數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用

柳燕銘

[摘要]從模擬監(jiān)控系統(tǒng),數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),視頻監(jiān)控系統(tǒng)近幾年得到很大的發(fā)展。分析數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn),并詳細(xì)介紹數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)以及在工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻壓縮

中圖分類號(hào):TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210036-01

一、概述

遠(yuǎn)程監(jiān)控是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。利用視頻會(huì)議系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,可以全面監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),迅速及時(shí)地對(duì)各種情況作出相應(yīng)的反應(yīng),同時(shí)具有價(jià)格低廉、性能優(yōu)越的特點(diǎn)。比如,如果在家里安裝一臺(tái)桌面型視頻會(huì)議電視系統(tǒng),就可以實(shí)現(xiàn)家庭辦公、購(gòu)物等,使工作和學(xué)習(xí)變得更加方便輕松。

數(shù)字視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。在電子技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平直接反映了不同階段電子與通訊的技術(shù)狀況,而計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)提到了一個(gè)新的高度。

網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)視頻瀏覽應(yīng)運(yùn)而生。從模擬監(jiān)控到數(shù)字監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的一次飛躍,目前最先進(jìn)的技術(shù)就是通過(guò)專用視頻服務(wù)器(瘦服務(wù)器)把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)后上網(wǎng),同時(shí)通過(guò)管理程序?qū)Χ鄠€(gè)視頻流進(jìn)行統(tǒng)一管理,獲得授權(quán)的用戶便可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)看到任何一個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像,并且可以控制監(jiān)視器的視角和焦距。

二、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

(一)以平臺(tái)為核心,以網(wǎng)絡(luò)為紐帶。我們現(xiàn)在的安防系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控崗位,靠人力已經(jīng)不能解決大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)的管理問(wèn)題了,所以打造一個(gè)管理平臺(tái)的需求就顯得非常迫切。一個(gè)好的管理平臺(tái)可以將所有的攝像頭納入管理,將所有的報(bào)警點(diǎn)納入管理,將所有的編解碼設(shè)備納入管理,將所有的后臺(tái)服務(wù)器納入管理,從而使得整套系統(tǒng)能夠順暢運(yùn)行。

(二)接入多個(gè)不同的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。由于安防系統(tǒng)過(guò)去以獨(dú)立的小規(guī)模應(yīng)用為主,造成了設(shè)備的生產(chǎn)廠家非常眾多,而且各個(gè)廠家都有自己的一套編解碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖龇?。這要求大型監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)能夠接入多家廠商的設(shè)備。一者保護(hù)用戶原有的投資,充分利用現(xiàn)有資源,避免資源浪費(fèi);二者在用戶在新系統(tǒng)建設(shè)時(shí)減少投入提供解決辦法。

三、數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

數(shù)字化視頻可以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)或廣域網(wǎng))上傳輸圖像數(shù)據(jù),基本上不受距離限制,信號(hào)不易受干擾,可大幅度提高圖像品質(zhì)和穩(wěn)定性;數(shù)字視頻可利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)帶寬可復(fù)用,無(wú)須重復(fù)布線。

(一)組播技術(shù)。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸中,大都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式,這種方式比較可靠,但對(duì)于一點(diǎn)向多點(diǎn)傳輸相同的數(shù)據(jù)的情況下,這種方式就不能充分利用帶寬,使傳輸?shù)穆窋?shù)有限。以確保需要數(shù)據(jù)的用戶能夠得到所需的數(shù)據(jù);采用IP組播就是為了解決這個(gè)棘手問(wèn)題而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。IP組播采用了組地址的概念,把需要視頻流數(shù)據(jù)的用戶編入用戶組,并利用一些高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)確保最經(jīng)濟(jì)地利用帶寬,把數(shù)據(jù)通過(guò)用戶組傳遞給真正需要的用戶。

