多媒體物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)概念提出于1999年,通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

早期物聯(lián)網(wǎng)信息交互的量級是字節(jié)級的，在車聯(lián)網(wǎng)、公安物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展的同時，面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)。在處理圖像、音頻、視頻等信息量大的感知信息時,數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的有效利用等已成為必須要解決的問題。

本文從多媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度出發(fā)，歸納總結(jié)了用新技術(shù)解決物聯(lián)網(wǎng)多媒體問題的方法，包括多媒體傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，并提出了多媒體物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢。

1多媒體物聯(lián)網(wǎng)

1.1多媒體物聯(lián)網(wǎng)的概念及特點

借鑒多媒體物聯(lián)網(wǎng)（MCPSMultimediaCyberPhysicalSystem）技術(shù)，即通過音頻、視頻、GIS等信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議，把任何物品與電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。我們提出了一個新的名詞“多媒體物聯(lián)網(wǎng)”（M-IOTMultimediaInternetOfThings）。多媒體物聯(lián)網(wǎng)是通過視頻傳感器、拾音器、高感光等信息傳感設(shè)備對圖像、音頻、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并按照約定的協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)在適合的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，最后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化識別、管理、應(yīng)用以實現(xiàn)對物理世界的精確控制和智能決策的一種網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)相比，多媒體物聯(lián)網(wǎng)具有以下特點：

（1）M-IOT除了能夠處理傳統(tǒng)的標(biāo)識、溫度、濕度、位置等信息外，能感應(yīng)和處理音頻、視頻、圖像等多媒體信息；

（2）由于多媒信息的數(shù)據(jù)量龐大，必須要經(jīng)過壓縮、識別、融合等處理后，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸再進(jìn)行傳送；從人口量眾多的北京、上海的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，監(jiān)控攝像頭每天的數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB級別。對于山東人口數(shù)量最少的萊蕪，在2013年監(jiān)控攝像頭每天的數(shù)據(jù)量居然也達(dá)到了PB級；表1所列是5個城市每天的數(shù)據(jù)量。

（3）對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和寬帶要求高，傳輸速率高到Mb/s級別；

（4）從多個角度全面監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域，可帶來更豐富的物理信息，確保信息的準(zhǔn)確性。

2多媒體物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

參考物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，我們將多媒體物聯(lián)網(wǎng)從其技術(shù)架構(gòu)上主要分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層叫其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1感知層

隨著監(jiān)測環(huán)境的變化，傳統(tǒng)傳感器所獲取的簡單信息已無法滿足現(xiàn)在的需求，如在安防行業(yè)中，實現(xiàn)檢測環(huán)境的實時重現(xiàn)；醫(yī)療行業(yè)中，實現(xiàn)在線就診；智能家居行業(yè)中，實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤等。這就迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體弓入到以傳感器為基礎(chǔ)的環(huán)境檢測活動中來，實現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息田的環(huán)境檢測。由于感知層的多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)能量受限，在現(xiàn)有的資源條件下，要對采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理來緩解存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。

2.1.1多媒體節(jié)點的部署

節(jié)點的部署與網(wǎng)絡(luò)覆蓋、聯(lián)通和能耗等研究有關(guān)。多媒體傳感器始終伴隨著能量有限的問題，采用中心匯聚節(jié)點能有效解決傳輸過程中能量消耗過大的問題。參考物聯(lián)網(wǎng)的中心集控式控制結(jié)構(gòu)糾分布式控制結(jié)構(gòu)和分級式控制結(jié)構(gòu)。在多媒體傳感器節(jié)點系統(tǒng)中，采用中心匯聚與分層控制結(jié)構(gòu)。

