3G無(wú)線(xiàn)視頻監控系統設計

引言

　　本文針對網(wǎng)絡(luò )視頻監控設備的實(shí)際應用需求，融合視頻壓縮、嵌入式系統無(wú)線(xiàn)通信等新技術(shù)，設計實(shí)現了基于3G技術(shù)的H.264無(wú)線(xiàn)視頻監控系統。由于H.264標準中碼率控制策略過(guò)于強調通用性而沒(méi)有考慮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的誤碼率高、抖動(dòng)性大以及嵌入式終端處理能力有限的因素，而本系統在實(shí)現了H.264標準中碼率控制策略的基礎上進(jìn)行了優(yōu)化，增強了系統的穩定性。

　　1 視頻監控系統總體結構

　　視頻監控系統由視頻拍攝節點(diǎn)、視頻采集控制模塊、網(wǎng)絡(luò )代理模塊和觀(guān)看終端組成。其中，拍攝節點(diǎn)為高精度攝像機，負責采集原始視頻；視頻采集控制模塊由采集卡以及控制軟件組成，采集卡安裝在嵌入式主板上，把攝像機采集的原始視頻數據壓縮成H.264格式的碼流并回調給系統處理；控制軟件運行在嵌入式Linux系統上，通過(guò)采集卡的驅動(dòng)程序獲取壓縮后的H.264格式的碼流，并控制與網(wǎng)絡(luò )代理模塊的連接以及數據和命令的傳輸及響應，如將壓縮后的碼流傳輸給網(wǎng)絡(luò )代理，對某個(gè)攝像機通過(guò)串口發(fā)控制命令；網(wǎng)絡(luò )代理模塊負責與視頻觀(guān)看終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接的管理以及控制命令和視頻數據的傳輸；觀(guān)看終端為主流的基于Symbian操作系統的智能手機。

　　2 系統硬件構成及主要模塊

　　手機視頻監控系統的硬件環(huán)境由攝像機、采集卡、嵌入式主板以及智能手機組成。攝像機使用的是SONYFCB2EX480CP;嵌入式主板使用的是威盛EPIANR系列Nano2ITX嵌入式主板，型號為EPIANR10000EG;智能手機使用當前主流的基于Symbian操作系統的手機諾基亞N95。系統框圖如圖1所示，拍攝節點(diǎn)為可控制攝像頭。下面主要介紹視頻采集控制模塊和網(wǎng)絡(luò )代理模塊的功能及構成。

　　2.1 視頻采集控制

　　視頻采集控制模塊主要負責視頻的采集、壓縮和控制命令的響應，采集視頻時(shí)主要負責采集卡的啟動(dòng)、初始化和各種控制操作，同時(shí)也負責攝像頭相關(guān)的一些控制操作。具體的軟件構架如圖2所示。其中：NCCMain模塊負責管理各個(gè)子模塊，打開(kāi)Socket監聽(tīng)7020端口，當有從網(wǎng)絡(luò )代理模塊的連接請求時(shí)，則響應并接收數據；數據處理模塊負責處理各種命令（如視頻的開(kāi)啟和焦距調整命令），并對這些命令發(fā)送確認消息進(jìn)行響應；RS2232串口線(xiàn)控制模塊通過(guò)RS2232串口線(xiàn)控制攝像機的拍攝焦距，以響應焦距調整命令；板卡采集管理模塊主要負責板卡的初始化、采集信道的開(kāi)啟、H.264各種參數（I、P幀的間距、量化參數、編碼格式（CIF、QCIF）等）的設置、回調函數的設置，與代理進(jìn)行連接從而向代理發(fā)送視頻流等操作。該模塊基于采集卡開(kāi)發(fā)包，通過(guò)接口調用廠(chǎng)商提供的驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現各種功能。

