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无线视频监控的设计与应用论文
本科生毕业设计
无线视频监控的设计与应用
Thedesignandapplicationofwirelessvideomonitoring
摘要
随着社会的发展，科技的进步，人们的生活质量也日益提高，也更加注重生活中的安全防范意识，所以监控系统是人们生产生活中的重要安全防范措施之一。
视频在生活中随处可见，如小区居民楼中、商场中、保护野生动物、交通管理、超市中都用到了监控技术。
但是现在的传统监控技术已经不能满足人们需求，因为传统的监控技术受到很多因素的影响，比如地理因素：
布线复杂、系统灵活性差、设备费用高、维修不便。
随着计算机技术、网络技术、多媒体技术和电子技术的发展，视频监控已取得了迅猛的发展。
目前视频监控系统主要向着高清化、监控智能化的方向发展。
本文主要介绍了无线视频监控系统的应用领域以及在发展过程中的三个阶段。
还介绍了H.264编码器结构以及无线传输的概念、分类和特点。
最后介绍了视频采集设备和具体流程以及无线视频监控的设计。
关键词：
视频监控无线传输H.264编码器
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthesociety,theprogressofscienceandtechnology,people'squalityoflifealsoisincreasingdaybyday,alsopaymoreattentiontothesafetyawarenessoflife,sothemonitoringsystemisoneoftheimportantsafetyprecautionsinpeople'sproductionandliving.Videocanbeseeneverywhereinourdailylife,suchasresidentialbuildings,shoppingmalls,wildlifeprotection,trafficmanagement,monitoringtechniquesareusedtohaveinthesupermarket.Butnowthetraditionalmonitoringtechnologycan'tmeetthedemandofpeople,becauseofthetraditionalmonitoringtechnologyisaffectedbymanyfactors,suchasgeographicalfactors:
complexwiring,thesystemagilityandhighcostofequipment,maintenanceinconvenience.Alongwiththecomputertechnology,networktechnology,multimediatechnologyandthedevelopmentofelectronictechnology,videomonitoringhasmaderapiddevelopment.ThecurrentvideomonitoringsystemmainlytowardGaoQinghua,monitoring,intelligentdirection.Thispapermainlyintroducestheapplicationfieldsofwirelessvideomonitoringsystemandinthethreestagesintheprocessofdevelopment.Alsointroducestheh.264encoderstructureaswellastheconcept,classificationandcharacteristicsofwirelesstransmission.Thelastvideoacquisitiondeviceareintroducedandthespecificprocessandthedesignofwirelessvideomonitoring.
Keywords:
VideomonitingWirelesstrsnsmissionH.264encoder
绪论
无线视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种安全防范能力较强的综合系统。
无线视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。
近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长远的发展。
在国内外市场上，主要推出的是数字监控的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。