2.1.2多媒體數(shù)據(jù)的壓縮編碼

為了減少傳輸視頻流的數(shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，對大數(shù)據(jù)量的圖像或音視頻進(jìn)行壓縮編碼。采用現(xiàn)有的JPEG、JPEG2000等編碼方式對靜態(tài)圖像進(jìn)行壓縮回。視頻流壓縮可采用以下壓縮標(biāo)準(zhǔn)：壓縮比高、成像清晰的MPEG-4壓縮標(biāo)準(zhǔn)；在不影響圖像質(zhì)量的前提下，和MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)相比，數(shù)字視頻文件的大小減少50%以上的H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。針對高分辨率的視頻流，壓縮率與H.264相比，提高30%~50%的H.265壓縮標(biāo)準(zhǔn)；克服了壓縮編碼的安全隱患，性能較高，由于專利授權(quán)模式簡單，費用相對H.264較低,具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的AVS標(biāo)準(zhǔn)；以“忠實于場景的高保真視頻編碼”為核心思想，改善了音視頻內(nèi)容真實性、完整性和安全性保護(hù)不足的缺陷，忠實于當(dāng)時場景，適應(yīng)安防現(xiàn)狀,兼顧原有視頻資源的SVAC標(biāo)準(zhǔn)。通過以上標(biāo)準(zhǔn)，易提取出感興趣音視頻對象的編碼信息從而進(jìn)行傳輸，在節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的同時還可以提供高質(zhì)量的多媒體服務(wù)。

2.1.3多媒體數(shù)據(jù)的聚集

多媒體數(shù)據(jù)收集試圖從感知網(wǎng)絡(luò)獲取全部或近似全部的感知信息，然而在大多數(shù)應(yīng)用場合，信息感知的目的是獲取一些事件信息或語義信息，而不是所有的感知數(shù)據(jù)。因此，多數(shù)情況下不需要將所有感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，而只需傳輸觀測者感興趣的信息。在滿足應(yīng)用要求的情況下，從原始感知數(shù)據(jù)中選擇少量數(shù)據(jù)或提取高層語義信息進(jìn)行傳輸，從而減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量。例如公安三所從低層次圖像特征與人類高層次語義信息之間的差異性著手，將視頻圖像文本化作為研究的核心問題，提出了視頻結(jié)構(gòu)化描述技術(shù)。它能代替人智能閱讀視頻，并將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)和人都看得懂的描述語言,傳輸感興趣的文本信息，只要捜索關(guān)鍵詞，相應(yīng)的圖像便推送出來，將大大節(jié)約時間和勞動力，甚至可以通過個性化的定制，由系統(tǒng)自動推送想要的視頻。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

多媒體物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是建立在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上的，通過各種接入設(shè)備與移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連,實現(xiàn)應(yīng)用層和感知層信息的可靠傳達(dá)。本文從多媒體的傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)帶寬入手，介紹該層的相關(guān)傳輸技術(shù)。

2.2.1多媒體傳輸技術(shù)

目前三星電子研究的hd-sdi端口輸出的傳輸速率達(dá)到1.485Gb/s,實現(xiàn)了多媒體的有效傳輸，在廣電行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。其提供的高清圖像是智能監(jiān)控中所需要的優(yōu)質(zhì)圖像來源。與其他的傳輸模式不同，它采用無壓縮模式，因此對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求很高。而在有線電視傳輸過程中，超寬帶技術(shù)的寬頻帶、高速率、功耗低等優(yōu)點緩解了高寬帶的問題,達(dá)到了以更高品質(zhì)傳輸聲音和圖像的目的。利用先進(jìn)的碼分多址技術(shù)實現(xiàn)最大數(shù)量的用戶合并，在封閉的電纜中，使信號互不干擾。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有不用架設(shè)線纜、靈活性強等優(yōu)點的無線網(wǎng)絡(luò)彌補了“有線”的缺點，滿足了移動用戶的需求，逐漸贏得了市場的認(rèn)可。Wi-Fi又稱802.11b標(biāo)準(zhǔn)，憑借組網(wǎng)方便、便于擴(kuò)展等特點，有著良好的應(yīng)用前景。無線接入、高速傳輸、網(wǎng)絡(luò)可靠性高是Wi-Fi的主要技術(shù)優(yōu)點。由于在在802.11網(wǎng)絡(luò)上的連接速度是54Mb/s,終端可以在Wi-Fi環(huán)境下進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的通信，而不會因為寬帶的限制而影響通信質(zhì)量，然而由于Wi-Fi通信范圍有限，一般僅為幾十米到幾百米。因此，用戶在使用Wi-Fi通信時，其可活動的范圍將要受到限制。

