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CDMA1X的无线数字视频监控传输系统 (1)

时间:2009-09-03 00:14来源:未知 作者:易家电子 点击:
1.引言 二十一世纪以来,在视频应用领域里,视频 监控逐渐受到人们的关注和需要,随着911等恐怖事件的发生,各国更加注重视频 监控的发展。理想的视频 监控系统
 

1.引言
  
  二十一世纪以来,在视频应用领域里,视频监控逐渐受到人们的关注和需要,随着“911”等恐怖事件的发生,各国更加注重视频监控的发展。理想的视频监控系统要求良好的视频质量、极低的时间延迟、较强的安全性、快速的聚焦和跟踪功能以及携带方便的采集设备。这就对监控系统的设计提出了一个很高的要求。 dedecms.com
  
  目前传送视频信号的方法有两种,有线方式和
无线方式,有线方式虽然具有高带宽和低延时的特点,但缺乏地点选择的灵活性和移动性;而无线方式可以在无线网络覆盖的任一地点进行视频的监控传输,特别适合视频监控的需要。在无线传输技术中,CDMA1X无线数据通信具有较高的数据吞吐量,无处不在的网络分布,可以实现在任意时间、任意地点的无线数据传输,具有很强的移动性和灵活性,特别是在一些危险、不可到达的地方,为实现自动监控提供了可能。然而,由于视频传输的数据量比较庞大,CDMA1X网络带宽十分有限并且具有较大的波动性,所以需要在有限的带宽范围之内传输尽可能多的图像视频以保证监控的实时性和可视性,并能在网络带宽发生变化的条件下,尽快地改变编码模式和码率。

本文来自织梦


  
  本文介绍了一种基于CDMA1X网络的
无线数字视频监控传输系统(后简称系统),该系统使用了H.264作为视频编码算法,利用CDMA1X无线传输技术实现了视频的发送和接收。
  
  2.系统的构成和原理
  
  
无线视频监控传输系统通常包括三个部分,编码端、服务器和解码端。图1是基于CDMA1X设计的数字视频监控传输系统的基本框图。下面对系统的各个部分的结构逐一介绍。 本文来自织梦
  
  编码端
  
  编码端的主要功能是利用摄像头等采集设备捕获
监控视频,将视频压缩、加密和打包,使用CDMA1X无线通讯模块发送给服务器。为了完成编码端的主要功能,我们将编码器这一部分划分为两个功能模块:视频编码模块和控制模块,视频编码模块主要实现视频的编码,将采集的原始视频使用H.264压缩算法进行编码,而控制模块则将压缩好的码流进行加密和打包,使用无线模块,利用TCP/IP协议与服务器进行用户认证,并传输码流,同时根据服务器的需要及统计的网络信息及时地对视频编码模块的编码参数和无限模块的发送策略进行调整,充分利用网络带宽,达到高质量、低延时的视频效果。

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  服务器端
  
  服务器端在整个系统中起到居中调度的作用,它具有固定的公网的IP,编码端和解码端在传输数据之前都会和服务器进行用户认证,之后,服务器端可以对于每个编码端进行多路
监控,并根据实际的需要,变化某个编码端的编码模式(分辨率、音视频切换等)或对某个编码端的采集设备进行远程控制(云台、摄像头等)。另外服务器会根据接收的情况,动态地统计每个编码端的网络状态,通过控制命令及时调整编码端的编码参数和发送方式,使视频质量和延时达到最佳。同时根据解码端的需要,将指定的编码端的视频码流转发到解码端去,实现解码端的无线移动接收。
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  解码端
  
  解码端的主要作用是使用
无线模块实现监控视频的移动接收,解码器的基本结构与编码器类似,仍然包括视频解码模块和控制模块两个部分,其中控制模块使用无线模块进行用户认证,接收服务器转发的视频码流,经解密之后送给解码模块进行H.264解码,解码出来的视频通过本地的监视器进行播放。无线视频监控系统的实现过程中,有很多关键的问题需要解决,这些问题包括H.264视频压缩算法的实现和优化、系统的安全性考虑以及控制系统延迟等,下面分别对这些技术问题和对应的解决方法进行详细的阐述。
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  3.1.基于系统的视频压缩算法的优化
  
