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無線視頻監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)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(yàn)室靳銳敏別紅霞 2009/04/02

　　摘要：主要介紹無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)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)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及無線視頻監(jiān)控的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：無線視頻監(jiān)控抗干擾視頻編解碼無線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)

一、無線視頻監(jiān)控成為監(jiān)控系統(tǒng)新的發(fā)展方向

　　隨著無線通信技術(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(qiáng)，無線多媒體應(yīng)用日漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，也成為人們的必然需求。其主流應(yīng)用之一是便利、靈活的無線實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如無線家庭防盜、汽車監(jiān)控等�；诙喾N無線傳輸手段的移動視頻監(jiān)控以其特有的靈活性已成為視頻監(jiān)控新的發(fā)展方向。

　　無線化視頻監(jiān)控包括兩方面內(nèi)容：一是監(jiān)控中心的移動。通常情況下，被監(jiān)控對象或是攝像機(jī)往往是固定的，而作為監(jiān)控系統(tǒng)的使用者（監(jiān)控中心）則可以是動態(tài)的。二是視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無線化。當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)分散且與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，或被監(jiān)控對象不固定時(shí)，利用傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控技術(shù)，往往成本高且難以實(shí)現(xiàn)。

　　無線監(jiān)控和傳統(tǒng)的監(jiān)控方案相比，能夠避免大量的布線工作，節(jié)省施工費(fèi)用，重定位能力強(qiáng)，靈活性高，具體地說有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）綜合成本低，無須挖溝埋管，特別適合室外距離較遠(yuǎn)及已裝修好的場合；采用無線監(jiān)控可以擺脫線纜的束縛，有安裝周期短、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。（2）組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好，使用時(shí)能靈活挪動終端設(shè)備。（3）改造方便，維護(hù)費(fèi)用低。

二、無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

1．高效率、抗干擾的視頻編解碼機(jī)制

　　當(dāng)今的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)有MPEG和H.26X兩大系列。MPEG-4目前已應(yīng)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(fù)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)傳輸層及底層移動通信系統(tǒng)也可以進(jìn)一步改善流媒體傳輸?shù)目拐`碼性能。MPEG-7是針對存儲形式或流形式的應(yīng)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，用于可視電話和會議電視。H.263標(biāo)準(zhǔn)是ITU組織為了滿足碼率低于64kb/s的應(yīng)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(dá)到較好的圖像質(zhì)量，因此廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、電視會議以及可視電話等領(lǐng)域，尤其在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，它已經(jīng)可以在嵌入式系統(tǒng)中達(dá)到實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的壓縮效果，是應(yīng)用較多的視頻壓縮算法。目前大多數(shù)視頻監(jiān)控產(chǎn)品都支持MPEG-4和H.263標(biāo)準(zhǔn)。

　　作為目前最新的視頻編碼技術(shù)H.264，在安防行業(yè)的應(yīng)用有著非常大的前景。H.264標(biāo)準(zhǔn)采用了高精度、多模式預(yù)測技術(shù)用來提高壓縮比以降低碼流。H.264標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計(jì)了視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL結(jié)構(gòu)，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(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。H.264標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計(jì)了差錯(cuò)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?shù)挠行�。支持H.264標(biāo)準(zhǔn)的無線視頻監(jiān)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保證的無線信道上傳輸視頻數(shù)據(jù),視頻編碼算法必須滿足以下要求: （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(qiáng)的視頻傳輸魯棒性：更好地適應(yīng)傳輸信道的誤比特干擾。因此，研究在無線視頻監(jiān)控應(yīng)用中的編解碼機(jī)制，重點(diǎn)在于進(jìn)一步提高編解碼效率及抗干擾能力。

2．無線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈路及組網(wǎng)技術(shù)

　　對于無線視頻監(jiān)控而言，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的選取主要取決于用戶需求和系統(tǒng)工作的具體環(huán)境，目前已投入使用的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的和基于無線局域網(wǎng)的兩種類型。但在對音視頻質(zhì)量要求不高的應(yīng)用中，也可以采用低端的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

　　在中國目前移動通信網(wǎng)絡(luò)的兩大運(yùn)營商中，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(dá)153kbit/s，現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測可達(dá)100kbit/s左右。中國移動采用GPRS技術(shù)，是基于GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的新型分組交換數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)，帶寬理論最高可達(dá)171.2kbit/s，中國移動現(xiàn)網(wǎng)測試也可達(dá)到35kbit/s左右。在目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬下，普通用戶可以采用彩e傳輸視頻文件，不少廠家也推出了基于2.5G移動公網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，作為對有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

