村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線傳輸方案設(shè)計(jì)

胡子昂++王衛(wèi)星++陸健強(qiáng)++石穎

摘要：本文面向省、市、縣三級(jí)村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)管理部門，針對(duì)帶寬受限和傳輸數(shù)據(jù)容量大的矛盾，探討了3G數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的傳輸網(wǎng)絡(luò)方案。在調(diào)查村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)監(jiān)管過(guò)程對(duì)數(shù)字化監(jiān)管平臺(tái)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施受限、多數(shù)地區(qū)存在WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的實(shí)際情況，選擇了3G無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和H.264視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)實(shí)際監(jiān)管和監(jiān)管系統(tǒng)視頻傳輸?shù)倪^(guò)程中存在的問(wèn)題，分別探索了視頻本地存檔、異地調(diào)用的雙碼流傳輸方式和帶寬受限條件下異步傳輸、可伸縮編碼和視頻畫(huà)面切割的傳輸方案。本文研究村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，為村鎮(zhèn)建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、全程監(jiān)管、縣市省三級(jí)互通互聯(lián)與公共服務(wù)、以及信息化監(jiān)管技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)建提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)；視頻監(jiān)控；無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP311.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.003

0 概述

本世紀(jì)頭20年，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，也是資源環(huán)境約束加劇的矛盾凸顯期。目前我國(guó)村鎮(zhèn)建設(shè)用地總量高達(dá)16.4萬(wàn)平方公里，是城市建設(shè)用地總量的4.6倍，人均用地185平方米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且土地利用結(jié)構(gòu)不合理，粗放利用問(wèn)題突出。因此，探索再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、全程監(jiān)管與業(yè)務(wù)系統(tǒng)一體化整合的方法，尋求如何構(gòu)建村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、全程監(jiān)管、信息共享與服務(wù)集成平臺(tái)，對(duì)轉(zhuǎn)變村鎮(zhèn)土地利用的傳統(tǒng)觀念，緩解土地資源有限造成的壓力，提高土地利用效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，在建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)方面監(jiān)控系統(tǒng)的科研幾乎空白。圍繞我國(guó)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)，在土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、建設(shè)用地集約節(jié)約用地評(píng)價(jià)以及有關(guān)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在區(qū)域規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、城鎮(zhèn)規(guī)劃的控制下，本著“補(bǔ)差補(bǔ)缺”的原則，以加強(qiáng)“經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)、市場(chǎng)監(jiān)管、社會(huì)管理、公共服務(wù)”下的建設(shè)用地調(diào)控與監(jiān)管為核心，進(jìn)行建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)數(shù)字化監(jiān)管技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)信息化監(jiān)管具有重要意義。本文面向省、市、縣三級(jí)村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)管理部門，針對(duì)帶寬受限和傳輸數(shù)據(jù)容量大的矛盾，重點(diǎn)探討3G數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的傳輸網(wǎng)絡(luò)方案。

本文針對(duì)村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)具有漸變性、周期較長(zhǎng)，單純用巡查、數(shù)據(jù)上報(bào)等常規(guī)監(jiān)控手段很難滿足有效實(shí)時(shí)監(jiān)管的特點(diǎn)，研究基于多模式及多路無(wú)線捆綁安全數(shù)據(jù)接人視頻網(wǎng)關(guān)的村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)采集處理和智能分析技術(shù)。通過(guò)分析村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合對(duì)無(wú)線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用的研究，進(jìn)行了村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控終端壓縮編碼方式的選擇和視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端視頻傳輸模式設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)視頻傳輸過(guò)程中，解決3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下帶寬受限和視頻傳輸數(shù)據(jù)量大的矛盾是一個(gè)核心問(wèn)題。以中國(guó)聯(lián)通3G環(huán)境下室外移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為例，此種情況下的3G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為l44kbps。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，監(jiān)控畫(huà)面的分辨率采用720×576，每個(gè)真彩像素深度為24，H.264視頻壓縮比假為102：1，這樣得到原始視頻的數(shù)據(jù)量為720×576×24/8=1244kbpf，壓縮后的數(shù)據(jù)量為9953/102=12.2kbpf。利用此條件下的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸可得圖像的傳輸速率為144kbps/12.2kbpf=11.8fps。而滿足流暢的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控畫(huà)面需保證至少20fps的傳輸速率，即保證每秒能接收到的視頻幀至少為20幀。

