基于Darwin流媒體的水利智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈鐳，黃林，陶青川

（1.重慶市水利信息中心，重慶 401147；2.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

水資源和水安全問題嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此國家水利部門急切需要建立一套有效的水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。目前，水利監(jiān)控系統(tǒng)主要為單點(diǎn)監(jiān)測，無法集成并統(tǒng)一監(jiān)測，不能對水利監(jiān)測部門應(yīng)對旱澇災(zāi)害和水污染的治理起到很好的輔助作用；同時(shí)監(jiān)測站點(diǎn)的監(jiān)測信息不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)復(fù)雜，不利于數(shù)據(jù)的管理和展示；同時(shí)，現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)無法與第三方系統(tǒng)進(jìn)行信息共享和數(shù)據(jù)對接。

現(xiàn)如今，視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2]不斷演進(jìn)和流媒體技術(shù)[3]逐漸成熟，使得結(jié)合流媒體的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的運(yùn)用，其代表技術(shù)如：Live555[4]和Dar?win Streaming Server[5]。同時(shí)，很多監(jiān)控站點(diǎn)建設(shè)有攝像頭和逐漸完善的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為系統(tǒng)開發(fā)提供了硬件條件。其次，目前許多學(xué)者做了大量水利圖像分析算法相關(guān)的研究工作[1,6-7]。

基于此，本文以Darwin流媒體為核心，集成水利智能算法，融合智能分析結(jié)果以及水文、水質(zhì)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一套功能完善、交互簡潔的水利智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在保證足夠開放性，提供開放性接口，便于與第三方水利信息系統(tǒng)的通信，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)符合國家以及所在地的水利信息化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下，完成頻、圖像、分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚、管理、轉(zhuǎn)發(fā)以及融合展現(xiàn)，提供綜合數(shù)據(jù)服務(wù)。

軟件實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本系統(tǒng)基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)劃分為三層：采集層、中心轉(zhuǎn)發(fā)層以及客戶端。各層功能如下：

（1）采集層：適配不同攝像機(jī)的接入標(biāo)準(zhǔn)；疊加水利監(jiān)測數(shù)據(jù)、重編碼視頻數(shù)據(jù)、RTSP協(xié)議傳輸視頻并通過ONVIF標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸和控制；前端設(shè)備、軟件工作狀態(tài)以及異常分析結(jié)果的采集和上報(bào)。

（2）中心轉(zhuǎn)發(fā)層：匯聚采集層視頻和上報(bào)結(jié)果；支持手動以及定時(shí)錄像并將視頻集中存儲于指定位置；提供上報(bào)結(jié)果查詢訪問以及視頻訪問功能；視頻資源管理，提供對視頻站點(diǎn)的添加、修改、刪除等功能；支持rtsp和hls等流媒體格式的媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（3）客戶端：支持PC和Web觀看視頻以及訪問分析結(jié)果功能。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

創(chuàng)業(yè)教育是學(xué)生創(chuàng)業(yè)的核心。Saadat et al.(2015)的研究提出并測試了一個(gè)綜合的、多視角的框架，將創(chuàng)業(yè)自我效能和個(gè)人動機(jī)認(rèn)定為創(chuàng)業(yè)意愿的基本要素，以當(dāng)?shù)?05名大學(xué)生為樣本，采用結(jié)構(gòu)方程模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究顯示自我效能感對創(chuàng)業(yè)意愿有顯著影響，結(jié)果表明從整體的角度來看，學(xué)生本人的意識在大學(xué)生創(chuàng)業(yè)中具有重要影響。Fayolle et al.(2015) 指出企業(yè)家精神可以教授和學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)了在開始某些實(shí)際行為之前，企業(yè)家教育所起的重要作用；在大學(xué)層面，創(chuàng)業(yè)教育希望能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識。

圖2 總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要是為監(jiān)測部門對防洪抗旱以及水資源污染治理，提供輔助決策。因此，系統(tǒng)交互性以及架構(gòu)合理性是系統(tǒng)的價(jià)值的核心。下面分別介紹系統(tǒng)的三層架構(gòu)。

2.1 采集層

采集層主要完成視頻采集、智能分析、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的獲取等工作，包含前端信息接入代理軟件、前端系統(tǒng)工況監(jiān)測、圖像壓縮服務(wù)以及智能分析模塊。采集層設(shè)開發(fā)的軟件部署如圖3所示。

視頻接入代理主要支持主流攝像機(jī)?？怠⒋笕A、亞安等主流攝像機(jī)的接入，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)RTSP進(jìn)行發(fā)布。其不同攝像機(jī)接入主要是基于廠家提供的SDK進(jìn)行接入，采用開源流媒體解決方案Live555對其進(jìn)行視頻發(fā)布。ONVIF代理接入主要職能是對發(fā)布的rtsp進(jìn)行代理以便于對其進(jìn)行跨域播放和云臺控制功能。智能分析模塊則是為降低算法與系統(tǒng)的耦合，以便于不同算法的接入與分析，同時(shí)將分析數(shù)據(jù)和第三方信息進(jìn)行視頻融合，便于監(jiān)測部門直觀的獲取相關(guān)監(jiān)測信息。前端工況監(jiān)測主要完成：前端運(yùn)行軟件的監(jiān)測，報(bào)警和心跳數(shù)據(jù)上報(bào)到中心轉(zhuǎn)發(fā)層，軟件更新以及接受水質(zhì)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并分發(fā)給智能分析進(jìn)行視頻融合。