　　基于無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）的多媒體信息傳輸，是解決建筑物內(nèi)靈活視頻監(jiān)控的主要手段，基于802.11協(xié)議族。IEEE802.11a規(guī)定的頻點(diǎn)為5GHz，適合于室內(nèi)及移動環(huán)境，傳輸速度為1到2Mbps。IEEE802.11b（Wi-Fi）工作于2.4GHz頻點(diǎn)，當(dāng)信噪比低于某個(gè)門限值時(shí)，其傳輸速率可從11Mb/s自動降至5.5Mb/s，或者再降至直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代無線LAN標(biāo)準(zhǔn)，被稱為無線LAN標(biāo)準(zhǔn)方式IEEE802.11的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，是在現(xiàn)有的802.11b及802.11a的MAC層追加了QOS功能及安全功能的標(biāo)準(zhǔn)，為其上可靠的視頻信息傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

　　隨著WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)的日趨成熟，基于WiMax和3G的無線視頻監(jiān)控也成為研究熱點(diǎn)。WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年來出現(xiàn)的一種無線寬帶接入技術(shù)。WiMAX 采用多載波調(diào)制技術(shù)，能夠提供高速的數(shù)據(jù)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(dá)數(shù)十公里）等特點(diǎn)。無線城域網(wǎng)（WMAN）采用了WiMax技術(shù)，組網(wǎng)采用的802.16協(xié)議族。與現(xiàn)有的移動通信技術(shù)相比，WiMAX技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)速率，更強(qiáng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力。

　　多媒體業(yè)務(wù)是3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)，其傳輸速率要求為：高速移動時(shí)能夠達(dá)到144kbps，慢速移動時(shí)為384kbps，靜止?fàn)顟B(tài)為2Mbps。3G的帶寬非常適合無線視頻監(jiān)控的應(yīng)用。相信隨著3G的商用，無線視頻監(jiān)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?shù)年P(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(tǒng)容量、抗多徑信道干擾能力強(qiáng)。CDMA技術(shù)是基于擴(kuò)頻通信理論的調(diào)制和多址連接技術(shù)，OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制技術(shù)。預(yù)計(jì)第三代以后的移動通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。

　　在無線實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，控制協(xié)議決定了整個(gè)系統(tǒng)的效率、兼容性、安全性等諸多重要問題，是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的指揮中心。控制協(xié)議尤其是無線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的控制協(xié)議，不但要求能夠快速穩(wěn)定的建立連接，而且要求對該連接具有一定的控制能力。會話啟動協(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(yīng)用層信令協(xié)議，設(shè)計(jì)理念和協(xié)議結(jié)構(gòu)完全符合NGN的特性和要求，得到了越來越多業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，國內(nèi)外許多知名企業(yè)都開始從事SIP的研究與開發(fā)工作。Nokia和Ericsson已經(jīng)開發(fā)出了基于SIP的端到端的網(wǎng)絡(luò)多媒體系統(tǒng)，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(tǒng)）�；赟IP的多媒體通信已經(jīng)成為新的主流發(fā)展方向。

3．數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)安全

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)中保護(hù)數(shù)據(jù)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。通過無線網(wǎng)絡(luò)或Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很有可能會遭到截取。這會給敏感數(shù)據(jù)帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。對于一些網(wǎng)上黑客或惡意員工而言，為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立和采取技術(shù)和管理上的安全保護(hù)是不夠的。對此，就很有必要對數(shù)據(jù)采取加密技術(shù)。

　　隨著監(jiān)控點(diǎn)的增多、應(yīng)用行業(yè)的日益普遍化、監(jiān)控時(shí)間周期的延長和視頻清晰度的提升，視頻數(shù)據(jù)容量也在飛速發(fā)展。即使按照一定的標(biāo)準(zhǔn)以壓縮形式存儲這些數(shù)據(jù)，仍然有成百TB直至上千TB的數(shù)據(jù)需要?dú)w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(shè)備選擇已經(jīng)是很多用戶的一個(gè)現(xiàn)實(shí)考慮。

　　一般來說，從應(yīng)用需求來看，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具有以下的要求：保障具備長時(shí)間無故障運(yùn)行的能力；能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳遞高清晰圖像，并實(shí)現(xiàn)回放；具備靈活存儲圖像資料的能力，存儲保留時(shí)間達(dá)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(shè)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)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1．基于公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　中國移動和中國聯(lián)通各自都已擁有遍布全國的2.5G移動通信網(wǎng)絡(luò)�？稍谡粕想娔X、PDA手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)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(xiàn)視頻的無線傳輸，真正實(shí)現(xiàn)移動監(jiān)控。

　　很多公司都推出了自己的基于移動公網(wǎng)的無線視頻監(jiān)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移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)；06年12月，北京世紀(jì)樂圖數(shù)字技術(shù)公司研究開發(fā)了“LOTOO i-Patrol” ，整合了CDMA、GPS、非硬盤的本地存儲介質(zhì)（Flash），能很好地應(yīng)用在多種場合。

　　當(dāng)前的2.5G技術(shù)都關(guān)注了同TCP/IP 協(xié)議的融合，使得移動網(wǎng)絡(luò)易于和現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用平臺整合。IP 技術(shù)與與移動通信技術(shù)的完美結(jié)合將能夠?yàn)橛脩籼峁└鞣N高速高質(zhì)的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

