摘 要：有線電視監(jiān)控在生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用，然而在某些環(huán)境中，由于成本或地形所限，有線電視監(jiān)控?zé)o法實(shí)現(xiàn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的快速發(fā)展和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的日漸完善對(duì)此提供了較好的解決方案。介紹了視頻壓縮技術(shù)(H.264)的基本實(shí)現(xiàn)思想和軟件系統(tǒng)的組成，闡述了RTP協(xié)議和協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：RTP；微波；視頻監(jiān)控;H.264

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0508403

RTP Protocol Design of Microwave Video Surveillance System

GAO Qiang1，LV Wei1，HU Ziheng1，YUAN Yule2，WU Yun2，ZHAO Yong2

(1.Administration of Power Supply of Shenzhen，Guangdong Power Grid，Shenzhen，518001，China;

2.Shenzhen Graduate School，Peking University，Shenzhen，518055，China)

Abstract：Closed circuit television monitor system is widely applied in living and working.But in some environments，closed circuit television monitor system can not be realized due to the limitation of the cost and landform.The development of wireless web products and the maturation of video compression standard provide a good solution for this condition.The paper introduces the basic realization theory of Video Compress (H.264) and the form of software system，dissertates RTP protocol and the protocol implementation in the system.On the foundation of these methods，the paper offers a sort of RTP protocol design of microwave video surveillance system，and obtains perfect effects.

Keywords：RTP;microwave;video surveillance;H.264

1 引 言

微波站通常位于高山上，設(shè)施被盜問(wèn)題一直非常突出，給微波系統(tǒng)的正常工作帶來(lái)嚴(yán)重影響。如能利用圖像監(jiān)控系統(tǒng)將微波站圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)管中心，這樣就會(huì)大大提高微波站設(shè)施的安全性，保障系統(tǒng)的正常工作。

本系統(tǒng)采用微波通信鏈路，提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于視頻數(shù)據(jù)的信息量巨大，必須對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行有效的壓縮。因此，針對(duì)基于微波鏈路的視頻壓縮技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能有著重要的影響。

2 視頻壓縮技術(shù)的選擇

目前最權(quán)威，應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)壓縮標(biāo)準(zhǔn)算法分別為MPEG4和H.264。MPEG4覆蓋的技術(shù)范圍太廣，是一種面向?qū)ο蟮摹⒔换ナ降木幋a，一般都只能用到Simple Video Coding和Advanced Simple Video Coding，而且壓縮性能比H.264要低3 dB左右。

H.264是目前世界上公認(rèn)最好的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，2003年，ISO/IEC的運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)與ITU-T的視頻編碼專家組(VCEG)聯(lián)手制定了最新的第三代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC，其主要目的就是為了提供更高的編碼效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。在相同重構(gòu)圖像質(zhì)量下，與H.263+和MPEG-4 ASP標(biāo)準(zhǔn)相比，能節(jié)約50%的碼流；采用分層模式，定義了視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(NAL)，后者專為網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)，能適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的“親和性”。H.264引入了面向IP包的編碼機(jī)制，有利于網(wǎng)絡(luò)中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡(luò)中視頻的流媒體傳輸，具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，特別適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的無(wú)線視頻傳輸要求。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 基本軟件平臺(tái)與操作系統(tǒng)

采用基于達(dá)芬奇的軟件開發(fā)平臺(tái)DVSDK，即數(shù)字視頻開發(fā)平臺(tái)，是由Monta Vista公司提供的。他包括：

(1) eXpress Configure Kit：他可將各個(gè)不同的軟件模塊集成為一個(gè)可執(zhí)行文件，避免手工集成包括ARM和DSP上的軟件，以及如何協(xié)調(diào)他們的工作。

(2) TMS320C644x SoC Analyzer：他是一個(gè)單一的圖形化系統(tǒng)，使開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸，找出問(wèn)題并加以解決。他包括：系統(tǒng)集成、負(fù)載分布、數(shù)據(jù)輸入輸出等各種行為。

(3) Monta Vista 操作系統(tǒng)：Monta Vista 是公認(rèn)的十分穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)，但DVSDK中專為數(shù)字視頻應(yīng)用而進(jìn)行了大量的優(yōu)化，使其成為支撐視頻處理最優(yōu)秀的作業(yè)系統(tǒng)。

3.2 H.264壓縮算法

H.264既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華，又具有其他壓縮技術(shù)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。

低碼流(Low Bit Rate) 和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。

高質(zhì)量的圖像 H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像(DVD質(zhì)量)。

容錯(cuò)能力強(qiáng) H.264提供了在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要解決工具。

網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng) H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(Network Adaptation Layer)，使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

H.264的基本流程是編碼器先將圖像分割成圖片，圖片再分為宏塊，對(duì)于每個(gè)宏塊根據(jù)幀的類型分別加以處理。對(duì)于獨(dú)立(I)幀，采用所謂的幀內(nèi)預(yù)測(cè)；對(duì)非獨(dú)立幀，采用幀間預(yù)測(cè)，即所謂的運(yùn)動(dòng)搜索，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)。并對(duì)預(yù)測(cè)采用DCT變換，最后采用熵編碼(算術(shù)或變碼長(zhǎng)編碼)。H.264由于采用了以下技術(shù)使壓縮比大幅提高：