前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛的应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤其广泛；后者是新进崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。
目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐像数字系统过度的阶段。
随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面发生了很大的变化，视频监控的构成更加方便灵。
活、与其他技术系统的借口趋于规范，人机交互界面更为友好，但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍未模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单项、集总方式的信息采集网络，介质专用的特点，因此系统尽管以发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。
第一章无线视频监控的发展及原理
1.1课题背景
随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，我们越来越重视安全防范工作，而视频监控也是对于安全防范的有效途径，它已经广泛应用于各个领域。
视频监控主要应用领域：
1，安全领域。
无线视频监控在矿井监控、社区监控、车载系统、社区安防、家庭安防等方面都有安装。
目的是避免各类刑事案件、公共突发事件、自然灾害、社区偷盗等事故发生。
另外，确保人身与财产安全，居民小区内也添加了视频监控设备。
2，电力系统。
电力行业是近年对显示设备需求增长较快的行业之一。
3，铁路和轨道交通。
近年，我国高铁、地铁和轨道交通建设如火如荼，因此对显示设备的需求量快速上升。
4，其他方面。
在森林大区的防火、油田、风景区、电力和环保等大范围、长距离的监控辖区最后采用无线视频监控系统进行预防。
我们的脚步迈入21世纪，中华民族大踏步的迈向民族复兴，经济社会全面发展，使我国跃身为全球第二大经济主体。
随着我们自身的发展壮大也使得我们能够面向世界，也增强了在国际舞台的影响力，被世界瞩目。
随着各行各业的不断发展壮大，监控系统在企业生产中，安全保障环节发挥着越来越重要的作用。
而传统的视频监控受到很多因素的影响，系统灵活性差，工作效率低，反馈现场情况不够及时准确，导致指挥人员难以决策，费用高且维修不方便。
传统的视频监控已经不足以满足人们的需求。
而无线视频监控能够避免很多传统视频监控的弊端。
无线视频监控具有灵活性高的优点，扩展性强，安装施工方便，可实现快速覆盖，无线视频传输的优点。
随着视频监控技术的发展过程大致可以分为以下三个阶段【1】：
最早的视频监控系统是本地模拟全仿真监控系统，也称闭路监控系统（CCTV）；第二个阶段是基于PC的数字监控系统，以数字控制的视频矩阵代替原来的仿真视频矩阵；第三个阶段是基于嵌入式技术的远程视频监控，用嵌入式技术实现可移动性，用网络宽带实现远程监控。
我们的安全防范意识日益提高，但是还是有很多人在作者违反法律的事情，使人们的人身安全得不到保证。
因此，安全是永恒的话题，维持社会的安全与稳定仍是我们当前一项重要的工作。
国家开展平安城市建设工程，启动“3111”示范工程，这些工作，一方面提升政府部门与人民大众的安防意识，另一方面也有效地促进了国内的安防需求。
随着安防措施的全面落实，国内的安防产业同时也得到了大力发展【2】。
无线视频监控技术应用的越来越广泛，它可以为我们省去不必要的费用与时间，它能更好的为我们做好安全防范措施。
1.2无线视频监控的发展现状
伴随着人们的生活水平提高，视频监控是现代生活当中极为重要的应用之一。
视频监控系统正向着前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化的方向发展，数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础【3，4】。
视频监控系统类别按信号类型分为模拟监控和数字监控【5】。
最早的视频监控可以追溯到1925年，是一种最简单的视频监控系统。
视频监控系统产业经历了三个时代：
1.模拟监控系统：
主要是将视频图像信息以模拟信号的方式传输到服务器的显示端，服务器通过视频分离将接受的模拟信息显示到显示屏上，同时也可以将监控信息保存到磁带上以供后续处理。
