卓霖信息3G视屏监控系统的设计与实现

1、 基于3G标准的无线视频监控系统的设计与实现该项目以3G网络为平台提出的新型无线视频监控系统，在理念上具有很强的创新性，将图像处理技术、无线网络技术及控制技术进行整合和改进，其研发成果将填补传统监控领域市场的空白，具有广阔的市场前景和极高的应用价值。1 无线视频监控系统研制的必要性1.1 目的和意义 随着社会的不断发展和进步，人们日常生产生活中的安全问题得到越来越高的重视。视频监控系统作为安全防范系统的重要组成部分，赋予了人们远距离观察和调度被控区域的能力，以其直观、准确、及时和信息内容丰富等优势广泛应用于现代化小区、交通、运输、水利、航运、治安、消防等领域。随着科学技术的不断进步和人们对监控

2、系统要求的不断提高，监控系统也经历了从模拟监控时代到数字化网络监控时代的飞速发展变化。 现如今，无线通信技术的迅速发展给传统的有线视频监控模式带来了革命性的变化，数字视频数据通过无线信道传输成为当代视频监控系统的关键技术。对比有线传输，无线传输具有安装方便、灵活性强、性价比高等特性，诸多优势使无线视频监控系统成为视频监控领域新的发展方向。众所周知，无线信道具有时变、易错和带宽受限等不足，因此，基于有限的信道容量，保证数据传输的可靠性及重建图像的清晰度和连贯性，加强自身的数据的安全性及降低监控成本等，逐渐成为视频监控领域关心和研究的热点。 1.2 现状分析 1.2.1 视频监控的发展历程 随着科

3、技的进步和人们对监控系统要求的日益提高，视频监控系统经历了以下四个发展历程： （1） 模拟时代:视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，并由控制主机进行模拟处理。 （2） 半数字时代:视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，由多媒体控制主机或硬盘录像主机进行数字处理与存贮。 （3） 全数字时代:视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于国际通用的TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，并通过设在网上的网络虚拟(数字)矩阵控制主机来实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制等功能。 （4） 无线时代:传统的有线监控存在组网成本高、灵活性差、维护费用高等缺

4、点。结合飞速发展的无线通信技术和高效的视频编解码技术，现代无线数字视频监控系统将监控前端采集的数字信号经过视频压缩处理后直接送入无线信道，摆脱了有线的束缚，令监控系统的部署和应用变得前所未有的灵活随意。借助无线终端的发展，人们可以享受在任何时间、任何地点、以任何方式轻松的接入互联网进行网络监控的服务。 1.2.2 无线视频监控系统的基本条件 要实现移动视频监控，需要具备以下三个最基本的条件: （1） 有一定的网络带宽，目前，三大运营商的3G网络速率统计如下： 如果采用H.264标准进行视频压缩，其最低速率可低于数十kbit/s，三种3G网络完全满足无线视频的传输要求。 （2） 移动设备处理器的

5、能力足够强，能完成视频解码，还要便于开发。随着半导体技术的发展，手机处理器在低功耗的要求下，其处理能力得到了迅速提高，如ARM公司提供的ARM内核、TI公司的OMAP、INTEL公司的X-scale等，这些都具备视频的解码能力。 （3） 移动设备厂商提供开发平台。移动设备产业的迅速发展，并且这些厂商把移动设备的开发平台公开，这样便于移动设备增值业务的开展，这也为其他厂商开发以移动设备的视频监控提供了平台。 1.2.3 3G无线视频监控功能的优势 3G无线视频监控功能的优势非常明显，主要体现在以下几个方面: （1） 网络健全，覆盖面广。目前中国三个3G网络覆盖范围己经非常广，高至山峰，小到电梯，

6、几乎无处不在。使用3G无线监控几乎不受区域限制。 （2） 使用方便，操作简单。目前没有比手机更普及的个人电子产品，只要会用手机，就可以使用手机监控。 （3） 使用成本低，价格便宜。由于目前移动数据业务量不大，移动运营商为了鼓励使用移动数据业务，采用了很多优惠措施，在移动数据兴起以后，移动数据业务的费用会大幅度降低。 （4） 即时有效。由于3G无线视频监控是实时监看，同手机短信、手机彩信等即时通讯结合起来，更加方便、及时。 （5） 报警确认。目前安防管理中的误报警的比例异常高，同时要花费很大的人力和财力，利用移动通信即时通讯的功能和手机视频监控，可以很方便的解决报警确认的问题。 （6） 除了安防

