摘要：为处理学校内及用边视频监控点安置涣散等原因构成的无法完结长途视频监控问题，针对3G无线网络的特色，描绘了依据3G规范的无线视频监控体系要害技能的研讨与完结办法。在数据传输中运用RTP协议中时刻戳，处理音视频同步的问题，对监控体系的客户端与服务器端进行了规划。实践运用标明，该体系规划合理，可靠性好，能对学校表里方针完结有用监控。
要害词：学校安全；无线视频监控；3G网络；H．264编解码；流媒体
近年来，学校安全事故频发，辨认、阻挠外来人员的闯入和校内人员的不合法外出成为学校安全防备的要点。依据需求，我院进行了新一期数字化视频监控体系的建造。考虑到学校全体安防体系的规划，监控体系的可扩展性，与其他子体系的联动，校方挑选选用了全数字形式的建造计划。这种选用嵌入式专用服务器的体系具有网络通讯、视频处理、自动操控等多项功用，选用阅读／月艮务器结构，运用十分的方便。
在该体系中，虽然有一百多个前端的固定监控点，但关于面积较大的学校来讲仍是无法彻底满意用户的需求。例如，在某些区域因为视野遮挡或间隔过远等原因不能进行具体纪录，此外，学校内及周边还有许多的当地是视频监控死角，或许不便利运用固定的视频监控。因而，院方决定在体系中参加无线视频监控，以完善视频监控体系的功用性。
1 体系结构剖析与规划
传统的无线接入网络首要依托GSM、CDMA以及Wi-Fi等传输技能，但难以满意大数据量实时长途视频监控的要求，而现行的无线3 G网络能够处理以上问题。与传统网络比较，3 G的反向链路峰值速率显着高许多，呼应时刻短，在高速运动状况下的传输速度也快，并能够支撑音视频等多媒体数据。并且，3 G网络即便在雨、雾等环境下也不会构成信号的衰减，十分适宜在大学学校面积较大的这种条件下进行高质量的实时监控，体系结构如图1所示。
该计划中3 G无线视频监控体系选用C／S架构，由3部分组成，包含前端信号收集单元、无线网络传输单元和长途监控单元。前端单元担任对图画进行收集，并将拍照到的模仿视频信号转化为数字信号，通过编码器进行数据紧缩处理，最终运用3G网络将紧缩后的数据传送至监控中心，通过用户端完结实时显现。
2 无线监控体系前端规划与运用
2．1 设备的挑选与功用完结
前端设备有许多挑选，如无线摄像机、手机、PDA等。现在许多手机已具有高明晰的摄像功用，并且手机既可作为前端摄像机运用，也可作为客户端进行视频阅读。因而，在该体系中，运用3 G智能手机作为体系的前端，能够完结视频监控体系的以下功用：
1)运用手机内置高清摄像头获取现场视频数据并进行紧缩，通过3 G通讯网络把视频数据实时发送到长途操控中心，整个进程确保视频画面流通、明晰，实时性高。
2)体系通过3 G网络能够完结音视频同步传输，双向对讲功用。监控中心不只能够实时调查前端现场视频画面，一起还可收听前端现场声响以及与前端直接进行通话。
3)运用手机进行摄影，可立行将图片发送到监控指挥中心，并且支撑图片大小设置、对焦调理等功用，为获取现场高清图片供给了技能支撑。
4)运用手机GPS定位功用，能够随时对手机方位进行追寻，构成手机运转轨道线路，再与体系中电子地图相配合能够全方位了解前端状况，为中心指挥带来便利。
2．2 手机在视频监控体系中的特色
数字视频监控体系由摄像机、视频接入转发服务器、调度服务器和客户端构成。其间，转发服务器首要是完结摄像机视频流的接入和摄像机状况的获取，调度服务器首要进行摄像机状况的一致办理。固定装置的摄像机因为其IP地址是稳态的，转发服务可直接将摄像机接入体系，客户端也可直接向转发服务器获取视频流并进行播映。进程如图2所示。
1)接入转发服务器向体系中某路摄像机请求视频流；
2)契合请求IP地址的摄像机向接入转发服务器发送视频流；
3)接入转发服务器向调度服务器发送被选中的摄像机状况；
4)调度服务器向客户端发送该路摄像机状况。
但手机作为摄像机运用具有不接连性及IP地址不固定的特色，视频接入转发服务器就不知道当时有哪些手机需求接入视频监控体系，因而手机需自动衔接服务器以完结摄像机的接入，具体进程如图3所示。
1)手机先向调度服务器请求接入体系；
2)调度服务器再向接入转发服务器发送手机的IP地址；
3)接入转发服务器向手机请求视频流；
4)手机向接入转发服务器发送视频流；
