無線視頻監(jiān)控技術的系統發(fā)展與研究

一、無線視頻監(jiān)控成為監(jiān)控系統新的發(fā)展方向

隨著無線通信技術的日益發(fā)展，傳輸帶寬不斷提高，通信終端的實時信息處理能力飛速增強，無線多媒體應用日漸成為業(yè)內關注的焦點，也成為人們的必然需求。其主流應用之一是便利、靈活的無線實時視頻監(jiān)控系統，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)控對象或是攝像機往往是固定的，而作為監(jiān)控系統的使用者(監(jiān)控中心)則可以是動態(tài)的。二是視頻監(jiān)控網絡的無線化。當監(jiān)控點分散且與監(jiān)控中心距離較遠，或被監(jiān)控對象不固定時，利用傳統有線網絡的視頻監(jiān)控技術，往往成本高且難以實現。

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

二、無線視頻監(jiān)控系統涉及的關鍵技術

1.高效率、抗干擾的視頻編解碼機制

當今的視頻壓縮標準有MPEG和H.26X兩大系列。MPEG-4目前已應用于Internet流媒

體領域，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質量，MPEG-4提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務的實時網絡傳輸層及底層移動通信系統也可以進一步改善流媒體傳輸的抗誤碼性能。MPEG-7是針對存儲形式或流形式的應用而制定的，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容管理相關的領域，并且可以在實時和非實時環(huán)境中操作。

ITU-T頒布的H.261標準，用于可視電話和會議電視。H.263標準是ITU組織為了滿足碼率低于64kb/s的應用而提出的一個低碼率視頻壓縮編碼建議;它能夠在較低碼率的情況下達到較好的圖像質量，因此廣泛應用于遠程監(jiān)控、電視會議以及可視電話等領域，尤其在視頻監(jiān)控領域，它已經可以在嵌入式系統中達到實時、穩(wěn)定的壓縮效果，是應用較多的視頻壓縮算法。目前大多數視頻監(jiān)控產品都支持MPEG-4和H.263標準。

作為目前最新的視頻編碼技術H.264，在安防行業(yè)的應用有著非常大的前景。H.264標準采用了高精度、多模式預測技術用來提高壓縮比以降低碼流。H.264標準針對網絡傳輸的需要設計了視頻編碼層VCL和網絡提取層NAL結構，網絡抽象層是提供“網絡友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統中得到有效的應用。H.264標準針對網絡傳輸的需要設計了差錯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的有效性。支持H.264標準的無線視頻監(jiān)控產品目前也已上市。

為了能在時變、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據,視頻編碼算法必須滿足以下要求:(1)高效的視頻壓縮比;(2)較高的傳輸實時性：更短的傳輸時延，更快的編碼速度;(3)較強的視頻傳輸魯棒性：更好地適應傳輸信道的誤比特干擾。因此，研究在無線視頻監(jiān)控應用中的編解碼機制，重點在于進一步提高編解碼效率及抗干擾能力。

2.無線視頻傳輸網絡鏈路及組網技術

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

在中國目前移動通信網絡的兩大運營商中，中國聯通采用基于碼分多址的CDMA20001x制式，最高下載速度可達153kbit/s，現網實測可達100kbit/s左右。中國移動采用GPRS技術，是基于GSM網絡發(fā)展而來的新型分組交換數據應用業(yè)務，帶寬理論最高可達171.2kbit/s，中國移動現網測試也可達到35kbit/s左右。在目前的網絡帶寬下，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移動公網的視頻監(jiān)控系統，作為對有線網絡監(jiān)控系統的有力補充。

基于無線局域網絡(WLAN)的多媒體信息傳輸，是解決建筑物內靈活視頻監(jiān)控的主要手段，基于802.11協議族。IEEE802.11a規(guī)定的頻點為5GHz，適合于室內及移動環(huán)境，傳輸速度為1到2Mbps。IEEE802.11b(Wi-Fi)工作于2.4GHz頻點，當信噪比低于某個門限值時，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頻技術的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代無線LAN標準，被稱為無線LAN標準方式IEEE802.11的擴展標準，是在現有的802.11b及802.11a的MAC層追加了QOS功能及安全功能的標準，為其上可靠的視頻信息傳輸奠定了基礎。