7、意义的移动视频监控，该系统还将具有及时获取视频信息的功能，如交通信息的实时获取、医院病人的探视、幼儿园小孩的探视、家庭监看等。因此3G 无线移动视频监控，将引发民用视频监控市场的兴起。 2 主要研究内容项目主要研究“基于3G 标准的无线视频监控系统”。包括：远端视频监控端、后台监控中心、手持监控设备等。 标准：建议使用世界最为广泛使用的、传输速率较快的WCDMA 标准，也可根据需求定制基于其他标准的设备开发。 研究内容包括： （1） 监控系统的高质量数据压缩解压算法研究； （2） 监控系统数据加密研究； （3） 监控系统的可靠性传输研究； （4） 监控系统关键设备开发； （5） 监控系统控制软

8、件的开发； （6） 监控系统整体样机研制。 3 技术方案3.1 总体技术方案此无线视频监控系统包括三部硬件设备（远端视频监控、后台控制中心和手持监控设备）、两个软件系统（后台控制中心控制软件、手持监控控制软件），形成一个功能完整的、布点灵活的、成本低廉的综合监控系统。 此无线视频监控系统的功能可以用一个闭环系统来解释，暂定义为下行链路和上行链路。 其中，下行链路的工作原理为：无线视频监控前端通过摄像头采集原始视频数据，利用先进的视频压缩算法压缩原始数据，然后通过无线收发模块发送视频信号，通过3G 传输网传送到后台监控中心，而后台监控中心根据权限要求把视频信号发送给远端手持监控设备，利用无线接收

9、和解压图像，手持设备还原并显示监控现场场景，同时，后天监控中心做好本地图像显示与存储。 上行链路的工作原理为：手持监控设备或后台监控中心利用监控软件的操作，发出对现场摄像设备的控制指令，包括：焦距、俯仰/方位转动等功能，通过3G 无线网络传输， 远端视频监控端在收到指令后作出相应调整，并把相应的信息回传。远端视频监控端主要是视频传感与无线收发，包括摄像设备与伺服系统、数据处理中心、无线收发。 （1） 摄像设备与伺服系统：此部分主要实现现场视频监控和伺服控制的作用。 此部分的工作原理是：摄像设备、伺服系统为一整体模块，及此视频监控端集成摄像、监控端的方位/俯仰/焦距等功能与一体，远端监控端的数据

10、处理中心采集监控端的视频信息，并进行压缩等处理，同时数据处理中心对后天监控指令做出解析和执行，控制伺服系统，从而控制监控前端的各种行为。 （2） 数据处理中心： 1） 数据采集与压缩 对于数据的采集主要通过高精度摄像头负责原始视频的采集，再通过视频采集控制将原始数据压缩成H.264 格式的视频数据。H.264 是ITU-T 视频编码专家组(VCEG) 和ISO/IEC 活动图像编码专家组(MPEG) 的联合视频组（JVT） 开发的一个新的数字视频编码标准。在技术上，H.264 标准有很多优势，如统一的VLC 符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于44 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施

11、使得H.264 算法具有很高的编码效率， 增加了差错恢复能力， 能够很好地适应IP 和无线网络。H.264 标准在以前的基础上提出了三种关键技术来进行错误的恢复， 分别是参数集合、灵活的宏块次序(FMO)和冗余片(RS)。FMO 是H.264 的一大特色，可以是一帧中的宏块顺序分割，使分割后的片的尺寸小于无线网络的MTU 尺寸，避免在网络层再进行一次数据分割，降低了数据传输的额外开销。H.264 的编解码流程主要包括5 个部分：帧间和帧内预测、变换和反变换、量化和反量化、环路滤波、熵编码。通过该流程，使得H.264 具有极高的视频压缩比， 从而相对以前同类标准具备巨大优势。在同等图像质量条件下