  从总体上讲,编码算法是整个系统的成败基础。由于在CDMA1X网络条件下,系统可用的带宽十分有限,同时这种窄带网络具有很高的波动性,所以系统不仅要求编码算法具有很高的压缩比,较为清晰的图像质量和较高的压缩速度,更重要的是要求编码算法具有较高的反应速度,即对于网络带宽的变化能及时地调整编码模式和编码码率。
系统根据需要选取了接口丰富,性能优秀的TITMS320DM642作为编码模块的实现芯片[1],同时在各种视频压缩算法中选取了H.264作为系统的视频压缩算法,同时在H.264的开源参考模型中,选取了x264作为我们优化的原始代码,因为它具有极高的压缩性能和图像质量,并具有很强的可实现性和可移植性。但是根据系统的需要,算法还需要进行优化,一方面在压缩速度上满足系统的要求,另一方面特别要提高算法对于不同网络条件的快速调整。
  
  算法的压缩速度优化
  
  对于原始的x264算法来说,在DM642芯片上一般只能实现4帧/秒(fps)左右的编码速度,达不到系统的要求。所以为了满足系统速度的要求,必须对于算法进行结构和语言上的优化。
  
  在算法结构部分,我们在帧内预测[3]和帧间预测[4]算法中都作了快速算法的改进,在尽量保证压缩比和图像质量的前提下,对算法结构进行了有益于速度提升的修改。最终这两个部分都在速度上分别提升了40%和60%左右。在语言部分,为了充分地利用DM642提供的指令集和图像处理的库函数,我们对于算法进行了全面的改写,在一些关键的函数和算法模块中,使用了内联函数或汇编指令重新编写代码,大量使用了数据读取和打包的指令,使速度得到了大幅度的提升。
监控图像的主观质量。监控效果图无线网络条件变化而变化,编码器要根据服务器反馈回来的带宽的统计信息快速动态地调整编码模式和码率。为了实现系统的要求,我们一方面改进了算法码率控制的部分,使得算法能迅速地改变编码的码率,并提高码率控制的精度;另一方面采用设定等级的编码策略,针对不同的网络状况,采取不同的编码策略。这样使得编码的码率符合网络的要求,同时保证了传输图像的连续性和可视性。

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  3.2.系统的安全性考虑
  
  在
监控系统的实际应用中,有些涉及到安全性和保密性的要求,这些要求总体上可以划分为三个方面:1.有效的用户认证机制,防止非法用户登入系统窃取数据。2.先进的加密算法,提高系统的安全性能。3.安全密钥管理方法,妥善管理密钥。控制
  
  对于
监控设备,很重要的一点就是控制系统的延迟,由于在监控领域,常常涉及到及时的镜头变焦和转动,所以要求系统在传输的过程中要尽量缩短延迟。但是,对于无线视频传输来讲,一定的延迟是很难避免的,所以要对系统每个环节的延迟进行分析,缩短可能的延迟,提高图像的连续性,达到最优的效果。图4形象地描绘了每一个环节的延时和主要的应对策略。控制模块的延时
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  系统在
控制模块中实现了码流的加密和打包,这部分的延迟也是可以忽略不计的(小于50毫秒),但是由于系统连接的需要,在控制模块和编码模块之间必须有一个缓冲的区间,使控制模块能均匀的使用无线网络发送数据,这造成了编码模块与控制模块之间存在一定的延时,我们通过分析和试验,把缓冲区设置成最优的大小,在保证不会下溢的情况下,使延迟时间达到了最小,控制在了500毫秒以内。 
  
