引言

　　車(chē)輛不按既定線路運(yùn)載、沿途加載旅客、司機(jī)疲勞駕駛、車(chē)廂內(nèi)人員滋事等問(wèn)題，使得已經(jīng)連帶出的一系列安全隱患、犯罪事件等衍生問(wèn)題不斷困擾著人們和社會(huì)。針對(duì)此種情況，本文提出了基于3G網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛定位和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，減少上述事件的發(fā)生，給車(chē)輛以及車(chē)乘人員更安全的保障。此系統(tǒng)采用了先進(jìn)的H.264視頻壓縮編碼技術(shù)，在不影響質(zhì)量效果的前提下大大減少了所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并且以3G無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，既可以克服傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)有線方式對(duì)地理位置變化或處于運(yùn)動(dòng)中的監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提供更加靈活組網(wǎng)方式，滿足不能架設(shè)線路的監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控需求，還可以提供比GPRS和CDMA更寬的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，滿足了移動(dòng)視頻監(jiān)控的要求。

　　1 關(guān)鍵技術(shù)分析

　　1.1 3G技術(shù)

　　第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、軟容量、軟切換等特點(diǎn)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，也因此成為第三代移?dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。目前在我國(guó)3G存在3種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。CDMA2000從IS-95平滑升級(jí)，技術(shù)成熟性最高，有明確的提高頻譜利用率的演進(jìn)路線，在國(guó)外有預(yù)商用試驗(yàn)網(wǎng)，W-CDMA來(lái)源于IS-95CDMA技術(shù)，有較高的擴(kuò)頻增益，發(fā)展空間較大，在歐洲成為優(yōu)選。TD-SCDMA已成為國(guó)際電聯(lián)和3GPP標(biāo)準(zhǔn)，目前處于與歐洲TDD標(biāo)準(zhǔn)的融合階段，技術(shù)成熟性一般，有較高的頻譜利用率。3G可以提供室內(nèi)、室外和行車(chē)環(huán)境中分別支持2Mbps、384kbps和144kbps的傳輸速度。

　　1.2 圖像壓縮技術(shù)

　　為了適應(yīng)移動(dòng)設(shè)備，同時(shí)也為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量、保證監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，有必要對(duì)車(chē)載端攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮。文中采用H.264標(biāo)準(zhǔn)將攝像頭采集的圖像系列壓縮編碼成流媒體。H.264的編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。通過(guò)該流程，使得H.264具有極高的視頻壓縮比。在同等圖像質(zhì)量條件下，H.264的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。以下簡(jiǎn)要分析H.264/AvC編解碼原理。

　　H.264/Avc編解碼器包括2個(gè)數(shù)據(jù)流通道：前向通道（從左向右）和重構(gòu)通道（從右向左）。其編碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入幀F(xiàn)n用來(lái)進(jìn)行編碼，該幀在宏塊（宏塊指的是在原始圖像中16×l6點(diǎn)陣）單元中進(jìn)行處理。一個(gè)預(yù)測(cè)宏塊P被基于重構(gòu)的幀所構(gòu)建。在內(nèi)部模式中，P從當(dāng)前己經(jīng)編碼過(guò)、解碼過(guò)和重構(gòu)的幀F(xiàn)n的采樣所獲得。在中間模式中，P通過(guò)源自一個(gè)和多個(gè)參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)中形成。

　　在圖1中，參考幀表示為先前編碼幀F(xiàn)‘n-1，預(yù)測(cè)P被從當(dāng)前宏塊中減去以產(chǎn)生一個(gè)殘余的或者有差異的宏塊Dn。通過(guò)轉(zhuǎn)換（使用塊傳輸）和量化以給出X（量化轉(zhuǎn)換系數(shù)集）。這些系數(shù)被重新排列并且進(jìn)行嫡編碼。嫡編碼的系數(shù)，隨同用來(lái)解碼宏塊的信息（諸如宏塊的預(yù)測(cè)模式，量化步數(shù)大小，運(yùn)動(dòng)矢量信息）形成壓縮的比特流。該比特流傳送給網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL）用來(lái)傳輸或者存儲(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)下一宏塊或下一個(gè)圖像的預(yù)測(cè)，編碼器包含一個(gè)解碼器，對(duì)量化變換系數(shù)（圖中標(biāo)注為X）進(jìn)行與解碼器解碼相同的反量化和反變換過(guò)程，導(dǎo)出解碼預(yù)測(cè)殘差（圖中標(biāo)注為D’n，這與原來(lái)的殘差塊Dn并不完全相同，因?yàn)榱炕头戳炕倪^(guò)程中產(chǎn)生了信息的耗損），解碼預(yù)測(cè)殘余D‘n與預(yù)測(cè)P相加，得到重建的宏塊uF’n，送到去塊效應(yīng)濾波器，得到當(dāng)前重建幀F(xiàn)‘n，同時(shí)將其存儲(chǔ)以供將來(lái)做后續(xù)幀的幀間預(yù)測(cè)模式的參考幀。