12、，H.264 的压缩比是MPEG-2 的2 倍以上，是MPEG-4 的1.52 倍。H.264 编码器主要包含两个数据流路径：前向路径和重构路径。在前向路径中，待编码的输入帧以宏块为单位进行帧内或者帧间模式编码。每个被编码的当前宏块与当前宏块的预测宏块P 相减得到当前宏块的残差Dn。Dn 再通过变换和量化形成量化变换系数x。x 与解码该宏块所需要的其他信息(例如宏块的预测模式、量化步长、运动矢量信息等)一起形成压缩比特流进行存储或者通过网络抽象层(NAL)进行传送。而当前宏块的预测宏块P 是基于重构帧得到的。在帧内模式时，P 由当前帧中已经编码宏块N 的重构宏块uFn 得到(此时由未经过滤波的

13、采样值形成P)；在帧问模式时，P 由一个或者多个参考图像通过运动补偿预测得到。而参考图像为已经编码重构的视频帧。在重构路径中，量化变换系数x 经过与前向路径的反过程重构成Dn 的一个失真版本Dn(这主要是因为量化过程引入了失真)。然后预测宏块P 加上Dn 产生当前编码宏块的重构宏块uFn。最后一帧图像的所有重构宏块经过去块效应滤波后组成当前帧的参考图像。到目前为止，视频编码标准通常采用去除时空域相关性的帧内/帧间预测、离散余弦变换量化和熵编码技术，以达到较高的编码效率。对视频通信而言，由于通信信道带宽有限，需对视频编码码率进行控制，来保证编码码流的顺利传输和信道带宽的充分利用。 2） 协议处理

14、 模拟摄像机采集到的视频信号经数字化压缩后，采用3GPP 等协议，通过移动网络进行传输, 同样，把接收到的无线信号按照相应的协议进行解析，得到控制信息等。 3） 伺服控制 利用网络数据服务业务接收用户指令并进行译码校验后，采用PWM 控制技术，利用控制信息处理器驱动摄像机云台电机，控制云台的转动、俯仰运动以及变焦，实现远距离、大范围的视频信息获取。伺服控制系统通过3G 网络与终端设备构成一个闭环网络，还可通过多摄像头组合切换跟踪技术，实现大范围实时目标跟踪。 （3） 无线收发：此部分实现视频信号的3G 无线发射和控制指令3G 无线接收。 此部分主要工作原理是：无线收发模块包括发射链路和接收链路

15、。 其中，发射链路是把远端监控数据处理中心的监控信号上变频至3G 频率，利用发射功放和滤波器发射适当功率，且纯净的3G 无线信号，然后通过环形器和天线辐射到空间， 实现监控数据的3G 无线发射到后台监控中心。 接收链路主要接收后台控制中心的控制信号（包括远端控制中心的工作与否、伺服的姿态等），其原理是发射链路的逆变换，即通过天线环行器，进入接收链路，利用滤波器、低噪放对接收信号进行选频和放大，最后，混频器把3G 形式的控制信号下变频至适当频率送给后端处理，得到控制信号后来对伺服等做出动作指令。3.1.2. 后台监控中心后台控制中心的功能主要分为视频的解码、图像显示与数据存储，根据手持终端的权限

16、进行对应监控数据发送，根据控制指令对远端视频监控端发出控制指令。 （1） 数据处理中心 1） 数据解压 首先根据接收到的码流解出不同的二维事件，然后根据事件中的游程和数据值恢复出量化后的系数矩阵。然后对系数矩阵进行反量化，再进行ICT 反变换，得到图像块的像素值。由于在编码端编码的只是当前图像和参考图像的差值，所以在接收端必须将解码获得的差值图像和参考图像相加，以恢复最原始图像。在解码过程中也需要利用运动矢量等边信息以确定参考图像块在前面图像中的如果将该像素块值和原始值进行比较，就可以看出再接收端接收到的图像与发送端发送的图像并不完全一样，存在一定的失真，但这种失真并不明显，所以人眼是不会感觉

