移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介及研發(fā)現(xiàn)狀分析

在現(xiàn)有高速公路網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的基礎上，建設移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。應用移動流媒體、視頻壓縮及信息流化、帶寬自適應傳輸?shù)燃夹g，將高速路段以及收費站視頻監(jiān)控信號壓縮處理后通過移動通信網(wǎng)絡轉發(fā)到移動終端，實現(xiàn)監(jiān)控端的移動性。本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡不需單獨建設，而是利用中國移動GPRS網(wǎng)絡或中國聯(lián)通CDMA1X網(wǎng)絡，節(jié)省了無線網(wǎng)絡建設與維護的費用，同時保證了網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

一、發(fā)展的需要

河南省是國家重要的交通樞紐，具有突出的交通區(qū)位優(yōu)勢。隨著國家和河南省國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，交通需求將繼續(xù)保持快速增長;而且，隨著高速公路網(wǎng)絡不斷完善，高速公路網(wǎng)絡在整個公路網(wǎng)絡體系中對于車流量的匯聚效應也已開始顯現(xiàn)并將不斷增強。為解決高速公路管理人員受監(jiān)控場所和監(jiān)控條件限制的問題，進一步提高高速公路的管理水平，河南省高速公路發(fā)展有限公司(以下簡稱高發(fā)司)提出在高速公路視頻監(jiān)控中引入移動視頻監(jiān)控技術。高速公路路況信息的移動視頻監(jiān)控是交通道路監(jiān)控的典型應用。

高速公路的移動視頻監(jiān)控相對市區(qū)道路要求更為迫切，一則高速路承擔著城市間的骨干運輸功能;另一方面，由于道路遠離城區(qū)，高速路監(jiān)管單位也有需求利用移動通信網(wǎng)來實現(xiàn)對路況的移動視頻監(jiān)控，以增強管理、調度和應急響應能力，緩解交通流量大、戰(zhàn)線長和警力不足等矛盾。

二、移動視頻監(jiān)控技術支撐

視頻監(jiān)控技術經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)等階段;隨著通信技術的發(fā)展、移動終端功能的增強，移動視頻監(jiān)控成為監(jiān)控行業(yè)新的技術發(fā)展趨勢。相對于模擬監(jiān)控和網(wǎng)絡監(jiān)控的局限性而言，移動視頻監(jiān)控采用了移動流媒體技術，實現(xiàn)了“隨時隨地，自由掌控”的監(jiān)控。

移動流媒體技術是20世紀末發(fā)展起來的技術，目前仍在發(fā)展過程中，移動流媒體業(yè)務也被認為是未來第三代移動通信網(wǎng)絡中“殺手锏”級業(yè)務，它的開發(fā)與應用是目前移動通信增值業(yè)務領域的研究重點。國內移動通信運營商和通信設備制造商自21世紀初開始研究移動流媒體技術的應用，各大運營商在3G試驗網(wǎng)中將移動流媒體業(yè)務作為主要業(yè)務研究，先后制定了具有運營商特色的流媒體業(yè)務標準，設備制造商也積極參與了流媒體業(yè)務標準的制定和試驗，大力推動了移動流媒體技術的研發(fā)進度以及推廣應用。同時高速公路視頻監(jiān)控網(wǎng)絡的建立，使我們具備了豐富的視頻監(jiān)控資源，并積累了大量視頻監(jiān)控系統(tǒng)維護經(jīng)驗。

移動網(wǎng)絡逐漸成熟，使得移動視頻監(jiān)控成為可能。中國聯(lián)通CDMA1X網(wǎng)絡支持50—80kbps傳輸速率，中國移動GPRS網(wǎng)絡可提供30—50kbps傳輸速率。在這些速率下可傳輸清晰流暢的視頻監(jiān)控信號。我國將開始第三代移動通信網(wǎng)絡(3G)的建設，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，可傳輸更清晰流暢的視頻信號，屆時通信資費也將大幅降低。

三、移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

(一)移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)結構

采用移動流媒體、視頻編解碼及信息流化處理、帶寬白適應傳輸?shù)燃夹g，在高速公路現(xiàn)有網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的基礎上，疊加移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包含五個部分：視頻編碼器、視頻矩陣控制程序、移動流媒體服務器、監(jiān)控業(yè)務管理服務器、移動終端播放器。

從原有監(jiān)控中心分路出視頻信號，對其進行壓縮編碼、流化處理后發(fā)送到流媒體服務器，由流媒體服務器發(fā)布給移動終端。用戶可通過移動終端接入到監(jiān)控業(yè)務管理平臺，通過用戶認證和業(yè)務鑒權后，邊下載邊觀看流媒體服務器上轉發(fā)的高速路況監(jiān)控內容。從而突破地域的限制，在移動終端上實現(xiàn)視頻監(jiān)控。

