车载高清视频监控设计研究

张恺乐，蒋园园，王智泉，钟德荣

（1.新疆立昂电信技术有限公司 新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆立昂软件服务有限公司 新疆 乌鲁木齐 830011）

传统的车载监控行业主要采用DVR的方式，搭配小型的模拟摄像机，优势在于成本低廉，而市场上很多用户对价格又比较敏感，对视频监控的其他方面关注度较低。许多厂商为了提升销量，采用低成本的解决方案来满足用户需求，不仅造成了整个车载监控行业产品鱼龙混杂，大大降低了入门门槛。YCB中国行业咨询网_行业报告_行业分析_市场调研_第三方市场数据和调查报告提供商车载移动监控一直以来都是整体监控的重要组成部分，也是目前新兴的市场之一。市场虽然潜力巨大，且对厂商来说很有吸引力，但是多数用户对车载移动监控的投入，还没有达到像对“有线监控”的重视程度，这是造成车载监控市场整体偏向低端的原因之一[1]。

正是由于以上原因，造成了作为执法部门的车载监控完全不能满足其执法要求。目前车载监控设备，主要以模拟摄像机为主，不能为执法车辆提供清晰的记录画面。虽然能做到视频的移动监控，但不能为之提供有效清晰的视频，需要进行后期相应的图像处理。对于同时能做到高清视频移动存储，兼顾有GPS，并能够3G上传的车载监控系统目前市场上还没有。城市执法车辆极少部分已经开始装备车载云台，但还远远没有达到高清图像传输的要求。未来执法车辆需要进一步完善，对车载高清监控设备的需求量将大大增长。车载移动监控的市场发展趋势正朝着，高清化，智能化和行业细分化的方向发展。

1 系统分析

车载云台视频监控也只有短短这几年才发展起来的，主要业务是以计算机、网络、通信技术、视频编解码技术为基础，以智能图像分析为特色，实现音视频信息的压缩、存储、分析、传递、显示等自动化处理并通过网络实现远距离的监控的业务。

近年来，各行各业对各种视频监控需求的不断升温，尤其是近几年平安城市、智慧城市、电子警察等项目的兴起，各种的视频监控设备已经在全国各地的各种场所中安装使用，例如，银行、商场、停车场、车站、机场和交通路口等一些人流量较大的公共场所都进行了视频监控设备的安装。视频监控的设备都已经步入高清化、智能化、网络化的行列。但目前的车载监控系统主要采用 “车载DVR+模拟摄像机”的监控方式，清晰度以CIF为主，标准相对较低。很明显，早前的车载监控更多的像是一种摆设和补充，虽市场潜力巨大，但始终只是监控行业中的冰山一角。尽管整个监控行业早已倡导网络化、高清化，但是车载移动监控行业依旧变化缓慢，更多的情况是各厂商乐此不疲地打价格战，只是强调车辆是否有安装，而不看重监控设备的性能和图像质量。但是整体监控市场正处于繁荣向上的阶段，整体市场的趋势发生变化，车载移动监控市场也将受其影响[2]。

2 车载高清视频监控设计

2．1 总体技术路线

基于高清的车载云台监控系统，由车载高清云台系统、车载NVR嵌入式主机和监控中心3大部分组成。其中车载设备端主要由车载高清云台、车载NVR嵌入式主机两大部分组成。监控中心则由相应的通信设备，GPS定位信息设备，图像存储设备和中央处理机等构成。总体技术架构图如图1所示。

图1 总体技术架构图Fig.1 System architecture diagram

本项目首先通过车载高清云台采集实时的高清图像视频，采集的图像标准达到1 080P，方便能直观地进行高清观看，然后将视频图像数据通过视频的传输线路发送给车载存储NVR的收发模块，车载存储NVR内除有数字高清视频存储模块外，还有云台控制器模块、GPS模块和3G模块，车载NVR接收到的车载高清云台的视频信息和GPS模块的定位信息通过3G模块实时上传到Internet，以便监控中心和执法者实时得了解视频情况，车辆的位置情况。

前端设备的图像采集，各方面达到数字高清的标准，本地车载NVR也按数字高清的标准进行本地图像的存储，区别于以往的模拟视频图像的清晰度。

2.2 车载高清云台系统

车载高清云台系统主要以车载高清摄像机为主，车载数字高清云台可实现移动视频监控，功能主要是对视频图像进行现场的采集，对执法现场进行监控，可以进行视频图像的前端放大缩小，实现视频动态监控，车载高清监控系统主要包含车载云台护罩、高清监控相机及相应的夜间照明。

2.2.1 车载高清摄像机

系统前端在执法车辆车顶安装云台，云台里面内置一支高倍、远距离、感应红外的高清数字的摄像机。高清数字摄像机采用200万像素的高品质HD CMOS传感器，实现高清数字图像，分辨率最高可达（1 280×960）高分辨率的优质图像。支持 Windows Mobile、Symbian、iPhone平台智能手机监看，支持IE直接浏览，夜视距离大于120 m，镜头雨刷和除雾功能，1 080P的清晰度可以达到广播级图像画质。支持720P+720P实时双码流编码，为车载监控提供可靠的高清图像的保证。最终前端采集到的高清视频图像通过数字传输线路连线到安装在车内的3G车载硬盘录像机[3]。

