視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展分析

1、 -35-科技論壇視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展分析馬天寶游敏惠(重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院,重慶400065引言隨著人們對安全的需求日益強(qiáng)烈,視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種安全防范的有效手段,越來越受到各界的廣泛關(guān)注。并且隨著信息、網(wǎng)絡(luò)、通信及多媒體等技術(shù)滲透到人類生活的各個領(lǐng)域的同時,視頻監(jiān)控也開始走進(jìn)人們的生活。對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究也成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)。1視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在國內(nèi)外市場上,主要推出的是基于PC 的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本被淘汰?；赑C 的視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟,性能穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,不少中小型企業(yè)單位仍然采用。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性

2、能進(jìn)一步穩(wěn)定,價(jià)格日趨合理,并呈現(xiàn)出很多優(yōu)點(diǎn),在視頻監(jiān)控領(lǐng)域地位逐漸提高。據(jù)中國報(bào)告大廳網(wǎng)絡(luò)報(bào)告顯示:從2006年開始,全球網(wǎng)絡(luò)攝像終端的市場年增長速度達(dá)到70%。到2008年,全球網(wǎng)絡(luò)攝像終端市場規(guī)模達(dá)到20.68億美元。預(yù)計(jì)2011年將達(dá)到86.61億元人民幣。未來5年之內(nèi),網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控都將保持約38%的年增長率,會有越來越多的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用完全數(shù)字化的技術(shù)。2視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.1視頻編解碼技術(shù)。目前,國內(nèi)外有多種視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),但是對于視頻監(jiān)控系統(tǒng),比較流行的主要有MPEG-4,H.264,AVS 。其中前兩種代表著視頻編碼技術(shù)的國際先進(jìn)水平,AVS 技術(shù)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的視頻

3、編碼技術(shù),也達(dá)到國際水平。MPEG 和AVS 都采用了混合編碼框架,包括變換量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測等技術(shù)模塊。但是具體每種標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)中具體技術(shù)都進(jìn)行了改進(jìn)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)支持MPEG-2的大多數(shù)功能,提供不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)源格式、碼率,同時支持基于內(nèi)容的圖像編碼。其核心是基于內(nèi)容的AV 信息存儲及操作,支持交互性、高壓縮比及能用存儲性。與H.264及AVS 相比,壓縮比小,數(shù)據(jù)量大,占用帶寬多,在移動設(shè)備中使用存在不足。H.264采用DPCM 加變換編碼的混合編碼模式,多模式預(yù)測技術(shù),獲得了交換的壓縮性能。針對視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?采用了分層技術(shù)。還設(shè)計(jì)了差錯消除工具,便于壓縮視頻在無線

4、環(huán)境中傳輸。另外,在混合編碼器的基本框架下,對關(guān)鍵部件做了重大改進(jìn)。很好的提高了壓縮比,具有較強(qiáng)的抗誤碼特性,無線信道中傳輸?shù)倪m應(yīng)性更強(qiáng)。但是性能的提高也加大了算法的復(fù)雜度。據(jù)估計(jì)編碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍,解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。AVS 采用與H.264類似框架,同時充分考慮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。采用8X8整數(shù)變換、變換量化、幀內(nèi)預(yù)測、等特征性技術(shù)。變換量化采用8×8塊變換較H.264的4×4更能使圖像的能量集中,壓縮效果更好些。但變換涉及乘法運(yùn)算,計(jì)算復(fù)雜。幀間預(yù)測限制參考幀個數(shù),最小尺寸為8×8,降低了內(nèi)存占用量,減少了技術(shù)復(fù)雜度。對所有數(shù)據(jù)都

5、使用Gxp-Golomb 編碼,提高了壓縮效率,降低了計(jì)算復(fù)雜度。通過對傳統(tǒng)技術(shù)算法的改進(jìn),編碼效率和圖像質(zhì)量都得到了進(jìn)一步提高。在圖像質(zhì)量相近的情況下,AVS 與H.264壓縮率相近,比MPEG-4平均節(jié)約39%的傳輸碼流,而解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的30%,編碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%。計(jì)算復(fù)雜度得到了降低,系統(tǒng)效率得到了相應(yīng)的提高。達(dá)到了國際水平,但是整個標(biāo)準(zhǔn)也存在很大的不足,有待進(jìn)一步改進(jìn)。在無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中,傾向于采用H.264標(biāo)準(zhǔn),而且,H.264針對無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,采用了幾種新的抗誤碼技術(shù)。必將在數(shù)字視頻的通信和存儲領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,但采用H.264要面對巨大的專

