遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在賽場(chǎng)中的應(yīng)用

嚴(yán)世勝，鐘承堯，顏麗娜

(海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)對(duì)視頻監(jiān)控提出了更高的要求。而遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)作為一種行之有效的安防和自動(dòng)化管理，已被廣泛采用。它一方面使管理部門(mén)能獲得大量實(shí)時(shí)信息;另一方面又可提高工作效率，達(dá)到現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)的管理水平。

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，競(jìng)賽時(shí)間為4天3夜，在此期間不允許教師或其他人員進(jìn)行指導(dǎo)，同時(shí)賽區(qū)組委會(huì)也組織人員進(jìn)行巡視［1］。但由于整個(gè)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，巡視人員不可能全程進(jìn)行查看。一些參賽學(xué)校為了提高學(xué)校的知名度，可能會(huì)對(duì)參賽學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)或外請(qǐng)其他專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)，使競(jìng)賽缺少公平競(jìng)爭(zhēng)。因此，安裝遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控為主和現(xiàn)場(chǎng)巡視為輔的手段，進(jìn)一步改革優(yōu)化大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的組織運(yùn)行模式，能大大減少不必要的人力和物力。

1 系統(tǒng)概述

1.1 功能和特點(diǎn)

某省共有16所高校，每所學(xué)校初步組建3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，系統(tǒng)此次共組建48個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。監(jiān)控中心建在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽區(qū)組委會(huì)，在監(jiān)控中心能對(duì)參賽學(xué)校實(shí)施24 h實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和錄像，各參賽學(xué)校也可以相互監(jiān)視和錄像。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案力求操作簡(jiǎn)便直觀、統(tǒng)一調(diào)度的管理模式，以提高管理水平，并使賽區(qū)組委會(huì)和各參賽學(xué)校在賽后可以獲取相關(guān)錄像記錄。

為了滿足以上的功能需求，系統(tǒng)采用不同于傳統(tǒng)視頻傳輸方式的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，通過(guò)教育網(wǎng)將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)劫悈^(qū)組委會(huì)監(jiān)控中心，并且在各參賽學(xué)校設(shè)置分控點(diǎn)，各分控點(diǎn)可以相互監(jiān)視和錄像。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等4個(gè)部分構(gòu)成，具有對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、還原等功能［2－3］。其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 前端設(shè)備

前端設(shè)備主要包括攝像機(jī)、支架、電源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等。

2.1 前端設(shè)備的選擇

攝像機(jī)是視頻監(jiān)控的前沿部分，主要完成圖像信號(hào)的采集。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，攝像部分是系統(tǒng)的原始信號(hào)源。因此，攝像機(jī)的好壞及產(chǎn)生的圖像信號(hào)將影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量［4］。由于系統(tǒng)要求遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以應(yīng)選擇水平分辨力大于480線的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、一體化網(wǎng)絡(luò)智能球、模擬攝像機(jī)+網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一體化網(wǎng)絡(luò)智能球已內(nèi)置云臺(tái)，適用于對(duì)大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，增加了攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用RJ－45－10/100M自適應(yīng)，能完全與以太網(wǎng)兼容，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化綜合布線，能傳輸基于TCP/IP的視頻、音頻及控制信號(hào)，無(wú)須額外的視頻、音頻及控制信號(hào)線纜［5］。圖像壓縮格式為H.264，適應(yīng)不同情況下對(duì)圖像連貫性和圖像清晰度的要求。

2.2 前端設(shè)備供電

系統(tǒng)中一體化網(wǎng)絡(luò)智能球供電有交流24 V和直流15 V兩種，根據(jù)設(shè)備選擇;網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)及視頻服務(wù)器供電為直流12 V?？筛鶕?jù)參賽學(xué)?，F(xiàn)場(chǎng)情況選擇攝像機(jī)的供電方式，如果攝像機(jī)較集中，可采用集中供電方式。如果較分散，可采用前端就近供電方式。

3 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)主要承擔(dān)圖像信號(hào)、音頻信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸任務(wù)，將前端采集到的視頻信號(hào)經(jīng)傳輸線路傳送到后端的監(jiān)控錄像服務(wù)器上。因此，良好的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)是視頻監(jiān)控的重要組成部分。

3.1 信號(hào)傳輸方式比較

由于視頻傳輸距離由原來(lái)的幾百米發(fā)展到幾千米、幾十千米，甚至跨省、跨國(guó)傳輸，從而推動(dòng)了傳輸方式的變革。由同軸視頻基帶傳輸方式發(fā)展到雙絞線平衡傳輸、光纖傳輸和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞健２捎貌煌膫鬏敺绞?，其傳輸介質(zhì)的物理特性不同導(dǎo)致信號(hào)傳輸距離不同，傳輸質(zhì)量也存在很大差異，各種傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示［6］。

表1 視頻傳輸方式比較

3.2 視頻傳輸方式的選擇

視頻信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量是視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)前面分析的視頻傳輸方式，不同的視頻傳輸方式各有特點(diǎn)，適合不同的應(yīng)用環(huán)境。在實(shí)際的工程應(yīng)用中要根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程的規(guī)模大小、信號(hào)傳輸距離、系統(tǒng)的功能和不同質(zhì)量指標(biāo)等要求，采用不同的傳輸方式，既能保證系統(tǒng)信號(hào)的傳輸質(zhì)量，又能降低工程造價(jià)。