2.2.2 车载云台护罩

车载云台护罩内部配有温度继电器，在环境温度过高时，云台护罩内的风扇会自动打开，进行吹风冷却，温度低时也可进行相应的加热保温，确保高清摄像机在正常的温度范围内进行工作。在下雨时，可以通过人工的云台控制，对云台护罩的玻璃进行刷雨作业。在冬季低温时，防护罩出现结霜现象时，可以通过加热除霜[4]。

对于云台的控制，操作人员可通过上位机软件操作车载云台系统移动到指定位置，控制云台自由转动，实施视频监控，也可通过上位机软件放大监控的目标区域，车载高清监控系统可以在无人职守的情况下，根据预先设定好的预置位，定时自动监控，采集图像数据，保存数据。

2.3 车载NVR嵌入式主机

车载NVR嵌入式主机主要由车载NVR视频存储，GPS定位模块，3G通信模块和云台的控制模块组成。车载NVR嵌入式主机的功能主要是对前端车载云台采集的视频图像进行本地的存储，同时包含的各种模块，还具有车辆的GPS定位功能，同时还能将现场采集的图像信息进行3G的无线上传，能方便监控中心，同时进行远程的监控。

2.3.1 GPS模块

采用了一款比较简单易用的嵌入式GPS模块，集成了目前性价比极高的u-blox第5代GPS引擎。其具备-144 dBm的信号灵敏度，极低的功耗（120 mW），小尺寸（43.1×25.5×14 mm）和4针的UART接口设计，使得该模块可以非常简便地应用于各种嵌入式产品和移动终端中。定位精度为2.5 m，热启动时间小于1 s，温启动及冷启动时间29 s，支持DGPS、WAAS、EGNOS和MSAS多种协议。可以在大部分室内进行良好定位，并具有防漫反射及极强的抗干扰能力。同时该模块不需要额外的器件即可在接GPS天线后输出经纬度，时间等等，最大刷新率4 Hz，能使开发人员有效地缩短产品研发周期[5]。

车载终端通过模块中的GPS部分获得车辆的具体位置，经过CPU处理后，并通过3G模块将该信息发送到监控中心，以实现对车辆的实时定位跟踪，同时还能实现语音和短消息通信功能。为监控中心对车辆的地理位置情况，提供了相应的数据，能实时掌握车辆的情况。

2.3.2 3G模块

在无线视频业务的要求下，目前技术也只有通过WIFI或3G的无线传输手段才能实现，WIFI技术虽然能实现高速率的无线视频传输，但是需要有相应的无线WIFI网络设备做依托，对于执法车辆的视频移动传输并不适用。在此选用了3G通信模块，3G通信技术的出现突破了无线带宽瓶颈的限制，3G的带宽可以达到2 Mbps，视频的编解码技术为纠错、差错复原提供了容错传输的技术。同时为了保证传输视频信息的正常，在本地对视频信息进行处理，通过相应的视频压缩编码技术，对采集到的数字高清视频进行传送前的相应处理，以适应3G网络的无线传输要求。

3G网络根据全国各地的网络情况不同，信号强度也有差异，经了解以北京为例：5环内还可以，如到郊区信号不一定稳定，必须实测了解。通过比较3大运营商的3大制式标准优劣和在世界的应用范围及在中国的应用情况，发现国内电信的网比较好一些，其次联通，再次为移动。而生产3G的厂商中，中兴、华为在稳定性，型号数量、技术支持、采购等方面，推广力度比较大。经过比较，最终采用华为或者中兴的电信制式的3G模块。车载高清监控系统采用无线3G传输，可以在有3G网络覆盖的任意地点上传现场图像，实现了随时随地、无所不在的视频监控应用，使监控中心能实时掌握执法情况和车辆情况。随着3G网络的普及和视频编码纠错技术的增强，移动视频监控将为车载高清视频监控系统提供更为可靠的技术保障[6]。

2.3.3 车载NVR视频存储

车载NVR视频存储采用嵌入式技术，基于嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统，软件固化在模块中，可靠性很高，特别适合于要求实时的应用。主要功能是以稳定的速率捕获来自网络上的数据流并写到磁盘阵列，同时向网络上的客户端传输实时及录像视频数据。目前，车载NVR的存储系统正伴随着NVR技术的发展，也向着海量存储、集中存储、及可靠存储的方向发展。考虑到车辆的颠簸，运动情况，产品还采用防冲击，振动的功能，进一步确保图像存储的可靠性，同时保证图像信息传输的稳定性。本地存储保证图像的也达到高清的要求，同时支持多种视频码流，为本地的存储，无线的传输提供了多种选择的可能。与以往相对成熟的车载DVR相比，车载NVR技术真正做到了数字高清，NVR技术的良好的集成能力，也为日后NVR技术的发展提供了必要的保证。车载NVR能在本地同时进行高清监控视频的存储，还具有图像的回放功能等，能够时刻掌握执法现场的情况，为执法工作提供了依据[7]。

