无线视频监控技术与系统

安防小张

一、 无线视频监控成为监控系统新的发展方向


　　随着无线监控技术的日益发展，传输带宽不断提高，通信终端的实时信息处理能力飞速增强，无线多媒体应用日渐成为业内关注的焦点，也成为人们的必然需求。其主流应用之一是便利、灵活的无线实时视频监控系统，如无线家庭防盗、汽车监控等。基于多种无线传输手段的移动视频监控以其特有的灵活性已成为视频监控新的发展方向。
　　无线化视频监控包括两方面内容：一是监控中心的移动。通常情况下，被监控对象或是摄像机往往是固定的，而作为监控系统的使用者（监控中心）则可以是动态的。二是视频监控网络的无线化。当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定时，利用传统有线网络的视频监控技术，往往成本高且难以实现。
　　无线监控和传统的监控方案相比，能够避免大量的布线工作，节省施工费用，重定位能力强，灵活性高，具体地说有以下优点：（1）综合成本低，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便的优点。（2）组网灵活，可扩展性好，使用时能灵活挪动终端设备。（3）改造方便，维护费用低。


二、 无线视频监控系统涉及的关键技术

1．高效率、抗干扰的视频编解码机制

　　当今的视频压缩标准有MPEG和H.26X两大系列。MPEG-4目前已应用于Internet流媒体领域，为了尽量减轻MPEG-4视频流对误码的敏感性，以保证压缩视频解压后的恢复质量，MPEG-4 提供了多种抗误码工具，承载流媒体业务的实时网络传输层及底层移动通信系统也可以进一步改善流媒体传输的抗误码性能。MPEG-7是针对存储形式或流形式的应用而制定的，不仅仅用于多媒体信息的检索，更能广泛地用于其他与多媒体信息内容管理相关的领域，并且可以在实时和非实时环境中操作。
　　ITU-T颁布的H. 261标准，用于可视电话和会议电视。H.263标准是ITU组织为了满足码率低于64kb/s的应用而提出的一个低码率视频压缩编码建议；它能够在较低码率的情况下达到较好的图像质量，因此广泛应用于远程监控、电视会议以及可视电话等领域，尤其在视频监控领域，它已经可以在嵌入式系统中达到实时、稳定的压缩效果，是应用较多的视频压缩算法。目前大多数视频监控产品都支持MPEG-4和H.263标准。
　　作为目前最新的视频编码技术H.264，在安防行业的应用有着非常大的前景。H.264标准采用了高精度、多模式预测技术用来提高压缩比以降低码流。H.264标准针对网络传输的需要设计了视频编码层VCL和网络提取层NAL结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。H.264标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保证了视频传输的有效性。支持H.264标准的无线视频监控产品目前也已上市。
　　为了能在时变、带宽有限、误码率较高、缺乏QoS保证的无线信道上传输视频数据,视频编码算法必须满足以下要求: （1）高效的视频压缩比；（2）较高的传输实时性：更短的传输时延，更快的编码速度；（3）较强的视频传输鲁棒性：更好地适应传输信道的误比特干扰。因此，研究在无线视频监控应用中的编解码机制，重点在于进一步提高编解码效率及抗干扰能力。