　　目前主要使用的視頻格式有QCIF（176*144/dpi）、CIF（352*288/dpi）、4CIF（704*576/dpi）。

　　這里基于實(shí)際的需求選擇CIF格式。則每幀圖像的大小為352×288×24=2433024bit，即2433024/1024=2376kbit，這里選擇H.264的250：1的壓縮比例的話，壓縮后的圖像大小就為2376/250=9.5kbit，那么按照3G網(wǎng)絡(luò)在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)中的速度要求144kbit/s，這樣每秒可傳幀的數(shù)量為15~16幀，這樣就能實(shí)現(xiàn)較為滿意的監(jiān)控效果（影像播放達(dá)不到15幀/s時(shí)將產(chǎn)生明顯跳躍感）。

　　2 車(chē)載終端設(shè)計(jì)

　　2.1 車(chē)載終端硬件設(shè)計(jì)

　　車(chē)載模塊終端如圖2所示，主要由4部分組成：

　　ARM處理器、GPS模塊、3G無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、USB攝像頭。ARM處理器是整個(gè)終端的CPU，負(fù)責(zé)調(diào)配和控制各個(gè)模塊的工作，其主要功能是通過(guò)GPS獲取車(chē)輛當(dāng)前的位置信息，通過(guò)USB攝像頭獲取車(chē)輛內(nèi)情況和司機(jī)駕駛狀況，把這些視頻或圖像數(shù)據(jù)信息以H.246標(biāo)準(zhǔn)格式壓縮，并整合成能由串口發(fā)送出去的特定格式，最后由3G無(wú)線模塊發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最終通過(guò)INTERNET或PSTN（公共陸地網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心主機(jī)。下面簡(jiǎn)單介紹各個(gè)模塊性能：

　　模塊終端主控芯片采用ARM處理器，相對(duì)于以8位/16位單片機(jī)作為中央處理器的終端而言，無(wú)論是功能上，還是人機(jī)接口都有顯著提高，是微處理器技術(shù)的重要發(fā)展。這里選用Atmel公司的ARM920T處理器為主控制器。該內(nèi)核屬于專門(mén)用于工業(yè)控制的ARM芯片，有較好的工業(yè)參數(shù)，同時(shí)集成了豐富的系統(tǒng)應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口，在200MHz主頻下處理速度大大提高，此外它還有豐富的外部設(shè)備和優(yōu)越的數(shù)據(jù)傳輸特性。

　　定位信息接收模塊選用Trimble公司的Copernicus-GPS接收機(jī)。該模塊支持NMEA0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。這是一款高靈敏度、高精度、低功耗的微型GPS接收機(jī)。能在復(fù)雜的條件下也能準(zhǔn)確的實(shí)施定位功能。

　　無(wú)線通信模塊采用SIMCOM公司的SIM5218模塊，SIM5218是一款3G/HSDPA/EDGE模塊解決方案，在HSDPA解決方案下支持下行速率達(dá)7.2Mbps和上行速率為5.76Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這對(duì)視頻和圖像等數(shù)據(jù)量相對(duì)較大的信號(hào)傳輸而言是非常理想的選擇。在費(fèi)用方面，3G因?yàn)槭墙柚职粨Q的技術(shù)，所以，網(wǎng)絡(luò)使用的費(fèi)用不是以接入的時(shí)間計(jì)算，而是以消費(fèi)者的數(shù)據(jù)傳輸量來(lái)定。

　　2.2 車(chē)載終端程序設(shè)計(jì)

　　車(chē)載端是一個(gè)基于ARM的Linux系統(tǒng)平臺(tái)，其任務(wù)主要包括獲取GPS定位數(shù)據(jù)和視頻采集數(shù)據(jù)，圖像或者視頻的壓縮編碼，將定位數(shù)據(jù)和視頻、圖像數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸送到3G模塊緩沖區(qū)，最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