2．基于無線局域網(wǎng)的無線視頻監(jiān)控應(yīng)用

　　基于WLAN的無線視頻監(jiān)控的方案，一般是在無線網(wǎng)狀網(wǎng)覆蓋區(qū)域架設(shè)支持WLAN接入的無線視頻前端設(shè)備（如支持WLAN的IP攝像機(jī)或IP視頻服務(wù)器加模擬攝像機(jī)），然后通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)將采集的IP視頻信號回傳到網(wǎng)絡(luò)中心的監(jiān)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(jī)和大容量的存儲系統(tǒng)，用于監(jiān)控視頻錄像和存儲，同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端提供實(shí)時(shí)的監(jiān)控圖像，還可通過安全的網(wǎng)絡(luò)連接（如VPN），從遠(yuǎn)端視頻監(jiān)控終端上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

　　WLAN技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，各種無線產(chǎn)品也很豐富，所以基于WLAN的無線視頻監(jiān)控在實(shí)際工作中的很多場合得到了應(yīng)用。

3．基于無線城域網(wǎng)的無線視頻監(jiān)控應(yīng)用

　　無線城域網(wǎng)的WiMAX技術(shù)覆蓋范圍達(dá)幾十千米，多被使用在戶外，例如高速公路沿線、學(xué)校校區(qū)、碼頭等地，可以為用戶提供便利、優(yōu)良的移動多媒體寬帶服務(wù)和高速的無線數(shù)據(jù)傳輸。通過WiMAX技術(shù)承載流媒體業(yè)務(wù)是一種更為經(jīng)濟(jì)靈活的手段。許多運(yùn)行商認(rèn)為在WiMAX網(wǎng)絡(luò)上開展移動流媒體業(yè)務(wù)，將是WiMAX技術(shù)應(yīng)用的潛在市場。

　　2006年10月16日，互聯(lián)網(wǎng)周刊報(bào)道：上海市的嘉定區(qū)目前正在實(shí)施一項(xiàng)規(guī)模宏大的信息化工程：建設(shè)中國內(nèi)地第一個(gè)“無線城市”項(xiàng)目。隨著建立無線城域網(wǎng)的城市日益增多，基于無線城域網(wǎng)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。將WiMAX導(dǎo)入安全監(jiān)控領(lǐng)域，將是廠商拓展市場最有效的方法之一。隨著WiMAX技術(shù)的成熟和產(chǎn)品的上市，具有WiMAX傳輸技術(shù)的無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，距離普及之日已不遙遠(yuǎn)。

4．基于3G的無線視頻監(jiān)控應(yīng)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(dá)到更好的視頻質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)帶寬就更為重要。當(dāng)前市場上常見的利用公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控傳輸?shù)漠a(chǎn)品基本上只能傳輸窄帶視頻。伴隨著3G在全球商用步伐的加快，3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在加速創(chuàng)新，3G無線接入設(shè)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(jī)的服務(wù)覆蓋區(qū)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(jī)有了更多用武之地，使用者可以直接透過3G手機(jī)對家庭情況進(jìn)行監(jiān)控。

　　在我國，隨著3G移動通信系統(tǒng)走向?qū)嵱�，高�?MHz的帶寬將為無線視頻監(jiān)控提供更加強(qiáng)有力的支持，此時(shí)視頻的質(zhì)量將會有極大的改善。此外，未來的3G系統(tǒng)也將考慮公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN系統(tǒng)的融合，用戶將有可能真正實(shí)現(xiàn)“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何終端”的無縫式無線視頻監(jiān)控。

5．基于無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的低成本無線監(jiān)控應(yīng)用

　　基于Zigbee的語音通信和基于無線數(shù)傳電臺的低端應(yīng)用主要是用來傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)和語音，但是在視頻實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，也可以用來傳輸?shù)唾|(zhì)量的視頻。

四、無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及展望

　　隨著各種無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線視頻監(jiān)控的應(yīng)用也會隨之發(fā)生變化。各種無線視頻監(jiān)控方案必將互相補(bǔ)充、互相滲透。

　　在無線視頻監(jiān)控應(yīng)用過程中，如果覆蓋范圍達(dá)到數(shù)十公里時(shí)，基于無線城域網(wǎng)的視頻監(jiān)控會是個(gè)一個(gè)很好的解決方案,與WiFi之間存在著互補(bǔ)和競爭的關(guān)系。隨著市場需求和各領(lǐng)域的融合之勢的愈加明顯，移動視頻已經(jīng)逐步走向市場。這大大激發(fā)了普通家庭和大眾對視頻監(jiān)控的需求，正在蓬勃發(fā)展的3G移動網(wǎng)絡(luò)可以很好的應(yīng)用到未來的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中。

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