2．无线视频传输网络链路及组网技术

　　对于无线视频监控而言，无线网络传输链路的选取主要取决于用户需求和系统工作的具体环境，目前已投入使用的无线视频监控系统主要有基于移动通信网络的和基于无线局域网的两种类型。但在对音视频质量要求不高的应用中，也可以采用低端的无线数据传输网络。
　　在中国目前移动通信网络的两大运营商中，中国联通采用基于码分多址的CDMA2000 1x制式，最高下载速度可达153kbit/s，现网实测可达100kbit/s左右。中国移动采用GPRS技术，是基于GSM 网络发展而来的新型分组交换数据应用业务，带宽理论最高可达171.2kbit/s，中国移动现网测试也可达到35kbit/s左右。在目前的网络带宽下，普通用户可以采用彩e传输视频文件，不少厂家也推出了基于2.5G移动公网的视频监控系统，作为对有线网络监控系统的有力补充。
　　基于无线局域网络（WLAN）的多媒体信息传输，是解决建筑物内灵活视频监控的主要手段，基于802.11协议族。IEEE802.11a规定的频点为5GHz，适合于室内及移动环境，传输速度为1到2Mbps。IEEE802.11b（Wi-Fi）工作于2.4GHz频点，当信噪比低于某个门限值时，其传输速率可从11Mb/s自动降至5.5Mb/s，或者再降至直接序列扩频技术的2Mb/s及1Mb/s速率。IEEE802.11e及IEEE802.11g是下一代无线LAN标准，被称为无线LAN标准方式IEEE802.11的扩展标准，是在现有的802.11b及802.11a的MAC层追加了QOS功能及安全功能的标准，为其上可靠的视频信息传输奠定了基础。
　　随着WiMAX技术和3G技术的日趋成熟，基于WiMax和3G的无线视频监控也成为研究热点。WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是近年来出现的一种无线宽带接入技术。WiMAX 采用多载波调制技术，能够提供高速的数据业务，并且具有频谱资源利用率高，覆盖范围大（传输距离可达数十公里）等特点。无线城域网（WMAN）采用了WiMax技术，组网采用的802.16协议族。与现有的移动通信技术相比，WiMAX技术可以提供更高的数据速率，更强的数据业务能力。
　　多媒体业务是3G数据业务的重点，其传输速率要求为：高速移动时能够达到144kbps，慢速移动时为384kbps，静止状态为2Mbps。3G的带宽非常适合无线视频监控的应用。相信随着3G的商用，无线视频监控必将蓬勃发展。
　　CDMA或OFDM作为点到多点或点到点图像、视频信息传输的关键技术手段，其频谱利用率高、支持高速率的多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰能力强。CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术，OFDM技术属于多载波调制技术。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。
　　在无线实时视频监控系统中，控制协议决定了整个系统的效率、兼容性、安全性等诸多重要问题，是系统运转的指挥中心。控制协议尤其是无线实时监控系统的控制协议，不但要求能够快速稳定的建立连接，而且要求对该连接具有一定的控制能力。会话启动协议SIP（session initiation protocol）是IETF的MMUSIC（multiparty multimedia session control）工作组制定的多媒体通信框架应用层信令协议，设计理念和协议结构完全符合NGN的特性和要求，得到了越来越多业内人士的认可，国内外许多知名企业都开始从事SIP的研究与开发工作。Nokia和Ericsson已经开发出了基于SIP的端到端的网络多媒体系统，3GPP和3GPP2分别在R5和Phase2阶段引入了基于SIP的IMS（IP多媒体子系统）。基于SIP的多媒体通信已经成为新的主流发展方向。


3． 数据管理与数据安全
　　视频监控系统中保护数据不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改和显露是非常必要的。通过无线网络或Internet传输的数据很有可能会遭到截取。这会给敏感数据带来巨大风险。对于一些网上黑客或恶意员工而言，为数据处理系统建立和采取技术和管理上的安全保护是不够的。对此，就很有必要对数据采取加密技术。
　　随着监控点的增多、应用行业的日益普遍化、监控时间周期的延长和视频清晰度的提升，视频数据容量也在飞速发展。即使按照一定的标准以压缩形式存储这些数据，仍然有成百TB直至上千TB的数据需要归档、存储，并且需要高速传输。针对这些情况，优化视频存储、归档解决方案及设备选择已经是很多用户的一个现实考虑。
　　一般来说，从应用需求来看，设计的系统必须具有以下的要求：保障具备长时间无故障运行的能力；能够远程实时传递高清晰图像，并实现回放；具备灵活存储图像资料的能力，存储保留时间达到一定要求；图像传输必须具备防窃取功能，图像资料具备防篡改功能；设备操作必须具有安全的管理和控制手段。