17、到的，在实际应用中，接收端的用户本身并不可能知道发送端发送的图像的原始质量，所以也不可能对压缩编码的损伤进行比较，因此只要将压缩的损伤控制在一定的范围内，是能满足人们对图像通信的要求。解码示意图如下：2） 协议处理 与远端视频监控端的协议处理类似，也实现收发信息的协议处理：接收时，把无线信号按照相应协议进行解析，得到控制信息和图像信息等；发射时，把控制信息等按照协议处理后，通过移动网络进行传输。 3） 图像显示与存储 图像显示模块用于满足用户多种显示需要，实现不同速率视频播放、单帧图像显示等功能。单帧显示具备放大、缩小、旋转、图像增强等功能。图像显示模块还可实现与图像相关信息的显示，如图像中感

18、兴趣目标的统计信息、摄像头位置信息以及系统自身状态信息等。 利用大容量存储器，实现海量监控数据的存储。采用高速数据传输机制与数据传输接口扩展传输带宽，满足多路信号同时到达时的高带宽存储要求。4） 数据转发 此部分主要实现3G 视频信号的转发，其原理框图如上图，当手持设备申请查看远端监控端的监控信息时，后台控制中心核实权限后，如果通过权限检验，则后台控制中心把远端监控端的监控信息转发给手持设备。 5） 总体控制中心 总体控制中心为系统核心单元，用以协调系统其它单元相互协作关系。主要由后台监控中心软件与数据库构成。 后台监控中心软件是数据解压缩、协议处理、存储与显示模块的载体，还需实现用户权限管理

19、、报警信息处理、摄像机云台控制等功能。后台监控中心软件利用PC 平台，使用（C/S）客户端/服务器架构、分布式组件进行设计，以满足客户专业化、个性化、人性化等方面需求。 6） 数据库提供监控信息访问权限管理，图像数据存储、查询服务。 （2） 无线收发： 此部分的功能与远端监控端的无线收发模块的功能类似，也包括发射链路和接收链路，其中发射链路的发射信息包括：转发给手持设备的远端监控信息，对远端监控端的控制指令信息等，接收链路接收远端监控信息，手持设备的请求指令等。3.1.3. 手持设备图 9 为手持设备原理框图，可分为无线收发和数据处理中心等 。 （1） 数据处理中心 1） 数据解压 此部分功能

20、与后天监控中心的数据解压功能类似。 2） 协议处理 与后台监控中心的协议处理类似，也实现收发信息的协议处理：接收时，把无线信号按照相应协议进行解析，得到控制信息和图像信息等；发射时，把控制信息等按照协议处理后，通过移动网络进行传输。 3） 图像显示与小规模存储 利用本地存储器实现接收图像数据多帧小规模存储，一方面实现视频帧的缓存处理， 以适应在不同网络质量下的图像流畅播放，另一方面采用非易失存储器实现用户感兴趣视频帧的本地存储。图像以多媒体播放器的形式进行显示，包含常见多媒体播放器所具备的功能。 4） 控制中心 通过键盘、触摸屏等多种外围设备接收用户指令，形成用户指令数据帧，通过无线链路发送至

21、后台控制中心，查询感兴趣的图像资料或将本地捕获到的图像资料与数据信息上传到控制中心特定的数据存储区域。控制中心还可指定后台控制中心转发控制指令与监控设备，实现手持设备端的闭环监控。 （2） 无线收发 此部分也同远端控制端、后台控制端的功能类似，包括发射链路和接收链路。其中， 发射链路发射请求指令给后台控制中心，接收链路接收后台控制中心转发的监控信息。 3.2 关键技术与创新点3.2.1. 监控端、后台监控中心、手持设备的硬件开发（1） 射频部分 此3G 无线视频监控系统的三大部分都会用到无线收发模块，如何实现发射的高线性放大和接收的低噪声放大，将对系统的监控质量和监控距离产生重要影响。首先，发

22、射端的线性放大器可以对3G 无线信号线性放大，在减少信号失真的同时减低了功率；而低噪声放大可以提高接收的灵敏度，使接收链路的接收距离更远。以下对这两个关键技术进行简单分析：1） 非线性分析简单起见，设功率放大器为无记忆响应系统，其输出在时域用泰勒级数表示为：= + + + +KK 443321 2 y(t) a x(t) a x(t) a x(t) a x(t)式(1)现用两个正弦时变信号激励功率放大器，设1 2 A、A 分别是两个信号的幅度， 1 2 w、w 分别是两个信号的频率，则：x t A w t A w t 1 1 2 2 ( ) = cos + cos式(2)把式(2)代入式(1)

