基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控方法的研究

任慧，高甜，周亦琛，楊謙逸

(中國傳媒大學(xué)自動化系，北京100024 )

1 概述

視頻監(jiān)控經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控越來越被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外的劇場用于舞臺調(diào)度的視頻監(jiān)控都還在延續(xù)著使用模擬監(jiān)控，就目前來看，該系統(tǒng)的局限性已經(jīng)愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)舞臺調(diào)度的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由于各廠商的標準不一樣，用戶無法根據(jù)需求選擇不同廠商的產(chǎn)品，可擴展性不高；當(dāng)系統(tǒng)擴容時，需要增加大量的設(shè)備，擴容成本高。目前國內(nèi)外未見有將有線對講信號、無線對講信號、視頻監(jiān)控信號IP網(wǎng)絡(luò)化的舞臺監(jiān)督與調(diào)度集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)化是未來的發(fā)展趨勢。為此，本文重點研究了基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一——基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的實現(xiàn)方法。

2 目前舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)的國家大劇院、杭州大劇院等劇場的舞臺調(diào)度的視頻監(jiān)控都還在延續(xù)使用模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由攝像機、視頻切換矩陣、視頻分配器、數(shù)字硬盤錄像機、監(jiān)視器等組成，通過視頻線、控制線連接，在其封閉的環(huán)境內(nèi)傳輸電視信號，從攝像到圖像顯示構(gòu)成獨立完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。在劇場的用途主要是用于劇場的演出監(jiān)控、錄制演出存檔資料等。該系統(tǒng)的優(yōu)點是既省時間省費用，又提高了工作效率，可以實現(xiàn)適時指揮和調(diào)度、處理和保存?？墒乾F(xiàn)階段模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的不合理性愈發(fā)突出，模擬視頻信號采用同軸電纜進行傳輸，距離較遠時，需要使用視頻放大器對視頻信號進行放大以補償傳輸損耗，這將導(dǎo)致信號信噪比下降，實際中監(jiān)視器或者顯示設(shè)備上的圖像分辨率就會下降，導(dǎo)致圖像明顯失真；視頻信號有時需要傳輸?shù)捷^遠的區(qū)域，在傳輸過程中受到的干擾難以消除；監(jiān)控錄像質(zhì)量將隨著時間的推移下降，存儲成本提高，視頻信息存儲后，在查找調(diào)用時需要人工查找已編好號碼的視頻光盤，播放時也需要專業(yè)的播放設(shè)備；現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng)，其單獨于整個舞臺監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)，這將導(dǎo)致與其他信息系統(tǒng)無法交換數(shù)據(jù)，應(yīng)用的靈活性較差。

3 基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的需求分析

基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控能夠?qū)⒁曨l信息數(shù)字化，并通過有線或無線IP網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，使實時監(jiān)控和錄像等功能可以擴展到所有具備網(wǎng)絡(luò)連接的地方。針對劇場的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控主要有以下需求[2]：

(1)用于劇場演出監(jiān)控：演出現(xiàn)場的視頻信號可以被送至各視頻點，例如技術(shù)用房的監(jiān)視器上、化妝間的電視屏幕、各種移動終端等，可以根據(jù)需求不同收看指定的攝像機信號；

(2)用于輔助演出監(jiān)控：如演員在某些位置不能看到指揮，在這些位置需要布置監(jiān)視器，供演員演出時使用；

(3)錄制演出存檔資料和花絮素材：固定安裝攝像機于舞臺正面位置，攝取圖像角度理想，能夠作為錄制的主畫面；由于劇場大部分攝像機攝取的主要是幕后和觀眾情況，因此這些視頻素材也可以作為今后視頻出版物的花絮部分使用。

4 基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的方法研究

(1)基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)包括視頻壓縮技術(shù)、視頻通信協(xié)議和存儲技術(shù)等。MPEG-4和H.264是現(xiàn)在國內(nèi)視頻監(jiān)控行業(yè)流行的兩種視頻壓縮標準，市場上多數(shù)的數(shù)字視頻錄像機、視頻服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像機都已經(jīng)支持MPEG-4/H.264的壓縮方法。視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部進行視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息傳輸、交換、控制時，應(yīng)遵循所規(guī)定的通信協(xié)議，監(jiān)控系統(tǒng)在進行視音頻傳輸及控制時建立兩個傳輸通道：會話通道和媒體流通道[3]。會話通道是用一個應(yīng)用層的SIP控制協(xié)議在設(shè)備之間建立會話并傳輸系統(tǒng)控制命令；媒體流通道用于傳輸視音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮編碼的視音頻流采用流媒體協(xié)議(RTP/RTCP)進行傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般攝像頭數(shù)量多，視頻圖像存儲時間長，因此存儲容量需求巨大，所以視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲必須支持大容量，且容量具有高擴展性，滿足長時間大容量視頻圖像存儲的需求。監(jiān)控存儲技術(shù)經(jīng)歷了磁帶、磁盤、磁盤陣列的發(fā)展，目前以磁盤、磁盤陣列存儲為主[4]。

