基于3G網(wǎng)絡的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)

周 勇

海南省公安消防總隊,海南?？?571100

基于3G網(wǎng)絡的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)

周 勇

海南省公安消防總隊,海南?？?571100

目前3G網(wǎng)絡已廣泛應用于社會生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。3G技術(shù)的發(fā)展使傳輸各種多媒體信息成為可能，3G移動通信技術(shù)以其高速率、高度靈活性的特點，被廣泛用于多媒體通信中。本文闡述了3G網(wǎng)絡下的消防視頻監(jiān)控，將3G網(wǎng)絡的圖像通信與衛(wèi)星通信相比較，并說明了系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

3G；視頻監(jiān)控；衛(wèi)星通信；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

當今信息社會的發(fā)展對通信提出了更高的要求，人們希望集話音、數(shù)據(jù)、圖像于一體的多媒體通信。而3G通信技術(shù)的發(fā)展使這種多媒體通信成為可能，并且已廣泛應用到社會生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。本文中的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要是指將火災現(xiàn)場的圖像、語音信息通過3G網(wǎng)絡發(fā)送到指揮中心。對于在辦公室的領(lǐng)導及指揮員，可以通過移動終端獲取火場圖像信息，從而實現(xiàn)對火場實時、跨區(qū)域指揮調(diào)度。

1 視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展概況

隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)、無線技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，推動了視頻監(jiān)控技術(shù)的迅速發(fā)展[1]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為4個階段：

第一，本地模擬視頻監(jiān)控。系統(tǒng)一般采用模擬方式傳輸，即采用視頻電纜，少數(shù)采用光纖傳輸，它主要應用于小范圍的監(jiān)控，而且監(jiān)控圖像一般只能在控制中心查看，地理位置受限而且還存在成本高、管理復雜、監(jiān)控質(zhì)量不高等特點。

第二，基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。先將攝像頭采集的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再利用壓縮卡對信號進行壓縮處理，最后通過網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控終端的PC機，終端PC機再對數(shù)據(jù)進行解壓，重現(xiàn)遠端的圖像。與模擬視頻監(jiān)控相比，基于PC的視頻監(jiān)控具有傳送距離遠、圖像質(zhì)量好、成本低等特點，但還是存在很多問題，如體積大、功耗高、實時性不強、可擴展性差等特點。

第三，基于嵌入式技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在監(jiān)控現(xiàn)場采用嵌入式技術(shù)，攝像機傳送來的視頻信號和麥克風的音頻信號數(shù)字化由高效壓縮芯片壓縮，通過組播方式傳送到網(wǎng)絡上。網(wǎng)絡上的用戶可直接用監(jiān)控終端軟件收看監(jiān)控現(xiàn)場的圖像。它最大的特點是把視頻壓縮和網(wǎng)絡傳輸功能集成到一個體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接接入以太網(wǎng)，做到即插即用，安裝方便。

第四，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在有線的互聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)幾乎趨近于完美的時候，對于很多地方不方便布線，這時我們就需要移動監(jiān)控設(shè)備，則無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)則以其移動靈活性而倍受關(guān)注。無線網(wǎng)絡監(jiān)控的優(yōu)點包括：布控區(qū)域廣闊、系統(tǒng)擴展能力強；沒有線纜長度和信號衰減的限制，系統(tǒng)無縫擴展能力強；組網(wǎng)方式靈活、多樣；安全性高，采用信道及網(wǎng)絡加密等技術(shù)。

隨著無線網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，無論從視頻監(jiān)控角度還是從視頻傳輸角度，都與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，無論是移動終端到Internet的視頻監(jiān)控還是Internet到移動終端的視頻服務，其應用領(lǐng)域?qū)⑾喈攺V泛。

這4個階段，每一階段的傳輸方式都存在不足，要因地制宜，選擇不同方式系統(tǒng)，滿足不同的需求。在消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，本文主要研究基于3G無線網(wǎng)絡的圖像傳輸，這是消防信息化建設(shè)的要求，也是信息社會發(fā)展的必然趨勢。

2 移動通信的發(fā)展歷程

2.1 移動通信技術(shù)的發(fā)展

移動通信的發(fā)展經(jīng)歷了模擬移動通信（1G）、數(shù)字移動通信（2G）、第三代移動通信（3G）。第一代模擬移動通信主要實現(xiàn)語音業(yè)務，是基于電路交換方式實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的傳送。它具有頻譜利用率低、終端笨重昂貴、漫游范圍小、安全性低等缺點；第二代數(shù)字移動通信主要實現(xiàn)語音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務，具有容量小、制式不兼容、數(shù)據(jù)傳輸速率低等缺點；在第三代移動通信出現(xiàn)之前，發(fā)展成為了2.5G，即使用分組交換概念，它比2G在傳輸數(shù)據(jù)速率方面有了明顯提高，但是對于大容量的數(shù)據(jù)，視頻等就無法順利傳輸。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，第三代移動通信（3G）滿足了人們的需求，它的出現(xiàn)使傳輸各種多媒體信息成為可能，它提供了語音，多類型、高質(zhì)量的多媒體業(yè)務。它的優(yōu)點是：具有更大的系統(tǒng)容量、更高的傳輸速率、豐富的業(yè)務各類、更好的語音質(zhì)量及更綠色的使用環(huán)境，給人們的生產(chǎn)、生活和娛樂提供一個全新的平臺。國際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年5月確定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流無線接口標準作用3G的三大技術(shù)標準。