23、得：y t a A a A a A A w t a A a A a A A w t 233 2 131 1 2 3 233 1 231 1 3 1 )cos2343)cos (2343( ) = ( + + + + + ( cos 2 cos 2 )21( ) cos( ) cos( )21221 221 1 2 1 2 1 2 2 12222 1 + a A + A + a A A w + w t + w - w t + a A w t + A w t+ a A A w + w t + w - w t+ a A A cos(2w + w )t + cos(2w - w )t+L43cos(2

24、 ) cos(2 )432 1 2 122 1 2 1 2 3 1 223 1式(3)从式(3)可以看出，放大器输出不仅有线性项，还有非线性项，这样既要影响放大器的基波增益（ 1 2 w、w 的输出增益），同时放大器还会产生交调分量（三阶交调：1 2 2 1 2w -w、2w -w 将与基波频率类似，它对信号的影响特别大），这会导致频谱再生。功放的非线性输入输出图如下，即，功放的非线性将导致增益的压缩和相位的变大。从图11也可以看出，功放对双音信号将产生增益和相位的非线性相应，所以，减小功率放大器的非线性失真将直接提高监控信号的质量。2） 低噪声放大 接收机灵敏度的计算方法如下： dBm NB

25、WS ) lg(10174(+ +-= 式(4)其中，为信号带宽， BW 为系统噪声系数。 N 所以，低噪放放在接收前端的前级（为了降低噪声系数，可以把图10中接收链路的第一个滤波器和限幅器放在低噪放之后），其噪声系数直接影响接收链路的灵敏度，减小低噪放的噪声系数将增大监控的范围。 （2） 数字部分 以下是以后台监控中心数字部分构成为例说明，如图12所示。图12数字部分组成结构 核心处理器完成图像解压、通信协议处理、加密处理、解密处理、图像显示、响应用户指令等功能，需具备强大的处理能力，同时必须加载操作系统，提供用户友好的操作界面，还必须有文件系统支持，以满足多帧图像存储、用户资料存储等功能。

26、 核心处理器拟选用TI高性能、低功耗的、成熟的智能化信息处理器OMPA3x。OMPA3X采用DSP+ARM架构，这一架构已作为智能手机核心处理器被广泛使用。DSP采用C64X+内核，是TI公司是最新的一代高性能DSP内核，可实现图像解压、通信协议处理、加密处理、解密处理、图像显示等实时处理。ARM则采用ARM Cortex-A8 内核，主频600MHz，支持LINUX、Wince等多种操作系统，同时也可完成图像显示与外接接口等多种功能。 OMPA3x处理器具备或可扩展多种用户接口，如网口、S-VIDEO接口、音频输入输出接口、USB OTG、USB HOST、SD/MMC接口、串口、SPI接口

27、、IIC接口、JTAG接口、CAMERA接口、TFT屏接口、触摸屏接口、键盘接口和总线接口，HDMI接口等，满足人机交互、实时通信等要求。 3.2.2. 监控端、后台监控中心、手持设备等的控制软件开发（1） 监控端软件开发 拟在监控端系统开发功能模块如下： 1） 压缩编码模块读取摄像设备传入的模拟视频信号，并进行编码，这是本系统的一个重点。2） 数据发送模块 将压缩后的数据送给无线收发模块，再通过天线发射出去。 3） 和服务器端交互模块 接受服务器端的对摄像机的控制指令，对摄像设备进行相应的操作。 其监控端软件程序的原理框图如下：（2） 后台监控中心系统软件开发 基于视频监控系统的功能，拟开发

