互聯(lián)網(wǎng)在遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用

韓 凱

（作者單位：國家新聞出版廣電總局二〇二二臺）

互聯(lián)網(wǎng)的傳媒特性為信息傳遞提供了高速、可靠的傳輸途徑，已進入社會生活的各個領域。近年來，隨著社會發(fā)展的需要及數(shù)字技術的飛速發(fā)展，在安防及影像監(jiān)管等領域，能夠進行遠程操控及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)已全面取代傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在交通、公安、民航、社會安全等公眾服務領域迅速普及應用。

傳感技術、計算機及圖像處理技術飛速發(fā)展，為影像信息的采集處理提供了強大的軟硬件支持，先進的壓縮編碼算法大幅度提高了數(shù)據(jù)的壓縮率。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步及網(wǎng)絡硬件條件不斷改善，信息高速公路已成為事實，為視頻信息的傳輸提供了足夠的數(shù)據(jù)帶寬支持。

本文介紹了一種基于數(shù)字技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]，采用專用中央處理器對攝像機采集的音視頻圖像進行壓縮編碼，由互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程主機進行顯示及存儲，操作人員通過操作遠程主機即可對云臺及鏡頭進行操作控制。

1 互聯(lián)網(wǎng)接入的實現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)（Internet）即廣域網(wǎng)，指局域網(wǎng)及單機按照一定的通信協(xié)議組成的國際計算機網(wǎng)絡。通過互聯(lián)網(wǎng)，人們可以在千里之外任何只要有互聯(lián)網(wǎng)接入的場合，通過TCP/IP訪問指定的目標信息。

在Wi-Fi及4G等普及之前，設備接入互聯(lián)網(wǎng)只能夠通過網(wǎng)線接入，網(wǎng)線的鋪設會受到地域限制，從而限制了網(wǎng)絡接入的靈活性。

GPRS雖然可以通過無線專用公網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，但由于傳輸速度的限制而不適于進行大數(shù)據(jù)量的傳輸。

1.1 有線接入

有線的方式一般只能通過樓宇及特設的信息點實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，并且往往還需要增設網(wǎng)線將設備接入信息點，不過由于通過有線網(wǎng)絡接入，數(shù)據(jù)帶寬及傳輸穩(wěn)定性都能夠得到保證，這種接入方式適宜于在樓宇中實施視頻監(jiān)控。圖1為兩路視頻監(jiān)控通過交換機接入互聯(lián)網(wǎng)的構成示意圖。

圖1 兩路視頻監(jiān)控通過交換機接入互聯(lián)網(wǎng)的構成示意圖

圖1中，遠程計算機從線路①通過互聯(lián)網(wǎng)訪問視頻設備，圖中省略了路由、域名解析等環(huán)節(jié)。若從線路②訪問視頻設備，則只在局域網(wǎng)內(nèi)部，屬于本地訪問。

1.2 無線接入

在廣場、路口、道路沿線等場合，若實施視頻監(jiān)控，由于不便接入有線網(wǎng)絡，而專門鋪設有線網(wǎng)絡，無疑帶來成本上的巨大開支。

隨著Wi-Fi及4G等高速無線通信方式的成熟，在有線接入不便的場合，將視頻監(jiān)控設備通過Wi-Fi及4G等無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為共識。

1.2.1 Wi-Fi接入

Wi-Fi俗稱無線寬帶，它是一種短程無線傳輸技術，能夠在百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入，架設無線網(wǎng)絡一般只需要無線網(wǎng)卡及一臺AP（Access Point，無線訪問接入點），以無線的模式，使用既有的有線網(wǎng)絡來分享網(wǎng)絡資源，架設費用和復雜程度遠低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡。基于Wi-Fi網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2所示的AP為網(wǎng)絡接入點，AP接入有線網(wǎng)絡形成網(wǎng)絡熱點，安裝時應考慮到AP便于接入有線網(wǎng)絡，以及無線信號能夠有效覆蓋到視頻監(jiān)控節(jié)點，多個監(jiān)控節(jié)點信號相互覆蓋的情況下可共用AP。