由此可見(jiàn)，在平均3G網(wǎng)絡(luò)帶寬下，視頻的傳輸速率不能完全滿足視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的流暢性需求，這就必須要對(duì)原有的視頻傳輸方案加以改進(jìn)。與此同時(shí)，村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)實(shí)際監(jiān)管的過(guò)程中存在著取證不及時(shí)、鑒定難度大的問(wèn)題；在監(jiān)管系統(tǒng)視頻傳輸?shù)倪^(guò)程中，存在著網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的缺陷。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文分別從兩個(gè)方面人手，提供了視頻本地存檔、異地調(diào)用的雙碼流傳輸方式和帶寬受限條件下的視頻傳輸方案。

2 雙碼流視頻傳輸方案設(shè)計(jì)

為了滿足村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)實(shí)際監(jiān)管過(guò)程中視頻取證的需求，本節(jié)參照3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議框架，在雙碼流技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)的3GSS流分發(fā)服務(wù)器用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻的存檔與傳輸。

在雙碼流傳輸過(guò)程中，流分發(fā)服務(wù)器可對(duì)單路模擬視頻進(jìn)行兩種格式的同時(shí)編碼上傳，并有由中心服務(wù)器進(jìn)行差異化轉(zhuǎn)發(fā)。如圖1所示，視頻解碼器和錄像存儲(chǔ)單元接受高清晰度的視頻并存儲(chǔ)，而監(jiān)控端接受低品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻，可有效降低帶寬資源的消耗，提升視頻監(jiān)控畫(huà)面的流暢度，從而保證監(jiān)控中心在進(jìn)行多畫(huà)面視頻實(shí)時(shí)瀏覽時(shí)的應(yīng)用效果。

3 傳輸方式的選擇

前文的分析中指出，在3G網(wǎng)絡(luò)帶寬受限的情況下，要傳輸滿足技術(shù)指標(biāo)的高清視頻，并保證監(jiān)控畫(huà)面的流暢性，只能通過(guò)降低監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)性和減少3G網(wǎng)絡(luò)中單條信道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的目的。針對(duì)該問(wèn)題本文通過(guò)引入異步傳輸機(jī)制、視頻可伸縮編碼和視頻圖像裁剪方式，提出了相對(duì)應(yīng)的解決方案。

3.1 步傳輸機(jī)制

與安全設(shè)施監(jiān)控、違法犯罪監(jiān)控等強(qiáng)調(diào)的及時(shí)報(bào)警、快速響應(yīng)不同，村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控不需要過(guò)分強(qiáng)調(diào)監(jiān)控畫(huà)面的實(shí)時(shí)性，可以允許適當(dāng)?shù)木彌_延時(shí)以保證監(jiān)控畫(huà)面的質(zhì)量，以便于對(duì)違規(guī)用地進(jìn)行更加詳細(xì)地取證。

考慮到本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)傳輸畫(huà)面的實(shí)時(shí)性要求并不是很高，引入異步傳輸機(jī)制，以降低實(shí)時(shí)性為代價(jià)完成對(duì)高清視頻流的異步傳輸，達(dá)到監(jiān)控視頻流暢播放的目的；與此同時(shí)，引入一個(gè)基于RTCP報(bào)告、可獲取對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況變化趨勢(shì)的反饋機(jī)制。并利用其提供的動(dòng)態(tài)的反饋信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)送端和接收端Buffer的控制，使其適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況，保證流媒體傳輸?shù)腝oS，以提高流媒體傳輸?shù)男省?