28、后台监控中心系统功能模块如下：1） 初始化模块对系统进行初始化 2） 实时播放模块这是最重要的一个模块。该模块主要负责对接受到视频信号进行实时播放。该模块中实现的功能为： 实现多路视频同时播放。视频的播放处于独立的状态，互不影响，实时显示不同设备发送的码流。 实现视频播放中的“播放”、“暂停”、“停止”功能。3） 转发模块将接收到的码流转发至通过验证的手持终端。为了加强与手持端的互动性，服务器要向手持设备端提供多项控制功能。这些控制功能包括： 获取设备参数为手持设备端提供的一个接口，负责显示系统当前的状态。这项功能可以在手持设备端端发送查询请求后，分析该请求，并向手持设备端返回系统当前的信息。

29、返回的信息内容包括三种结构体:设备参数、配置参数以及编解码参数。 获取系统功能状态该项接口是一个查询功能，手持设备可以通过使用该功能确定系统的工作状态，以方便对错误进行排除。 重启设备实际应用中，可能由于各种原因系统可能存在运行错误或是运行不稳定的情况，手持设备端可以直接发送请求，对设备进行重新启动。4） 视频存储回放及截图模块根据项目的实际需要系统要实现对来自不同位置的视频可以进行独立、自选路径的存储/停止存储，也可以独立地对不同视频画面进行截图处理，并保存为本地位图文件。并对存储的视频文件提供独立的回放模块。5） 和监控端交互模块该模块主要负责和监控端进行交互，用户通过向监控端发送相关操作

30、指令从而对摄像机进行操作。后台监控中心的总控制软件框图如下：（3） 手持设备软件系统开发 手持设备软件系统你主要开发以下功能模块：1） 实时播放 对多路信号选择一路进行播放，并可进行放大缩小。 实现视频播放中的“播放”、“暂停”、“停止”等功能。2） 视频存储和截图模块可以根据实际的要求存储数据量不大的视频文件，以便后续回放。3） 与服务器交互模块通过想服务器发送相关指令，获取相关信息。比如服务器的工作状态。手持设备的软件控制框图如下：3.2.3. 高效数据压缩与解压本监控系统拟采用H.264 编码，其主要关键技术由以下几部分组成： （1） DCT 变换 DCT 运算量较大，为了适应不同的软件

31、和硬件应用，人们提出了多种快速算法，如分离变换算法，ANN 算法，LLM 算法以及尺度DCT 算法等，但在图象编码尤其是实时视频和多媒体业务的应用中，其庞大的运算量仍然会对系统的整体性能和实时性带来较大的影响。为了消除DCT 的不利因素，H.264 采用了基于4x4 子块的变换算法。由于是整数到整数的变换，因而不存在反变幻的无匹配问题，同时整数运算速度比浮点运算速度有大幅度的提高。H264 最初采用的整型变换算法有效地提高了编码系统的整体性能但是在变换编码过程中必须使用32 位运算，变换编码的中间值也必须使用32 位数据类型才可以精确地存储和表示，在实际应用中，对于一些内存和处理器能力有限的移

32、动设备，32 位整数运算的运用仍然受到了一定的限制。最终的H.264 标准使用了新的16 位整形变换算法取代了原有的整形变换算法。主要的改进是使用了新的变换核量化公式，在保留整型变换优点的前提下， 使变换可以通过16 位运算实现;同时简化了运算步骤，在变换时只使用加法和移位，而无须使用乘法运算。使用这种算法做变换和反变换同样是完全可逆的，不存在误匹配问题。 （2） 帧间预测算法 H.264 采用基于块匹配的运动补偿技术来消除视频序列的时间冗余。除了原有标准(如H.263、MPEG 一4)中的P 帧和B 帧预测方法外，还增加了许多新的功能:采用不同大小的预测块进行运动估计;采用l/4 象素精度的

33、运动补偿算法;采用多参考帧进行帧间预测编码。分块合适与否和运动估计的补偿效率有极为密切的关系。若分块太大，就很难满足块匹配法的假设前提块内所有点做同样平移运动，即很难获得最佳匹配。反之分块太小，就很容易受噪声的影响，而且增加了传输的运动矢量值。因此，想要得到理想的运动矢量就要找到合适的块大小。鉴于这种情况，H.264 中首次提出了七种运动矢量模块的思想，用来代替以往的16x16 或8x8 固定大小的运动矢量模块。这七种模块分别是16X16，16X8，8X16，8X8，8X4，4X8，4X4。在程序实现时将这七种模式按照从大到小的顺序，依次进行运动估计和预编码。使得运动估计模型更接近物体实际运动

