周 勇

海南省公安消防總隊(duì),海南?？?571100

基于3G網(wǎng)絡(luò)的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)

周 勇

海南省公安消防總隊(duì),海南?？?571100

目前3G網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)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(dòng)通信技術(shù)以其高速率、高度靈活性的特點(diǎn)，被廣泛用于多媒體通信中。本文闡述了3G網(wǎng)絡(luò)下的消防視頻監(jiān)控，將3G網(wǎng)絡(luò)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(dāng)今信息社會(huì)的發(fā)展對(duì)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(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文中的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要是指將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的圖像、語(yǔ)音信息通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指揮中心。對(duì)于在辦公室的領(lǐng)導(dǎo)及指揮員，可以通過移動(dòng)終端獲取火場(chǎng)圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火場(chǎng)實(shí)時(shí)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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(gè)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(yīng)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(fù)雜、監(jiān)控質(zhì)量不高等特點(diǎn)。

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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再利用壓縮卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控終端的PC機(jī)，終端PC機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，重現(xiàn)遠(yuǎn)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(yuǎn)、圖像質(zhì)量好、成本低等特點(diǎn)，但還是存在很多問題，如體積大、功耗高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、可擴(kuò)展性差等特點(diǎn)。

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(chǎng)采用嵌入式技術(shù)，攝像機(jī)傳送來的視頻信號(hào)和麥克風(fēng)的音頻信號(hào)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(luò)上。網(wǎng)絡(luò)上的用戶可直接用監(jiān)控終端軟件收看監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的圖像。它最大的特點(diǎn)是把視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能集成到一個(gè)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(shí)候，對(duì)于很多地方不方便布線，這時(shí)我們就需要移動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，則無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)則以其移動(dòng)靈活性而倍受關(guān)注。無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)包括：布控區(qū)域廣闊、系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)；沒有線纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減的限制，系統(tǒng)無縫擴(kuò)展能力強(qiáng)；組網(wǎng)方式靈活、多樣；安全性高，采用信道及網(wǎng)絡(luò)加密等技術(shù)。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)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(dòng)終端到Internet的視頻監(jiān)控還是Internet到移動(dòng)終端的視頻服務(wù)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑾喈?dāng)廣泛。

這4個(gè)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(luò)的圖像傳輸，這是消防信息化建設(shè)的要求，也是信息社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 移動(dòng)通信的發(fā)展歷程

2.1 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展

移動(dòng)通信的發(fā)展經(jīng)歷了模擬移動(dòng)通信（1G）、數(shù)字移動(dòng)通信（2G）、第三代移動(dòng)通信（3G）。第一代模擬移動(dòng)通信主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，是基于電路交換方式實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(diǎn)；第二代數(shù)字移動(dòng)通信主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有容量小、制式不兼容、數(shù)據(jù)傳輸速率低等缺點(diǎn)；在第三代移動(dòng)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(duì)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(dòng)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(yǔ)音，多類型、高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：具有更大的系統(tǒng)容量、更高的傳輸速率、豐富的業(yè)務(wù)各類、更好的語(yǔ)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(gè)全新的平臺(tái)。國(guó)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(biāo)準(zhǔn)作用3G的三大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)[2]

ITU最初在構(gòu)思第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，曾希望制訂出一套全球統(tǒng)一的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。但由于第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，第二代移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)能夠兼容現(xiàn)有不同體制的網(wǎng)絡(luò)自然成為不可避免的問題。由于北美和歐洲第二代移動(dòng)通信核心網(wǎng)絡(luò)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(luò)“家族”這一概念，這實(shí)際上意味著北美移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和基于GSM MAP標(biāo)準(zhǔn)的歐洲移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將采用不同的方式演進(jìn)到未來的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。

未來的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將向IP化方向演進(jìn)，未來的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)全I(xiàn)P的分組網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此，兩個(gè)主要的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和3GPP2,都將第三代移動(dòng)發(fā)展的目標(biāo)高定為全I(xiàn)P網(wǎng)。未來的移動(dòng)通信核心網(wǎng)絡(luò)將采用寬帶IP網(wǎng)絡(luò)，在此IP網(wǎng)上，承載從實(shí)時(shí)話音、視頻到Web瀏覽、電子商務(wù)等多種業(yè)務(wù)，它將是一個(gè)電信級(jí)的多業(yè)務(wù)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，在無線部分使用寬帶無線接入技術(shù)。未來的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將真正實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和IP的融合。