三、 基于不同网络的无线视频监控系统

1． 基于公众移动通信网络的无线视频监控系统

　　中国移动和中国联通各自都已拥有遍布全国的2.5G移动通信网络。可在掌上电脑、PDA手机上进行远程视频采集与传输，只要有网络信号的地方就可以实现视频的无线传输，真正实现移动监控。
　　很多公司都推出了自己的基于移动公网的无线视频监控产品。如2005年6月，北京九为安泰科技有限公司推出的新一代CDMA移动视频监控系统；06年12月，北京世纪乐图数字技术公司研究开发了“LOTOO i-Patrol” ，整合了CDMA、GPS、非硬盘的本地存储介质（Flash），能很好地应用在多种场合。
　　当前的2.5G技术都关注了同TCP/IP 协议的融合，使得移动网络易于和现有因特网技术及应用平台整合。IP 技术与与移动通信技术的完美结合将能够为用户提供各种高速高质的移动数据通信业务。


2．基于无线局域网的无线视频监控应用
　　基于WLAN的无线视频监控的方案，一般是在无线网状网覆盖区域架设支持WLAN接入的无线视频前端设备（如支持WLAN的IP摄像机或IP视频服务器加模拟摄像机），然后通过无线网状网将采集的IP视频信号回传到网络中心的监控处理平台。通常在网络中心配置支持多通道的网络视频录像机和大容量的存储系统，用于监控视频录像和存储，同时为一个或多个网络监控终端提供实时的监控图像，还可通过安全的网络连接（如VPN），从远端视频监控终端上实现远程监控和管理。
　　WLAN技术已经相当成熟，各种无线产品也很丰富，所以基于WLAN的无线视频监控在实际工作中的很多场合得到了应用。

3．基于无线城域网的无线视频监控应用
　　无线城域网的WiMAX技术覆盖范围达几十千米，多被使用在户外，例如高速公路沿线、学校校区、码头等地，可以为用户提供便利、优良的移动多媒体宽带服务和高速的无线数据传输。通过WiMAX技术承载流媒体业务是一种更为经济灵活的手段。许多运行商认为在WiMAX网络上开展移动流媒体业务，将是WiMAX技术应用的潜在市场。
　　2006年10月16日，互联网周刊报道：上海市的嘉定区目前正在实施一项规模宏大的信息化工程：建设中国内地第一个“无线城市”项目。随着建立无线城域网的城市日益增多，基于无线城域网的无线视频监控系统必将成为另一个研究热点。将WiMAX导入安全监控领域，将是厂商拓展市场最有效的方法之一。随着WiMAX技术的成熟和产品的上市，具有WiMAX传输技术的无线安全监控系统，距离普及之日已不遥远。

4．基于3G的无线视频监控应用
　　为了保证视频文件的传输就必须有足够的网络带宽，不同的流媒体文件对网络带宽的要求各不相同，为了达到更好的视频质量，网络带宽就更为重要。当前市场上常见的利用公众移动通信网络进行监控传输的产品基本上只能传输窄带视频。伴随着3G在全球商用步伐的加快，3G无线网络技术也在加速创新，3G无线接入设备在功能和性能方面也取得了较大提升。
　　日本作为全球最早提供3G业务的国家，其3G手机的服务覆盖区域已接近2G。在中国台湾，3G的传输优势让新一代智能手机有了更多用武之地，使用者可以直接透过3G手机对家庭情况进行监控。
　　在我国，随着3G移动通信系统走向实用，高至2MHz的带宽将为无线视频监控提供更加强有力的支持，此时视频的质量将会有极大的改善。此外，未来的3G系统也将考虑公众移动通信网络与WLAN系统的融合，用户将有可能真正实现“任何时间、任何地点、任何终端”的无缝式无线视频监控。

5． 基于无线数据通信网络的低成本无线监控应用
　　基于Zigbee的语音通信和基于无线数传电台的低端应用主要是用来传输低速数据和语音，但是在视频实时性要求不高的情况下，也可以用来传输低质量的视频。

四、 无线视频监控系统的应用及展望

　　随着各种无线通信技术的发展，无线视频监控的应用也会随之发生变化。各种无线视频监控方案必将互相补充、互相渗透。
　　在无线视频监控应用过程中，如果覆盖范围达到数十公里时，基于无线城域网的视频监控会是个一个很好的解决方案,与WiFi之间存在着互补和竞争的关系。随着市场需求和各领域的融合之势的愈加明显，移动视频已经逐步走向市场。这大大激发了普通家庭和大众对视频监控的需求，正在蓬勃发展的3G移动网络可以很好的应用到未来的数字家庭网络中。

小华

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