这个时期的视频监控系统主要由摄像机、传输线、监视器和录像机等设备组成，通过有线方式将摄像头采集的视频信号送到监视器上显示，在这个过程中采集传输的信号都是模拟视频信号，没有经过视频压缩处理，而模拟信号在电缆中传输时易受到噪声干扰，图像质量差。
由于采用同轴电缆方式进行视频传输，传输距离有限，扩展性差，因此监控系统的功能非常单一，可靠性低【6】。
数字监控系统：
数字视频监控系统相对于模拟监控系统而言，最大的进步就是使用计算机对采集的模拟信号进行数据处理，使监控系统的性能有了质的飞跃。
数字监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心，视频处理为技术基础，利用图像数据压缩的国际标准（JPEG、MPEG1或MPEG4），综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。
他将摄像机获得的模拟信号转变成数字信号，便于计算处理。
但是不得不提的弊病是数字视频的数据量庞大，这也就直接阻碍了大型监控系统的搭建【7】。
嵌入式网络视频监控系统：
这种被称之为第三代视频监控系统在监控现场采用了嵌入式技术，使得视频采集设备可以将采集的视频信息经过智能图像分析技术处理。
嵌入式监控系统主要有监控设备、网络传输介质、客户端三部分组成。
嵌入式网络视频监控系统使得单纯的本地视频监控转变为更具实际意义的远程视频监控【8】。
视频监控系统按传输介质分为有线监控和无线监控【9】。
在使用中无线视频监控有很多优势：
无线视频监控系统具有扩展性好组网配置灵活，而且部署简单、成本低、性能稳定的特点。
1.3无线视频监控的原理及原理图
1.3.1无线视频监控的原理
现行的无线视频监控系统多是和网络摄像机相配合来进行操作的小型远程数字监控系统，有线无线皆可进行使用，在安置方面更加容易方便，不必另外配置电脑和录像设备。
作为用户而言，手机和电脑都可以成为监控的终端设备，对于监控视频的提取和观看可以随时随地的进行。
这一系统更加稳定，具有更高的靠性、实用性，在防火防盗、安全维护、人员监护、远程管理中都得到了较为广泛的应用。
1.3．2无线视频监控的原理图
1.3.3视频监控的三部分
整个监控系统可以分为三部分，视频采集部分，网络传输部分，监控中心，监控客户端。
视频采集设备：
视频采集（VideoCapture）把模拟视频转换成数字视频，并按数字视频文件的格式保存下来。
在视频采集工作中，视频采集卡是主要设备，它分为专业和家用。
专业视频采集卡不仅可以进行视频采集，而且还可以实现硬件级的视频压缩和视频编辑。
而家用的视频采集卡只能做到视频采集和初步硬件压缩。
无线视频终端安装在现场，使整个系统的视频收集单元，是系统的前端设备，包含图像采集的摄像设备、视频处理设备。
需根据现场需求周密规划、合理布置，本系统选用稳定的终端，配备高清设备。
【10，11】
传输网络：
由于监控点在布线施工和日后维护方面都极为不便，而无线网络视频监控系统，利于无线网络资源，可以方便的实现网络平台的视频监控。
其中包括：
视、音频信号传输，电源的传输，控制信号的传输，视频文件的宽带网络传输。
监控中心：
由中心管理单元，媒体分发单元，媒体储存单元，业务管理单元组成。
一个监控范围被称为一个“域”。
监控中心主要实现对监控目标的命令控制，媒体交换，业务、用户、媒体、网络管理和认证鉴权等当面的功能。
也就是说视频监控中心将监控信息传达给各个单元，以便达到对视频信息进行处理的效果。
1.4本文的内容安排
绪论
首先介绍了无线视频监控系统的应用领域以及视频监控系统在发展过程中的三个阶段。
然后介绍了无线视频监控的发展现状，最后介绍了无线视频监控的原理和原理图以及视频监控系统的三部分。
第一章无线视频监控的关键技术
首先介绍了视频编码技术的标准，然后介绍了视频压缩技术和压缩标准，并介绍了视频压缩标准的发展历程。
之后介绍了H.264编码器，包括H.264编码器的结构等。
最后介绍了无线视频传输技术的概念、无线视频传输的分类、无线视频传输的特点。
第二章视频采集系统
首先介绍了视频采集设备，之后介绍了视频采集的原理、视频采集的流程、视频采集系统的基本构成以及视频采集的具体过程。
第三章无线视频监控系统的设计
介绍了系统的构架、系统的用例分析以及系统的模块设计。
第四章展望
主要介绍了无线视频在未来发展中还需要有更多改进的地方，随着科技的发展无线视频监控系统会逐渐完善。
第二章无线视频监控的关键技术
2.1视频编码压缩技术的综述
我们是通过视觉和听觉获取外界信息。
利用人的视觉获取的信息称为视频信息，其特点为直观。
话音信息则是通过人的听觉信息获取的。
相比较之下视频信息更具体，给人印象深刻。
视频质量有两个标准：
主观质量和客观质量。
主观质量由人从视觉上进行评定，评定等级如图所示。
客观质量通常用信噪比来表示。
CCTR
评分等级
高清晰度采用七级评分等级
评价
7
不能察觉任何图像损伤
特别好
6
刚能察觉有图像损伤
