3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

　　本文針對網絡視頻監(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據壓縮成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，并控制與網絡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絡代理，對某個攝像機通過串口發(fā)控制命令；網絡代理模塊負責與視頻觀看終端進行網絡連接的管理以及控制命令和視頻數據的傳輸；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，當有從網絡代理模塊的連接請求時，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（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；

　　b）啟動網絡管理程序，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)送視頻數據，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，然后與網絡代理監(jiān)聽的7005端口建立連接，將當前的焦距級數信息報告給網絡代理。

　　2.2 網絡代理

　　網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)送視頻數據，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）視頻數據收發(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據流轉發(fā)給發(fā)出點播命令的手持設備。網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）手持設備接入網絡。手持設備通過3G無線網絡跨過移動網關接入有線網，與視頻服務網絡代理交互，注冊自己的信息，并從代理節(jié)點得到網絡中采集設備的信息。

　　b）進行視頻瀏覽操作。手持設備接入網絡后，可根據需要進行視頻瀏覽，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，得到的視頻數據通過視頻服務網絡代理經3G網絡傳輸給手持設備，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)量化參數等系數實現的?？紤]到移動終端的處理能力差異大以及無線網絡誤碼率高抖動大等因素，本系統(tǒng)在實現了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絡的狀況，動態(tài)地調節(jié)編碼器的參數，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。