34、，采用多种运动矢量块模式进行运动估计，与只用16x16模块相比较，数码率可节约超过15%。 （3） 运动估计算法 运动估计算法的效率主要体现在图象质量、压缩码率和搜索速度(复杂度)三个方面。运动估计越准确，预测补偿图象的质量越高，补偿的残差就越小，补偿编码所需要的位数越少，比特率越小;运动估计速度越块，越优利于实时应用。提高图象质量、加快估计速度、减小比特率是运动估计算法研究的目标。运动估计算法主要通过初始搜索点的选择、匹配准则、运动搜索策略来提高算法的效率。 （4） 帧内预测算法 在帧内编码中，H.264采用帧内预测模式来更好地消除图象的空间冗余。帧内预测是用邻近块的象素(当前块的左边和上边

35、)做外推来实现对当前块的预测，预测块和实际块的残差被编码，以消除空间冗余。尤其在变化平坦区域，利用帧内预测可以大大提高编码效率。 3.2.4. 数据加密WCDMA的安全规范由以欧洲为主体的3GPP制定。目前，3GPP的接入安全规范已经成熟，加密算法和完整性算法已经实现标准化。基于IP的网络域的安全也已制定出相应的规范。 （1） 3GPP安全逻辑结构 3GPP安全逻辑结构分为五类，即网络接入安全（）、核心网安全（）、用户安全（）、应用安全（）、安全特性可见性及可配置能力（）。 （2） 网络接入安全机制 3GPP网络接入安全机制有三种：根据临时身份（IMSI）识别，使用永久身份（IMSI）识别，认

36、证和密钥协商（AKA）。AKA机制完成移动台（MS）和网络的相互认证，并建立新的加密密钥和完整性密钥。AKA机制的执行分为两个阶段：第一阶段是认证向量（AV）从归属环境（HE）到服务网络（SN）的传送；第二阶段是SGSN/VLR和MS执行询问应答程序取得相互认证。HE包括HLR和鉴权中心（AuC）。认证向量含有与认证和密钥分配有关的敏感信息，在网络域的传送使用基于七号信令的MAPsec协议，该协议提供了数据来源认证、数据完整性、抗重放和机密性保护等功能。（3） 安全算法 3GPP为3G系统定义了一些安全算法：f0、f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9、f1*、f5*，应用于不同

37、的安全服务。身份认证与密钥分配方案中移动用户登记和认证参数的调用过程与GSM网络基本相同，不同之处在于3GPP认证向量是5元组，并实现了用户对网络的认证。AKA利用f0至f5*算法，这些算法仅在鉴权中心和用户的用户身份识别模块（USIM）中执行。其中，f0算法仅在鉴权中心中执行，用于产生随机数RAND；f1算法用于产生消息认证码（鉴权中心中为MAC-A，用户身份识别模块中为XMAC-A）；f1*是重同步消息认证算法，用于产生MAC-S；f2算法用于产生期望的认证应答（鉴权中心中为XRES，用户身份识别模块中为RES）；f3算法用于产生加密密钥CK；f4算法用于产生消息完整性密钥IK；f5算法用

38、于产生匿名密钥AK和对序列号SQN加解密，以防止被位置跟踪；f5*是重同步时的匿名密钥生成算法。AKA由SGSN/VLR发起，在鉴权中心中产生认证向量AV=（RAND，XRES，CK，IK，AUTN）和认证令牌AUTN=SQNAAKAMFMAC-A。VLR发送RAND和AUTN至用户身份识别模块。用户身份识别模块计算XMAC-A=f1K（SQNRANDAMF），若等于AUTN中的MAC-A，并且SQN在有效范围，则认为对网络鉴权成功，计算RES、CK、IK，发送RES至VLR。VLR验证RES，若与XRES相符，则认为对MS鉴权成功；否则，拒绝MS接入。当SQN不在有效范围时，用户身份识别模块

