CN104519325B - 一种基于4g网络的无线视频监控系统自适应保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法，涉及无线视频监控领域，应用于视频采集终端与监控中心之间视频传输的可靠性保障，包括步骤：视频采集终端进行视频数据的采集编码，利用4G网络将视频数据传输至监控中心；监控中心对接收到的视频数据统计分析后生成控制报文，并将控制报文发送至视频采集终端；视频采集终端依据控制报文动态调节视频参数、控制丢包重传以及调节发送缓冲区大小。本发明可以根据无线信道带宽的变化特征动态调节视频图像的质量，保障视频图像的稳定性，且本发明基于4G网络，具有时延小、高带宽等优势。

Description

一种基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法

技术领域

本发明涉及无线视频监控领域，尤其涉及一种基于4G网络的无线视频监控系统及其自适应保障方法。

背景技术

随着科技的不断发展，信息技术为人们的生活、工作、学习等提供了极大地便利性。其中，无线视频监控技术在应急救援、工业监控等行业得到了广泛的应用，且近年来，集成芯片技术、嵌入式技术、无线通信技术发展迅猛，使得视频监控系统可以利用高效率的嵌入式平台实现更加快速的视频数据采集、存储与处理，同时为用户提供了更便捷的操作性。

移动通信网络技术逐步演进，目前已发展至4G网络。4G网络采用全IP化的设计，为用户提供高速率的上下行速率，其扁平化的设计大大降低了系统时延。同时，4G网络凭其覆盖范围广、可随时接入等优势，能够在现场与远距离指挥监控中心之间进行实时的无线视频数据传输。

经过检索发现以下相关专利文献：

一种无线视频监控系统(CN 104092981A)，包括视频端和存储端，视频端包括高清Sensor模组和4G无线通讯模组，并通过4G无线通讯模组接入4G无线网络，存储端接入与4G无线网络互联的有线网络或无线网络。视频端通过高清Sensor模组获取视频数据，利用低码率视频算法压缩视频数据，并利用4G无线通讯模组传输至存储端。该系统可以利用4G网络将视频端压缩后的视频数据传输至存储端。但该系统在存储端一方面未对接收到的视频数据进行指标量化，无法评估接收到的视频质量。另一方面未针对传输的视频数据采用相关的质量保证措施，尤其在4G网络信号较差时，无法保证视频传输的可靠性。

一种基于3G网络的视频监控系统带宽自适应传输方法(CN 104104924A)，包括发送端和接收端，发送端和接收端通过3G网络连接。发送端对欲发送的实 时视频压缩编码，通过私有协议发送视频UDP数据包，并根据接收端发送的反馈报文动态调正发送速率，对接收端丢失的视频数据进行累计确认重传，接收端接收视频UDP数据包，对丢包情况进行统计，要求发送端重传及提供给发送端网络状况。但该方法仅根据丢包率和网络状况动态进行丢包重传、调整发送速率，未考虑到接收端帧率、时延的变化，且未对发送端的视频采集、编码压缩针对视频接收端实时状态进行动态的自适应参数调节，同时，3G网络在高清视频传输的速率满足方面依然不足，因而无法多方位的对无线视频监控进行自适应保障。

通过分析以上专利申请的技术内容与本专利申请有较大的差别。

发明内容

针对以上现有技术中无线视频监控技术难以有效实现监控画面的质量保障的不足，本发明的目的在于提供一种解决了画面卡顿、画面抖动以及时延过大的基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法，本发明的技术方案如下：一种基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法，所述无线视频监控系统包括视频采集终端和监控中心，视频采集终端对视频数据进行采集、编码及传输，监控中心对视频数据进行接收、解码及回放，视频采集终端与监控中心通过4G网络进行数据交互。其特征在于，包括以下步骤：

101、视频采集终端通过USB高清摄像头采集视频数据，并采用H.264视频编码算法对采集到的原始视频数据进行压缩编码；

102、视频采集终端将压缩编码后的视频数据按帧进行预分包处理，预分包处理具体步骤如下：

a)首先设定分包界定值，假定分包界定值为M；

b)取出一帧压缩后的视频数据，假定数据大小为Length；

c)按分包界定值对长度为Length的视频数据进行分包处理，并依次取包号为1、2、……..、Length/M。

然后在4G网络上采用实时传输协议RTP将预分包处理后的视频数据发送至监控中心；

103、视频监控中心接收到视频采集终端发送来的视频数据后，按帧进行组包处理，并统计帧率、时延以及丢包率性能参数，然后根据得到的性能参数得到控制报文并将控制报文发送至视频采集终端；