(二)移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術

1.為實現(xiàn)移動流媒體視頻監(jiān)控，必須解決以下關鍵技術問題：

(1)移動流媒體服務器實現(xiàn)。本系統(tǒng)基于移動流媒體技術，通過流媒體服務器為用戶提供業(yè)務，需實現(xiàn)流媒體相關協(xié)議(RTSP、RTP和RTCP)。

(2)適應傳輸。流媒體服務器實時偵測移動終端帶寬情況，調整視頻傳輸速率，保證移動終端視頻質量。在視頻監(jiān)控過程中，移動終端統(tǒng)計從服務器接收的視頻數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包達到的時間信息，周期向流媒體服務器發(fā)送實時傳輸控制協(xié)議RTCP;流媒體服務器從這些反饋信息中偵測網(wǎng)絡的丟包率、抖動、傳輸延遲，綜合評估網(wǎng)絡帶寬，根據(jù)帶寬調整傳輸速率。當需要降低傳輸速率時，流媒體服務器動態(tài)修改視頻信息的時戳，通過降低幀率達到降低速率的目的。

(3)控制策略。由于實時視頻傳輸對時延敏感，出錯數(shù)據(jù)不可能重傳，因此，需采取差錯控制策略。差錯控制采用兩種方法：差錯隱蔽和差錯彈性。編碼器在流化處理時，將視頻信息采用前向糾錯(FEC)、數(shù)據(jù)分割技術將差錯控制在較小范圍，防止差錯蔓延。移動終端解碼時采用零冗余差錯隱蔽技術對錯誤視頻信息進行校正。

(4)防火墻穿透。移動流媒體服務器和移動終端通過支持視頻信息TCP承載，可完成防火墻穿透。

(5)流式內容存儲。流媒體服務器需要將編碼器傳來的流式視頻信息進行存儲，便于日后查找。目前標準的存儲文件格式為3GP格式和MP4格式，文件組織較復雜，因此實現(xiàn)一種私有文件格式，將視頻信息存儲在服務器，移動終端可以從服務器上獲取并播放。

2.統(tǒng)開發(fā)時，分析系統(tǒng)要解決的主要問題，將主要的精力用在解決主要問題。本系統(tǒng)的主要目的是在現(xiàn)有視頻監(jiān)控網(wǎng)絡的基礎上，建設移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為此，系統(tǒng)開發(fā)采取如下策略：

(1)軟件平臺采用自主開發(fā)的方式進行;項目組在相關領域具有很深的技術積累，前期預研工作已經(jīng)非常充分;在產(chǎn)品開發(fā)中的過程中將嚴格按照CMM模型和IS09000質量保證的要求嚴格管理，確保系統(tǒng)的開發(fā)進度、穩(wěn)定性和成熟度。

(2)對于所需的硬件如硬盤錄像機、服務器硬件采用購買的方式，所選品牌均為國內外知名品牌，系統(tǒng)穩(wěn)定能夠得到有效的保證。

(三)移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

1.通過本系統(tǒng)的建設，能夠實現(xiàn)以下功能：

(1)分布式多級組網(wǎng)監(jiān)控平臺;

(2)采用多級組網(wǎng)監(jiān)控管理平臺，建立省中心、分監(jiān)控中心，以及收費站路況多級監(jiān)控網(wǎng)絡，多級組網(wǎng)，實現(xiàn)對全網(wǎng)監(jiān)控業(yè)務的統(tǒng)一調度。

2.靈活的實時圖像監(jiān)控功能

組網(wǎng)方式靈活，既可以是局域網(wǎng)、專網(wǎng)，也可以是internet網(wǎng)絡等有線網(wǎng)絡，也可以采用CDMAGPRS移動通信網(wǎng)絡。

監(jiān)控方式多種多樣，既可以采用PC等監(jiān)控終端，也可以采用手機、PDA等無線終端。

3.基于手機PC的多級視頻矩陣切換功能

可以通過手機、PC等監(jiān)控終端，靈活控制收費站、分監(jiān)控中心各級視頻切換矩陣，選擇需要監(jiān)控的視頻信號。

4.用戶權限管理功能

可以對接入用戶進行身份鑒全管理，只有合法用戶才可以接入監(jiān)控管理平臺，拒絕未授權用戶接入。

四、系統(tǒng)實施方案

河南省高速公路移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，各收費站、路況監(jiān)控信號，通過光纖通道傳送至各分監(jiān)控中心，在各分監(jiān)控中心設置多路采編服務器，采編服務器接收矩陣輸出的視頻信號，對視頻信號進行編碼通過高速專網(wǎng)上傳到放置于鄭州分公司的移動視頻監(jiān)控服務器，采編服務器還要接受放置于鄭州分公司的業(yè)務管理平臺服務器下發(fā)的視頻矩陣控制信號，通過矩陣控制盒，對各級網(wǎng)絡中的視頻切換服務器進行控制，完成收費站、路況視頻信號的切換。多路采集服務器對各收費站視頻切換主要依靠各收費中心的級聯(lián)視頻切換矩陣。