2.4 显示、控制部分

根据具体的实际情况，显示部分可以采用LCD显示屏，控制部分可以采用简单的车载云台控制键盘，也可以接笔记本电脑直接实现显示与控制功能的实现。采用LCD显示，主要考虑到采集的图像信息为高清视频信号，为了使本地能观看到高清的视频，所以采用高分辨率的LCD显示。采用控制键盘，主要考虑到使用者的方便，和车内空间有限的情况，该设备在车载云台系统中，一般为常用设备[8]。

2.5 电源部分

由于车辆大多采用12～24 V电瓶电源，行驶过程电源稳定在12～28 V，但是在车辆点火时汽车电源会突然降低到10 V左右，甚至更低。下降过程约为40～80 ms，然后恢复至电源稳定状态。车辆的启动过程中电压波动较大，电瓶电源的瞬间降低会导致电子设备重新启动、甚至设备死机，所以对设备使用的车载电源的适应性要求很高。根据各系统对电源的需求，为车载监控终端配置宽幅的输入电源，电源适应范围为8～36 V，可满足各种车辆的应用。该电源经过特殊的设计，具备了断路、短路、过流保护功能，对设备保证正常运行起了重要作用。同时根据电压的变化，供电系统能进行根据车辆点火信号，设置延时开关机功能[9]。系统网络拓扑图如图2所示。

图2 系统网络拓扑图Fig.2 System network topology

3 系统测试

以中国电信的全球眼为例，通常视频监控系统要求视频实时速率在32 kbit/s～8 Mbit/s间可调节，音频实时速率在8～320 kbit/s间可调节。在满帧率情况下，系统通过3G无线传输视频信息，实际测试中CIF的码流均值不高于500 kbit/s，D1码流均值不高于2 Mbit/s。就单视频服务器而言，要得到画面质量为25帧/s的CIF图像所需网络带宽至少为384～512 kbit/s，要得到画面质量为25帧/s的D1图像所需网络带宽为1.5 Mbit/s以上，720P图像传输所需网络带宽至少为2 Mbit/s。

车载无线视频监控系统无线传输过程中，支持CIF（PAL：352*288）、HlafD1/2CIF（PAL：704*288）、D1/4CIF（PAL：704*576）等不同档次的分辨率；在不同带宽下对应的视频帧率为：64 kbit/sk——3～8帧/s；128 kbit/s——6～15帧/s，256 kbit/s——12～25 帧/s。

为满足不同的图象压缩编码和图像质量要求，相应压缩码流速率可通过改变编码同件参数中RCVAL寄存器的值来改变码流速率，具体公式为：

该监控终端安装在试验车辆上，通过3G无线网络与监控中心互联，监控中心配有视频解码服务器，以及相应的集成GPS系统的视频监管平台。系统整体各项指标基本达到设计要求，经过后期的技术改进，整套系统将体现出更卓越的优势。

4 结束语

文中从车载数字高清系统的前端设备和嵌入式主机两方面着手，选用了新型的车载高清云台和车载NVR嵌入式主机，保证了监控图像画面的高清性的同时，也提供了高清图像的本地存储方式和无线传输方式。在实际的车载系统测试的实验结果表明，车载高清云台的图像得到很大的提升，本地存储的图像信息达到高清的标准，无线传输的情况也达到预期的效果，具有很好的应用前景。

[1]翟立新.浅谈关于车载监控的市场应用格局划分[EB/OL].[2012-07-13].http：//security.zol.com.cn/306/3067008.html

[2]王林.车载视频监控市场向着高清化发展[EB/OL].[2012-05-14].http：//jishu.cps.com.cn/jjfa/jpjk/gjhy/2012/0514/xOM DAwMDQ0NDcxOQ.html

[3]张越.执法车辆无线车载移动视频监控系统解决方案[EB/OL].[2012-5-30].6-8.http：//wenku.baidu.com/view/f2f2f7380912a21614792999.html.

[4]潘国辉.安防天下[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5]何旭东.u-blox藉第五代单芯片GPS方案抢攻SiRF地盘[EB/OL].[2007-07-01].http：//www.newsmt.com/news/show news.asp?newsid=5823.

[6]陈岩，董洁，唐辉.3G网络不同制式的比较与运营分析[J].信息技术与标准化.2007，12（1）：30-33.

CHEN Yan，DONG Jie，TANG Hui.Comparison and analysis of different standards and operations in 3G networks[J].Information Technology and Standardization，2007，12 （1）：30-33.

[7]刘立元.DVR与NVR存储技术探讨[EB/OL].[2012-02-06].http：//www.doc88.com/p-012901426629.html

[8]进创科技.移动车载视频监控设计方案 [BE/OL].[2011-02-24].http：//wenku.baidu.com/view/6d53a55d312b3169a451 a48d.html.

[9]Maigooorg.车载硬盘录像机经常不录像问题的解决办法[EB/OL].[2012-05-18].http：//info.secu.hc360.com/2012/05/180857635888.shtml.

[10]中电鑫通.车载视频监控记录系统的设计[EB/OL].[2010-1-6].http：//www.ic72.com/news/2009-06-17/138526.html.