3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

　　本文針對網(wǎng)絡視頻監(jiān)控設備的實際應用需求，融合視頻壓縮、嵌入式系統(tǒng)無線通信等新技術，設計實現(xiàn)了基于3G技術的H.264無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于H.264標準中碼率控制策略過于強調通用性而沒有考慮無線網(wǎng)絡的誤碼率高、抖動性大以及嵌入式終端處理能力有限的因素，而本系統(tǒng)在實現(xiàn)了H.264標準中碼率控制策略的基礎上進行了優(yōu)化，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻拍攝節(jié)點、視頻采集控制模塊、網(wǎng)絡代理模塊和觀看終端組成。其中，拍攝節(jié)點為高精度攝像機，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(shù)據(jù)壓縮成H.264格式的碼流并回調給系統(tǒng)處理；控制軟件運行在嵌入式Linux系統(tǒng)上，通過采集卡的驅動程序獲取壓縮后的H.264格式的碼流，并控制與網(wǎng)絡代理模塊的連接以及數(shù)據(jù)和命令的傳輸及響應，如將壓縮后的碼流傳輸給網(wǎng)絡代理，對某個攝像機通過串口發(fā)控制命令；網(wǎng)絡代理模塊負責與視頻觀看終端進行網(wǎng)絡連接的管理以及控制命令和視頻數(shù)據(jù)的傳輸；觀看終端為主流的基于Symbian操作系統(tǒng)的智能手機。

　　2 系統(tǒng)硬件構成及主要模塊

　　手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的手機諾基亞N95。系統(tǒng)框圖如圖1所示，拍攝節(jié)點為可控制攝像頭。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，采集視頻時主要負責采集卡的啟動、初始化和各種控制操作，同時也負責攝像頭相關的一些控制操作。具體的軟件構架如圖2所示。其中：NCCMain模塊負責管理各個子模塊，打開Socket監(jiān)聽7020端口，當有從網(wǎng)絡代理模塊的連接請求時，則響應并接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊負責處理各種命令（如視頻的開啟和焦距調整命令），并對這些命令發(fā)送確認消息進行響應；RS2232串口線控制模塊通過RS2232串口線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、采集信道的開啟、H.264各種參數(shù)（I、P幀的間距、量化參數(shù)、編碼格式（CIF、QCIF）等）的設置、回調函數(shù)的設置，與代理進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發(fā)包，通過接口調用廠商提供的驅動程序來實現(xiàn)各種功能。

　　該模塊的工作流程如下：

　　a）調用廠商提供的驅動程序設置視頻采集的初始參數(shù)；

　　b）啟動網(wǎng)絡管理程序，打開套接字監(jiān)聽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(jù)不同命令進行不同處理；

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

　　d）當收到視頻關閉命令，關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)絡代理監(jiān)聽的7005端口建立連接，將當前的焦距級數(shù)信息報告給網(wǎng)絡代理。

　　2.2 網(wǎng)絡代理

　　網(wǎng)絡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(shù)據(jù)，它又包含以下子模塊：

　　a）連接請求監(jiān)聽模塊。該模塊作為一個單獨的線程，監(jiān)聽9000端口，如收到手持設備的代理信息請求命令則回送一個確認消息。

　　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(shù)據(jù)收發(fā)模塊。當接收到來自視頻采集控制模塊的H.264視頻碼流便將此視頻數(shù)據(jù)流轉發(fā)給發(fā)出點播命令的手持設備。網(wǎng)絡代理模塊的結構關系如圖3所示。

　　2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)通信流程

　　無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體流程如下：

　　a）手持設備接入網(wǎng)絡。手持設備通過3G無線網(wǎng)絡跨過移動網(wǎng)關接入有線網(wǎng)，與視頻服務網(wǎng)絡代理交互，注冊自己的信息，并從代理節(jié)點得到網(wǎng)絡中采集設備的信息。

　　b）進行視頻瀏覽操作。手持設備接入網(wǎng)絡后，可根據(jù)需要進行視頻瀏覽，用戶選定要進行瀏覽的節(jié)點和攝像頭，向其發(fā)送控制命令，開啟攝像頭進行采集，得到的視頻數(shù)據(jù)通過視頻服務網(wǎng)絡代理經(jīng)3G網(wǎng)絡傳輸給手持設備，在手持設備上進行觀看。

　　c）進行視頻控制操作。手持設備獲得拍攝節(jié)點視頻后，可根據(jù)需要對拍攝節(jié)點進行控制以獲取更感興趣的視頻區(qū)域，如用戶對拍攝節(jié)點更遠處的場景感興趣，可發(fā)送放大指令，讓采集視頻的攝像機向遠處變焦；用戶也可以根據(jù)自己的需要發(fā)送攝像機或節(jié)點切換指令給代理，代理進行響應并按用戶需求啟動相應的攝像機。

　　3 碼率控制優(yōu)化算法

　　在H.264標準中，碼率控制是根據(jù)當前的帶寬和緩沖區(qū)使用情況來動態(tài)地調節(jié)量化參數(shù)等系數(shù)實現(xiàn)的。考慮到移動終端的處理能力差異大以及無線網(wǎng)絡誤碼率高抖動大等因素，本系統(tǒng)在實現(xiàn)了H.264標準中碼率控制策略的基礎上進行了優(yōu)化，即在碼率控制過程中，不僅考慮到帶寬和緩沖區(qū)的使用度，還結合終端的視頻處理能力以及無線網(wǎng)絡的狀況，動態(tài)地調節(jié)編碼器的參數(shù)，此外，增加了跳幀策略，并結合本系統(tǒng)優(yōu)化了跳幀策略，從而達到更好的碼率控制效果。