(一)業(yè)務管理平臺主要完成以下功能：

1.門戶業(yè)務呈現(xiàn);

2.用戶接入鑒權管理;

3.移動監(jiān)控平臺管理功能。

(二)動視頻監(jiān)控服務器主要實現(xiàn)以下業(yè)務功能：

1.視頻監(jiān)控業(yè)務;

2.流媒體點播業(yè)務功能。

(三)本系統(tǒng)投入運行后，各分監(jiān)控中心組網(wǎng)圖如下：

采編服務器置于各分監(jiān)控中心，把實時視頻監(jiān)控視頻進行采集編碼，通過高速專網(wǎng)發(fā)往鄭州分公司移動視頻監(jiān)控服務器，提供實時監(jiān)控功能;同時采編服務器還要接受放置于鄭州分公司的業(yè)務管理平臺服務器下發(fā)的視頻矩陣控制信號，通過矩陣控制盒，對各級網(wǎng)絡中的視頻切換服務器進行控制，完成收費站、路況視頻信號的切換。

五、移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀

在研發(fā)單位的試驗室環(huán)境中，已經(jīng)準備了一套項目原型用于該項目的測試;研發(fā)單位的移動流媒體系統(tǒng)在全國各地也有大量的試驗網(wǎng)環(huán)境，這些都能夠為該項目所用，用來該項目的相關功能驗證和系統(tǒng)調試;在項目準備期間，相關單位和河南移動和河南聯(lián)通都進行了溝通，確保該系統(tǒng)能夠在河南移動和河南聯(lián)通的網(wǎng)絡環(huán)境下能夠實施運行。

目前，移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)第一階段工作已經(jīng)完成，并成功應用于安新公司移動視頻監(jiān)控試點工程。隨著安新試點工程的成功，接下來將啟動河南高速公路其他分公司的系統(tǒng)研發(fā)以及工程施工等工作。開發(fā)完成的包括視頻監(jiān)控管理服務器、移動流媒體服務器、視頻編碼服務器、矩陣切換控制程序以及手機終端播放器等。

(一)視頻監(jiān)控管理服務器

基于Spring和Hibernate技術構建的J2EE服務器，實現(xiàn)系統(tǒng)中監(jiān)控點的管理與呈現(xiàn);用戶管理，包括用戶的注冊與注銷、用戶的驗證功能;視頻矩陣的管理與控制。

普通用戶通過登錄視頻監(jiān)控管理服務器的視頻監(jiān)控頁面執(zhí)行視頻監(jiān)控的操作。該頁面按照高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的層次結構組織，將一次訪問本系統(tǒng)實現(xiàn)移動視頻監(jiān)控的過程舉例如下：

1.登錄后，進入視頻監(jiān)控主界面，在界面中選擇高速公路;

2.選擇京珠高速后，出現(xiàn)京珠高速下分公司列表，可選安新公司;

3.進入安新公司視頻監(jiān)控，可選擇對收費站、路段進行監(jiān)控，而道路巡檢則是定時將各路段視頻切換給監(jiān)控播放器;

4.選擇道路監(jiān)控，看到路段列表;

5.選擇某個路段，看到在該路段上所有的視頻監(jiān)控攝像頭列表。

當選擇列表中的某個攝像頭時，視頻監(jiān)控管理平臺就會控制視頻矩陣切換，將攝像頭視頻切換到用戶的監(jiān)控通道，用戶可以在播放器中看到選擇的攝像頭監(jiān)控視頻。

(二)流媒體服務器性能

系統(tǒng)設備的性能和穩(wěn)定性一直是我們在研發(fā)過程中關注的重點。流媒體服務器開發(fā)完成后，研發(fā)人員對服務器的性能和穩(wěn)定性進行了深入而細致的測試，對于測試中發(fā)現(xiàn)的問題進行了修改處理，最終使得服務器性能與穩(wěn)定性達到了不遜色于業(yè)界領先產(chǎn)品的水平。美國Real公司是業(yè)界流媒體技術的領跑者，該公司的流媒體服務器HelixServer在功能和性能都處于業(yè)界領先

水平，得到了廣泛應用。我們將自研流媒體服務器性能與HelixServer在不同條件下進行了測試比較。下面四個表格是部分測試數(shù)據(jù)，從測試數(shù)據(jù)看來，我們的流媒體服務器性能與穩(wěn)定性并不遜色于HelixServer，在某些方面甚至優(yōu)于HelixServer。