3 系統(tǒng)的實(shí)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(luò)相互結(jié)合，將難于布線的被監(jiān)控點(diǎn)與控制中心連接起來，達(dá)到無線監(jiān)控的目的[3]。對(duì)于不在指揮中心的指揮員或領(lǐng)導(dǎo)來說，可以實(shí)時(shí)了解火場(chǎng)情況，能夠及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(luò)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(luò)及監(jiān)控中心3部分組成。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過車載音視頻攝錄裝置，將災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、消防車內(nèi)部監(jiān)控信息攝錄并存儲(chǔ)于車載存儲(chǔ)設(shè)備中，同時(shí)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到指揮中心，對(duì)于不在指揮中心的領(lǐng)導(dǎo)想實(shí)時(shí)了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況，就可以通過手持終端通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問指揮中心，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)圖片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)消防車輛進(jìn)行監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度。同時(shí)，監(jiān)控中心也可以根據(jù)需要，利用無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)特定車輛進(jìn)行音視頻、圖片抓取或點(diǎn)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(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地面站之間進(jìn)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(yuǎn)、頻帶寬、可靠性高、通信機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)速率能滿足低速、中速、高速業(yè)務(wù)需求。并具有動(dòng)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(chǎng)消防移動(dòng)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(jí)監(jiān)控指揮中心，從而了解火場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)了部局、總隊(duì)及支隊(duì)的互通，完成上級(jí)對(duì)下級(jí)的調(diào)度和下級(jí)對(duì)上級(jí)的反饋工作。但是利用衛(wèi)星通信來傳送圖像無疑會(huì)使系統(tǒng)成本增高，難于運(yùn)行維護(hù)，而且衛(wèi)星通信的傳輸距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)延增大，影響圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(jī)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)對(duì)火場(chǎng)的監(jiān)控。利用3G網(wǎng)絡(luò)的高速率傳輸火場(chǎng)圖像信息，能夠使指揮人員在任意地點(diǎn)獲取實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像，只要基站所能覆蓋的區(qū)域都可以通過3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，極大地方便了各領(lǐng)導(dǎo)對(duì)火場(chǎng)的指揮調(diào)度。而且3G網(wǎng)絡(luò)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(hù)，圖3為3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖。

圖3 3G手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可真正實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)的監(jiān)控。移動(dòng)指揮車在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)所拍攝的火場(chǎng)圖像可通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指揮中心，由指揮中心的指揮員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)度指揮。而對(duì)于不在指揮中心的指揮員或其他領(lǐng)導(dǎo)可利用手機(jī)或PDA通過3G網(wǎng)絡(luò)去訪問火場(chǎng)指揮車服務(wù)器，實(shí)時(shí)獲到話音、圖像信息，從而對(duì)救援工作做出重要決策。而在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)員也可配置帶3G手機(jī)或PDA，在一般災(zāi)情以及衛(wèi)星指揮車未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，可以將現(xiàn)場(chǎng)音視頻第一時(shí)間發(fā)送給各級(jí)指揮中心，使指揮員對(duì)火勢(shì)有一定了解，從而實(shí)施快速、高效的救援工作。

在這里，重點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星指揮車與3G手機(jī)、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(huì)議終端方式，編解碼器簡(jiǎn)單耐用，在移動(dòng)中有良好的視頻效果和快速恢復(fù)能力，在現(xiàn)場(chǎng)指揮時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)多方互動(dòng)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(duì)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(chǎng)的圖像實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到監(jiān)控中心，對(duì)視頻傳輸有特定的要求，如最低傳輸速率、小的時(shí)延、平穩(wěn)性及小的丟包率等要求。對(duì)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(chǔ)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。視頻壓縮就是將視頻信號(hào)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(dá)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(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的[4]。

目前，廣泛應(yīng)用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)為MJPEG、MPEG4、H.264。MJPEG的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮。MJPEG功能很強(qiáng)大，能發(fā)送高質(zhì)圖片，生成完全動(dòng)畫視頻等。相應(yīng)地MJPEG對(duì)帶寬的要求也很高，相當(dāng)于T-1。MJPEG信息需要大量的存儲(chǔ)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(jìn)行信息交換的音視頻處理技術(shù)，它的特點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)的偵測(cè)圖像各個(gè)區(qū)域變化，壓縮碼流更低，特點(diǎn)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(yīng)用亮點(diǎn)。具有低碼流、高質(zhì)量圖像、容錯(cuò)力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4.2 視頻傳輸協(xié)議

視頻傳輸協(xié)議對(duì)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(luò)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(shí)時(shí)視頻傳輸。TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息有重傳機(jī)制，這樣在實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)中會(huì)大大加大系統(tǒng)延時(shí)，影響監(jiān)控質(zhì)量。而UDP則沒有重傳機(jī)制。所以在實(shí)時(shí)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(yīng)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(jī)制。RTP協(xié)議位于UDP協(xié)議之上，在功能上獨(dú)立于下面的傳輸層（UDP）和網(wǎng)絡(luò)層，但不能單獨(dú)作為一個(gè)層次存在，通常是利用低層的UDP協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行組播或單播，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)或單點(diǎn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

5 結(jié)論

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，3G視頻監(jiān)控的應(yīng)用也越來越廣泛。3G與固網(wǎng)的融合實(shí)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(luò)，只要IP可達(dá)，即可方便靈活地布放前端攝像頭，實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控。將3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到消防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的指揮調(diào)度。3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)在消防通信指揮中發(fā)揮其巨大作用，滿足消防業(yè)務(wù)需求。

[1]王軍選.未來移動(dòng)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(huì).移動(dòng)通信技術(shù)分冊(cè)[M].北京：北京郵電大學(xué) 出版社，2002.

[3]李秀.坤無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(yīng)用.西安：西安電 子科技大學(xué)，2007.

TN929.5

A

1674-6708（2010）24-0213-03