基于3G技术的GPS无线视频监控系统的应用

　　一、概述

　　随着公交、客运事业发展，公交运营过程中的安全、管理问题也越来越被重视。公交、长途客运过程中的实时安全监控和管理问题已被提到一个新高度，在公交、长途客运过程中做好安全监控就势在必行。基于3G的GPS无线视频监控系统对车辆实施实时安全监控，能极大的控制运营安全，而且能从根本上解决乘客与营运人员因逃票、服务态度等问题而产生的纠纷，以及司乘人员在车辆驾驶过程中存在超速、超载及车辆行驶过程中不按照预定路线行驶绕道兜客等违规行为。该系统的应用能最大限度减少安全管理漏洞带来的生产损失，同时，对提高服务质量，解决纠纷问题、提高旅途安全和减少事故的发生也具有极其重要的意义。

　　二、系统总体结构

　　"基于3G技术的GPS无线视频监控系统"是一套功能完善的，高效率且性价比极高的无线网络多媒体视频监控系统。它是将3G无线数据通信功能，数字视频编解码 ，GPS定位和监控功能融合为一体，并采用嵌入式设计完成的便携式产品。

　　图1 系统结构框图

　　该系统采用先进的3G通信技术，支持下行速率达7.2Mbps和上行速率为5.76Mbps的数据传输速度，同时通信的最大输出功率低至0.25W。使设备实时在线，音频和视频可以高速实时回传。实现高质量语音通话、多媒体广告娱乐视频广播等功能。

　　先进的DSP并行处理技术，可同时对音视频数据进行高速高质量压缩解压，压缩输出码率32K-8M（单位：bps）可调，可同时处理4路视频输入和2路音频输入，2路视频输出和2路音频输出。

　　先进的32位ARM软硬件设计技术，ARM9处理器工作频率可达300MHz，配合winCE或linux操作系统，可处理GPS卫星定位信号，3G高速数据传输，可带多功能智能报站器，无线智能IC卡、记录仪、计价器等外设。

　　大容量数据高速存储技术，支持大容量SATA硬盘及高速大容量SD卡，容量支持高达2000GB，可用于音视频数据实时保存。

　　智能GPS定位技术，采用高精度GPS定位芯片，使设备所确定的位置与实际位置的偏差小于50m。

　　智能远程升级技术，可不拆卸设备实现远程更新系统应用程序，增加新功能。

　　工业级温度设计，工作温度可达-20℃～70℃。能够在各种恶劣环境下稳定工作。系统应用模式如下：

　　图2 系统应用模式

　　系统功能及特征参数；

　　?H.264视频压缩、ADPCM（G. 726）音频压缩；

　　?支持1～4路视频（如使用红外摄像头则可支持夜视功能）；

　　?视频帧率可自适应，调节范围为1 帧/秒～25帧/秒（NTSC制式最高可达到30 帧/秒）；

　　?视频码率可根据当前网络状况自适应在20Kbps-2Mbps范围内连续可调；

　　?支持双向音频实时传输；

　　?分辨率D1、CIF、QCIF可选，最高25帧/秒（PAL）、30帧/秒（NTSC）；

　　?RS485透明通道连接支持远程云台控制功能；支持IEEE802.11b/g/n、CDMA1X、EVDO、EDGE、TD、WCDMA等无线传输技术；

　　?支持本地录像存储(可选配件支持,支持提取一段时间录像的功能)同时可实现抓拍功能；

　　?支持GPS定位；

　　?可支持紧急报警及超速报警；

　　?宽电压供电（9～60VDC）；

　　三、3G移动通信技术

　　所谓3G，其全称为3rd Generation，中文含义就是指第三代数字通信。1995年问世的第一代数字手机只能进行语音通话；而1996到1997年出现的第二代数字手机便增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页；第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。国际电信联盟(ITU)确定3G通信的三大主流无线接口标准分别是W-CDMA(宽频分码多重存取)、CDMA2000(多载波分复用扩频调制)和TDS-CDMA(时分同步码分多址接入)。

　　CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、语音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。

　　采用以拓频通信为基础的一种调制和多址通信方式，其容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍，故基于宽带技术的CDMA使得移动通信中的视频应用具有GSM无法比拟的优势。

