便携式高压危险作业交互视频语音系统.doc

科技立足 创新致远便携式高压危险作业交互视频（语音）系统2.4G双工视频（语音）系统项目解决方案书深圳市特力康科技有限公司地址：深圳市龙岗区坂田上雪科技工业城北区8号A栋701电话李佳锋传真邮编：518131网址： 目 录 一、前言5二、系统设计原则32.1 系统的可靠性、稳定性32.2 系统的抗干扰性32.3 系统的可操作性32.4 系统的先进性32.5 系统的性价比33. 系统的设计原理43.1 系统总体设计43.2 主机A的集成设计（携带在危险作业区人员身上）53.3 主机B的集成设计（携带在处于安全区域、支持作业的人员手中）74. 系统设计的几项关键技术94.1 扩频技术的使用94.2 高品质的视频音频编码技术105.拟采取技术路线：13 一、前言随着社会安全和工业生产安全要求的不断提高，特别是高压危险区的带电作业人员的保护，越来越迫切，尤其是对现场视频信息传递的要求越来越强烈。高压危险区直接威胁带电作业者的生命，若能有效地将现场的视频和语音实时传递到场外指导者的手中，及时得到场外指导者的指导，将大大提高在危险区域操作者的安全。对于工作流动性强，并要求实时掌握现场的视频信息和语音信息的工作场合，也有这种需求。以有线为主体的图像音频传输系统，安装困难及高额的维护成本，越来越不合乎人们灵活多变的应用需求。因此，我们提出“便携式高压危险作业交互视频（语音）系统（即：2.4G双工视频（语音）系统）”，以解决我们电力系统中危险作业区（如：高压铁塔作业、变电站一次变的带电巡检作业、高压线的春季秋季巡检作业等等）的操作安全问题。本项目拟采用的自适应扩频技术、MJPEG图像压缩技术、数据加密技术和信息分配管理软件可以有效的解决数据信息传递过程中的丢包问题，可以保证图像和声音信号稳定传递。为输变电施工现场的图像信息和语音信息提供无线传送技术手段；解决流动性工作和野外工作的通讯困难；为事故抢修或危险工作环境提供后方安全监控技术手段。本技术目前在国际和国内都居于领先地位。第13页 产品专线手机李佳锋二、系统设计原则便携式高压危险作业交互视频（语音）系统设计本着合理、实用、可行、可靠原则，采用当今先进、成熟的技术设备，力求软硬件系统具备最高的性能价格比；具体概括为以下几个方面：2.1 系统的可靠性、稳定性系统设备具备在恶劣环境下持续正常工作的能力，整机连续工作时间8小时。2.2 系统的抗干扰性系统建立在2.4G扩频频段上，采用直接序列扩频技术，具有很强的抗干扰能力（抗衰落、抗多径干扰的能力），从而保证系统的工作质量。2.3 系统的可操作性产品操作简单，使用方便，无须记忆复杂的操作方法或指令，能达到和普通家电一样的便于使用操作。2.4 系统的先进性设备集无线通信、嵌入式系统、图像压缩、DSP等多种先进技术于一身，可以随时随地获取所关切的视频和语音现场信息。2.5 系统的性价比该系统比传统有线视频监控成本造价低，技术更先进，功能更强，技术延续性和可升级性更强。三、系统的设计原理3.1 系统总体设计系统有两个部分做成：主机A，携带在危险作业区人员身上，包括图像编解码模块、扩频电路、功放电路、天线、微型摄像头、咪头（麦克风）、耳机、锂电池；主机B，携带在安全区域支持危险区域工作的人员身上的便携终端，包括LCD手持视频终端、图像解码电路、LCD屏幕、咪头（麦克风）、耳机、天线、锂电池。通过2.4G的扩频，实现主机A和主机B之间的通信，以实现对高压危险区作业人员的有效支持，通过视频和语音。