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一、前言
在人類社會即將進入信息化社會的今天，電信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展極大地改變著全社會人們的生活方式，而人們生活方式的改變又反過來對計算機網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力提出了更高的要求。
自九十年代起，隨著Internet的興起和個人計算機的普及，Internet用戶數(shù)量及以IP為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸性增長，同時出現(xiàn)了大量新型的業(yè)務(wù)需求，如：視頻會議、電子商務(wù)、VOD視頻點播等。這些新的業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了新的要求。由于OA和DWDM技術(shù)的進步，及ATM技術(shù)、MPLS技術(shù)、Tbps級路由器的出現(xiàn)，為傳輸網(wǎng)和交換網(wǎng)的升級換代提供了及時的手段，帶寬的瓶頸落在了接入網(wǎng)上。
隨著基于不同傳輸媒介的不同系統(tǒng)及其多種方案的出現(xiàn)和發(fā)展，如基于雙絞線(xDSL，HomePNA)、基于數(shù)字電力線、基于無線(WLL)、基于同軸電纜(HFC、CableModem)和基于光纖(OAN)的系統(tǒng)，接入網(wǎng)寬帶化得到了空前的發(fā)展。
接入網(wǎng)寬帶化的發(fā)展，反過來又推動了新業(yè)務(wù)需求的產(chǎn)生和發(fā)展。遠程監(jiān)控就是其中之一。
二、遠程監(jiān)控及其圖像壓縮方式
遠程監(jiān)控過去只有銀行金融機構(gòu)、文博等企事業(yè)單位才會有此業(yè)務(wù)需求，多為基于傳統(tǒng)接入方式，采用DDN，V.90Modem，ISDN等接入方式，在銀行金融機構(gòu)及電信營運商的通信機房進行機房的遠程集中監(jiān)控等。
而現(xiàn)在隨著接入網(wǎng)的寬帶化，遠程監(jiān)控對于家庭而言不再是可望不可及的一項業(yè)務(wù)，它將隨著寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展而作為接入網(wǎng)的新業(yè)務(wù)蓬勃地發(fā)展起來，給人們帶來新的家庭感受。
作為遠程監(jiān)控的主要監(jiān)控內(nèi)容，圖像因其數(shù)據(jù)量大而需重點考慮解決方案，若圖像問題解決了，則其它數(shù)據(jù)如家庭防盜、出入人員記錄等的問題也將迎刃而解。
1、圖像壓縮方式
目前，圖像壓縮編碼方法繁多，發(fā)展也相當(dāng)迅速，經(jīng)典編碼方法如Huffman編碼、算術(shù)編碼、預(yù)測編碼、變換域編碼等�？紤]到人的視覺感知特點與統(tǒng)計意義上的信息分布并不一致，引出了所謂“感知熵”理論，同時伴隨著數(shù)學(xué)理論，如小波變換等以及相關(guān)學(xué)科的深入發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代編碼方式，又稱分析與綜合方法�；谝陨蟽煞N編碼方法，根據(jù)不同應(yīng)用目的而制定的各種圖像壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)相繼被推出。
歸納起來，主要有H.261、H.263、H.264建議，JPEG標(biāo)準(zhǔn)以及MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)等。MPEG標(biāo)準(zhǔn)尚有MPEG-7、MPEG-21等。MPEG-1/2/4是系統(tǒng)級的標(biāo)準(zhǔn)，它們不僅有視頻編碼，也有音頻編碼和系統(tǒng)層的協(xié)議內(nèi)容，包含復(fù)用和同步時基等。而H.261，H.263只是一個視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，必須與其它相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)和建議相配套。
H.261主要應(yīng)用于可視電話/會議電視，H.263主要用于模擬電話線上的可視電話/電視會議，而JPEG主要針對高解析度靜止圖像傳輸和低分辨率圖像的傳輸。與H.261/3同系列的H.262與MPEG共同作為ISO/IEC13818標(biāo)準(zhǔn)草案。該標(biāo)準(zhǔn)草案主要用于數(shù)字存儲、視頻廣播和通信。存儲媒介既可直接連至解碼器，也可通過總線、局域網(wǎng)(LAN)或電信鏈路等通信手段相連接。
MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)字存儲體上活動圖像及其伴音的編碼，其數(shù)碼率為1.5Mbps。MPEG-1在H.261基礎(chǔ)上做了重大改進，以滿足隨機存取和高壓縮比的要求，其圖像掃描格式為SIF(SourceInputFormat)格式，并作為了VCD光盤的標(biāo)準(zhǔn)。
MPEG-2的標(biāo)題名為“活動圖像及相關(guān)聲音信息的通用編碼”，可理解為在MPEG-1基礎(chǔ)上的進一步擴展和改進。目前，MPEG-2已經(jīng)為世界所承認(rèn)，它是聲音和圖像信號數(shù)字化的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛的應(yīng)用。引入了“可分級性(Scalability)”概念實現(xiàn)分級視頻壓縮編碼。包括主級ITU-RBT.601/D1格式,HDTV級高級寬屏/窄屏格式等。