如圖2所示，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控發(fā)送端和監(jiān)控中心接收端設(shè)置視頻緩沖區(qū)，由會(huì)話管理中心不斷獲取RTCP報(bào)告信息，控制緩沖區(qū)的大小，以保證傳輸效率。完成壓縮編碼后的本地高清視頻封裝包在緩沖區(qū)列隊(duì)傳出，接收端緩沖區(qū)對(duì)視頻進(jìn)行列隊(duì)處理。

在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，攝像頭連接無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳輸設(shè)備，接收端架設(shè)視頻轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，利用一定的緩沖時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)高清視頻圖像的流暢傳輸。無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳輸設(shè)備要先實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，然后再異步無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)，然后視頻轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)經(jīng)過(guò)一定緩沖時(shí)間再實(shí)現(xiàn)流暢播放。

3.2 頻可伸縮編碼傳輸

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，編碼器將視頻信號(hào)壓縮到一個(gè)特定的比特率，使此比特率小于或接近信道容量，解碼器利用收到的全部數(shù)據(jù)重建視頻信號(hào)。但是在本文所研究的系統(tǒng)流媒體應(yīng)用環(huán)境下，由于村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不健全帶來(lái)的帶寬不足和考慮到設(shè)備成本的問(wèn)題，編碼器無(wú)法預(yù)知終端設(shè)備能力，因此要求視頻編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)特定使用環(huán)境下的最優(yōu)編碼，使得編碼后的碼流可以靈活地適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了解決3G網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不足的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)對(duì)視頻傳輸請(qǐng)求有自適應(yīng)性的視頻服務(wù)器。

可伸縮編碼（SVC， Scalable Video Coding）能很好滿足系統(tǒng)的這種自適應(yīng)性，能夠?qū)⒁曨l信息按照重要性分解，對(duì)分解的各個(gè)部分按照其自身的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行編碼。

如圖3所示的是H.264擴(kuò)展的可伸縮編碼示意圖。空間可伸縮性通過(guò)空域分解下采樣來(lái)生成多個(gè)不同空間分辨率的信號(hào)。每個(gè)空域?qū)釉俳?jīng)過(guò)層次B幀預(yù)測(cè)編碼結(jié)構(gòu)來(lái)提供時(shí)域可伸縮性。低空域?qū)拥倪\(yùn)動(dòng)信息和紋理信息可以用于高空域?qū)酉嚓P(guān)信息的預(yù)測(cè)。H.264 SVC的視頻編碼也是基于宏塊的，每個(gè)宏塊除了可以進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼和幀間預(yù)測(cè)編碼之外，高空間層的圖像還可以進(jìn)行層間預(yù)測(cè)編碼。對(duì)于每個(gè)空間分層中的任意時(shí)間級(jí)圖像，都采用質(zhì)量可伸縮性編碼。

3.3 頻畫(huà)面切割傳輸

從減少3G網(wǎng)絡(luò)中單條信道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸信息量的角度出發(fā)，考慮先將大數(shù)據(jù)量的每幀圖片在本地視頻處理端物理分割成幾個(gè)等大小的畫(huà)面，分別經(jīng)過(guò)編碼傳輸，在接收端解碼后對(duì)分割的畫(huà)面進(jìn)行再融合。再對(duì)得到的融合畫(huà)面進(jìn)行顯示。這樣在單條傳輸信道上的傳輸數(shù)據(jù)量將成倍縮小，緩解了帶寬不足的壓力，提高了視頻的流暢度，增加了視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

以技術(shù)指標(biāo)要求為例，在144kbps網(wǎng)速下傳輸分辨率為750×576的視頻監(jiān)控畫(huà)面，每個(gè)真彩像素深度為24，所以原始視頻的數(shù)據(jù)量為720×576×24/8=1244kbpf。經(jīng)過(guò)視頻分割，將照片等分成4個(gè)部分，每部分的數(shù)據(jù)量為1244/4=3 llkbpf，采用H.264壓縮編碼后的數(shù)量為3kbpf。也就是說(shuō)，在每條獨(dú)立的3G網(wǎng)絡(luò)信道內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為3kbpf。由此可以得出，此條件下的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸可得圖像的傳輸速率為144kbps/3kbpf=48fps。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于視頻播放所需要的25幀/s的播放量，完全可以滿足視頻監(jiān)控應(yīng)用中視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

