基于IP的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉濤 吳謹(jǐn)

武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 430081

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各經(jīng)濟領(lǐng)域現(xiàn)場，例如港口，碼頭，機場，銀行，商業(yè)街等對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，錄像調(diào)取，影像處理以及后臺操作管理等提出了更高的要求。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，以及寬帶的普及、數(shù)字監(jiān)控設(shè)備成本的降低，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長足的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已經(jīng)成為監(jiān)控領(lǐng)域又一新的發(fā)展方向。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控正逐漸成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主流。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能性和可靠性高，提供了遠程訪問的能力，以及解決了視頻圖像遠程傳輸問題，視頻資料管理保存方便，數(shù)字化系統(tǒng)圖像清晰、抗干擾能力強、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件和軟件資源共享以及任務(wù)和負載共享，這將是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

1 傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題

1.1 傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控方式

傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控利用模擬攝像機在現(xiàn)場采集圖像、音頻信息數(shù)據(jù)，然后通過視頻編碼服務(wù)器將視音頻數(shù)據(jù)進行壓縮、存儲及處理，然后通過終端監(jiān)控室的監(jiān)視器上顯示出來(如圖 1)。

圖1 傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控結(jié)構(gòu)

1.2 傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用來自模擬攝像機的模擬信號進行錄像，其保存介質(zhì)為模擬磁帶，錄像錄制受時間長度的限制，而且必需安排專人定時更換錄像帶，并為存放大量錄像帶安排專用房間，當(dāng)出現(xiàn)問題時需要花大量時間觀看錄像帶才能找到現(xiàn)場記錄；模擬系統(tǒng)現(xiàn)場易受傳輸線路信號衰減的影響，抗干擾能力差；模擬系統(tǒng)采用雙絞線傳輸，受距離限制且每路視頻都需要配置一對傳輸器，增加了故障點；模擬系統(tǒng)是將各監(jiān)控子系統(tǒng)做成自封閉的系統(tǒng)，因此在實現(xiàn)環(huán)境量集中監(jiān)控時，通常會發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備利用率低，很難實現(xiàn)集中管理和多用戶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；也難以對視頻信號進行后期處理，例如：圖像剪裁，縮放，打印和備份等。

2 基于 IP的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基于IP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)

基于 IP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)其最大的特點是將前端監(jiān)控設(shè)備的音視頻信號、報警信號等壓縮、編碼轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，通過RJ-45以太網(wǎng)接口或光纖直接傳送到網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)即可遠端監(jiān)視現(xiàn)場畫面。

2.1.1 TCP/IP協(xié)議

采用 IP技術(shù)的傳輸網(wǎng)路，其核心即為 TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議起源于20世紀(jì)60年代末，它是一個真正的開放系統(tǒng)，被公認(rèn)為“互聯(lián)網(wǎng)”或“因特網(wǎng)”的基礎(chǔ)。IP監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、控制流實際上都是運行于TCP/IP協(xié)議之上的，即IP網(wǎng)絡(luò)是本監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸基石。TCP/IP通常被認(rèn)為是四層協(xié)議系統(tǒng)：鏈路層(數(shù)據(jù)鏈路層)通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序和計算機中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，它們一起處理傳輸媒介間的物理接口細節(jié)；網(wǎng)絡(luò)層(互聯(lián)網(wǎng)層)處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動；運輸層主要為兩臺主機上的應(yīng)用程序提供端到端的通信；應(yīng)用層直接為用戶的應(yīng)用進程提供服務(wù)。采用IP網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，則勢必存在安全攻擊、圖像被竊取等一系列問題。雖然可以采取IP地址保護和用戶口令保護等措施，但真正意義上完全安全的網(wǎng)絡(luò)是不存在的，因而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的自身安全性問題是其存在的固有缺點之一。

2.1.2 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)

視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有國際電信聯(lián)盟組織(ITU)制定的H.261、H.263、H.264和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO)和國際電工委員會(IEC)聯(lián)合組織的運動圖像專家組的 MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)MPEG-l、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7，而在網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸中，則活躍著Real Video,WMV,QuickTime等標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 涉及的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)

監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻傳輸，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求比較高，涉及一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，它們是網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、吞吐量、差錯率及傳輸延遲等。吞吐量：網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指有效的網(wǎng)絡(luò)帶寬，通常定義成物理鏈路的傳輸速率減去各種傳輸開銷，它反映了網(wǎng)絡(luò)的最大極限容量。差錯率：差錯率反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。對于不同的網(wǎng)絡(luò)，采用不同的差錯率來衡量。延遲：延遲是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)，對于多媒體信息流，延時的控制更為重要．它可用多種方式來表示，其中最主要的是端到端的延遲，即發(fā)送端發(fā)送一個分組到接收端正確地接收到該分組所經(jīng)歷的間。

2.2 基于IP監(jiān)控系統(tǒng)的各組成部分及其功能

2.2.1 前端設(shè)備

前端設(shè)備由：攝像機、云臺、解碼器、防護罩、支架、報警探測器等組成，負責(zé)視頻信號、音頻信號和報警信號的采集。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)視頻編碼服務(wù)器

本系統(tǒng)中圖像處理和傳輸設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，它負責(zé)把音、視頻信號和報警信號進行壓縮處理后通過局域網(wǎng)進行信息匯總，最后通過中央服務(wù)器接人Internet，傳輸?shù)竭h程客戶端，同時可以接收客戶端發(fā)送的控制信號和音頻對講信號。