1998年通過的MPEG-4(ISO/IEC14496)標(biāo)準(zhǔn)并非MPEG-2的替代品。它著眼于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，非常低的數(shù)碼率(可小于64kbps)的活動圖像編碼技術(shù)，其編碼方法基于模型的方法、形態(tài)學(xué)方法和分形方法等，有別于MPEG-1/2，容錯性極好。在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)(DVR等)中得到了大量的應(yīng)用。
作為新一代多媒體編碼技術(shù)的H.264，是MPEG4/H.263的后繼者。
H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯(lián)合視頻組(JVT：jointvideoteam)開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份開始草案征集，1999年9月，完成第一個草案，2001年5月制定了其測試模式TML-8，2002年6月的JVT第5次會議通過了H.264的FCD板,2003年3月正式定稿。
H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，獲得比H.263++好得多的壓縮性能;加強了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理;應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲)場合的需求;它的基本系統(tǒng)是開放的，使用無需版權(quán)。
在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)中有多個閃光之處，如統(tǒng)一的符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很的高編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)。可以說，H.264是目前壓縮率最高的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。并已在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)得到應(yīng)用。
2、圖像壓縮的實現(xiàn)
盡管不同的廠家采用了不同的圖像壓縮編碼方式，但從以上的分析可知，MPEG標(biāo)準(zhǔn)是針對活動圖像的專用通用編碼，因此圖像遠程監(jiān)控采用MPEG標(biāo)準(zhǔn)具有先天的優(yōu)勢。實用系統(tǒng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境變化比較大時，多選用容錯性最強、自適應(yīng)性強的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)(MEPG-4Part2,MPEG-4Part10=H.264)，既可用于壓縮高畫質(zhì)的圖像，又可用于壓縮低畫質(zhì)的圖像。而在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境良好時(大于2Mbps)，則可用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，以達到傳送高畫質(zhì)圖像的目的。
具體作為圖像壓縮的解決方案，CCD攝像機輸出的模擬視頻信號送入視頻服務(wù)器(IPEncoder)的視頻捕獲卡，進行視頻采樣、A/D轉(zhuǎn)換，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。之后送入計算處理單元進行MPEG壓縮，最后將壓縮后的數(shù)字視頻信號送入網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠端。詳見圖1。
圖1 視頻服務(wù)器/IP Encoder功能框圖
三、遠程監(jiān)控基于寬帶接入網(wǎng)的實現(xiàn)
1、基于ADSL/CableModem的點對點實現(xiàn)方式
基于ADSL/CableModem點對點方式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。住戶家庭若有PC機，則在PC上增加一視頻捕獲卡，可接入1-4路模擬攝像信號。而ADSL用戶傳輸單元ATU-R可充當(dāng)視頻處理的網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)雙絞線與ISP機房內(nèi)DSLAM數(shù)字用戶線訪問多路復(fù)用器中的ATU-C(機房端ADSL收發(fā)單元)相聯(lián)。住戶家庭若無PC機，則可采用將視頻捕獲卡與MPEG壓縮部分集成在一起，構(gòu)成一視頻服務(wù)器的方法。遠端用戶采用ADSL/CM/LAN/Modem等接入方法，接入Internet，再根據(jù)住戶ADSL下的IP地址找到家庭內(nèi)的PC或視頻服務(wù)器，提取經(jīng)MPEG壓縮的圖像信號，對家中老人、小孩、病人進行圖像觀察和語言交流。只是住戶處需將數(shù)字圖像上行至Internet，故速率將受限于ADSL的上行速率(64k-640kbps)。通過CableModem工作時，情況基本相同，只是ATU-R換成CableModem，DSLAM換為CMTS，而且HFC圖像上行速率最大可達1.5Mbps，速率將高于ADSL的最大上行速率，但HFC存在帶寬共享的問題。
圖2 ADSL方式家庭遠程控制構(gòu)圖
由于ADSL與CableModem根據(jù)服務(wù)提供商的不同，所提供的IP地址可能是動態(tài)的，但每次開機后IP地址將是不變的。因此遠端用戶根據(jù)這一IP地址可以找到住戶家庭內(nèi)的視頻服務(wù)器，也可由住戶家庭PC開機后固定地向遠端用戶發(fā)送告知IP地址的方法來實現(xiàn)互聯(lián)。若住戶PC內(nèi)安裝專用安防控制軟件，通過串行口接收家庭報警主機的RS232上傳信號，可同時實現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和控制(設(shè)防/撤防等)。