　　3G每个载扇容量远远高于2G，多种技术如功控、TURBO编码、增强覆盖等的应用能极大增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。

　　四、视频的存储与传输

　　系统将摄像机采集的视频图像经过视频压缩编码模块压缩，通过3G无线网络实时传输到中心监控服务器，实现了对视频数据的采集，传输，编解码，流媒体转发等功能。系统结合3G无线通信网络和Internet 网络的优势，令您随时随地都可以迅速接入系统，轻松便捷地进行远程监控管理。

　　该基于3G的GPS无线视频监控系统采用模块化设计，可以选择不同运营商的无线网络进行数据传输，系统采用先进RTP/SCTP协议标准传输多媒体数据，使其能够架构在局域网，广域网和无线网络上，并具有优越的移动传输性能和可扩展性。

　　视频采集系统由无线视频终端和摄像机组成。其中无线视频终端作为核心设备，负责将摄像机采集的各监控点的视频图像经过H.264 压缩编码后的图像信息流通过无线网络上传到中心服务器，服务器通过TCP/UDP 方式将视频发送到监控客户端。

　　五、H.264视频压缩

　　H.264是国际电信联盟ITU-T和国际标准化组织ISO联合开发的新一代视频压缩编码标准。

　　H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络提取层（Network Abstraction Layer，NAL）两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。

　　H.264采用了帧内预测、帧间预测、运动估值和运动补偿、整数变换等方式，以提高对图像的压缩率。

　　由于H.264具有较高的压缩比、很好的分层结构和网络适应性,在未来的数字视频和存储领域有着广阔的应用前景。

　　六、视频编码技术及特性

　　● 性能优势

　　H.264与MPEG-4、H.263++编码性能对比采用了以下6个测试速率：32kbit/s、10F/s和QCIF；64kbit/s、15F/s和QCIF；128kbit/s、15F/s和CIF；256kbit/s、15F/s和QCIF；512kbit/s、30F/s和CIF；1024kbit/s、30F/s和CIF。测试结果标明，H.264具

有比MPEG和H.263++更优秀的PSNR性能。

　　H.264的 PSNR比MPEG-4平均要高2dB，比H.263++平均要高3dB。

　　● 新的快速运动估值算法

　　新的快速运动估值算法（UMHexagonS）是一种运算量相对于H.264中原有的快速全搜索算法可节约90％以上的新算法，全名叫"非对称十字型多层次六边形格点搜索算法"（Unsymmetrical-Cross Muti-Hexagon Search），这是一种整像素运动估值算法。它在高码率大运动图像序列编码时，保持较好失真率性能，且运算量十分低。

　　● 帧间编码帧的掩盖算法

　　与帧内编码帧不同的是，帧间编码帧的掩盖不再在像素域内直接操作，而是通过对丢失像素的区域(宏块)在空间上和时间上相邻的宏块的运动信息进行分析来"猜测 该区域的运动，被"猜测 的运动向量通过使用参考帧来进行运动补偿。在这个算法中，就是将这些直接拷贝来的像素值作为掩盖时所要用的最终的重建像素值。

　　● 边界匹配算法

　　该方法用前一帧相应位置图像块的运动补偿块来预测当前受损的图像块。寻求受损块的最佳匹配块的方法是在前一帧中寻找最佳匹配块的运动向量。因为帧中空间上相邻区域的运动相关性很大，所以丢失了的宏块的运动向量就用空间上相邻的宏块的运动向量来预测。到底用哪一个相邻块的运动向量预测当前宏块，取决于掩盖后(重建)图的平滑度。在这个寻找的过程中，用每个候选块的运动向量(运动补偿像素值)来计算掩盖像素值。将一个块插入到帧中，如果它使得边界像素的亮度变化最小，那么它就是要找的最佳匹配块，这一过程如图三所示。

　　图3 挑选用于预测的运动向量

　　被挑出来的用于预测的运动向量就是使边界匹配误差最小的那个运动向量。这个匹配差值是前块边界处块里像素和其相应的块外像素的亮度差值的绝对值的和。计算方式如式(1)：其中 为预测块边界，Y为当前帧周边块边界，N为边界长度。边界匹配算法主要用于P帧，尤其适合运动不是很剧烈的视频序列，

