基于GPRS的無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

張 偉

(咸陽師范學(xué)院圖形圖像處理研究所，咸陽 712000)

1 引言

隨著通信技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，目前圖像監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安保、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域，有線圖像監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟和完善。然而，隨著圖像監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，有線圖像監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足社會的需求(如車載遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng))。無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)以其靈活性強(qiáng)、線路架設(shè)簡單、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)適應(yīng)了社會的需求［1］。利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，既避免了開發(fā)新的頻率資源，又開辟了無線監(jiān)控新領(lǐng)域，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

2 GPRS 介紹

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡稱，是在現(xiàn)有的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。

2.1 GPRS的特點(diǎn)與優(yōu)勢

GPRS 移動通訊業(yè)務(wù)具有高速數(shù)據(jù)傳輸，永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，按流量收費(fèi)的資費(fèi)方式，使GPRS 通訊具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。因此，當(dāng)前GPRS 技術(shù)許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、車載導(dǎo)航等。GPRS的主要特點(diǎn)如下［2］:

(1)GPRS 采用分組交換技術(shù)，優(yōu)化了對網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用。

(2)永遠(yuǎn)在線。即用戶隨時與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳送時，網(wǎng)絡(luò)與用戶之間保持一種邏輯上的連接，用戶再次上傳數(shù)據(jù)不需要重新接入網(wǎng)絡(luò)。

(3)GPRS 網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。

(4)GPRS 采用分組交換技術(shù)的傳輸模式，多個用戶可高效率地共享同一個信道，從而提高了資源利用率，優(yōu)化了對網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用。

(5)GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP 技術(shù)，很方便地實(shí)現(xiàn)與高速發(fā)展的IP 網(wǎng)無縫連接。

2.2 選用的GPRS 模塊

該系統(tǒng)選用的是驛唐公司MD－609G 低功耗專用GPRS DTU，本產(chǎn)品除了功耗低、適應(yīng)電池供電等需要降低功耗的場合外還具有以下特點(diǎn)［3］:

(1)支持兩端都是GPRS的無線點(diǎn)到點(diǎn)、多點(diǎn)到點(diǎn)通信;

(2)支持同時連接4個數(shù)據(jù)中心;支持GPRS 和短信切換備份通信功能;

(3)支持服務(wù)器端遠(yuǎn)程更改DTU 配置項(xiàng);

(4)支持遠(yuǎn)程重啟設(shè)備;

(5)支持串口通信，虛擬串口完全零編程。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個監(jiān)控系統(tǒng)由視頻采集終端和監(jiān)控中心兩大部分構(gòu)成，如圖1。視頻采集終端包括視頻輸入、信號處理單元和GPRS 模塊。首先將攝像頭采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號直接送入DSP 進(jìn)行JPEG2000 格式的壓縮和處理，生產(chǎn)的碼流放入緩沖區(qū)。視頻采集終端同時還受到監(jiān)控中心的控制，根據(jù)指令要求進(jìn)行攝像頭的伸縮以及電源開關(guān)控制等操作。在監(jiān)控中心將接收到的UDP 包解包處理后放入緩沖區(qū)進(jìn)行解碼，解碼后的數(shù)據(jù)信息可以直接進(jìn)行播放，或存入數(shù)據(jù)庫，用戶可根據(jù)需要對歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)查看。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

4 主要功能模塊設(shè)計

4.1 視頻采集結(jié)構(gòu)及采集過程

圖2為視頻采集終端結(jié)構(gòu)圖，其中包括視頻輸入單元，數(shù)據(jù)存儲單元和GPRS 模塊等。信號處理單元采用 TI 公司多核數(shù)字信號處理器TMS320C6472［4］，主頻達(dá)1.5GHz，具有較強(qiáng)的數(shù)字處理能力，同時外圍集成了豐富的音頻、視頻及網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備接口。數(shù)字信號處理器與GPRS 模塊通過串口直接相連，數(shù)字處理器模塊內(nèi)置了自動網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議處理模塊，開機(jī)后就能自動鏈接到GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，與監(jiān)控中心建立通信，可以隨時接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 視頻采集終端結(jié)構(gòu)圖