3G以其不受距離限制、網(wǎng)絡(luò)帶寬寬、實時性好等特點而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。目前市場上生產(chǎn)的無線監(jiān)控設(shè)備普遍采用3G傳輸技術(shù)。3G技術(shù)的使用使得視頻監(jiān)控逐漸擺脫了時間、空間的限制，實現(xiàn)了長距離和實時的視頻傳輸。支持10Mb/s的高帶寬使得視頻信號傳輸質(zhì)量大幅度提升。隨著工信部于2013年12月4日向中國大陸的三家電信運營商發(fā)放TD-LTE牌照，標(biāo)志著我國電信產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入了4G時代。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)帶來的將是比3G更快的速度體驗，其上傳和下載的理論峰值分別能達(dá)到20Mb/s和100Mb/s,能夠滿足對地址和標(biāo)識、擁塞控制的需求，同時給要求高速率、高移動性、低成本的多媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了更好的發(fā)展機(jī)會，是未來技

術(shù)的發(fā)展方向。

2.3應(yīng)用層

應(yīng)用層完成對感知層所采集的海量數(shù)據(jù)的存儲、智能分析和處理，以實現(xiàn)對物理世界的精確控制和智能決策。

2.3.1云計算、云存儲

云計算中資源池是存儲和處理海量數(shù)據(jù)必不可少的硬件條件。在基礎(chǔ)設(shè)施層，laaS可以為物聯(lián)網(wǎng)提供廉價的CPU、存儲空間和帶寬o在云計算模式下，云提供資源池，云模式下的網(wǎng)站程序開發(fā)和管理與擁有獨占的物理資源時沒有差異。它的伸縮性決定了數(shù)據(jù)量高峰期可以自動獲得更多的資源,便于數(shù)據(jù)的處理和存儲。

云存儲通過網(wǎng)絡(luò)提供可配置的虛擬化的存儲及相關(guān)數(shù)據(jù)的服務(wù)。通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問。

一般情況下通過ADSL、DDN等寬帶接入設(shè)備來連接云存儲，Web2.0技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文檔、圖片和音視頻等內(nèi)容的集中存儲和資料共享。通過應(yīng)用存儲設(shè)備來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲,實現(xiàn)應(yīng)用軟件功能。云計算的成功應(yīng)用之一是Google的捜索引擎，它的數(shù)據(jù)分布式地存儲在各地的數(shù)據(jù)中心，當(dāng)用戶發(fā)出搜索請求時，可以并行地從數(shù)千臺計算機(jī)上發(fā)起搜索并進(jìn)行排名，將結(jié)果反饋給用戶。

2.3.2面向服務(wù)的體系架構(gòu)

對于整個系統(tǒng)來說，最重要的就是將感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理和應(yīng)用集成，從而獲取有價值的信息來指導(dǎo)物理世界高速運轉(zhuǎn)。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-orientedArchitecture，SOA產(chǎn)將應(yīng)用程序的不同功能模塊化，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口和調(diào)用方式聯(lián)系起來，實現(xiàn)快速可重用的系統(tǒng)開發(fā)和部署。提高架構(gòu)的拓展性，提升應(yīng)用開發(fā)效率，充分整合和復(fù)用信息資源。大唐電信提出的關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警解決方案中就采用了基于SOA的服務(wù)集成框架，實現(xiàn)了平臺服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的能力解耦，使監(jiān)測管理人員可以通過平臺監(jiān)控服務(wù)的健康狀態(tài)和可用性。

應(yīng)用層可謂是多媒體物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，在各層次間起到協(xié)調(diào)的作用，對物理世界進(jìn)行智能化的管理。目前多媒體物聯(lián)網(wǎng)已應(yīng)用于智能交通、智能醫(yī)療、智能安防、智能家居等多個領(lǐng)域。

3結(jié)語

本文從多媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度出發(fā)，分別從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層面對多媒體物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術(shù)，傳輸技術(shù)和智能應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了闡述。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，多媒體物聯(lián)網(wǎng)未來在醫(yī)藥、交通、安全等行業(yè)的應(yīng)用將顯著提升整個社會的信息化和智能化水平。而且隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，高清、超高清技術(shù)必將是未來的發(fā)展趨勢，超高清電影、超高清視頻的傳播將更為廣泛。如何將超高清技術(shù)應(yīng)用到多媒體物聯(lián)網(wǎng)中，將是未來的發(fā)展趨勢。

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