2.2.3 中央服務(wù)器

（1）管理前端設(shè)備

① 添加、修改和刪除網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等前端設(shè)備；

② 修改網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等前端設(shè)備的名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、連接端口、訪問用戶名和密碼；

③ 對網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等前端設(shè)備監(jiān)控通道的通道描述、傳輸畫質(zhì)和傳輸速率等進行設(shè)置；

④ 選擇在顯示畫面上是否疊加時鐘和字符，并可以任意調(diào)整所疊加字符在圖像窗口中的位置和顏色；

⑤ 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等前端設(shè)備的云臺控制協(xié)議；

⑥ 設(shè)置是否使用撥號功能、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接的用戶名和密碼。

（2）管理視頻服務(wù)器

① 添加、刪除視頻服務(wù)器；

② 設(shè)置視頻服務(wù)器所要連接的圖像源；

③ 設(shè)置服務(wù)器是否實時顯示連接通道的圖像；

④ 設(shè)置服務(wù)器的錄像計劃和錄像模式(報警錄像、連續(xù)錄像、不錄像)。

（3）權(quán)限管理

① 管理用戶，包括中央服務(wù)器視頻工作站和網(wǎng)絡(luò)客戶端所有用戶的權(quán)限設(shè)定；

② 設(shè)置用戶的操作權(quán)限，包括中央服務(wù)器管理權(quán)限、云臺鏡頭控制權(quán)限、添加刪除用戶、監(jiān)看通道等；

③ 具有系統(tǒng)屏蔽功能，封鎖視頻工作站操作界面，防止非法人員隨意操作；

④ 具有鍵盤鎖定功能，封鎖視頻工作站鍵盤系統(tǒng)熱鍵，防止非法人員隨意操作。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理控制如圖2所示，該系統(tǒng)由前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、中央服務(wù)器、遠程監(jiān)控端4個主要部分組成。前端設(shè)備主要負責(zé)音視頻信號、報警信號的采集；網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器負責(zé)把各種信號進行處理、存儲后通過局域網(wǎng)進行信息匯總，最后通過中央服務(wù)器接入Internet，傳輸?shù)竭h程監(jiān)控端，同時可以接收客戶端發(fā)送的控制信號和音頻對講信號等。

圖2 監(jiān)控原理控制圖

3.2 基于IP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于Internet的傳輸控制協(xié)議(TCP/IP協(xié)議)，通過專用的數(shù)字設(shè)備，把數(shù)字信號直接聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過一定帶寬的網(wǎng)絡(luò)傳輸后，在后端通過管理軟件對多個視頻流進行統(tǒng)一管理，使得授權(quán)的用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)查看到網(wǎng)絡(luò)中任一個監(jiān)控現(xiàn)場的實時圖像，并且可以控制前端設(shè)備的視角和焦距，或把數(shù)字圖像信號經(jīng)解碼還原成模擬信號，進入監(jiān)控中心的電視墻，由保安人員實現(xiàn)實時監(jiān)控。同時可以在后端完成對監(jiān)控系統(tǒng)的管理任務(wù)，如存儲、檢索、回放、訪問權(quán)限、管理權(quán)限等(如圖3所示)。

圖3 基于IP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)攝像機由普通攝像機與網(wǎng)絡(luò)前置數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊集成在一起，即在攝像機內(nèi)實現(xiàn)圖像模數(shù)轉(zhuǎn)化并通過網(wǎng)線直接接入網(wǎng)絡(luò)，可以隨意設(shè)定IP地址，每臺IP攝像機擁有一個惟一的IP地址，在網(wǎng)絡(luò)上可以通過管理軟件訪問任一臺IP攝像機，同時可以控制前端的云臺等設(shè)備，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控。視頻服務(wù)器是能實現(xiàn)音視頻硬件壓縮并具有 IP地址的視頻處理設(shè)備。通過視頻服務(wù)器壓縮的數(shù)據(jù)流小、占用網(wǎng)絡(luò)帶寬低，可以輕而易舉地實現(xiàn)遠程訪問(包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng))和音頻、視頻的傳輸。

4 總結(jié)

本方案是一種建立在寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的完全數(shù)字化解決方案，也是一種既能適應(yīng)單監(jiān)控中心，又很容易擴充為多監(jiān)控中心的方案。攝像機傳送來的視頻信號由硬件實時壓縮，采用當(dāng)前先進的H.264標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量解碼顯示。數(shù)字化后可由視頻服務(wù)器存儲也可通過局域網(wǎng)上傳中央服務(wù)器。通過局域網(wǎng)的對外接口，網(wǎng)絡(luò)上的授權(quán)用戶可以直接用客戶端軟件或瀏覽器實施監(jiān)控并可控制攝像機云臺鏡頭的動作或?qū)ο到y(tǒng)配置進行操作。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備(如路由器、集交換機等)有機結(jié)合，充分利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。且數(shù)字信號經(jīng)中繼后沒有損失，多級中轉(zhuǎn)其圖像質(zhì)量也不受影響。從長遠看，如果各監(jiān)控系統(tǒng)都統(tǒng)一應(yīng)用于TCP/IP協(xié)議上，將極大地增強了監(jiān)控范圍的靈活性，可根據(jù)實際情況進行監(jiān)控點或監(jiān)控對象的增減，可以經(jīng)濟、簡便地實現(xiàn)各監(jiān)控系統(tǒng)的級聯(lián)。并在擴展過程中，僅需增添監(jiān)控點的節(jié)點設(shè)備，不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保護原有設(shè)備線路的投資，這些優(yōu)點都是傳統(tǒng)的電視監(jiān)控系統(tǒng)所無法比擬的。

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