5)接入转发服务器向调度服务器发送手机状况；
6)调度服务器向客户端发送手机状况。
2．3 手机操作体系与硬件要求
手机作为视频监控体系前端首要作业包含视频拍照、视频编码及发送码流，作为客户端运用时首要完结码流接纳与视频解码。这些都和手机的操作体系、硬件设备等有着密切联系。
现在大部分手机运用的操作体系为Android、iOS及WindowsPho-ne。手机摄像机首要完结视频编解码与码流传输，在开发时一般选用开源库，如用于视频编解码的ffmpeg和视频码流传输的irtblib，这些开源库根本都支撑Windows和Linux操作体系。Android是依据Linux渠道的开源操作体系，一切支撑Linux的开源库都能够移植到Android中运用。因而，从运用开源库的视点考虑，此计划中挑选运用广泛的Android手机操作体系作为规划目标。
手机既作为摄像机又作为客户端运用时，至少要处理各一路视频编解码。以明晰度为D1、帧率为20，编码方法为H．264的摄像机为例，来剖析下手机对CPU及内存等硬件的要求。
以视频播映器VLC为例，在CPU频率为3．2 GHz的PC机上播映一路D1格局视频时，需占用1％～4％的CPU和60MB的内存资源，解码是编码的逆进程，占用的资源相差不大。因而，CPU频率为1 GHz的手机处理一路视频编码和解码显现需求占用5％～30％的CPU和120 MB左右的内存。因为手机在运用时还有其它功用事务，因而手机在视频监控体系中运用时，其硬件最低装备为频率1 GHz的CPU和300 MB的内存。而当时干流手机都到达或超越该规划要求，彻底能够作为体系前端运用。
3 网络传输的完结
手机通过3 G网络接入视频监控体系，其无线传输模块集成了3 G的网络衔接端口协议，并以嵌入式方法完结TCP／UDP／IP、POP3／SMTP等传输协议，一起支撑3 G基站与动态IP的无线衔接与数据交换。TCP／UDP／IP协议具有拥塞操控和发动慢的特性，会影响到数据传输的速率，TCP协议通过3 G网络进行数据传输时，也会产生较多的网络流量，并占用带宽。别的，体系中前端手机运用的数量、视频的分辨率和帧率也会影响所需求的无线网络带宽。
为充分运用3 G网络最大答应带宽，该规划中引证混合编码框架下依据FPGA渠道的H．264紧缩编码规范对视频信号流量与网络带宽进行优化和谐。该编码方法面向3 G网络，不只可用量化步长的改变来习惯信道码率，并且可运用数据切割的方法来处理信道码率的改变，在相同输出码率状况下，与其他规范比较，其信噪比要高出许多。在较宽的位速率和像素范围内使编码功率进步了约45％，紧缩比可超越250：1，然后进步了体系传输的稳定性。
在实践运用中，依据视频流量计算公式
N=分辨率*帧速(fps)*色深(bit) (1)
式中：N为每秒单位数据收集量，bps。D1视频格局能够满意学校视频监控的需求。视频流经H．264编码紧缩后，仅有1．236 Mbps，音频选用G．711紧缩规范，每秒传输数据在8 kb～16 kb(与视频比较可忽略不计)。音视频流量彻底小于3G制式网络中上行速率下限1．8 Mbps的要求，体系传输质量到达最佳优化比，因而运用3G网络传输视频监控数据是彻底可行的。本规划中依据网络质量和实践需求，选用支撑1：90—1：250多档紧缩转化。以10路手机摄像机、紧缩比150：1、2TB存储硬盘为例，学校视频监控无线传输的流量计算成果如表1所示。
4 监控软件的规划
4．1 流媒体体系结构
体系中，流媒体的传输与播映是要害技能。流媒体技能是把接连得到的媒体信息通过紧缩后传至网络服务器，客户可完结边下载边观看，而无需将整部文件悉数下载完，所以流媒体技能十分适宜现场事情的播报，能够进行随机拜访和快进或后退观看。流媒体实时传输首要选用RTP／R%&&&&&%P及RTSP等网络协议，分实时流式传输和顺寻流式传输两种方法。实时流式传输能够确保媒体信号与网络衔接相匹配，媒体信息可被实时观看，并且答应对媒体进行多项的操控，运用比HTTP服务器便利。顺寻流式传输用的是次序下载，客户只能观看已下载的部分，可运用HTTP服务器，比实时流式传输要简略。