　　該模塊的工作流程如下：

　　a）調用廠(chǎng)商提供的驅動(dòng)程序設置視頻采集的初始參數；

　　b）啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )管理程序，打開(kāi)套接字監聽(tīng)7020端口，當收到連接請求便響應連接請求并接收命令，收到命令后調用命令處理模塊，根據不同命令進(jìn)行不同處理；

　　c）當收到啟動(dòng)視頻命令，向代理發(fā)連接請求，請求響應后連接建立，通過(guò)該連接向代理發(fā)送視頻數據，并將連接描述符保存到轉發(fā)表中；

　　d）當收到視頻關(guān)閉命令，關(guān)閉與代理的視頻傳輸連接，將轉發(fā)表對應的表項清空；

　　e）當收到焦距調整命令后，調用RS2232串口控制模塊設置攝像頭的拍攝焦距，然后與網(wǎng)絡(luò )代理監聽(tīng)的7005端口建立連接，將當前的焦距級數信息報告給網(wǎng)絡(luò )代理。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )代理

　　網(wǎng)絡(luò )代理模塊主要負責響應手持設備的連接請求和控制命令，并向其發(fā)送視頻數據，它又包含以下子模塊：

　　a）連接請求監聽(tīng)模塊。該模塊作為一個(gè)單獨的線(xiàn)程，監聽(tīng)9000端口，如收到手持設備的代理信息請求命令則回送一個(gè)確認消息。

　　b）控制命令處理模塊。它負責處理手持設備發(fā)來(lái)的各種命令，并向視頻采集控制模塊發(fā)送對應的處理命令；接收視頻采集控制模塊的命令響應，并對手持設備的命令作相應的響應。

　　c）視頻數據收發(fā)模塊。當接收到來(lái)自視頻采集控制模塊的H.264視頻碼流便將此視頻數據流轉發(fā)給發(fā)出點(diǎn)播命令的手持設備。網(wǎng)絡(luò )代理模塊的結構關(guān)系如圖3所示。

　　2.3 視頻監控系統通信流程

　　無(wú)線(xiàn)視頻監控系統的總體流程如下：

　　a）手持設備接入網(wǎng)絡(luò )。手持設備通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )跨過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)接入有線(xiàn)網(wǎng)，與視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )代理交互，注冊自己的信息，并從代理節點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò )中采集設備的信息。

　　b）進(jìn)行視頻瀏覽操作。手持設備接入網(wǎng)絡(luò )后，可根據需要進(jìn)行視頻瀏覽，用戶(hù)選定要進(jìn)行瀏覽的節點(diǎn)和攝像頭，向其發(fā)送控制命令，開(kāi)啟攝像頭進(jìn)行采集，得到的視頻數據通過(guò)視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )代理經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò )傳輸給手持設備，在手持設備上進(jìn)行觀(guān)看。

　　c）進(jìn)行視頻控制操作。手持設備獲得拍攝節點(diǎn)視頻后，可根據需要對拍攝節點(diǎn)進(jìn)行控制以獲取更感興趣的視頻區域，如用戶(hù)對拍攝節點(diǎn)更遠處的場(chǎng)景感興趣，可發(fā)送放大指令，讓采集視頻的攝像機向遠處變焦；用戶(hù)也可以根據自己的需要發(fā)送攝像機或節點(diǎn)切換指令給代理，代理進(jìn)行響應并按用戶(hù)需求啟動(dòng)相應的攝像機。

　　3 碼率控制優(yōu)化算法

　　在H.264標準中，碼率控制是根據當前的帶寬和緩沖區使用情況來(lái)動(dòng)態(tài)地調節量化參數等系數實(shí)現的?？紤]到移動(dòng)終端的處理能力差異大以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )誤碼率高抖動(dòng)大等因素，本系統在實(shí)現了H.264標準中碼率控制策略的基礎上進(jìn)行了優(yōu)化，即在碼率控制過(guò)程中，不僅考慮到帶寬和緩沖區的使用度，還結合終端的視頻處理能力以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的狀況，動(dòng)態(tài)地調節編碼器的參數，此外，增加了跳幀策略，并結合本系統優(yōu)化了跳幀策略，從而達到更好的碼率控制效果。