隨著WiMAX技術和3G技術的日趨成熟，基于WiMax和3G的無線視頻監(jiān)控也成為研究熱點。WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)是近年來出現的一種無線寬帶接入技術。WiMAX采用多載波調制技術，能夠提供高速的數據業(yè)務，并且具有頻譜資源利用率高，覆蓋范圍大(傳輸距離可達數十公里)等特點。無線城域網(WMAN)采用了WiMax技術，組網采用的802.16協議族。與現有的移動通信技術相比，WiMAX技術可以提供更高的數據速率，更強的數據業(yè)務能力。

多媒體業(yè)務是3G數據業(yè)務的重點，其傳輸速率要求為：高速移動時能夠達到144kbps，慢速移動時為384kbps，靜止狀態(tài)為2Mbps。3G的帶寬非常適合無線視頻監(jiān)控的應用。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作為點到多點或點到點圖像、視頻信息傳輸的關鍵技術手段，其頻譜利用率高、支持高速率的多媒體服務、系統容量、抗多徑信道干擾能力強。CDMA技術是基于擴頻通信理論的調制和多址連接技術，OFDM技術屬于多載波調制技術。預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技術。

在無線實時視頻監(jiān)控系統中，控制協議決定了整個系統的效率、兼容性、安全性等諸多重要問題，是系統運轉的指揮中心?？刂茀f議尤其是無線實時監(jiān)控系統的控制協議，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。會話啟動協議SIP(sessioninitiationprotocol)是IETF的MMUSIC(multipartymultimediasessioncontrol)工作組制定的多媒體通信框架應用層信令協議，設計理念和協議結構完全符合NGN的特性和要求，得到了越來越多業(yè)內人士的認可，國內外許多知名企業(yè)都開始從事SIP的研究與開發(fā)工作。Nokia和Ericsson已經開發(fā)出了基于SIP的端到端的網絡多媒體系統，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)?；赟IP的多媒體通信已經成為新的主流發(fā)展方向。

3.數據管理與數據安全

視頻監(jiān)控系統中保護數據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。通過無線網絡或Internet傳輸的數據很有可能會遭到截取。這會給敏感數據帶來巨大風險。對于一些網上黑客或惡意員工而言，為數據處理系統建立和采取技術和管理上的安全保護是不夠的。對此，就很有必要對數據采取加密技術。

隨著監(jiān)控點的增多、應用行業(yè)的日益普遍化、監(jiān)控時間周期的延長和視頻清晰度的提升，視頻數據容量也在飛速發(fā)展。即使按照一定的標準以壓縮形式存儲這些數據，仍然有成百TB直至上千TB的數據需要歸檔、存儲，并且需要高速傳輸。針對這些情況，優(yōu)化視頻存儲、歸檔解決方案及設備選擇已經是很多用戶的一個現實考慮。

一般來說，從應用需求來看，設計的系統必須具有以下的要求：保障具備長時間無故障運行的能力;能夠遠程實時傳遞高清晰圖像，并實現回放;具備靈活存儲圖像資料的能力，存儲保留時間達到一定要求;圖像傳輸必須具備防竊取功能，圖像資料具備防篡改功能;設備操作必須具有安全的管理和控制手段。

三、基于不同網絡的無線視頻監(jiān)控系統

1.基于公眾移動通信網絡的無線視頻監(jiān)控系統

中國移動和中國聯通各自都已擁有遍布全國的2.5G移動通信網絡?？稍谡粕想娔X、PDA手機上進行遠程視頻采集與傳輸，只要有網絡信號的地方就可以實現視頻的無線傳輸，真正實現移動監(jiān)控。

很多公司都推出了自己的基于移動公網的無線視頻監(jiān)控產品。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;06年12月，北京世紀樂圖數字技術公司研究開發(fā)了“LOTOOi-Patrol”，整合了CDMA、GPS、非硬盤的本地存儲介質(Flash)，能很好地應用在多種場合。