2.2 第三代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡演進[2]

ITU最初在構(gòu)思第三代移動通信系統(tǒng)時，曾希望制訂出一套全球統(tǒng)一的移動通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。但由于第三代移動通信標準化時，第二代移動通信的規(guī)模已經(jīng)極為龐大，在這樣的情況下，如何使未來的第三代移動通信網(wǎng)能夠兼容現(xiàn)有不同體制的網(wǎng)絡自然成為不可避免的問題。由于北美和歐洲第二代移動通信核心網(wǎng)絡差別較大，難以用統(tǒng)一的方法兼容現(xiàn)有的各種系統(tǒng).因此，ITU被迫提出了IMT-2000核心網(wǎng)絡“家族”這一概念，這實際上意味著北美移動通信網(wǎng)絡和基于GSM MAP標準的歐洲移動通信網(wǎng)絡將采用不同的方式演進到未來的第三代移動通信系統(tǒng)。

未來的移動通信網(wǎng)絡將向IP化方向演進，未來的移動通信網(wǎng)絡將是一個全IP的分組網(wǎng)絡。對此，兩個主要的第三代移動通信標準化組織3GPP和3GPP2,都將第三代移動發(fā)展的目標高定為全IP網(wǎng)。未來的移動通信核心網(wǎng)絡將采用寬帶IP網(wǎng)絡，在此IP網(wǎng)上，承載從實時話音、視頻到Web瀏覽、電子商務等多種業(yè)務，它將是一個電信級的多業(yè)務統(tǒng)一網(wǎng)絡，在無線部分使用寬帶無線接入技術(shù)。未來的移動通信網(wǎng)絡將真正實現(xiàn)移動和IP的融合。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)功能

3.1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

將視頻監(jiān)控和無線網(wǎng)絡相互結(jié)合，將難于布線的被監(jiān)控點與控制中心連接起來，達到無線監(jiān)控的目的[3]。對于不在指揮中心的指揮員或領(lǐng)導來說，可以實時了解火場情況，能夠及時對現(xiàn)場進行指揮調(diào)度，提出救援方案。圖1為無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本框圖。

基于無線網(wǎng)絡的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)由車載（手持）終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡及監(jiān)控中心3部分組成。

基于無線網(wǎng)絡的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過車載音視頻攝錄裝置，將災害現(xiàn)場、消防車內(nèi)部監(jiān)控信息攝錄并存儲于車載存儲設(shè)備中，同時可以通過無線網(wǎng)絡實時上傳到指揮中心，對于不在指揮中心的領(lǐng)導想實時了解災害現(xiàn)場情況，就可以通過手持終端通過內(nèi)部網(wǎng)絡訪問指揮中心，實時獲取現(xiàn)場圖片，從而實現(xiàn)對消防車輛進行監(jiān)控和現(xiàn)場指揮調(diào)度。同時，監(jiān)控中心也可以根據(jù)需要，利用無線網(wǎng)絡對特定車輛進行音視頻、圖片抓取或點播。

3.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個或多個地面站之間進行的通信過程或方式。衛(wèi)星通信屬于宇宙無線電通信的一種形式，工作在微波頻段。與其它通信系統(tǒng)相比較，衛(wèi)星通信有覆蓋區(qū)域大、通信距離遠、頻帶寬、可靠性高、通信機動靈活等特點。消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務速率能滿足低速、中速、高速業(yè)務需求。并具有動態(tài)的按需分配帶寬功能。衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在衛(wèi)星視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，火場消防移動指揮車所拍攝的視頻圖像數(shù)據(jù)通過通信衛(wèi)星被地面站接收，再傳到各級監(jiān)控指揮中心，從而了解火場情況，實現(xiàn)了部局、總隊及支隊的互通，完成上級對下級的調(diào)度和下級對上級的反饋工作。但是利用衛(wèi)星通信來傳送圖像無疑會使系統(tǒng)成本增高，難于運行維護，而且衛(wèi)星通信的傳輸距離遠，導致系統(tǒng)時延增大，影響圖像傳輸?shù)膶崟r性。

3.3 3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，利用3G手機對火災現(xiàn)場的情況實時監(jiān)控，可以實現(xiàn)任意時間、任意地點對火場的監(jiān)控。利用3G網(wǎng)絡的高速率傳輸火場圖像信息，能夠使指揮人員在任意地點獲取實時獲取現(xiàn)場圖像，只要基站所能覆蓋的區(qū)域都可以通過3G網(wǎng)絡進行信息傳遞，極大地方便了各領(lǐng)導對火場的指揮調(diào)度。而且3G網(wǎng)絡的建設(shè)要比衛(wèi)星通信網(wǎng)建設(shè)投資少、易于管理、方便維護，圖3為3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖。