104、视频采集终端根据监控中心发送过来的控制报文动态调节视频参数、控制丢包重传以及调节发送缓冲区大小。

进一步的，所述步骤103中的控制报文包括帧率变化标志、丢包率标志、时延状态标志以及丢包包号。帧率变化标志反映帧率的大小变化情况，丢包率标志直接反映实时丢包状况，时延状态标志反映画面时延变化情况，丢包包号指示视频采集终端需要重传的包号。

进一步的，所述步骤104中，视频参数包括视频采集参数、视频编码参数以及分包参数，视频采集参数包括视频分辨率、帧率，视频编码参数包括I帧间隔、编码器质量模式以及级别标识。分包参数包括分包界定值。

进一步的，所述步骤104中，动态调节视频参数具体包括：

a)当帧率下降、丢包率上升两种情况同时出现时，降低视频采集参数中的分辨率、帧率，增大视频编码参数中I帧间隔，同时降低编码器的质量模式、级别标识；

b)当帧率上升、丢包率降低两种情况同时出现时，增大视频采集参数中的分辨率、帧率，减小视频编码参数中的I帧间隔，同时提高编码器的质量模式、级别参数；

c)除去上述a)、b)中所述情况，视频参数保持不变。

进一步的，步骤104中控制丢包重传的方法具体步骤为：视频采集终端将分包后的各个待发送数据包进行编号，监控中心将包含有丢失数据包包号信息的控制报文传输给视频采集终端，视频采集终端依据丢包包号进行丢包重传。

进一步的，步骤104中调节发送缓冲区大小的步骤具体为：当控制报文中时延状态标志反映时延增大时则减小发送缓冲区的大小，当控制报文中时延状态标志反映时延减小则将发送缓冲区大小恢复至初始参考值。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明利用监控中心与视频采集终端之间的交互操作，综合考虑监控中心视频画面的性能指标，包括帧率、时延以及丢包率，并将统计分析后得到的与性能指标相关的控制报文发送至视频采集终端。视频采集终端根据接收到的控制报文动态调节各类视频参数、控制丢包重传以及调节缓冲区大小。因此在4G网路无线信道速率变化过快或是网络阻塞严重时，本发明可以多方位为无线视频监控技术提供高质量的系统保障，保障监控中心视频的帧率，降低视频数据的丢包率，同时可以依据网络情况控制相应的时延大小，从而使得监控中心视频画面流畅，而不会出现视频画面卡顿或抖动的情况。

2、采用4G网络进行视频数据的传输，4G网络能够在20MHz带宽上提供100Mbps下行速率以及50Mbps的上行速率，且扁平化的架构设计使得4G网络相比较3G网络具有更小的时延特性，因此可以实现远距离、高带宽、低时延的实时数据传输。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的系统应用示意图；

图2是控制报文组织结构图；

图3是视频数据包结构图；

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

附图1示出了本发明的系统应用示意图。视频采集终端与监控中心分别通过4G信道连接至4G核心网，利用4G网络实现视频采集终端与监控中心之间数据的发送与接收。视频采集终端采用上述权利要求中所述的自适应保障方法，将采集压缩后的视频数据通过4G核心网传输至监控中心。监控中心一方面利用4G核心网接收由视频采集终端侧发送过来的视频数据包，并按帧进行组包处理，然后调用H264视频解码器对各帧视频数据进行解码回放；另一方面通过对接收到的数据包进行分析，统计丢包率、帧率以及时延等指标的变化特征，将由这些变化特征构成的控制报文发送至视频采集终端。视频采集终端依据监控中心反馈的控制报文进行动态调节，以实现无线视频监控系统的自适应保障。

附图2示出了控制报文的组成结构。控制报文由四个部分构成：帧率变化标志、丢包率标志、时延状态标志、丢包包号，各个部分各占一个字节。

控制报文中帧率变化标志、时延状态标志、丢包率标志可取值为-1、0或1，各标志取值所反映的指标变化特征下表所示。

其中，当帧率变化标志位-1时，表示当前帧率与上一时刻帧率相比，帧率下降；当帧率变化标志位0时，表示当前帧率与上一时刻帧率相比，帧率保持不变；当帧率变化标志位1时，表示当前帧率与上一时刻帧率相比，帧率上升。

丢包率标志及时延状态标志的变化规律与上述帧率变化标志的变化规律等同。

丢包包号取值为非负值，当丢包包号为0时表示当前未出现丢包；当丢包包号为正值时表示当前已丢失的包号，即需要重传的包号。

实施例1：

上表示出了视频采集终端不同情况下的视频参数设置。本发明将视频参数的设置分为三个等级，分别为等级1、等级2以及等级3，不同等级下的视频参数依据视频采集终端接收到的控制报文中帧率变化标志、丢包率标志进行动态调节。视频采集终端上初始的视频参数设置为等级1，具体视频参数调节方法如下：

