基于IP 網(wǎng)絡(luò)的舞臺視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)研究

李毅華 張曉棟 欒振輝

摘 要：針對目前國內(nèi)舞臺數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲調(diào)用不靈活、可靠性差以及難以與其他系統(tǒng)兼容等問題，提出了以網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、流媒體服務(wù)器和IP存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（IP SAN）為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化的舞臺視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析了系統(tǒng)的主要功能以及各主要單元的性能，結(jié)果表明，基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代舞臺演出效果呈現(xiàn)與監(jiān)控的要求，可顯著提高整個(gè)舞臺監(jiān)督調(diào)度的效率。

關(guān)鍵詞：IP 網(wǎng)絡(luò)；舞臺；視頻監(jiān)督；調(diào)度系統(tǒng)

中圖分類號：TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）02-0009-04

目前，我國各類演出場館視頻監(jiān)督調(diào)度系統(tǒng)大部分采用的是基于PC（personal computer）的簡單數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其視頻信號處理較為復(fù)雜且可靠性不高，難以與其他系統(tǒng)集成，而且整個(gè)系統(tǒng)的成本較高。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)部具有的視頻編碼器，使得視頻信號采集變得極為便捷。而作為系統(tǒng)核心服務(wù)器的流媒體服務(wù)器，在視頻監(jiān)督系統(tǒng)中充當(dāng)了良好的介質(zhì)，不僅使系統(tǒng)各部分更好地結(jié)合，還讓整個(gè)系統(tǒng)更易于與其他系統(tǒng)（有線內(nèi)部通訊、無線內(nèi)部通訊、燈光提示、呼叫等系統(tǒng)）高度集成，采用的IP SAN存儲系統(tǒng)使數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用更加靈活。采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的多媒體調(diào)度系統(tǒng)以及WiFi網(wǎng)絡(luò)部署調(diào)度平臺，通過多媒體調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舞臺總監(jiān)、舞美、導(dǎo)演、音響師、燈光師、演員以及相關(guān)業(yè)務(wù)崗位等之間的點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)以及多點(diǎn)對多點(diǎn)的實(shí)時(shí)音頻和視頻通訊，通過先進(jìn)的數(shù)字化及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)、多媒體技術(shù)，建立起網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)，為舞臺視頻監(jiān)督監(jiān)控、安全保障、預(yù)案實(shí)施提供更加簡便、專業(yè)、智能和人性化的集成方案。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、流媒體服務(wù)器和存儲系統(tǒng)三大部分組成，可以實(shí)現(xiàn)視頻高清晰度、高分辨率顯示，能方便快捷地存儲和調(diào)用視頻數(shù)據(jù)，三大系統(tǒng)通過局域網(wǎng)連接，為舞臺調(diào)度提供良好的技術(shù)保障。

1.1 前端攝像機(jī)

前端攝像機(jī)處于系統(tǒng)的最前端，是系統(tǒng)的初始成像設(shè)備（包括云臺和攝像機(jī)）。在本系統(tǒng)中采用的是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)[1]（IP camera），網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字化設(shè)備，作為攝像機(jī)家族中的新成員，除了具有視頻信號輸出接口外，它還具有網(wǎng)絡(luò)輸出接口，攝像機(jī)可通過此接口直接接入本地局域網(wǎng)。其最主要功能就是模擬視頻信號的轉(zhuǎn)換：IP攝像機(jī)內(nèi)部存在的芯片（如DSP芯片）可將模擬視頻數(shù)字化處理，然后再把數(shù)字化的視頻信號轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）的數(shù)據(jù)流，傳輸?shù)骄W(wǎng)上，訪問者即可通過瀏覽器進(jìn)行實(shí)時(shí)地查看影像。從結(jié)構(gòu)上，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要由CCD/CMOS攝像頭、圖像獲取編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)處理模塊和控制監(jiān)控終端四個(gè)模塊構(gòu)成（見圖1）。內(nèi)部自帶數(shù)字處理芯片能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，高清視頻壓縮編碼采用H.264[2]或者M(jìn)PEG-4。

1. 2 流媒體服務(wù)器

流媒體服務(wù)器[3-4]有三個(gè)組件：播放器（Player）—播放流媒體的軟件；服務(wù)器（Server）—向用戶發(fā)送流媒體的軟件；編碼器（Encoder）—將原始的音頻、視頻轉(zhuǎn)化為流媒體格式的軟件。這些組件在流媒體系統(tǒng)的各個(gè)不同層面上互相通信。