視頻圖像通過視頻解碼器IRD2600 輸入到TMS320C6472的PPI 接口上。TMS320C6472的PPI采用DMA 方式，將視頻圖像存儲到外部存儲器SRAM 中。當(dāng)一幀圖像存放在SRAM 之后，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中，TMS320C6472 對數(shù)據(jù)按照所需的視頻格式壓縮處理后，通過RS－232 接口發(fā)送到GPRS 模塊MD－609G，再由MD－609G 將信號發(fā)送出去。

4.2 系統(tǒng)硬件初始化

視頻圖像輸入前，首先對系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化:

4.3 基于小波變換的算法設(shè)計

小波變換對原始信號可以在時域和頻域上進(jìn)行多分辨率分解。二維圖像進(jìn)行小波變換時，首先把原圖像的像素值矩陣變換成一個便于壓縮的稀疏矩陣，經(jīng)過變換后源圖像被分解成幾個子圖像，每個子圖像包含了原始圖像中的不同頻率成分［5］。圖像壓縮時只對低頻子圖進(jìn)行編碼而丟棄三個細(xì)節(jié)子圖。在實(shí)際應(yīng)中可以將三個細(xì)節(jié)子圖保留下來，與低頻子圖一起進(jìn)行編碼，這樣在解碼時才能保證恢復(fù)出完整的圖像。如果只需要一個小尺寸的圖像，則可以直接解碼低頻子圖編碼?？梢詫Φ皖l子圖進(jìn)行二次分解，經(jīng)二次分解后，低頻子圖的尺寸降到了原始圖像的十六分之一，可見基于小波變化的算法設(shè)計既能滿足高的壓縮比又能滿足高清晰的圖像要求。

設(shè)離散小波正變換的輸入為填充分量采樣I(x，y)和分解層次NL，輸出子帶系數(shù)ab(mb，nb)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)輸入填充分量采樣I(x，y)和分解層次NL;

(2)分解層次NL 與當(dāng)前層次lev 比較，如果lev ＜NL，進(jìn)行下一層分解，即第(3)步處理;如果lev ＞NL，直接輸出子帶系數(shù);

(3)對圖像數(shù)據(jù)的列進(jìn)行一維小波正變換;

(4)當(dāng)前列數(shù)n 與數(shù)組最大列數(shù)nmax比較，如果n ＜nmax時，繼續(xù)處理下一列，進(jìn)行第3 步處理;如果n ＞nmax時，列處理結(jié)束，進(jìn)行第(5)步處理;

(5)對圖像數(shù)據(jù)的行進(jìn)行一維小波正變換;

(6)當(dāng)前的行數(shù)m 與數(shù)組最大行數(shù)mmax比較，如果m ＜mmax時，繼續(xù)處理下一行，進(jìn)行第(5)步處理;如果m ＞mmax時，行處理結(jié)束，進(jìn)行第(7)步處理;

(7)進(jìn)行二維系數(shù)的反交錯處理。然后跳回第(2)步進(jìn)行處理。

圖3 離散小波正變換流程圖

4.4 運(yùn)動估計優(yōu)化

4.5 運(yùn)動估計優(yōu)化前后性能比較

通過采用以上的運(yùn)動估計優(yōu)化算法，在不影響正常監(jiān)控的情況下發(fā)現(xiàn)每幀數(shù)據(jù)的處理速度有明顯提高，如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后圖像壓縮時間比較

5 結(jié)束語

選用 TI 公司多核數(shù)字信號處理器TMS320C6472 及驛唐公司MD－609G 低功耗專用GPRS 模塊對基于GPRS的無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，對基于小波變換的算法進(jìn)行了設(shè)計。通過對視頻圖像運(yùn)動估計的優(yōu)化，可以看出在不影響視頻質(zhì)量的前提下，使得視頻數(shù)據(jù)的壓縮速度得到了大幅提升。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了無線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時性強(qiáng)、圖像清晰、數(shù)據(jù)處理容量大的要求。

［1］李樹新.基于GPRS的無線報警系統(tǒng)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［2］易飛，余剛，何凌，等.GPRS 網(wǎng)絡(luò)信令實(shí)例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［3］MD－609G GPRS DTU 產(chǎn)品介紹［DB/OL］.http://www.cnledw.com/product/detail－13086.htm，2013－7－10.

［4］TMS320C6472模塊特性［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/tool/cn/tmdsevm6472，2013－7－9.

［5］成禮智.小波的理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［6］胡平，韓興.基于3G的無線實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2011，32(12):4018－4018.