工作的示意图如下：视频/音频处理主机摄像头咪头耳机天线主机A（携带在高空危险区作业人员安全头盔上2.4G天线LCD手持视频终端咪头耳机主机B（携带在地面安全区监护人员手里）2.4G3.2 主机A的集成设计（携带在危险作业区人员身上）主机A采取头盔为设计载体，将摄像头、耳机、咪头（麦克风）集成设计到在危险作业区人员的头盔上，因为一般在危险作业区作业的人员都要求戴头盔，可便于拆卸，其余的部分（包括图像编码主机、天线、电池、扩频电路、功放等）全部设计在一个工装袋中，可以很方便地扎在腰间，而不影响人员工作。带摄像头的头盔属于一种安全监控装置，特别是现场监控系统的防护装置。本实用新型的技术解决方案是：所述的头盔上设置有一个可联结于头盔上支架内，并以视频线、音频线、电源线分别与无线发射器、电池相连接的摄像头。所述的摄像头以可拆卸的方式联结于支架内。在使用时，无线发射器以及电池可以由使用者随身携带或悬挂于腰间。本实用新型可以用于对生产施工现场、消防灭火现场、押钞现场、安全保卫现场等所有需实施现场监控的场所使用。可以使现场始终处于监控状态，大大提高了安全保障效果。 示意图如下：3.3 主机B的集成设计（携带在处于安全区域、支持作业的人员手中） 主机B采取LCD显示屏手持终端的方式，图像解码电路、扩频电路、功放电路、天线、锂电池都置于手持终端的内部，耳机和咪头（麦克风）也连接到手持终端上。示意图如下：四、系统设计的几项关键技术4.1 扩频技术的使用2.4G ISM频段，为世界公认的免费的无线使用频段，因此在任何工业领域和民用场合均不受使用限制。根据调研，无线图像和声音传输技术，可以应用于危险工作领域的实时监控、施工抢修现场通讯、抢险救灾现场向后方传递、现场巡视等等。由于此通讯设备采用双工微型无线通讯技术，对于使用者而言，无需任何操作，可以安装佩戴在安全帽或其它人体部位。使用简便、音质清晰、图像质量良好，使用其可以广泛应用于现场工作和安全监控。扩频通信技术是广泛运用在公网和专网的一种无线通信技术。扩频通信的特点：（1） 抗衰落、特别是频率选择性衰落（2） 抗强的定频干扰（3） 抗多径干扰（4） 通信安全保密性而以无线的模拟通讯方法，也因无线产品大量应用，其抗干扰能力差而被逐步淘汰。新型的2.4G无线产品（如WIFI、WIMAX）的应用，目前还处于研发试行阶段，且需要公共通信及网络支持，一方面涉及服务费用问题，另一方面会受到突发事件（如地震）的影响。目前现场广泛应用的对讲机（如建伍），虽不需要公共通讯网络支持，但它属于单工通讯方式。需要工作人员接听和送话时必须做切换操作，影响施工或抢修人员的工作。因此，急需一种新型的抗干扰、独立的无线图像语音传送方案，以满足现场提出的的更高需求。欧美等科技大国，已率先开发新型微型无线通讯技术。新型无线产品的蓝牙，以及WIFI，WIMAX在通信服务商的配合下，在部分发达城市率先试行。国内借助奥运的东风，与及电信移动的大力支持下，试布了部分3G网络，用于无线图像语音的传输。然而，以上技术都是建立在收费服务的基础上的，而且需要借助公共网络提供的服务，必然会限制和影响它们的发展。新兴的免费的无线图像技术，正在应运而生。国际国内无线电管理机构为此设置了免费的公共频道，为免费通讯提供了频率资源。免费无线通讯技术的广泛应用，必然带来频道资源的拥挤和相互之间的干扰。为了能够达到顺畅传递信息，具有很强的抗干扰能力，无线通讯技术厂家研制了很多种抗干扰技术。4.2 高品质的视频音频编码技术一个简单的MPEG-2 Non-scalable视讯编解码器（Codec），MPEG-2视讯编码器（Encoder）包含Inter Frame/Field离散馀弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）编码器、Frame/Field动态估计及补偿器（Motion Estimator and Compensator）、以及可变长度编码器（Variable Length Encoder，VLE）。