圖3 3G手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于3G網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可真正實現(xiàn)任意時間、任意地點的監(jiān)控。移動指揮車在火災現(xiàn)場所拍攝的火場圖像可通過3G網(wǎng)絡發(fā)送到指揮中心，由指揮中心的指揮員對現(xiàn)場情況及時調(diào)度指揮。而對于不在指揮中心的指揮員或其他領(lǐng)導可利用手機或PDA通過3G網(wǎng)絡去訪問火場指揮車服務器，實時獲到話音、圖像信息，從而對救援工作做出重要決策。而在火災現(xiàn)場的作戰(zhàn)員也可配置帶3G手機或PDA，在一般災情以及衛(wèi)星指揮車未到達現(xiàn)場時，可以將現(xiàn)場音視頻第一時間發(fā)送給各級指揮中心，使指揮員對火勢有一定了解，從而實施快速、高效的救援工作。

在這里，重點對衛(wèi)星指揮車與3G手機、PDA用戶作出特殊要求。衛(wèi)星指揮車，需要配備專業(yè)衛(wèi)星編解碼器和會議終端方式，編解碼器簡單耐用，在移動中有良好的視頻效果和快速恢復能力，在現(xiàn)場指揮時能夠快速實現(xiàn)多方互動以及數(shù)據(jù)協(xié)作等功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 視頻壓縮編碼

對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻傳輸是關(guān)鍵。為了保證監(jiān)控現(xiàn)場的圖像實時、準確地傳送到監(jiān)控中心，對視頻傳輸有特定的要求，如最低傳輸速率、小的時延、平穩(wěn)性及小的丟包率等要求。對于視頻傳輸最關(guān)鍵的是視頻壓縮，沒有壓縮過的圖像體積龐大，難以存儲，無法實現(xiàn)實時傳輸。視頻壓縮就是將視頻信號中主觀和客觀的冗余信息去除，在盡量不影響視頻圖像效果的前提下，達到減少視頻圖像文件的大小，其核心是利用人的視覺心理特性以及信息論的理論，去除視頻圖像中的信息冗余部分，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的[4]。

目前，廣泛應用的視頻壓縮標準為MJPEG、MPEG4、H.264。MJPEG的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。MJPEG功能很強大，能發(fā)送高質(zhì)圖片，生成完全動畫視頻等。相應地MJPEG對帶寬的要求也很高，相當于T-1。MJPEG信息需要大量的存儲空間以滿足如今多數(shù)用戶的需求。MPEG4是一種適用在低帶寬下進行信息交換的音視頻處理技術(shù)，它的特點是可以動態(tài)的偵測圖像各個區(qū)域變化，壓縮碼流更低，特點是壓縮比高、成像清晰。H.264是繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應用亮點。具有低碼流、高質(zhì)量圖像、容錯力強、網(wǎng)絡適應性強的特點。

4.2 視頻傳輸協(xié)議

視頻傳輸協(xié)議對圖像質(zhì)量及監(jiān)控系統(tǒng)的性能也起著決定性作用。在網(wǎng)絡層上上使用的視頻傳輸協(xié)議有TCP和UDP。雖然TCP傳輸提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)。但它不適合實時視頻傳輸。TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)復雜，對于有錯誤的數(shù)據(jù)信息有重傳機制，這樣在實時視頻傳輸系統(tǒng)中會大大加大系統(tǒng)延時，影響監(jiān)控質(zhì)量。而UDP則沒有重傳機制。所以在實時性要求高的監(jiān)控系統(tǒng)中，適合使用UDP協(xié)議傳輸視頻圖像。RTP/RTCP是一種應用型的傳輸層協(xié)議，它并沒有提供任何傳輸可靠性的保證和流量擁塞控制機制。RTP協(xié)議位于UDP協(xié)議之上，在功能上獨立于下面的傳輸層（UDP）和網(wǎng)絡層，但不能單獨作為一個層次存在，通常是利用低層的UDP協(xié)議對實時視頻數(shù)據(jù)進行組播或單播，從而實現(xiàn)多點或單點視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

5 結(jié)論

隨著3G網(wǎng)絡的不斷完善，3G視頻監(jiān)控的應用也越來越廣泛。3G與固網(wǎng)的融合實現(xiàn)了視頻監(jiān)控終端的無線布放。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)迅速發(fā)展過程中，基于TCP/IP網(wǎng)絡，只要IP可達，即可方便靈活地布放前端攝像頭，實現(xiàn)手機監(jiān)控。將3G網(wǎng)絡應用到消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)任意時間、任意地點對災害現(xiàn)場的指揮調(diào)度。3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會在消防通信指揮中發(fā)揮其巨大作用，滿足消防業(yè)務需求。

[1]王軍選.未來移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].通信技術(shù)，2009，42(9)：142-147.

[2]本書編委會.移動通信技術(shù)分冊[M].北京：北京郵電大學 出版社，2002.

[3]李秀.坤無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009 (23)：95-97.

[4]季虹.視頻圖像處理與傳輸技術(shù)研究及應用.西安：西安電 子科技大學，2007.

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