圖3 采集層軟件部署圖

2.2 中心轉(zhuǎn)發(fā)層

流媒體服務(wù)、資源管理平臺、視頻壓縮服務(wù)、視頻集中存儲服務(wù)、實(shí)時(shí)信息管理服務(wù)、Web服務(wù)。資源管理平臺主要負(fù)責(zé)對資源的管理，例如設(shè)備的增刪改查，用戶鑒權(quán)等；視頻壓縮服務(wù)提供對視頻的轉(zhuǎn)碼，包含：分辨率、幀率以及碼流改變等功能；視頻集中存儲主要提供對視頻站點(diǎn)的定時(shí)錄像功能；實(shí)時(shí)信息管理服務(wù)主要提供匯聚前端上報(bào)異常情況、心跳收集以及將信息寫入數(shù)據(jù)庫等功能，流媒體服務(wù)主要完成視頻資源的匯聚，以及不同流媒體格式（rtsp和hls）的轉(zhuǎn)發(fā)功能；Web服務(wù)主要是提供對視頻、信息訪問功能。

如今，使用較多的流媒體技術(shù)主要為三種：Real NetWork公司的Real Media，微軟提供的Windows Me?dia，蘋果公司提供的Quick Time。

其三種流媒體系統(tǒng)對比表如表1所示。

表1 三種流媒體系統(tǒng)對比表

由上表知，QuickTime性能和跨平臺型遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種。Darwin流服務(wù)器完全基于QuickTime流服務(wù)器代碼開發(fā)的開源版本[8]，因此,系統(tǒng)采用Darwin流媒體服務(wù)器為核心搭建該系統(tǒng)。其Darwin流媒體服務(wù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 達(dá)爾文流媒體服務(wù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖5 HLS模塊切割流程圖

Web Service開發(fā)采用gSOAP工具實(shí)現(xiàn)其服務(wù)端。gSoap是開放的C/C++源碼的SOAP/XML服務(wù)工具，提供了關(guān)于C/C++語言的SOAP實(shí)現(xiàn)[9]。通過gSOAP編譯來序列化或者反序列化C/C++的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得編寫Web服務(wù)大大簡化。其交互過程如圖6所示。

其Web Service為本系統(tǒng)客戶端以及其他水利信息化系統(tǒng)獲取設(shè)備信息和監(jiān)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的信息交換和數(shù)據(jù)對接。

2.3 客戶端

客戶端主要分為PC端和前端。主要是完成視頻和數(shù)據(jù)的展示功能。其客戶端流程如圖7所示。

圖6 Web Service交互圖

圖7 客戶端流程圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)主要采集站點(diǎn)為重慶市監(jiān)控站點(diǎn)圖，數(shù)據(jù)采集層處理器為Intel Atom D525，內(nèi)存為4GB，操作系統(tǒng)為32位XP；中心轉(zhuǎn)發(fā)層處理器為Intel Xeon CPU E5-1603 0@2.80Hz，內(nèi)存為4.00GB，操作系統(tǒng)為64位Windows 10，開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2015；Web端測試環(huán)境為IE12。

首先是采集層的視頻接入與輸出，圖8（a）前端攝像機(jī)是?？低晹z像機(jī)，圖8b）代理本地MP4格式的視頻文件并將其以RTSP格式轉(zhuǎn)發(fā)，圖8（c）代理圖8（a）中的RTSP流并將其以RTSP格式轉(zhuǎn)發(fā)，圖8（d）為將RTSP流用ONVIF方式進(jìn)行代理，其中RTSP流測試工具采用VLC播放器，而ONVIF則采用標(biāo)準(zhǔn)的ONVIF客戶端ONVIF Device Manager。其支持格式如圖9所示。

圖8 采集層不同典型類型輸入源接入圖

圖9 支持設(shè)備類型

由圖8和圖9知，前端攝像機(jī)基本覆蓋市面上主流攝像頭的輸入，并按照標(biāo)準(zhǔn)RTSP和ONIF進(jìn)行輸出。

監(jiān)測算法將分析結(jié)果以及水文水質(zhì)等業(yè)務(wù)信息與視頻集中展示，便于監(jiān)控部門對監(jiān)控站點(diǎn)直觀掌握其變化，同時(shí)便于數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)集成的典型智能監(jiān)測算法結(jié)果如圖10所示。

客戶端需要符合用戶的操作習(xí)慣和交互功能，同時(shí)清晰、快捷獲取站點(diǎn)信息，以提前決策，提高辦公效率。其PC端和Web端分別如圖11和圖12所示。

圖11 PC桌面端主要功能圖

圖12 Web主要界面

4 結(jié)語

該系統(tǒng)交互簡單，功能完善和強(qiáng)大，接口開放，耦合性低，便于快速擴(kuò)容，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)符合國家以及所在地的水利信息化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，本系統(tǒng)只支持越線、入侵、物品損壞和拿放、水位測量以及漂浮檢測，有待于豐富，以滿足多種多樣的監(jiān)控場景和應(yīng)用需求。