相当好
优
5
不同程度的察觉，轻度损伤
很好
好
4
有损伤但不令人讨厌
好
稍差
3
有令人讨厌的损伤
稍差
很差
2
损伤令人讨厌，但尚可忍受
很差
劣
1
非常令人讨厌的损伤，无法观看
劣
主观质量评价标准
2.2视频编码技术的标准
随着处理技术的不断进步，视频编码的标准化工作也在相应不断地向前发展。
视频编码标准化的目的之一是为了给全球范围内的不同应用、不同厂商提供统一操作方法，之二是为了便于保护视频压缩技术的知识产权。
到目前为止国际上执行和参与视频标准化工作的主要组织有五个：
国际电信联盟、活动图像专家组、联合视频专家组、美国电视与电影工程师协会和中国数字化视频标准化工作。
视频编码标准的发展
目前已有的视频编码标准有：
H.261、H.262、H.263、H.264、MPEG系列标准。
视频编码标准规定了解码器要遵循的语法和语义。
一般而言后，期发展起来的标准，在语法和语义上一是方便容纳更为先进的编码技术，二是便于视频网络传输应用。
2.2.1H.261标准：
H.261是由国际电信联盟第十五研究组于1984-1989年制定的针对可视电话和视频会议的业务的视频压缩标准。
H.261压缩编码算法是一种采用帧间编码减少时间冗余、变换编码减少空间冗余的混合编码法，具有压缩比高、算法复杂度低等优点。
H.261标准的一个特点是编、解码器的复杂程度相当。
他的缺点是地压缩比性能缺乏灵活性。
2.2.2H.263标准：
H.263标准是国际电信联盟于1995年制定的甚低比特率视频压缩编码标准。
H.263视频编码器的基本结构与H.261基本类似，H.261编码器由于仅使用了1帧和P帧，所以一定要采用较高的量化阈值和低的频率，才能输出相对较低的码率，输出图像质量较差。
H.263标准版本升级主要以现在增加或修正一些高级编码模式，即保持了对旧版本的兼容，又增加了新的功能。
因而使其应用范围进一步扩大，压缩效率、抗误码能力和重建图像的主管质量都得到了提高。
2.2.3H.264标准：
H.264标准也称为MPEG-4AVC，它称作为MPEG-4Part10，是”高级视频编码”。
H.264应用的领域越来越广泛，具有很强的优越性，但获得优越性能的代价是计算复杂度增加，采取H.264的压缩方式可以在充分利用无线宽带的前提下提供尽可能好的图像质量。
2.3视频编码压缩技术
2.3.1视频压缩技术：
在数字视频监控系统中，视频压缩技术是关键的一部分。
由于视频的数据量打，相对于目前的储存技术及网络传输都是极大的挑战。
压缩技术包含：
帧内图像数据压缩技术；帧间图像数据压缩技术；熵编码压缩技术。
【25】视频编码压缩方式：
藉有特定的压缩技术，将某视频格式文件转换成另一视频格式文件的方式。
2.3.2压缩标准：
H.264作为新一代的视频压缩标准，其良好的压缩性能在视频实时通信、网络视频媒体传输等各个方面发挥着重要作用。
自从H.264标准发布以来，众多学者对于该标准的研究就从未停止，研究的重点是编码器中各个模块的算法设计。
人们针对其运动估计【12-14】，模式选择【15-16】，码率控制【17】，差错隐藏等标准中未强制规定的模块进行了大量的研究工作，产生了许多优秀算法。
视频压缩标准主要分为两大类：
M系列和H系列。
包括联合图像专家组为连续色调静态图像压缩制定的通用国际标准，国际化组织运动图像专家组的MPEG系列标准和国际电联的H.26X系列。
下图为视频压缩标准的发展历程【19】。
视频压缩标准的发展历程
视频压缩过程
2.4H.264编码器
2.4.1H.264编码器的结构
H.264并不明确地规定一个编码器【20】，而是规定了一个变了码的视频比特流的句法，和该比特流的解码法，各个厂商的编码器和解码器在此框架下能够互通，在实现上具有比较大的灵活性，而且有利于相互竞争。
H.264编码器
从上图可以看出编码器采用了预测和变换的混合编码方式。
输入的帧以宏块为单位进行处理首先进行帧内或帧间预测的判断。
如果采用帧内预测，其预测值是由当前片中以编码的宏块预测得出，如果选择帧间预测，则其测量值是由参考帧经过运动估计合运动补偿得出。
预测值与当前块相减后，产生一个残差块，经过变换、量化、重新排序和熵编码后，与一些解码所需的信息按照H.264规定的句法压缩成一个流码，经打包后传输与储存。
2.4.２帧内预测
H.264根据相邻像素可能有相同的性质，利用了相邻像素的相关性，采用了新的帧内预测模式。
通过当前像素块的左边和上边的像素进行预测，只对实际值和预测值的差值进行编码，这样就能用较少的比特数来表达帧内编码的像素块信息。
在H.264标准中，亮度快可以有九种4*4块和4种16*16块的帧内预测模式，而色度8*8块的4种模式与亮度的4种16*16的模式相同。
2.4.３帧间预测
帧间预测用于降低图像的时域相关性，通过采用多帧参考和更小运动预测区域等方法，对下一帧进行精确预测，从而减少传输的数据。