该规划选用了处理器与嵌入式操作体系并加上所需运用程序软件的实时传输方法。嵌入式操作体系选用Linux，流媒体体系由服务器和客户端组成，其间服务器是最要害设备。为此，该体系装备了专门的流媒体服务器与手机视频服务器，均选用了Dell PowerEdge R810。服务器由四个模块组成，别离担任数据收集、数据紧缩、数据打包和RTP包发送。数据收集模块是将音视频模仿信号转化成数字信号。从收集模块得到的数据经紧缩模块进行处理，能够削减网络传输数据量及进步传输功率。数据打包模块是向数据增加一些必要的包头信息(如数据类型、序列号、时刻信息等)，在客户端通过包头信息来完结音视频信号同步。包发送模块的效果便是将已打好包的数据通过3 G网络发送至客户端。
体系中客户端作业原理是服务器端的逆进程，在网络传输进程中因为网络推迟等要素会导致接纳到的数据包次序产生紊乱，有必要通过数据缓存模块来康复数据包的正常次序，从缓存模块输出的数据传入到同步调整模块，然后将同步调整后的数据包传入到数据解压模块和播映模块进行实时播映。整个嵌入式流媒体体系结构如图4所示。
4．2 监控数据同步的原理
关于体系来说，假如音视频数据不同步，就无法精确反映监控现场的实在情形。为处理该问题，在规划中，先在手机用户上运用RTP包中的时刻戳来符号每帧音视频信号的时刻信息，然后再将符号了时刻戳的信号流通过3 G网络发送至客户端。在客户端运用缓存来消除数据流中的延时以及康复数据包的正确次序，最终再将数据流送到同步调整模块中进行同步播映。同步调整模块里，在客户端规划一个参阅时钟，依据参阅时钟和接纳到的音视频信息时刻戳之间的联系，来判别当时的信号是马上播映仍是延时播映，或许是丢掉。参阅时钟首要以视频为主，对要害帧进行判别，算法如下：将接纳到的音视频信息别离存放到各自的缓存中，当缓存到必定数量时，开端播映，一起进行同步调整。当视频时刻戳小于音频时刻戳必定值时，阐明视频超前音频，需求等候；当视频时刻戳大于音频时刻戳必定值时，阐明视频滞后于音频，则需求加速播映，规划中采纳的是丢掉音频包，然后加速播映的速度。
体系在信号播映时接纳视频数据，假如进入解码器的首帧不是要害帧，会导致解码器无法读取，所以将视频数据写入缓存前先要进行一个首帧是否要害帧的判别。当缓存区内数据写入到达必定数量时，才开端读取，再获取各自的时刻戳信息，在音视频信号播映行进行同步调整，以到达同步播映的意图，规划如图5所示
4．3 播映软件运用程序规划
该体系选用嵌入式规划，Linux内核为图形处理界面供给最根本的底层驱动接口。运用程序不需求了解底层硬件的具体状况，只需通过节点对设备进行操作，就可完结图画的显现。体系中选用SDL开源同享库，底层运用API，在渠道间一致了接口。运用双线程规划，即用户界面线程与作业者线程。用户界面线程包含音视频数据同步播映及接纳响运用户的操作，然后再将作业者线程解码出的音视频数据传递给使
用者，如图6所示。
程序规划中，视频紧缩编码是十分要害的进程。该体系用的是H．264紧缩算法，它是由网络提取层NAL和视频编码层VLC两部分组成。 H．264规范对图画质量和编码功率进行了多项优化，且抗误码和抗丢包功能杰出，能习惯各种网络环境，用在对紧缩率要求高，网络环境杂乱的移动视频监控最为适宜。
客户端接纳的通过H．264紧缩编码后的数据，还需求通过H．264解码才能够显现复原视频图画，因而，在客户端还要规划H．264解码器。该体系在Android运用程序中运用移植了开源的音视频解码库FFmpeg来进行H．264解码。
5 测验成果
院方在学校内及周边多点对无线视频监控体系进行了测验，将客户端装置在手机上，接入3G信号网络与服务器树立衔接，向服务器端发送数据。视频画面质量首要是受帧率(每秒钟显现图片数)和码率(数据传输时单位时刻传输的数据量)的影响，帧率越大画面越流通，码率越大画面越清楚。在测验实践帧率为16fps，码率在550kbps时的视频十分流通，并且在音视频同步方面体现也十分好，画面如图7所示。
6 结束语
江阴工作技能学院选用依据3G规范的无线视频监控，再结合全数字网络视频监控体系，完结了资源的一致办理和调度，有用整合运用。该体系首要触及视频编解码、流媒体协议、无线网络通讯等技能，跟着网络速度的不断进步和紧缩技能的新发展，能够进一步下降无线信号的推迟，完结更方便的实时传输，不断完善学校安防体系的智能化操作和现代化办理。