目前,IP Multicast是使用最廣泛的傳輸技術(shù)。IP Multicast組播是一種合理利用網(wǎng)絡(luò)資源和頻譜帶寬的技術(shù),它是標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)的一個(gè)擴(kuò)展。IP組播的核心思想是:通過(guò)一個(gè)IP地址(組播地址)向一組主機(jī)發(fā)送同一個(gè)數(shù)據(jù)包(UDP包),即一對(duì)多的工作方式。發(fā)送方僅僅需要向一個(gè)組播地址發(fā)送一份信息,就能保證所有的接收方(前提是必須加入到同一組播)能夠收到相同的信息。組中的成員是動(dòng)態(tài)的,可以根據(jù)自己的意愿隨時(shí)加入、離開(kāi),并且,每臺(tái)主機(jī)可以同時(shí)加入到多個(gè)組中去。IP組播技術(shù)可以有效地避免由于重復(fù)發(fā)送造成的發(fā)送方負(fù)擔(dān)過(guò)重以及廣播風(fēng)暴,組播數(shù)據(jù)可以突破路由器的限制,將數(shù)據(jù)包發(fā)送到不同的物理網(wǎng)段。

(二)視頻數(shù)據(jù)的壓縮解壓縮技術(shù)。數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)巨大,傳輸極其不便。視頻圖像播放的關(guān)鍵是做到平滑顯示,幀率一般應(yīng)為22～30幀/s。低于20幀/s,就會(huì)感到視頻跳動(dòng)。因此要實(shí)時(shí)顯示,其關(guān)鍵在于保證圖像更新的幀速率不小于20幀/s。但是,假設(shè)1幅640*480中分辨度的彩色圖像(24bit/像素),則其數(shù)據(jù)量為0.92MB,如果以每秒30幀的速度播放,則視頻信號(hào)的數(shù)碼率就高達(dá)27.6Mbps。顯然,視頻壓縮技術(shù)數(shù)字化是壓縮技術(shù)的關(guān)鍵。目前,適用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)有H.261,MPEG-1。兩者的核心技術(shù)都是離散余弦變換及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法,它的主要思想是通過(guò)減少每幀圖像間時(shí)間上和空間上的冗余性和相關(guān)性信息來(lái)減少數(shù)據(jù)量。H.261適合在64-384Kbps的低帶寬下傳輸實(shí)時(shí)視頻圖像、但圖像質(zhì)量不理想;MPEG-l在800KbPs-2Mbps的傳輸速率下圖像清晰度能達(dá)到較好的圖像效果。用戶可根據(jù)不同的場(chǎng)合和需求選用不同的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

(三)多線程技術(shù)在視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。在數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸中,發(fā)送方和接收方工作步驟如下:

1.啟動(dòng)視頻壓縮卡;

2.取出復(fù)合數(shù)據(jù)流(視頻流和音頻流的復(fù)合流);

3.復(fù)合數(shù)據(jù)流的打包、傳輸;數(shù)據(jù)流的接收;

4.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、播放。

因此,如果采用單線程工作方式,發(fā)送和接收播放就不能同時(shí)進(jìn)行。采用系統(tǒng)的搶先式多線程任務(wù)機(jī)制,采用線程這個(gè)最小執(zhí)行體作為CPC分配時(shí)間的實(shí)體,同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程,并且按線程的優(yōu)先級(jí)別調(diào)度多個(gè)線程。這樣在發(fā)送方“取流”和“傳輸”共享與同一內(nèi)存區(qū)域,采用多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行“取流”和“傳輸”等幾個(gè)過(guò)程,提高了CPC的利用率,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。接收方“接收”和“播放”同時(shí)進(jìn)行,保證了畫面的連續(xù)性。

四、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

在監(jiān)控領(lǐng)域中、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是一種趨勢(shì),可廠泛應(yīng)用在電信、電力、交通、銀行等領(lǐng)域。利用各種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)如:DDN、ISDN、E1、xDSL,把經(jīng)過(guò)數(shù)字化壓縮、編碼的視頻、音頻、報(bào)警感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸置監(jiān)控中心,中心的計(jì)算機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、解編碼同時(shí)回放視頻、音頻,對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行告警處理。

隨著TCP/IP技術(shù)與視頻編碼技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域都得到發(fā)展和應(yīng)用,基于IP技術(shù)與圖像編碼技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將電信、電力、交通、銀行等領(lǐng)域的安全及生產(chǎn)監(jiān)控上得到更廣泛的應(yīng)用,超媒體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在不久的將來(lái)將會(huì)成為主流。在現(xiàn)今的社會(huì),數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展也將標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家、一個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步程度,它的發(fā)展對(duì)世界工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程來(lái)說(shuō)起著舉足輕重的作用。

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