當前的2.5G技術都關注了同TCP/IP協議的融合，使得移動網絡易于和現有因特網技術及應用平臺整合。IP技術與與移動通信技術的完美結合將能夠為用戶提供各種高速高質的移動數據通信業(yè)務。

2.基于無線局域網的無線視頻監(jiān)控應用

基于WLAN的無線視頻監(jiān)控的方案，一般是在無線網狀網覆蓋區(qū)域架設支持WLAN接入的無線視頻前端設備(如支持WLAN的IP攝像機或IP視頻服務器加模擬攝像機)，然后通過無線網狀網將采集的IP視頻信號回傳到網絡中心的監(jiān)控處理平臺。通常在網絡中心配置支持多通道的網絡視頻錄像機和大容量的存儲系統，用于監(jiān)控視頻錄像和存儲，同時為一個或多個網絡監(jiān)控終端提供實時的監(jiān)控圖像，還可通過安全的網絡連接(如VPN)，從遠端視頻監(jiān)控終端上實現遠程監(jiān)控和管理。

WLAN技術已經相當成熟，各種無線產品也很豐富，所以基于WLAN的無線視頻監(jiān)控在實際工作中的很多場合得到了應用。

3.基于無線城域網的無線視頻監(jiān)控應用

無線城域網的WiMAX技術覆蓋范圍達幾十千米，多被使用在戶外，例如高速公路沿線、學校校區(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和高速的無線數據傳輸。通過WiMAX技術承載流媒體業(yè)務是一種更為經濟靈活的手段。許多運行商認為在WiMAX網絡上開展移動流媒體業(yè)務，將是WiMAX技術應用的潛在市場。

2006年10月16日，互聯網周刊報道：上海市的嘉定區(qū)目前正在實施一項規(guī)模宏大的信息化工程：建設中國內地第一個“無線城市”項目。隨著建立無線城域網的城市日益增多，基于無線城域網的無線視頻監(jiān)控系統必將成為另一個研究熱點。將WiMAX導入安全監(jiān)控領域，將是廠商拓展市場最有效的方法之一。隨著WiMAX技術的成熟和產品的上市，具有WiMAX傳輸技術的無線安全監(jiān)控系統，距離普及之日已不遙遠。

4.基于3G的無線視頻監(jiān)控應用

為了保證視頻文件的傳輸就必須有足夠的網絡帶寬，不同的流媒體文件對網絡帶寬的要求各不相同，為了達到更好的視頻質量，網絡帶寬就更為重要。當前市場上常見的利用公眾移動通信網絡進行監(jiān)控傳輸的產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無線網絡技術也在加速創(chuàng)新，3G無線接入設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)務的國家，其3G手機的服務覆蓋區(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有了更多用武之地，使用者可以直接透過3G手機對家庭情況進行監(jiān)控。

在我國，隨著3G移動通信系統走向實用，高至2MHz的帶寬將為無線視頻監(jiān)控提供更加強有力的支持，此時視頻的質量將會有極大的改善。此外，未來的3G系統也將考慮公眾移動通信網絡與WLAN系統的融合，用戶將有可能真正實現“任何時間、任何地點、任何終端”的無縫式無線視頻監(jiān)控。

5.基于無線數據通信網絡的低成本無線監(jiān)控應用

基于Zigbee的語音通信和基于無線數傳電臺的低端應用主要是用來傳輸低速數據和語音，但是在視頻實時性要求不高的情況下，也可以用來傳輸低質量的視頻。

四、無線視頻監(jiān)控系統的應用及展望

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

在無線視頻監(jiān)控應用過程中，如果覆蓋范圍達到數十公里時，基于無線城域網的視頻監(jiān)控會是個一個很好的解決方案,與WiFi之間存在著互補和競爭的關系。隨著市場需求和各領域的融合之勢的愈加明顯，移動視頻已經逐步走向市場。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移動網絡可以很好的應用到未來的數字家庭網絡中。