6、利費(fèi)。AVS 雖然存在一定的不足,但標(biāo)準(zhǔn)水平也達(dá)到了國際水平,且采用自主知識產(chǎn)權(quán),也將有廣大的市場。所以將來將是兩者共同發(fā)展。2.2傳輸技術(shù)。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,視頻圖像的傳輸質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的監(jiān)控質(zhì)量。視頻信號雖然已經(jīng)過壓縮,但數(shù)據(jù)量還是很大,特別是當(dāng)幾路視頻信號同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時。大量的數(shù)據(jù)傳輸會造成傳輸網(wǎng)絡(luò)的擁塞,數(shù)據(jù)的延遲及丟失,因此良好的傳輸協(xié)議和傳輸方式的選擇至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此TCP 它不適合傳輸實(shí)時視頻數(shù)據(jù)。UDP 是無連接的傳輸協(xié)議,不必在數(shù)據(jù)報(bào)丟失或出錯時要求服務(wù)器重發(fā),因此緊湊快速。而音視頻數(shù)據(jù)的傳輸往往要求實(shí)時傳輸,同時又允許在性能要求范圍內(nèi)存在數(shù)據(jù)錯誤率和丟失率,因

7、此UDP 協(xié)議適合對音頻和視頻數(shù)據(jù)傳輸。但是UDP 存在不可靠性,必須考慮如何處理連接和如何保證可靠性等問題。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,一般采用UDP 配合RTP 和RTCP 協(xié)議通信。RTP 本身并不提供可靠的傳送機(jī)制,也不提供流量或擁塞控制及QOS 保證,它依靠RTCP 提供這些服務(wù)。RTCP 是與RTP 同時存在并協(xié)同工作的控制協(xié)議。它通過定義的各種包來承載控制信息,以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、通信帶寬以及網(wǎng)上傳送的信息,并將其通知發(fā)送端。因此,在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,用RTP/UDP 來傳輸實(shí)時數(shù)據(jù),RTCP 負(fù)責(zé)傳輸狀態(tài)。根據(jù)終端的不同,在應(yīng)用層可能采用不同的協(xié)議,但是在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層多數(shù)都采用的IP

8、,UDP,RTP,RTCP 協(xié)議。僅僅依靠TCP 或UDP 建立一對一的傳輸方式,會造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的巨大消耗及服務(wù)器的沉重負(fù)擔(dān)。面對越來越大的用戶群,視頻傳送方式將會成為視頻傳輸?shù)钠款i。傳輸機(jī)制將成為視頻業(yè)務(wù)發(fā)展到一定規(guī)模后必將面臨的問題。是否具備高效的視頻傳輸機(jī)制將成為判斷視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,常見的傳輸方式有:單播和組播廣播。而對于不同的視頻傳輸應(yīng)用中,單播和組播具有各自的優(yōu)勢。單播方式可以為客戶端提供對流的最大控制權(quán),但是有多個用戶請求時,需要將數(shù)據(jù)包復(fù)制多個拷貝,以多個點(diǎn)對點(diǎn)方式發(fā)送到請求用戶,這將造成服務(wù)器的沉重負(fù)擔(dān)及網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)。組播在多個用戶請求

9、同一個服務(wù)時,服務(wù)器只需發(fā)送自己信息的一個拷貝到所有接受者的IP 組播地址中,而不是發(fā)送多個信息,所有用戶共享同一信息。采用組播技術(shù)很好地利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高了網(wǎng)絡(luò)利用率,降低了服務(wù)器負(fù)載。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織雖還未制定如何在融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提供視頻廣播組播業(yè)務(wù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),但通過IP 多播實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的視頻廣播組播已成為學(xué)術(shù)界共識。在各種無線網(wǎng)絡(luò)中如何高效地進(jìn)行視頻廣播多播也是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。3視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展展望首先,隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,基于3G ,WIMAX,無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的建立,為無線視頻傳輸提供了條件。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)本身又具有不受地形限制、成本低廉、機(jī)動靈活等特點(diǎn)。視頻

10、監(jiān)控系統(tǒng)的無線化、網(wǎng)絡(luò)化,受到國內(nèi)外運(yùn)營商的重視,是將來發(fā)展的必然趨勢。其次,隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟,智能化作為技術(shù)發(fā)展的一個較高層次,也將是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。伴隨監(jiān)控環(huán)境的復(fù)雜,客戶要求的提高,實(shí)時預(yù)防報(bào)警,運(yùn)動檢測,圖像識別等技術(shù)漸漸要求融入到監(jiān)控系統(tǒng)中來,整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化是客戶的要求,也將成為另一個發(fā)展方向。另外,視頻監(jiān)控在產(chǎn)品應(yīng)用方面,開始由原來的個別特殊行業(yè),走向不同的群體。各種大中小型企業(yè),生活小區(qū),個人家庭等逐漸走進(jìn)視頻監(jiān)控市場,并將成為一股重要群體。為滿足不同客戶的需求,整個視頻監(jiān)控市場將呈現(xiàn)多元化發(fā)展。總結(jié)視頻監(jiān)控經(jīng)歷了原來的模擬系統(tǒng),到半數(shù)字系統(tǒng),再到數(shù)字系統(tǒng)正在蓬勃發(fā)展。當(dāng)然,目前的發(fā)展中仍然存在不少問題需要進(jìn)一步完善和發(fā)展。但是,相信