，在读研究生，通信工程． 摘要:随着生活水平的提高，人们对于各类公共场所的安全性需求也越来越高。为了给各种公共 场所提供安全环境并建立有效的监控机制，该文设计了一种基于 3G网络传输的 H． 264 网络视频 监控系统，从 CIF格式的数据中抽取出 QCIF格式的数据，使 H． 264 视频数据适用于 3G网络传输， 在保证视频质量的同时也兼顾了网络流量的问题。与传统的有线网络视频监控系统相比，采用 3G网络设计的视频监系统具有更灵活、方便的特点。经测试明，该最终可行，并且具有较 好的视频效果。 关键词:网络视频监控;第三代移动通信;视频格式 中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1001 － 9146(2011)05 － 0071 － 04 0 引 言 视频监控系统发展了短短 20 余年时间，发生了翻天覆地变化。从最早模拟监控到前些年火热数字 监控，再到现在方兴未艾的网络视频监控。视频监控系统发展划分为第一代模拟视频监控系统 (CCTV) ，到第二代基于“PC +多媒体卡”的数字视频监控系统(DVR) ，到第三代完全基于 IP 网络视频 监控系统(IPVS)［1］。传统的有线网络监控由于网线的限制，一旦设施铺设完成，就很难再进行改动， 而且不利于紧急情况下的快速铺设。3G网络的普及使得这种情况得到了解决。在监控设备上搭载 3G 上网设备，设备就能在任何具有 3G信号的场所摆放安装。但是，由于 3G 网络的带宽问题一直没有解 决，平均速率在 100kB /s 左右。TD-SCDMA 平均下载速度仅为 77kB /s，与标称值 358kB /s 相去甚 远［2］。传输一路 CIF格式的视频数据流平均每小时容量在 180 250MB之间，通常情况下取值 200MB， 也就是 56kB /s，再加上一些 RTP包头、TCP包头以及各类控制信息，其值已经达到了 3G网络的平均下 载速率，任何的网络带宽波动都会造成实时视频数据的马赛克现象，这是使用者所不愿意看到的。因 此，采用算法减小 CIF格式的数据也就成为了必然。 1 网络视频监控系统的总体框架 本移动视频监控系统主要由带 3G无线传输模块的网络摄像机、集群媒体处理服务器、基于 PC 的 客户端、3G智能手机组成。视频通过网络摄像机实时采集和压缩，然后将实时视频数据通过 3G 无线 传输模块传输至集群媒体处理服务器，然后再转发给基于 PC 的客户端或 3G 智能手机当中，经过对压 缩数据的解码还原成原始的数字多媒体数据，在客户端进行实时回放。同时客户端还可以存储视频数 据，以便以后检索和回放，达到视频监控的目的［3］。其基本框架如图 1 所示: (1)带 3G无线传输模块的网络摄像机是一个基于 linux的嵌入式双核实时处理系统。该系统主要 负责把摄像机采集到的模拟视频信号进行量化、压缩编码，然后打包成适合 3G 无线网络传输的数据包 传输至集群媒体处理服务器当中。同时该系统接收客户端的控制并执行该控制命令。因为移动视频监 控系统对视频的实时性要求较高，但是无线网络相比有线网络其传输速率具有不稳定性。因此要求视 频采集芯片能改变其采集帧率以适应码率的要求; 图 1 网络视频监控系统总体设计框架 (2)集群媒体处理服务器是一个 linux 服务器系统，该系统主要负责网络摄像机的设备管理、用户 客户端的管理、实时流媒体的转发等功能。任何网络摄像机启动之后都需要向服务器进行设备注册，这 样客户端就可以根据服务器上的网络摄像机信息进行设备访问。同时客户端登录之后，服务器都要对 其用户权限进行鉴别，根据其用户权限开通不同的服务。服务器要保证多媒体信息实时转发到客户端 当中，所以对服务器的实时性和稳定性要求都比较高; (3)PC的客户端是一个基于 Windows 的客户端处理软件，主要负责视频的实时回放，监控视频的 存储，监控系统和客户的交互等功能。因为该客户端处理软件是一个多画面的视频监控软件，需要支持 多路的视频解码播放，因此需要较高的 CPU、内存和快速的解码算法［4］。 2 硬件系统结构图 设备端的硬件结构主要由两个部分组成: (1)TW2835 主要负责 4 路视频数据从模拟信号到数字信号的转换，同时将该数字信号处理之后， 使得 4 路 CIF大小的视频数据组合成为 1 路 D1 大小的视频数据; 图 2 设备硬件框架 (2)GM8180 芯片主要负责同时捕捉两路 D1 大小的视频流，将其压缩成为 H． 264 标准大 小的视频数据。同时具有将 GPS 信息叠加到视 频图像，以及 3G 网络传输和本地存储的功能。 设备端的硬件框架如图 2 所示。 该系统使用 TW2835 + GM8180 两块主要芯 片来实现视频数据的实时采集，压缩编码和传 输。其中 TW2835 是视频数据输入、输出的场 所，GM8180 则是捕获 BT656 数据之后，将其编 码压缩成为 H． 264 视频数据的场所。 3 视频数据的抽取 3． 1 数据格式的介绍 经过摄像头采集后的数据，在内存中是以 4:2:0 的 YUV数据格式存放的，其数据格式不同于往常的 YUV420。 27 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 2011 年 3． 1． 1 Y分量数据 Y数据以 16 × 16 的块存放，从指针 ptr 到 ptr + 16 × 16 为第一个块内象素的 Y 分量，依次类推到 720 × 576。如图 3 所示。 3． 1． 2 UV分量数据 UV数据以 8 × 8 数据块交叉排列，如图 4 所示。 图 3 Y数据分量 图 4 UV数据分量 图 5 抽取前视频的位置 3． 2 数据的抽取 从 tw2835 中可以获得 4 路的完整数据，抽取前各路视频的位置如 图 5 所示。 