無(wú)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(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和涉及的關(guān)鍵技術(shù)，討論基于不同網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及無(wú)線視頻監(jiān)控的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：無(wú)線視頻監(jiān)控 抗干擾視頻編解碼 無(wú)線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)
一、 無(wú)線視頻監(jiān)控成為監(jiān)控系統(tǒng)新的發(fā)展方向
隨著無(wú)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(wú)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(wú)線實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如無(wú)線家庭防盜、汽車(chē)監(jiān)控等�；诙喾N無(wú)線傳輸手段的移動(dòng)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(wú)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(dòng)。通常情況下，被監(jiān)控對(duì)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(dòng)態(tài)的。二是視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無(wú)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(duì)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(wú)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(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(yuǎn)及已裝修好的場(chǎng)合；采用無(wú)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(dòng)終端設(shè)備。（3）改造方便，維護(hù)費(fèi)用低。
二、 無(wú)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(duì)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(dòng)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(duì)存儲(chǔ)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(huì)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(huì)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(cè)技術(shù)用來(lái)提高壓縮比以降低碼流。H.264標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)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(duì)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈路及組網(wǎng)技術(shù)
對(duì)于無(wú)線視頻監(jiān)控而言，無(wú)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(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的和基于無(wú)線局域網(wǎng)的兩種類型。但在對(duì)音視頻質(zhì)量要求不高的應(yīng)用中，也可以采用低端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。
在中國(guó)目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的兩大運(yùn)營(yíng)商中，中國(guó)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(cè)可達(dá)100kbit/s左右。中國(guó)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(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)，帶寬理論最高可達(dá)171.2kbit/s，中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)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?gòu)S家也推出了基于2.5G移動(dòng)公網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，作為對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。
基于無(wú)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(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(dāng)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(kuò)頻技術(shù)的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)，被稱為無(wú)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(wú)線視頻監(jiān)控也成為研究熱點(diǎn)。WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種無(wú)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(wú)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(dòng)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(dòng)時(shí)能夠達(dá)到144kbps，慢速移動(dòng)時(shí)為384kbps，靜止?fàn)顟B(tài)為2Mbps。3G的帶寬非常適合無(wú)線視頻監(jiān)控的應(yīng)用。相信隨著3G的商用，無(wú)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(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。
在無(wú)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(wèn)題，是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的指揮中心�？刂茀f(xié)議尤其是無(wú)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(duì)該連接具有一定的控制能力。會(huì)話啟動(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(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(lái)越多業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，國(guó)內(nèi)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(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(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很有可能會(huì)遭到截取。這會(huì)給敏感數(shù)據(jù)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)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(duì)此，就很有必要對(duì)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(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)，并且需要高速傳輸。針對(duì)這些情況，優(yōu)化視頻存儲(chǔ)、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(lái)說(shuō)，從應(yīng)用需求來(lái)看，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具有以下的要求：保障具備長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(chǔ)圖像資料的能力，存儲(chǔ)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(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)
1． 基于公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)
中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通各自都已擁有遍布全國(guó)的2.5G移動(dòng)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(hào)的地方就可以實(shí)現(xiàn)視頻的無(wú)線傳輸，真正實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控。
很多公司都推出了自己的基于移動(dòng)公網(wǎng)的無(wú)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(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)；06年12月，北京世紀(jì)樂(lè)圖數(shù)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(chǔ)介質(zhì)（Flash），能很好地應(yīng)用在多種場(chǎng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)易于和現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用平臺(tái)整合。IP 技術(shù)與與移動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。
2．基于無(wú)線局域網(wǎng)的無(wú)線視頻監(jiān)控應(yīng)用
基于WLAN的無(wú)線視頻監(jiān)控的方案，一般是在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)覆蓋區(qū)域架設(shè)支持WLAN接入的無(wú)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(guò)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)將采集的IP視頻信號(hào)回傳到網(wǎng)絡(luò)中心的監(jiān)控處理平臺(tái)。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(chǔ)系統(tǒng)，用于監(jiān)控視頻錄像和存儲(chǔ)，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(guò)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(wú)線產(chǎn)品也很豐富，所以基于WLAN的無(wú)線視頻監(jiān)控在實(shí)際工作中的很多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。
3．基于無(wú)線城域網(wǎng)的無(wú)線視頻監(jiān)控應(yīng)用
無(wú)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(dòng)多媒體寬帶服務(wù)和高速的無(wú)線數(shù)據(jù)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(jì)靈活的手段。許多運(yùn)行商認(rèn)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(yīng)用的潛在市場(chǎng)。
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(guó)內(nèi)地第一個(gè)“無(wú)線城市”項(xiàng)目。 隨著建立無(wú)線城域網(wǎng)的城市日益增多，基于無(wú)線城域網(wǎng)的無(wú)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(chǎng)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(wú)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(wú)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(duì)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(chǎng)上常見(jiàn)的利用公眾移動(dòng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在加速創(chuàng)新，3G無(wú)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(guó)家，其3G手機(jī)的服務(wù)覆蓋區(qū)域已接近2G。在中國(guó)臺(tái)灣，3G的傳輸優(yōu)勢(shì)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(guò)3G手機(jī)對(duì)家庭情況進(jìn)行監(jiān)控。
在我國(guó)，隨著3G移動(dòng)通信系統(tǒng)走向?qū)嵱茫咧?MHz的帶寬將為無(wú)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(huì)有極大的改善。此外，未來(lái)的3G系統(tǒng)也將考慮公眾移動(dòng)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(wú)縫式無(wú)線視頻監(jiān)控。
5． 基于無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的低成本無(wú)線監(jiān)控應(yīng)用
基于Zigbee的語(yǔ)音通信和基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的低端應(yīng)用主要是用來(lái)傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)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?shù)唾|(zhì)量的視頻。
四、 無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及展望
隨著各種無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線視頻監(jiān)控的應(yīng)用也會(huì)隨之發(fā)生變化。各種無(wú)線視頻監(jiān)控方案必將互相補(bǔ)充、互相滲透。
在無(wú)線視頻監(jiān)控應(yīng)用過(guò)程中，如果覆蓋范圍達(dá)到數(shù)十公里時(shí)，基于無(wú)線城域網(wǎng)的視頻監(jiān)控會(huì)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(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。隨著市場(chǎng)需求和各領(lǐng)域的融合之勢(shì)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(duì)視頻監(jiān)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(yīng)用到未來(lái)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中。
中國(guó)多媒體通信
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