(1) 1/4，1/8 運(yùn)動(dòng)搜索技術(shù)，使運(yùn)動(dòng)搜索的匹配精度提高;

(2) 多參考幀技術(shù);

(3) 幀內(nèi)的精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù);

(4) 4×4小塊預(yù)測(cè)技術(shù)，使圖塊更加容易匹配。

3.3 RTP傳輸協(xié)議

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP是針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)在單播和多播網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸?shù)膫鬏攲訁f(xié)議，由IETF提議標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是RFC1889，其在音頻/視頻應(yīng)用中的框架協(xié)議是RFC1890。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議與實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議(RTCP)配合使用，實(shí)現(xiàn)在非寬帶網(wǎng)絡(luò)中媒體流的傳輸、控制和質(zhì)量反饋，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。

4 實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP的設(shè)計(jì)

4.1 RTP協(xié)議基本原理

在有線網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常使用的兩種傳輸協(xié)議TCP和UDP對(duì)無(wú)線視頻來(lái)說(shuō)都不是很合適。TCP需要大量重傳，因而會(huì)導(dǎo)致很大的時(shí)延，而且還會(huì)因?yàn)檎`碼后反復(fù)需要重傳而導(dǎo)致信道阻塞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。對(duì)于UDP來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有任何QoS的保證，很容易導(dǎo)致丟包后無(wú)法恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致解碼失敗。由于無(wú)線信道的誤碼率很高，所以UDP也很不合適。

RTP的一個(gè)基本應(yīng)用的機(jī)制如圖1所示。

RTP協(xié)議包含了兩部分：

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol，RTP)：用來(lái)攜帶具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議(Real-time Control Protocol，RTCP)：用來(lái)提供服務(wù)品質(zhì)(QoS)保證、身份驗(yàn)證。

RTP本身并不提供任何機(jī)制來(lái)確認(rèn)傳送時(shí)間與提供服務(wù)品質(zhì)(QoS) 保證，這些功能只能靠著較低層網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)來(lái)提供。RTP不保證數(shù)據(jù)一定送到，也不會(huì)糾正包的失序，但是RTCP包中包含了包序號(hào)，接收端依照包序號(hào)重建數(shù)據(jù)。

RTP專為實(shí)時(shí)流媒體的傳輸制定，他是基于UDP的基礎(chǔ)上，充分考慮到實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)RTCP(實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議)給予適當(dāng)?shù)腝oS保證。RTP協(xié)議包括網(wǎng)絡(luò)的初始化，IP地址與端口的設(shè)置，把數(shù)據(jù)幀拆分為小包以便通過(guò)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送后的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器后通過(guò)阿爾卡特A98000以微波方式進(jìn)行傳輸，或者通過(guò)CDMA信道直接進(jìn)行傳輸?；赗TP的視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

在某個(gè)會(huì)話中，參與者可能位于防火墻之后，不能通過(guò)組播方式參與會(huì)話。可以將兩個(gè)轉(zhuǎn)換器分別放在防火墻的兩側(cè)，在外側(cè)的轉(zhuǎn)換器將收到的組播包集中起來(lái)，通過(guò)可以穿透防火墻的管道連接到防火墻內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器，而防火墻內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器將包重新以組播的方式發(fā)送給防火墻內(nèi)的參與者。轉(zhuǎn)換器和混合器的框圖如圖4所示。

RTP通過(guò)發(fā)送冗余信息來(lái)減少接收端的丟包率，這樣會(huì)增加時(shí)延，與冗余片不同的是他增加的冗余信息是個(gè)

別重點(diǎn)信息的備份，適合于應(yīng)用層的重要信息的保護(hù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

微波傳輸方式的主要缺點(diǎn)是帶寬窄和誤碼率高。因此需要更好的傳輸技術(shù)，以得到高質(zhì)量的圖像監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出了一種微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的RTP傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

(1) 視頻圖像傳輸功能的測(cè)試。本系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)窄帶帶寬下的視頻傳輸。我們首先測(cè)試了在64 k的低帶寬條件下的視頻傳輸，對(duì)于CIF圖像，即352×288的標(biāo)準(zhǔn)分辨率圖像，我們可以獲得大約高達(dá)2-5幀/s的傳輸速率。傳輸速度同時(shí)會(huì)隨著視頻流的不同，而有所變化。這樣的幀率對(duì)安全監(jiān)控已經(jīng)滿足要求。個(gè)別時(shí)候由于干擾發(fā)生丟幀情況時(shí)，時(shí)延會(huì)增大，畫面質(zhì)量的平均PSNR在30 dB左右，基本滿足了視覺(jué)需要。

(2) 如果將6個(gè)64 k綁定成為一個(gè)384 k的通道，為了實(shí)現(xiàn)高性能的圖像傳輸，我們選定分辨率D1，即704×576，即實(shí)現(xiàn)高于DVD的畫質(zhì)。針對(duì)384 k的鏈路也進(jìn)行了測(cè)試，壓縮幀率平均在20~25幀左右，基本連續(xù)，對(duì)人眼沒(méi)有跳躍的感覺(jué)。人物面貌清晰可辨，對(duì)于辨認(rèn)不法闖入分子的身份有很大的幫助，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但在微波鏈路受到干擾的時(shí)候，時(shí)延也會(huì)有所增大。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”