　　首先，要根據(jù)CPU與外圍設(shè)備的具體引腳連接重新裁剪的編譯linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，主要包括攝像頭的USB模塊、GPS和3G無(wú)線通信的串口模塊等驅(qū)動(dòng)等。

　　其次，調(diào)用linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的API接口（即Video4Linux）編寫(xiě)攝像頭采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。并且，Video4Linux還專門(mén)為USB攝像頭定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　structvideo_capabilitygrab_cap;包含攝像頭的基本信息；structvideo_picturegrab_pic;包含設(shè)備采集圖像的各種屬性；structvideo_mmapgrab_buf;用于內(nèi)存映射；structvideo_mbufgrab_vm;利用mmap進(jìn)行映射的幀信息；由于外設(shè)都被當(dāng)成設(shè)備文件，所以如需對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的open、close、read、write等函數(shù)進(jìn)行操作。采集程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程：

　　①打開(kāi)視頻設(shè)備，攝像頭在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/video0，采用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)grab_fd=open（“/dev/video0”，O_RDWR），grab_fd是設(shè)備打開(kāi)后返回的文件描述符。

　?、诶胕octl（grab_fd，VIDIOCGCAP，&grab_cap）函數(shù)讀取structvideo_capability中有關(guān)攝像頭的信息。

　?、凼褂胕octl（grab_fd，VIDIOCGMBUF，&grab_vm）函數(shù)獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息。

　　④接著把攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，具體使用grab_data=（unsignedchar*）mmap（0，grab_vm.size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，grad_fd，0）操作。

　　圖3圖像采集流程圖

　　再次，在該視頻采集與壓縮程序設(shè)計(jì)中，將修改X264程序的輸入方式，使它直接從內(nèi)存獲得視頻數(shù)據(jù)源。程序首先從USB端口采集攝像頭的視頻原始數(shù)據(jù)，存放在系統(tǒng)內(nèi)存中，然后由X264進(jìn)行壓縮，以文件的形式輸出，保存在根文件系統(tǒng)中。

　　最后，3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信部分主要涉及到的是AT指令的應(yīng)用。在選擇可靠性強(qiáng)的TCP方式連接。

　　下面簡(jiǎn)單敘述一下所用到的AT指令：

　　AT+NETOPEN=“TCP”，《portnumber》激活一個(gè)特定的SocketPDP上下文，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)Socket連接。

　　AT+TCPCONNECT=“IPaddress”，《portnumber》

　　嘗試建立一個(gè)固定IP地址的TCP服務(wù)器連接。

　　AT+TCPWRITE=《datalength》告知服務(wù)器要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，在得到確認(rèn)后發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　AT+NETCLOSE關(guān)閉與服務(wù)器的連接，并注銷(xiāo)原來(lái)激活的SocketPDP上下文。

　　此外車(chē)載終端的程序流程如圖4所示。

　　圖4車(chē)載終端程序流程圖

　　3 終端測(cè)試效果

　　該監(jiān)控終端安裝在試驗(yàn)車(chē)輛上，通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心互聯(lián)，監(jiān)控中心配有視頻解碼服務(wù)器，以及由C#語(yǔ)言和MapXtreme2005組件（MapXtreme產(chǎn)品是用于創(chuàng)建GIS應(yīng)用的一套組件）編程設(shè)計(jì)的監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)系統(tǒng)中用到Socket接口，Socket接口函數(shù)是TCP/IP的API（應(yīng)用程序接口），用來(lái)向終端提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通路。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛運(yùn)行測(cè)試后，得到如圖5所示效果。在監(jiān)控界面左邊地圖上顯示車(chē)輛當(dāng)前運(yùn)行所在位子，在右邊視頻窗口查看車(chē)內(nèi)監(jiān)控視頻。從得到的結(jié)果看，地圖信息能準(zhǔn)確定位，圖像質(zhì)量基本上能滿足監(jiān)控要求，待系統(tǒng)完善后應(yīng)該能得到更理想的效果。

　　圖5系統(tǒng)測(cè)試效果圖

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將視頻監(jiān)控和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，以3G寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為媒介，提供了一套車(chē)輛視頻監(jiān)控和定位的解決方案。隨著我國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)的普及和蔓延，帶寬限制的問(wèn)題已將不再成為困擾人們的難題，此外H.264編/解碼器軟硬件實(shí)現(xiàn)，使得質(zhì)量高、價(jià)格便宜的移動(dòng)視頻監(jiān)控成為市場(chǎng)新寵兒。