离散馀弦变换编码器主要是利用空间上的冗馀（Spatial Redundancies），而动态估计及补偿器则是利用时间上的冗馀（Temporal Redundancies）来压缩资料；最后资料经过可变长度编码器编码后送至MPEG-2的系统多工器（System Multiplexer，SysMux），再由Transport或Program Stream将资料送出。所谓的压缩，就是找出冗馀内容，再从资料流中除去的技术。如之前所提，MPEG-2的视讯主要是就是利用空间上及时间上冗馀资讯的消除来达到压缩的效果。A、 空间上的冗馀去除视讯资料的一个特性是空间冗馀。一般来说，在同一张画面上必有一些共通特性，也许是色彩上的，也许是几何上的，或是其它特徵值得到的。所谓的空间冗馀去除，就是要识别出画面中重要的元素，并移除重复且较无影响的元素的动作。A 色彩取样A 离散馀弦变换A 量化B. 时间上的冗馀去除视讯资料的另一个特性是时间上的冗馀。一般播放的视讯，其实只是一连串连续的图像序列，然而因为人类视觉的视觉暂留现象，所以会有连贯影像的错觉。而此种视讯因为画面间时间间隔甚小，因此相临的画面几无差异，大多只是图像内容的位置变化。因为有此现象产生，所以我们可以利用除去在时间轴上画面与画面的相似性造成的冗馀来进行压缩。B动态补偿B 画面压缩C.以资料本身冗馀为基础的压缩MPEG-2在以视讯的特性做了空间及时间上的冗馀压缩后，还会再以资料本身的冗馀再做压缩。在量化完成后，MPEG-2舍弃了MPEG-1所采用的Zigzag Scan而改采Alternate Scan来将量化后二维的离散馀弦系数串接成一维的数列，以锯齿状路线处理8x8的块中的64个系数，尽量形成最大长度的连续零值，以提高压缩效率。接着将串接起来的资料以游程编码（Run Length Coding，RLC）及可变长度编码（Variable Length Coding，VLC）处理。D.可变位元率最后要提到MPEG-2不同于MPEG-1的其中一样很大的差异，就是MPEG-2除了固定位元率（Constant Bit Rate，CBR）之外，另外提供了可变位元率（Variable Bit Rate）来调节资料速率。位元率的控制往往决定了离散馀弦系数量化的的结果。视讯的资料经过压缩后并非皆有相同的资料流量。一般说来，画面变动越大，压缩比越小，资料流频宽需求越大；反之，画面变动越小，压缩比越大，资料流频宽需求就越小。各画面间压缩后的值并不是固定的，固定的资料速率只是个理想，实际状况下一昧的要求固定位元率不是牺牲了影像品质（以较低流量画面为基准，较大流量的画面强制做过多的压缩）就是牺牲了容量（以较大流量画面为基准，较低流量的画面强制做过低的压缩）。一般说来，可变位元率对于提供稳定的影像品质是个更好的选择，因为其能够根据动态画面的复杂程度，适时改变数据传输率获得最适且一致的编码效果。五、拟采取技术路线：从以下三个技术关键参数入手： 1、无线频段选择：优秀的频段必须具备以下特征：A:频段免费，不受限制，B：频带带宽大，选择余地大，C：传送速率高。根据以上特征，非2.4G频段未属。它是ISM公用频段，不需付费，从24022525Mhz，共有125个channel,且传输速度快。因此，择优选择2.4G频段。 2、抗干扰性：现今无线产品世界中，广泛应用无线通信技术是：跳频技术和直序扩频技术，前者在通信过程中，在选取的频道中快速的跳换频道，在单个频点上的瞬时功率很高，且停留时间很短，因此，对于直序扩频产品，因其单频点上等同功率低，在同频点上不能够成影响，而对于跳频产品，因停留时间短而碰撞机率小，也不易受干扰，因而抗干扰能力强。后者将数字信号0或1，扩展成8位或16位以表示0或1，然后将扩展后的数位调制到一个频带上去，在接收端再还