在系統(tǒng)中，流媒體服務(wù)器是提供視頻流分發(fā)和協(xié)議網(wǎng)關(guān)的模塊。作為系統(tǒng)中的核心服務(wù)器，在實(shí)際應(yīng)用中提供流數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能：以流式協(xié)議（RTP/RTSP[5]、MMS、RTMP等）將視頻文件傳輸?shù)娇蛻舳?，供用戶在線觀看；也可從視頻采集、壓縮軟件接收實(shí)時(shí)視頻流，再以流式協(xié)議直播給客戶端。從前端節(jié)點(diǎn)設(shè)備獲取視頻流，然后分發(fā)給不同的用戶，這樣無論多少用戶同時(shí)訪問該節(jié)點(diǎn)視頻源，都只占用前端設(shè)備一路視頻流的帶寬，同時(shí)還提供不同協(xié)議的節(jié)點(diǎn)設(shè)備（云臺等）的控制協(xié)議解析轉(zhuǎn)換功能。流媒體服務(wù)器的核心作用如圖2所示。

1.3 存儲服務(wù)器

存儲服務(wù)器是系統(tǒng)中用于記錄視頻數(shù)據(jù)的設(shè)備，采用的存儲服務(wù)器（IP SAN）具有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，可以直接接入網(wǎng)絡(luò)從而存儲到硬盤中。

作為連接存儲外圍設(shè)備和服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)—SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)），它通常由服務(wù)器、 外部存儲設(shè)備、 服務(wù)器適配器、 集線器以及網(wǎng)絡(luò)存儲管理工具等組成。 根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同， 可把SAN分為FC SAN（采用光纖傳輸）、IP SAN（采用以太網(wǎng)傳輸）。

由于光纖網(wǎng)絡(luò)昂貴的價(jià)格加上人員培訓(xùn)技術(shù)較高等因素，本系統(tǒng)選擇采用架構(gòu)于IP網(wǎng)絡(luò)上的存儲網(wǎng)絡(luò)IP SAN，它采用iSCSI[6]（internet Small Computer Systems Interface）協(xié)議，利用IP協(xié)議封裝SCSI命令，從而實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸SCSI命令和數(shù)據(jù)（見圖3）。作為一種獨(dú)立的存儲系統(tǒng)，采用集中存儲技術(shù)，有效的提升了系統(tǒng)資源的使用效率，并且合理平衡工作量。IP SAN不僅綜合了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可管理性及可擴(kuò)展性，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬和存儲I/O的可靠性。另外，作為基于吉比特以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的區(qū)域存儲網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的數(shù)據(jù)分享，再加上低速SATA硬盤和普通控制器，使得整個(gè)存儲系統(tǒng)成本較低[7]。

2 系統(tǒng)的功能

視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)由劇場演出實(shí)時(shí)監(jiān)控和存儲系統(tǒng)組成。實(shí)時(shí)監(jiān)控用于舞臺調(diào)度技術(shù)人員指揮控制演出，而存儲系統(tǒng)用來后期視頻制作和其他后期輔助工作。

2.1 劇場演出監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控流程：IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過交換機(jī)接入到以太網(wǎng)，為了保證通信過程中視頻質(zhì)量，盡量采用有線連接，如果攝像機(jī)距離交換機(jī)太遠(yuǎn)，可以布置無線路由器使其接入舞臺局域網(wǎng)。這樣，可以使所有視頻信號接入到舞臺局域網(wǎng)。舞臺監(jiān)督調(diào)度的指揮人員就可以通過計(jì)算機(jī)訪問監(jiān)督系統(tǒng)，如果不方便使用計(jì)算機(jī)也可以使用智能手機(jī)登陸監(jiān)督系統(tǒng)查看演出現(xiàn)場視頻。

指揮人員登錄系統(tǒng)根據(jù)需要，通過流媒體服務(wù)器傳達(dá)命令。將不同指定攝像機(jī)視頻圖像信號分配到舞臺調(diào)度臺大屏幕上，這樣現(xiàn)場總負(fù)責(zé)人可以根據(jù)現(xiàn)場情況控制演出場面。而其他視頻點(diǎn)的視頻信號，需通過顯示設(shè)備配備的視頻解碼器，然后把視頻流解碼后輸送化妝間、候場區(qū)等位置。每個(gè)解碼器可以解碼多個(gè)視頻服務(wù)器的圖像，可以設(shè)置成單路或者四路模擬輪詢切換顯示。同時(shí)某些位置也需要布置監(jiān)視器，供看不到指揮的演員演出時(shí)查看使用。另外，整個(gè)系統(tǒng)可以連接到互聯(lián)網(wǎng)，舞臺指揮人員就可以在異地登陸舞臺監(jiān)督系統(tǒng)，隨時(shí)隨地的發(fā)起實(shí)時(shí)監(jiān)視請求，實(shí)現(xiàn)對舞臺現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)場監(jiān)控的拓展如圖4所示。