由于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)和巡視監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，從巡視現(xiàn)場(chǎng)到巡視監(jiān)控中心需要傳輸圖像信號(hào)。同時(shí)，監(jiān)控中心的控制信號(hào)也要傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制攝像機(jī)的方位。所以，選用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議，并利用教育網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和錄像的目的。

3.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬要求

視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用主干千兆和百兆到監(jiān)控點(diǎn)的方式建設(shè)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)到接入點(diǎn)的接入帶寬，應(yīng)該根據(jù)圖像格式和幀率要求確定帶寬，例如，1路CIF視頻圖像的最小實(shí)際帶寬需求為512 kbit/s，1路D1視頻圖像的最小實(shí)際帶寬需求為1536 kbit/s。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶寬按上述帶寬要求的2倍計(jì)算，即CIF圖像帶寬要求為1 Mbit/s，D1圖像帶寬要求為3 Mbit/s。

4 視頻監(jiān)控中心

根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求，視頻監(jiān)控、錄像存儲(chǔ)設(shè)在賽區(qū)組委會(huì)監(jiān)控中心。通過(guò)中心可以指揮整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行視頻資料的記錄、存儲(chǔ)、監(jiān)看、錄像、回放和檢索等。

4.1 設(shè)備配置

監(jiān)控中心主要由電視墻、網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器、管理主機(jī)和存儲(chǔ)服務(wù)器等組成。假如巡視監(jiān)控點(diǎn)共有48個(gè)，按照應(yīng)用需求將監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)看、管理與錄像存儲(chǔ)分開(kāi)配置。監(jiān)看、管理電視墻配置46 in液晶電視1臺(tái)和21 in液晶顯示器12臺(tái)。液晶顯示器通過(guò)12臺(tái)網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器連接，按每個(gè)液晶顯示器顯示4畫(huà)面。同時(shí)配置1臺(tái)管理主機(jī)，安裝集中監(jiān)控管理軟件。完成對(duì)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理，對(duì)攝像機(jī)參數(shù)、視頻參數(shù)、PTZ協(xié)議參數(shù)及鏡頭參數(shù)的管理，對(duì)不同級(jí)別的管理人員分配管理、登錄、瀏覽、錄像及控制等權(quán)限管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器的配置管理。

4.2 圖像存儲(chǔ)

存儲(chǔ)是整個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的中心，實(shí)現(xiàn)48路視頻的實(shí)時(shí)錄像，并能循環(huán)存儲(chǔ)錄像。圖像存儲(chǔ)所需的硬盤(pán)空間不但與該攝像機(jī)所采用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)、圖像格式及幀率有關(guān)，與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的人流量更是分不開(kāi)的，圖像變化越快，碼流越大。因此，可以根據(jù)攝像機(jī)上的碼流來(lái)計(jì)算圖像記錄設(shè)備所需的存儲(chǔ)容量，如圖像分辨力達(dá)到較高清晰的D1顯示格式及每路20～25 f/s(幀/秒)的速率。由于競(jìng)賽的時(shí)間為4天3夜，記錄時(shí)間為4天，存儲(chǔ)容量的計(jì)算按照每路視頻圖像1.5 Mbit/s的碼流來(lái)計(jì)算，每天每路的存儲(chǔ)容量=碼率÷8×?xí)r間÷1024≈15.8 Gbyte，巡視視頻監(jiān)控點(diǎn)按48路計(jì)算，需要存儲(chǔ)容量=15.8 Gbyte×48 ×4=3033.4 Gbyte［7］，可選擇4 個(gè) 1 Tbyte 硬盤(pán)安裝到存儲(chǔ)服務(wù)器上。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程視頻巡視系統(tǒng)，視頻信號(hào)是通過(guò)教育網(wǎng)進(jìn)行傳輸，可以本地或遠(yuǎn)程巡視大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽場(chǎng)的情況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)視頻巡視系統(tǒng)后，賽區(qū)組委會(huì)可以通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和錄像，各參賽學(xué)校也可以遠(yuǎn)程相互監(jiān)控、監(jiān)督，使競(jìng)賽更加公平、公正地進(jìn)行，有效地保證競(jìng)賽的質(zhì)量和學(xué)生參賽的積極性，減小了賽場(chǎng)巡視員的工作強(qiáng)度。

［1］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.修訂版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［2］GB50395—2007.視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2007.

［3］隋玉敏.視頻監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)車(chē)車(chē)輛廠的應(yīng)用研究［J］.電視技術(shù)，2009，33(4):82－84.

［4］金文光，程國(guó)卿.安防系統(tǒng)工程方案設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006:202－203.

［5］鄭世寶.智能視頻監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2009，33(1):94－96.

［6］張少彬，林莉.基于MPEG－4的數(shù)字遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007，33(1):265－266.

［7］陳國(guó)華.湛江港視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2007，25(4):109－112.