本文以圖片的四分法為例，如圖4所示。先將視頻攝像頭拍攝到的畫(huà)面ABCD經(jīng)過(guò)分割處理，得到四張等大小的圖片A、B、C、D，分成四路經(jīng)過(guò)編碼封裝后接人3G網(wǎng)絡(luò)傳輸。接收端接收到四幅圖片A、B、C、D后，通過(guò)視頻解碼融合器，將圖片還原成拍攝所得的圖片ABCD，最后將還原的圖片壓人隊(duì)列形成視頻流。

3.4 頻傳輸模式方案的選擇

在視頻畫(huà)面分割傳輸方案中，如何解決掉幀和失幀后的同步問(wèn)題是一個(gè)難點(diǎn)。不難預(yù)想到在實(shí)際傳輸過(guò)程中，由于單條或多條信道上可能存在的數(shù)據(jù)掉包，出現(xiàn)某一或多個(gè)畫(huà)面的失幀，如圖5所示。這大大降低了視頻的監(jiān)控效果，不能滿足高清視頻監(jiān)控的要求。所以，在建設(shè)用地現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中單純采用這種傳輸方案易造成視頻卡頓、失真嚴(yán)重等不良后果。

前文提出的設(shè)置緩沖區(qū)、異步傳輸視頻的方式，緩沖區(qū)的等待隊(duì)列以降低實(shí)時(shí)性的代價(jià)來(lái)保證高清的視頻監(jiān)控，恰恰為視頻畫(huà)面分割傳輸中畫(huà)面同步的問(wèn)題提供的解決辦法。而視頻畫(huà)面分割傳輸?shù)乃悸酚纸档土藛螚l信道上的帶寬壓力，減小了緩沖區(qū)域的分配，縮短了視頻緩沖時(shí)間，大大增強(qiáng)了視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。但復(fù)雜的算法和增加的傳輸網(wǎng)關(guān)帶來(lái)的成本增加，是該傳輸模式在實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題。因此，結(jié)合異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法對(duì)視頻進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)男滦蛡鬏斈Ｊ街档眠M(jìn)一步探討。

與此同時(shí)，相比異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法相結(jié)合的傳輸方式，將可伸縮編碼和異步傳輸方式相結(jié)合的傳輸方式更適合在3G網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)速較慢的環(huán)境下，可伸縮編碼能將視頻監(jiān)控所需的基本層剝離出來(lái)進(jìn)行傳輸，這大大減少了無(wú)線傳輸信息量，緩解了3G網(wǎng)絡(luò)的壓力。

綜上所述，視頻傳輸模式方案的選擇需要根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)決定。在無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的條件下，選擇異步傳輸方式和視頻圖像分割傳輸方法相結(jié)合的傳輸方式，能夠緩解傳輸信道上的壓力，提高現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)性；在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱的條件下，可伸縮編碼和異步傳輸方式相結(jié)合的傳輸方式能夠調(diào)節(jié)視頻監(jiān)控傳輸信道上的數(shù)據(jù)量，獲得更好的監(jiān)控效果。

4 結(jié)論與展望

本文依據(jù)村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)管的實(shí)際需求，結(jié)合村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)中存在的帶寬受限問(wèn)題，進(jìn)行了村鎮(zhèn)建設(shè)用地再開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控終端視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)，完成的工作主要包括：研究無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳輸設(shè)備帶寬受限情況下，保證接收端視頻清晰流暢接收的傳輸方法。為解決文中構(gòu)思了三種傳輸方案，分別是設(shè)置本地緩沖區(qū)，對(duì)視頻進(jìn)行異步傳送；對(duì)視頻每幀圖像在本地進(jìn)行切割后分別傳送，接收端融合；以犧牲低網(wǎng)速下的視頻畫(huà)面質(zhì)量來(lái)?yè)Q取換面流暢度的H.264可伸縮編碼形式。在保證監(jiān)控質(zhì)量的前提下，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本文提出了將幾種方式融合的思路，在具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中來(lái)決定不同視頻傳輸模式方案。我們計(jì)劃在未來(lái)利用該套無(wú)線傳輸方式，解決無(wú)線傳輸帶寬受限和視頻傳輸數(shù)據(jù)容量大的問(wèn)題。并結(jié)合CORS高精度定位裝置，實(shí)現(xiàn)綜合整治村鎮(zhèn)建設(shè)用地的視頻高精度實(shí)時(shí)監(jiān)管功能。