39、和鉴权中心利用f1*算法进入重新同步程序，SGSN/VLR向HLR/AuC请求新的认证向量。 （4） 数据加密算法 3GPP的数据加密机制将加密保护延长至无线接入控制器（RNC）。数据加密使用f8算法，生成密钥流块KEYSTREAM。加密算法f8的原理如下图所示。 对于MS和网络间发送的控制信令信息，使用算法f9来验证信令消息的完整性。对于用户数据和话音不给予完整性保护。MS和网络相互认证成功后，用户身份识别模块和VLR分别将CK和IK传给移动设备和无线网络控制器，在移动设备和无线网络控制器之间建立起保密链路。数据完整性过程如下图所示：f8和f9算法都是以分组密码算法KASUMI构造的，KAS

40、UMI算法的输入和输出都是64bit，密钥是128bit。KASUMI算法在设计上具有对抗差分和线性密码分析的可证明的安全性。 （6） 增强安全性考虑： 3G网络的物理层安全由网络架构和网络采用的硬件技术有关，如采用智能天线技术等，作为基于3G网路的应用，是无法改变已有的硬件基础的，只能从用户安全、应用安全、接入安全等方面考虑增强网络的安全性。 Iu接口和Iur接口的安全性：3GPP对于无线接口部分定义了较完善的安全机制，但对于Iu接口和Iur接口，保密参数仍然为明文传输，这对于3GPP网络将是一个潜在的安全威胁，需研究如何增强Iu接口和Iur接口的安全性。 传输中用户身份的加密：用户第一次向

41、网络注册，或网络无法从TMSI得到IMSI时，用户的IMSI号码仍会以明文在无线接口传输，这也是一个安全隐患。为了避免这种情况，应在需要用户与网络直接传输IMSI的情况下，使用某个特定的密钥将IMSI加密后传输。 开发自主加密法：3GPP定义的f8算法和f9算法可以采用15种算法。目前，3GPP使用的是KASUMI算法，该算法由三菱公司免费提供给3GPP使用。虽然此算法经过公开论证，可以抵抗线性分析和差分分析，具备较高的安全性，但针对特殊应用，仍可加以改进，开发自主加密算法。 选用公钥算法:为了使3GPP网络适用于需要电子签名的通信业务，考虑将公钥算法作为可选的加密算法，增强用户数据完整性。

42、用户数据保护：3GPP定义的完整性算法f9仅针对于用户信令部分，为了进一步增强用户数据的安全性，使其不被非法篡改，应对用户数据部分也进行完整性保护。 端到端的安全性保护措施：3GPP没有定义端到端的用户数据加密，对于需要极度机密通信业务的用户，可以采用移动终端提供的端到端安全性保护。 3.2.5. 不同环境下的传输质量保障3G无线网络能够支持不同的数据传输速度，在室内、室外和行车的传输速度不同且分别是逐渐降低的，根据不同的应用环境，在种容错技术等在此基础上进行相应的码率控制算法设计。 （1） 码率控制采用方法： 1） 固定码率：检测每一帧图像的复杂程度，然后计算出码率。如果码率过小，就填充无用

43、数据，使之与指定码率保持一致;如果码率过大，就适当降低码率，也使之与指定码率保持一致。因此，固定码率模式的编码效率比较低。在快速运动画面部分，由于强行降低码率而出现马赛克。 2） 可变码率：码率可以随着图像的复杂程度的不同而变化。因此其编码效率比较高，快速运动画面的马赛克就很少。 高速移动环境中传输数据误码率会大幅度上升，采用差错控制，如公共电话网络常用的反馈重传(ARQ)机制，或前向纠错(FEc)机制等提高数据传输质量。 反馈重传法：只利用检错码以发现传输中带来的差错，同时在发现差错以后通过反向信道通知发信端重新传输相应的一组数字，以此来提高传输的准确性。根据重传控制方法的不同，反馈重传法还可以分成若干种实现方式。其中最简单的一种称为等待重传方式。采用这种方式时发信端每送出一组数字就停下来等待收信端的回答。这时信道译码器如未发现差错便通过收信端重传控制器和反向信道向发信端发出表示正确的回答。发信端收到后通过发信端重传控制器控制信源传输下一组数字，否则信源会重新传输原先那组数字。 前向纠错法：差错控制