(2)基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)劇場舞臺視頻監(jiān)控的需求，設(shè)計了基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控的架構(gòu)

舞臺調(diào)度視頻監(jiān)控系統(tǒng)涉及視頻采集、視頻編碼、數(shù)據(jù)傳輸、平臺管理、視頻解碼、視頻播放顯示等過程，用到的設(shè)備主要有攝像機(包括模擬和網(wǎng)絡(luò)攝像機)、云臺、視頻編碼器、視頻分配器、流媒體服務(wù)器、視頻服務(wù)器、錄制服務(wù)器、監(jiān)視器、舞臺調(diào)度臺和遠程訪問PC等。

攝像機是該系統(tǒng)最前端的視頻采集部分的主要設(shè)備，分為兩種：一種是現(xiàn)已被布置在劇場的某一些位置的模擬攝像機，另一種則是為了提高視頻質(zhì)量和全面實現(xiàn)舞臺監(jiān)督與調(diào)度集成系統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)化，在劇場里布置的一些高清網(wǎng)絡(luò)攝像機。網(wǎng)絡(luò)攝像機因有自己的IP地址，可以直接連接到局域網(wǎng)中[5]。攝像機上一般會集成拾音器，且攝像機設(shè)備安裝在云臺上。

視頻編碼器將模擬攝像機采集到的視頻和音頻信號轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)視頻信號，通過MPEG-4/H.264編碼進行壓縮，提供IP地址。視頻編碼器能夠使劇場無需拋棄現(xiàn)有的模擬監(jiān)控設(shè)備，便能遷移至網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)里，從而讓模擬攝像機能夠充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)攝像機的多項優(yōu)勢。轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡(luò)視頻信號可以直接進入流媒體服務(wù)器。

流媒體服務(wù)器是一個視頻數(shù)據(jù)交換中樞，監(jiān)控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過該節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)攝像機(帶云臺)設(shè)備和流媒體服務(wù)器可通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。流媒體服務(wù)器交換的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)至少包括控制命令和視頻數(shù)據(jù)。流媒體服務(wù)器與劇場舞臺調(diào)度臺通信連接，該劇場舞臺調(diào)度臺也通過劇院局域網(wǎng)與劇院調(diào)度內(nèi)通系統(tǒng)通信連接。通過接入到劇院局域網(wǎng)，可以方便移動終端或者遠程PC通過互聯(lián)網(wǎng)進行訪問該系統(tǒng)。另外攝像機云臺控制器也通過IP網(wǎng)絡(luò)和流媒體服務(wù)器連接，從而通過網(wǎng)絡(luò)控制安裝的攝像機的云臺動作。視頻數(shù)據(jù)的存儲則通過流媒體服務(wù)器傳輸至錄像服務(wù)器，由錄像服務(wù)器進行存儲。

視頻服務(wù)器將接收的來自流媒體服務(wù)器的數(shù)字信號經(jīng)解碼后轉(zhuǎn)換為模擬信號后傳輸至視頻分配器，視頻分配器可以實現(xiàn)一路視頻輸入、多路視頻輸出的功能，兼具視頻信號放大功能[6]。通過視頻服務(wù)器和視頻分配器的方式實現(xiàn)了對原有系統(tǒng)的整合，節(jié)省了劇場設(shè)備的配置成本。從視頻分配器里分配出來的視頻信號可以直接顯示在舞臺調(diào)度技術(shù)用房的監(jiān)視器或者化妝間等地的電視屏幕上。

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)有的舞臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)，對舞臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究，可以實現(xiàn)視頻高清晰度高分辨率顯示，更為方便快捷的存儲和調(diào)用視頻數(shù)據(jù)，標準化的設(shè)計大大提高了可擴展性，計算機技術(shù)的引入提高了系統(tǒng)的易用性，智能化程度也有了較大的提升，為實現(xiàn)舞臺監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)的集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]楊磊，李峰，田艷生.閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(第2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]國家大劇院舞臺技術(shù)部音響組.國家大劇院舞臺監(jiān)督系統(tǒng)[J].藝術(shù)科技，2008(1).

[3]梁篤國，張艷霞，曹寧，等.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)與智能應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]周密.基于IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[5]西剎子.安防天下智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[6]信師國，劉慶磊，劉全賓.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].信息技術(shù)與信息化，2010(1).