  
无线网络的延时
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  毫无疑问,在整个系统中,CDMA1X
无线网络的延时占所有延迟时间的70%以上,由于无线网络的不可预知性和波动性,很难知道它当前的网络带宽是多少,所以必须用统计学的方法进行估计。系统采用了一套实用的算法在服务器端通过统计接收数据的情况,对CDMA1X无线网络进行带宽预测。在带宽大的时候,提高编码的图像质量,使视频既连续又清晰;在带宽小的时候,着重保证视频的连续性,使网络的延时尽可能减小。在编码端,控制模块会根据服务器的反馈信息及时地通知编码模块调整编码的模式和码率,并改变发送和打包的策略,适应网络带宽的变化,这种算法在系统试验中取得了非常出色的结果,使无线网络的延时基本控制在2秒以内(根据网络条件不同稍有波动)。 内容来自dedecms
  
  我们利用CDMA1X网络实现了整体系统的功能,在实际网络中平均80kbps左右的带宽之下,我们实现了编码端CIF分辨率(352x288)视频图像15fps(帧/秒)传输速率,服务器可以对多路编码端视频进行
监控,同时转发解码端需要的视频码流,实现移动接收,在服务器端视频的延迟不超过3秒。另外我们对AES加密算法使用的密钥进行了动态管理,提高了系统的安全性能。
  
  4.结论与展望
  
  综上所述,本文介绍了一种基于CDMA1X网络的
无线视频监控传输系统,在系统开发的过程中,充分考虑到视频的编码速度和调整能力,终端和服务器的数据和命令传送,系统的安全性以及如何在系统中控制延迟。本文介绍的系统虽然基于CDMA1X网络,但是涉及到的技术不仅仅对于CDMA1X网络适用,也值得其他无线网络借鉴参考,在即将迅猛发展的3G网络中,同样可以使用这些技术来传输更优秀的视频图像,这对于需求日益增多的监控、安全领域和手机电视的发展而言是很有价值的。 织梦好,好织梦
  
  本文作者创新点主要介绍了一种基于CDMA1X网络的无限视频
监控传输系统,该系统具有高速的视频编码性能和信道反馈调整能力,有效地控制了系统延时,同时采用了AES加密算法,提高了监控系统的安全性能。 本文来自织梦

 

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图1 系统的基本结构图 本文来自织梦

  3.系统的主要技术和性能
  
  在CDMA1X的

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表1 算法优化的性能比较 本文来自织梦

 

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  表1列出了优化的总体效果(测试序列均为30帧,固定量化参数为30),可以看出代码优化工作使得编码的压缩速度提高到了40fps以上,不仅保证了系统的编码需要,同时也为今后更高带宽的网络传输提供了技术储备。图2为应用该压缩算法的系统

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图2 系统的

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  算法的快速调整能力
  
  在CDMA1X网络中,编码端的传输带宽会随着

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图3 系统用户认证流程图

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  图3是系统的用户认证的流程图,服务器根据编(解)码端发送的自己独有的用户ID和密码来确认此终端的有效性,只有在确认之后,才会建立交互的连接,传输数据和命令信息。
  
  在传输视频数据时,系统采用了AES(Advanced Encryption Standard,高级加密标准)算法作为加密算法,该算法使用128位的密钥对每128位的数据进行加密运算,在算法中包含了非线性的运算方法,提高了算法的抗强力攻击的能力,同时系统也能够满足它复杂度的需要。[2]对于加密算法而言,有效地密钥管理十分重要,系统在每一个编(解)码端都设置了不同的初始密钥,在传输数据时,每个数据包都附有一个密钥,通过事先拟定的算法,服务器或解码端将公开的密钥和相应的初始密钥计算为解码密钥,才可以解码这个数据包,这种动态的改变密钥的方法大大增强了系统的安全性能
3.3.延迟

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内容来自dedecms

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图4 系统延时分析 dedecms.com

  编码模块部分的延时
  
  在编码模块中,编码每一帧都存在着一定的延迟,这个延迟相对于系统整体延迟是微不足道的(小于50毫秒),但是如果在编码的参数设置中为了减小码率使用了B帧,那么就会造成编码器的延时的增加,根据B帧个数的不同,延时也有所不同,考虑到这一点,编码器仅仅使用了I帧和P帧,没有使用B帧,这样虽然造成一点点码率的上升,但是从系统的角度来看,延时在编码器部分基本去除了。
  
  

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