其中 II III IV 3 路视频数据大小为 360 × 288，可以直接压缩成 CIF 数据 保存到本地硬盘。由于 tw2835 中最小的视频数据大小为 360 × 144，为 了获取 QCIF大小的数据，需要将第一路获取的视频数据变换成 180 × 144 格式大小。 3． 2． 1 Y分量的抽取 由于象素间的关联性和数据排列的格式决定，需要在第一个 16 × 16 数据块第一行的 16 个点中取 8 个点作为新数据的前 8 个点，然后在第二个 16 × 16 数据块第一行的 16 个点中取 8 个点作为新数据的后 8 个点，然后是第一个数据块的第二行和第二个数据块的第二行。依 次类推，总的来说就是用第一和第二个数据块抽取新数据的第一个数据块。抽取完成之后将数据填回 I1 路数据中，该过程的流程图如图 6 所示。 图 6 Y分量抽取流程图 3． 2． 2 UV分量的抽取 UV分量的抽取和 Y分量类似，但要注意的是第一个 U分量需要在第一个 U数据块和第二个 U数 37第 5 期 蒋 维等:3G网络 H． 264 视频监控系统的设计和实现 图 7 抽取后视频的位置 据块中抽取，V 分量同理。抽取完成之后将数据填回 I1 路数 据中。 视频数据处理完成之后，各路视频数据的位置如图 7 所示。 4 实验结果 通过对 3G网络性能的分析得知该网络能够顺利地传输 QCIF 格式大小的 H． 264 视频数据。针对该实际情况，本文设计了基于 3G网络传输的 H． 264 视频监控系统总体构架及系统结构，采用特定的算法，使用 TW2835 以及 GM8180 芯片将一路 CIF 数据抽取成 QCIF 大小的数据进行 3G 上传，其余 3 路的 CIF 视频数据进行本地存储。 实验表明，抽取为 QCIF 后的 RTP 数据包经过 3G 网络传输的丢包率为 8%，而未经抽取的 CIF 格式数 据经过相同 3G网络传输的丢包率为 15%，在丢包率上 QoS 性能提升明显。本方案通过牺牲图像质量 图 8 实验结果 为代价(从 CIF 降到 QCIF) ，降低了图像传输过程中的丢 包现象，从而保证了图像的流畅性。接收后的 RTP 数据通 过客户端进行播放，QCIF格式数据经过网络传输后播放结 果如图 8 所示，该视频图像清晰度尚可，且能流畅播放，几 乎没有出现马赛克和停顿的现象。 5 结束语 后续的工作是在当前研究的基础上，加上视频差错恢 复技术，在低码流的情况下恢复出高质量的图像，使得该 系统能够传输 CIF格式的视频流数据。 参考文献 ［1］ 吕金刚，杨建全，文代明，等．智能视频监控技术的应用与发展［J］．通信电源技术，2006，23(5) :62 － 67． ［2］ ugmbbc． TD平均下载速度 77KB /s 与理论值相去甚远［EB /OL］． http:/ /www． cnbeta． com /articles /81328． htm，2009 － 04 － 08． ［3］ 郝继辉．网络视频监控技术的发展和展望［J］．中国科技信息，2007，(7) :97 － 99． ［4］ 张翔，张宁．基于 IP视频监控应用的 H． 264 视频压缩［J］． 工业控制计算机，2003，16(12) :28 － 30． ［5］ 李海昕． IP视频监控城市公共安全的“火眼金睛”［J］．中国安防，2009，(1) :126 － 131． Design of H． 264 Video Monitoring System Based on 3G Network Transmission JIANG Wei，MENG Li-min (Collage of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310023，China) Abstract:With the development of living standard，there is an increasing demand for public security． In or- der to provide a safe environment for all kinds of public places and to establish an effective monitoring mecha- nism，this paper designs a H． 264 video monitoring system based on 3G． The paper designs an algorithm to ex- tract QCIF format data from CIF format data，making it appropriate for 3G network transmission． It guarantees the video quality while taking into account the issue of network traffic． Compared with the traditional wired network video monitoring system，3G network video surveillance system take the advantage of more flexible and convenience． After testing，the scheme works well and performs with high video quality． Key words:video monitoring system;3G network;video format 47 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 2011 年