a)当检测到控制报文中帧率变化标志为1且丢包率标志为-1时，将视频参数等级提升一个等级，若视频参数已提升至等级3，则维持等级3下的视频参数设置。

b)当检测到控制报文中帧率变化标志位-1且丢包率标志为1时，将视频参数等级下降一个等级，若视频参数已下降至等级1，则维持等级1下的视频参数设置。

c)当检测到控制报文中帧率变化标志和丢包率标志非a)、b)中情况时，视频参数设置保持等级不变。

实施例2：

附图3示出了视频采集终端待发送视频数据包结构。视频采集终端按视频参数中分包界定值对压缩后的视频数据进行预分包处理，具体步骤如下：

a)首先设定分包界定值，假定分包界定值为M；

b)取出一帧压缩后的视频数据，假定数据大小为Length；

c)按分包界定值对长度为Length的视频数据进行分包处理，并依次取包号为1、2、……..、Length/M。

然后依据视频数据包结构添加包头信息，包括分帧号、包号以及包大小信息。监控中心接收到视频数据包之后，首先按照包头中包大小、包号、帧号信息检查数据包是否出现包缺失、包不完整等情况，若出现包缺失、包不完整等情况，都按照丢包重传机制进行处理，监控中心将丢包包号通过控制报文传输至视频采集终端，视频采集终端将按丢包号将丢失的视频数据包重新传送至监控中心。

实施例3：

本发明涉及到的方法同样可应用于时延变化的动态调节，依据控制报文中时延状态标志，通过调节缓冲区大小，以实现时延控制。视频采集终端待发送视频数据包的缓冲区大小初始设置为10帧视频数据包大小。当视频采集终端检测到接收到的控制报文中时延状态标志为-1时，表示时延下降，动态调节缓冲区大小为5帧；当视频采集终端检测到接收到的控制报文中时延状态标志为1时，表示时延上升，动态调节缓冲区大小为15帧；当视频采集终端检测到接收到的控制报文中时延状态标志为0时，表示时延不变，缓冲区大小维持不变。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法，所述无线视频监控系统包括视频采集终端和监控中心，视频采集终端对视频数据进行采集、编码及传输，监控中心对视频数据进行接收、解码及回放，视频采集终端与监控中心通过4G网络进行数据交互；其特征在于，包括以下步骤：

101、视频采集终端通过USB高清摄像头采集视频数据，并采用H.264视频编码算法对采集到的原始视频数据进行压缩编码；

102、视频采集终端将压缩编码后的视频数据按帧进行预分包处理，预分包处理具体步骤如下：

a)首先设定分包界定值，假定分包界定值为M；

b)取出一帧压缩后的视频数据，假定数据大小为Length；

c)按分包界定值对长度为Length的视频数据进行分包处理，并依次取包号为1、2、……..、Length/M；

然后在4G网络上采用实时传输协议RTP将预分包处理后的视频数据发送至监控中心；

103、视频监控中心接收到视频采集终端发送来的视频数据后，按帧进行组包处理，并统计帧率、时延以及丢包率性能参数，然后根据得到的性能参数得到控制报文并将控制报文发送至视频采集终端；

104、视频采集终端根据监控中心发送过来的控制报文动态调节视频参数、控制丢包重传以及调节发送缓冲区大小；所述步骤104中，视频参数包括视频采集参数、视频编码参数以及分包参数，视频采集参数包括视频分辨率、帧率，视频编码参数包括I帧间隔、编码器质量模式以及级别标识，分包参数包括分包界定值；所述步骤104中，动态调节视频参数具体包括：

a)当帧率下降、丢包率上升两种情况同时出现时，降低视频采集参数中的分辨率、帧率，增大视频编码参数中I帧间隔，同时降低编码器的质量模式、级别标识；

b)当帧率上升、丢包率降低两种情况同时出现时，增大视频采集参数中的分辨率、帧率，减小视频编码参数中的I帧间隔，同时提高编码器的质量模式、级别参数；

c)除去上述a)、b)中所述情况，视频参数保持不变；

步骤104中控制丢包重传的方法具体步骤为：视频采集终端将分包后的各个待发送数据包进行编号，监控中心将包含有丢失数据包包号信息的控制报文传输给视频采集终端，视频采集终端依据丢包包号进行丢包重传；

步骤104中调节发送缓冲区大小的步骤具体为：当控制报文中时延状态标志反映时延增大时则减小发送缓冲区的大小，当控制报文中时延状态标志反映时延减小则将发送缓冲区大小恢复至初始参考值。

2.根据权利要求1所述的基于4G网络的无线视频监控系统自适应保障方法，其特征在于，所述步骤103中的控制报文包括帧率变化标志、丢包率标志、时延状态标志以及丢包包号；帧率变化标志反映帧率的大小变化情况，丢包率标志直接反映实时丢包状况，时延状态标志反映画面时延变化情况，丢包包号指示视频采集终端需要重传的包号。