(三)手機用戶驗證的實現(xiàn)方法

在移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，需要對用戶登錄權限進行驗證。對用戶的驗證一般是通過用戶名密碼的方法，但是對于手機用戶存在其特殊性，首先，手機操作輸入用戶名密碼十分不方便;其次，一般移動通信網(wǎng)絡會把與手機號碼相關的信息在HTTP消息中發(fā)送到服務器，如果基于手機號碼進行用戶驗證，用戶就不用輸入用戶名和密碼進行驗證，給用戶提供方便。因此，我們決定從手機號碼入手，解決手機用戶登錄的問題。

如何獲取手機號碼，是首先要面對的問題。我們對手機訪問服務器的消息進行了分析，從中得到了解決辦法。對多次手機訪問服務器的過程進行分析后，我們發(fā)現(xiàn)，消息中有固定的字段所包含的值正好就是用戶的手機號碼。這樣，視頻監(jiān)控管理平臺在用戶通過手機訪問時，取得用戶手機號碼，進行驗證，實現(xiàn)了基于用戶號碼的驗證。用戶通過互聯(lián)網(wǎng)進行視頻監(jiān)控時，其操作過程與在CDMAlx手機上的操作是類似的，不同處在于，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問需要用戶輸入自己的手機號碼以及對應的密碼才能登錄。采用上述用戶驗證方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)安全性，保證了用戶使用方式的一致性，并提供了手機登陸系統(tǒng)的方便性。

(四)移動終端視頻監(jiān)控客戶端

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于移動流媒體技術，所有支持移動流媒體的手機都可以作為移動視頻監(jiān)控的客戶端，但是存某些情況下，標準移動流媒體播放器的使用受到一些限制。

在移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用中，十分有必要擁有具備系統(tǒng)特色的移動視頻監(jiān)控客戶端軟件。本系統(tǒng)移動視頻監(jiān)控客戶端軟件基于]2ME平臺進行開發(fā)。基于J2ME實現(xiàn)的程序必須到達與標準移動流媒體終端訪問移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)相同的用戶體驗，因此該程序按照視頻監(jiān)控管理平臺視頻監(jiān)控界面實現(xiàn)了用戶界面。

(五)視頻監(jiān)控圖像效果

系統(tǒng)開發(fā)完成后，在河南高速公路發(fā)展有限公司安新分公司進行了移動視頻監(jiān)控的試點。試點系統(tǒng)建成后，成功實現(xiàn)了在GPRS手機和CDMA1x手機上的移動視頻監(jiān)控。由于視頻源數(shù)據(jù)相同，因此通過電腦訪問我們可以得到與手機訪問相同的視頻質量。我們在電腦上針對GPRS網(wǎng)絡和CDMA1X網(wǎng)絡下的視頻效果進行了評估，視頻質量達到移動視頻監(jiān)控的要求。

(六)移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點

該系統(tǒng)充分分析了移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點，對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可擴展性提出了更高的要求，能夠快速適應不同項目的需要。該系統(tǒng)具備以下優(yōu)點：

1.移動流媒體服務器功能完善，支持RTP數(shù)據(jù)報的TCP承載，以此構建的系統(tǒng)可以穿越防火墻，降低了對網(wǎng)絡的依賴性，系統(tǒng)部署快捷簡單;

2.流媒體服務器的性能與穩(wěn)定性與業(yè)界領先的產(chǎn)品相比毫不遜色;

3.系統(tǒng)具有良好的可擴展性，可支持多種視頻監(jiān)控設備的接入;

4.對系統(tǒng)中不同種類的矩陣控制進行了抽象，系統(tǒng)中矩陣類型的增加并不會對系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的影響;

5.系統(tǒng)支持不同種類的視頻監(jiān)控客戶端;

6.端到端的解決方案，工程實施管理更簡單。

六、小結

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)配合其他系統(tǒng)能夠做到隨時隨地的高速公路路況監(jiān)控，將能夠大大降低高速公路管理、維護費用;并且該系統(tǒng)也能夠向廣大的司機和公眾用戶開放，方便大家及時掌握高速公路的路況信息，提升高速公路的形象，同時能為高速公路帶來一定的經(jīng)濟效益。移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的成功實施還有另外一個意義，那就是充分利用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡的通信能力，在現(xiàn)網(wǎng)中提供視頻類的成功應用范例。

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)以移動流媒體技術為核心，而移動流媒體業(yè)務一直被認為是第三代移動通信網(wǎng)中特有的、最具吸引力的業(yè)務，在現(xiàn)在的2.5G/2.75G網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡帶寬等原因，業(yè)界一直認為不可能有成功的移動流媒體應用。實際上2.5G/2.75G網(wǎng)絡的價值被低估了，現(xiàn)網(wǎng)下也可以開展類似移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基于移動流媒體技術的應用。