　　<1>

　　●层次化运算

　　采用8×8像素块层次化到2×2像素块，变换就变得快捷。检出运动矢量时，最初的模块大，运动矢量的检出范围大，搜索快捷。当检出到有动作的部分再调入小模块细分析。H.264进行运动预测的模板多，一旦先进全面检索，需要的时间就很长，运算量也大。而采用层次化处理，先进行模板的收缩，接着小范围检索，就能减少计算量。在帧内预测中利用层次化后，残差计算的范围就能变小，极大地减少计算量。

　　图4 以层次化提高运算效率

　　●多种更好的运动估计

　　1、高精度估计

　　在H.263中采用了半像素估计，在H.264中则进一步采用1/4像素甚至1/8像素的运动估计。即真正的运动矢量的位移可能是以1/4甚至1/8像素为基本单位的。显然，运动矢量位移的精度越高，则帧间剩余误差越小，传输码率越低，即压缩比越高。

　　2、多宏块划分模式估计

　　在H.264的预测模式中，一个宏块（MB）可划分成7种不同模式的尺寸，这种多模式的灵活、细微的宏块划分，更切合图像中的实际运动物体的形状，于是，在每个宏块中可包含有1、2、4、8或16个运动矢量。

　　3、多参数帧估计

　　在H.264中，可采用多个参数帧的运动估计，即在编码器的缓存中存有多个刚刚编码好的参数帧，编码器从其中选择一个给出更好的编码效果的作为参数帧，并指出是哪个帧被用于预测，这样就可获得比只用上一个刚编码好的帧作为预测帧的更好的编码效果。

　　●小尺寸4×4的整数变换

　　H．264对图像预测残差采用4×4像素大小的块进行变换编码，与传统的浮点型DCT变换不同，它采用整型变换编码，使得变换仅用整数加减法和移位操作即可实现。整数的引入降低了算法的复杂度，也避免了反变换的失配问题。H．264 的二维整型变换可以分解为一维的形式．其变换公式为：a、b、C、d是4个待变换的点，A、B、C、D是对应的4个变换系数．则可以用以下公式来表示a、b、C、d点的正变换：

　　A=13a+13b+13c+13d，B=17a+7b-7c-1 7d

　　C=13a-13b-13c+13d，D=7a-17b+17c-7d

　　反变换公式如下：

　　A'=13A+17B+13C+7D，b'=13A+7B-13C-17D

　　C'=13A-7B-13C+17D，d'=1 3A-17B+13C-7D

　　其中a和a'的关系是a'=676a。

　　在H.264中采用小尺寸的4×4块，由于变换块的尺寸变小了，运动物体的划分就更为精确。这种情况下，图像变换过程中的计算量小了，而且在运动物体边缘的衔接误差也大为减少。

　　当图像中有较大面积的平滑区域时，为了不产生因小尺寸变换带来的块间灰度差异，H.264可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DCT系数进行第二次4×4块的变换，对色度数据的4个4×4块的DC系数（每个小块一个，共4个DC系数）进行2×2块的变换。

　　H.264不仅使图像变换块尺寸变小，而且这个变换是整数操作，而不是实数运算，即编码器和解码器的变换和反变换的精度相同，没有"反变换误差"。

　　图6 H.264 中的多分割模式

　　● 更精确的帧内预测

　　在H.264中，每个4×4块中的每个像素都可用17个最接近先前已编码的像素的不同加权和来进行帧内预测。

　　● 统一的VLC

　　H.264中关于熵编码有两种方法。

　　统一的VLC（即UVLC：Universal VLC）。UVLC使用一个相同的码表进行编码，而解码器很容易识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。

　　内容自适应二进制算术编码（CABAC：Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。其编码性能比UVLC好。

　　七、结束语

　　该系统应用基于3G平台。通过3G技术强大的数据容量，系统能高效稳定的传输采集的音频、视频信息。从而保证实时的安全监控能力和运营安全控制，而且能极好的提高服务质量、解决纠纷问题、提高旅途安全和减少事故的发生。