2.2 存儲系統(tǒng)

存儲系統(tǒng)包括視頻存儲流程和視頻查詢播放流程。

1） 視頻的存儲。管理員將自己的存儲計(jì)劃輸入到視頻數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)會定制相應(yīng)終端存儲計(jì)劃，視頻數(shù)據(jù)管理服務(wù)器然后再將計(jì)劃傳達(dá)給IP存儲設(shè)備和視頻管理服務(wù)器，視頻管理服務(wù)器再向每一個(gè)視頻終端壓縮編碼器發(fā)送iSCSI存儲指令，編碼器得知這一指令后直接將壓縮視頻流通過IP封裝的iSCSI數(shù)據(jù)存儲到IP存儲上而不經(jīng)過其他的任何設(shè)備，同時(shí)生成相應(yīng)新索引。

2） 視頻查詢播放流程。當(dāng)需要檢索視頻或查看歷史視頻片段時(shí)，PC客戶端用戶在操作界面上發(fā)出檢索請求，視頻管理服務(wù)器將這個(gè)操作指令發(fā)給數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在IP存儲設(shè)備上進(jìn)行檢索并找到相應(yīng)的視頻檢索內(nèi)容后，IP存儲就會直接將檢索到的視頻檢索數(shù)據(jù)發(fā)送給PC客戶端，然后解碼播放。存儲系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)技術(shù)性能分析

基于IP網(wǎng)絡(luò)的舞臺視頻監(jiān)督與調(diào)度系統(tǒng)充分整合了IP網(wǎng)絡(luò)、視頻、存儲、信令等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，采用開放的架構(gòu)，將信令控制與媒體流交換分離的先進(jìn)理念引入視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)管理服務(wù)器只處理信令流，視頻流通過流媒體服務(wù)器的處理交換以分布式的形式分發(fā)出去，避免了由于視頻流處理的性能壓力而造成的核心管理服務(wù)器瓶頸問題，從而使視頻監(jiān)控規(guī)模擴(kuò)展成為可能。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中對實(shí)時(shí)流和存儲流的需求差異，系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)流和存儲流分別輸出的雙流設(shè)計(jì)，其中實(shí)時(shí)流支持單播和組播，存儲流支持IP存儲網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的TCP單播流。IP存儲網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的支持，既滿足實(shí)時(shí)流低延時(shí)、大收斂比的訪問需求，又滿足了存儲流高可靠性、海量和分布式存儲的需求，避免了傳統(tǒng)方案流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)存儲流的瓶頸問題，優(yōu)化了系統(tǒng)的整體并發(fā)處理性能。另外，系統(tǒng)采用最新的專業(yè)圖像技術(shù)，可提供完全高清晰圖像分辨率，支持MPEG2、MPEG4、H.264編碼格式，編碼帶寬最高可達(dá)4M（H.264）。在舞臺演出過程中，完全可以為客戶端提供高清圖像質(zhì)量。同時(shí)專網(wǎng)方案下通過組播優(yōu)化等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得系統(tǒng)具備低于300 ms的實(shí)時(shí)性能，滿足舞臺監(jiān)督與調(diào)度要求。系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)存儲模式，網(wǎng)絡(luò)存儲模式下采用了IP封裝存儲流的模式作為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲設(shè)備，可以在分布式部署的同時(shí)實(shí)現(xiàn)集中管理、跨域共享、平滑擴(kuò)容、兼容互通等，同時(shí)支持遠(yuǎn)程IP網(wǎng)絡(luò)備份。系統(tǒng)采用的是H.264標(biāo)準(zhǔn)，其監(jiān)控控制信號符合國際標(biāo)準(zhǔn)，H.264具備較強(qiáng)的支持能力，已經(jīng)成為運(yùn)營商推薦的控制信令標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地和其它多媒體系統(tǒng)互通。圖像編碼也符合國際標(biāo)準(zhǔn)，包括H.264 Baseline profile和 H.264 Main profile，這些標(biāo)準(zhǔn)完全符合設(shè)備的兼容性[8-10]。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具有圖像獲取清晰，處理控制流暢的特點(diǎn)，流媒體服務(wù)器能保證視頻流數(shù)據(jù)大量存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，IP SAN具有網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性；它們有機(jī)地結(jié)合能滿足現(xiàn)代舞臺調(diào)度和集成的要求，顯著提高整個(gè)舞臺監(jiān)督調(diào)度的效率。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控必將獲得廣泛的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化舞臺視頻監(jiān)督系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、調(diào)用靈活等特點(diǎn)，在各類舞臺調(diào)度系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華 范君）