每个亮红块划分成形状不等的区域，作为运动描述区域其划分的方法有16*16、16*8、8*16、8*8共4种。
当选用8*8方式时，可以进一步划分成8*8、8*4、4*8和4*4共4个子区域【21】。
每个区域包含自己的运动失量，每个运动矢量和区域选取信息必须通过编码传输。
因此，当选用较大区域时，用于表示运动矢量和区域选取的数据量减小，但运动补偿后的残差会增大；当选用小区域时，残差减小，预测更精准。
但用于表示运动矢量和区域选取的数据量增大。
大区域适合反应帧间同质部分，小区域适合表现帧间的细节部分【22】。
2.4.４熵编码
利用信源的随机过程统计特性进行码率压缩的编码方式称为熵编码。
它是把所有的语法或者句法元素（包括控制流数据，变换量化残差系数和运动矢量数据）以一定的编码形式映射二进制比特流。
信息论中表示一个数据符号的理论上最佳比特数通个分数而不是一个整数，这个比特数用log（1/P）表示，其中P代表每个数据符号的出现概率。
这里log（1/P）指的就是上的概念。
熵编码的种类可以分为定长编码、变长编码和算数编码。
H.264标准中有三种编码方案：
一是指数哥伦布编码：
一个是可变长编码发展而来的自适应可变长编码：
另一个是算数编码发展而来的自适应二进制算数编码。
前两种属于变长编码，而第三种属于算数编码。
2.5无线视频传输技术
2.5.1无视频传输概念
无线传输是指利用无线技术进行数据传输的一种方式。
无线传输和有线传输是相对的。
随着无线技术的日益发展，无线传输技术越来越被各行各业所接受。
无线图像传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。
其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。
2.5.2无线传输的分类：
模拟微波传输和数字微波传输
模拟微波传输：
模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上，通过天线发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后通过微波接收机解调出原来的视频信号。
如果需要控制云台镜头，就在监控中心加相应的指令控制发射机，监控前端配置相应的指令接收机，这种监控方式图像非常清晰，没有延时，没有压缩损耗，造价便宜，适合一般监控点不是很多。
其弱点：
抗干扰能力差，易受天气、周围环境的影响，常熟距离有限。
模拟微波传输技术原理图
数字微波传输：
数字微波传输就是把视频编码压缩，然后通过数字微波信道调制，再通过天线发射出去，接收端则相反，天线接受信号，微波解扩，视频解压缩，最后还原模拟的视频信号，也可微波解扩后通过电脑安装相应的解码软件，用电脑软解压视频，而且电脑还支持录像，回放，管理，云镜控制，报警控制等功能。
数字视频监控的监控点比较多，监控点比较集中，它可集中传输多路视频，抗干扰能力比模拟的要好。
数字微波传输技术原理图
2.5.3无线视频传输技术的特点：
1视频数据量大，但信道资源有限
即使经过压缩编码的视频数据，仍需要较宽的传输频带。
由于无线信道环境恶劣，有效的宽带资源十分有限，实现大数据量的视频信号传输，尤其在面向大众的无线可视应用中，无线信息道的资源尤其紧张。
虽然蓝牙技术飞速发展，但蓝牙协议2.0规范支持的最高传输速率也只有3M左右。
2.较低的传输延迟，实时性要求高
人眼对视频信号的基本要求是，延迟小，实时性好。
而普通的数据通信对实时性的要求就比较低，因此相对普通数据通信而言，视频通信要求更好的实时性。
就多媒体应用来说，点到点的延迟不能超过150毫秒。
这期间除了实现数据在发送端与接收端的压缩与解压缩之外，还包括传输延迟。
3无线通信有较高的安全性要求
与有线相比，无线通信有较高的安全要求，安全性一直是无线通信应用中的一大问题。
商业和国防对安全性要求特别高。
2.5.4无线传输技术的选择
无线视频监控系统对实时性的要求很高，在采集端把采集到的视频信息进行编码处理后马上通过无线传输设备传送出去，而接受端在收到视频信号之后进行解码处理然后马上播放到显示屏。
为了满足实时性的特点本视频信号的传输选择实时流媒体的传输方案【24】。
无线传输技术在监控系统中得到充分的发挥绝对优势，因该满足：
能在非可是和有阻挡的环境中应用；适于高速移动中无线传输实时图像；是与传输高宽带、高码流、高画质的音视频；有优异的抗干扰、抗衰落能力。
实际中，无线视频实时传输主要有两个概念：
一是移动中传输，二是宽带传输【25】.
无线传输方式：
无线传输方式根据不同的分类标准有不同的选择方式。
比如根据距离的长短可以分为短距离的无线传输和长距
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