1.2.2 4G接入

除了上述接入方式，還有一種高速的無線接入方式，即可以通過4G網(wǎng)絡接入[2]。圖3為視頻監(jiān)控設備經(jīng)4G網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)的示意圖。

圖2 基于WiFi網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

圖3 視頻監(jiān)控設備經(jīng)4G網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)的示意圖

這種構成方式是將監(jiān)控設備通過4G上網(wǎng)卡接入移動基站，再經(jīng)由移動基站接入互聯(lián)網(wǎng)。移動基站接入互聯(lián)網(wǎng)的過程由移動通信系統(tǒng)完成，使用移動通信系統(tǒng)既有的通信設施，不需要額外的設備投入費用，用戶只需向移動運營商支付數(shù)據(jù)服務費用即可。

目前，4G網(wǎng)絡信號已經(jīng)覆蓋了絕大數(shù)城鄉(xiāng)區(qū)域，網(wǎng)絡接入及維護方便、穩(wěn)定，初期成本投入少，不過需要定期向移動運營商支付相關數(shù)據(jù)流量服務費用。

2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構成

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]可看作由網(wǎng)絡、攝像系統(tǒng)、前端視頻處理系統(tǒng)及遠程計算機四大部分構成。其中，網(wǎng)絡部分直接使用現(xiàn)有成熟的互聯(lián)網(wǎng)絡，通過TCP/IP協(xié)議接入網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)傳輸，前文已對網(wǎng)絡接入的幾種方式進行了闡述。

2.1 攝像系統(tǒng)

攝像系統(tǒng)由鏡頭及其調(diào)節(jié)裝置、云臺、數(shù)據(jù)接口、電源接口、支架等構成。

攝像頭是攝像系統(tǒng)的核心，分為模擬和數(shù)字兩大類，模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經(jīng)過特定的轉(zhuǎn)換才能由數(shù)字系統(tǒng)使用，數(shù)字攝像頭可以將捕捉到的影像直接以數(shù)字形式輸出，可直接接入微處理器，已獲得廣泛應用。另外，攝像頭所采用的傳感器有CCD和CMOS兩種，前者成像質(zhì)量好，但價格高；后者性價比較高，能夠勝任多數(shù)的應用場合。

云臺用來控制攝像頭進行上、下、左、右以及旋轉(zhuǎn)等運動，實現(xiàn)全場景的視頻采集；鏡頭調(diào)節(jié)裝置根據(jù)操作指令對鏡頭進行變焦、變倍等調(diào)節(jié)。

2.2 前端視頻處理系統(tǒng)

前端視頻處理系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，為數(shù)據(jù)接收、壓縮、傳輸、控制、本地存儲提供硬件保障。視頻處理系統(tǒng)的核心CPU往往采用新型的高性能ARM或DSP等處理器，ARM技術成熟、成本適中、運算能力強大、處理速度快、接口豐富，非常適合于視頻處理系統(tǒng)。

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程指將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)流進行預處理后進行再進行壓縮、編碼以及存儲。整個過程在CPU的指令調(diào)度下，結合相關硬件外設完成。由于視頻數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且數(shù)據(jù)量很大，如何保證高速實時是視頻系統(tǒng)軟件設計的關鍵所在。

2.2.2 本地存儲

考慮到網(wǎng)絡中斷的情況，為不丟失視頻場景信息，有必要對數(shù)據(jù)進行前端備份。前端備份的數(shù)據(jù)可在網(wǎng)絡連接恢復后，通過遠程計算機通過網(wǎng)絡調(diào)取，也可定期由專人取回并更換存儲介質(zhì)。

本地存儲時，通過攝像頭采集的原始視頻數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量很大，不適合直接存儲，往往對其采用H.264、MPEG等壓縮編碼算法將其壓縮后再寫入硬盤等大容量存儲介質(zhì)，系統(tǒng)對存儲器是否寫滿進行管理，或以覆蓋方式循環(huán)存儲，或定期轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)保證足夠的存儲空間。

2.2.3 網(wǎng)絡接口

網(wǎng)絡接口是進行遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫涌冢瑧弥型鶕?jù)網(wǎng)絡接入及設備安裝的實際情況決定設備是通過有線還是無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。因此，靈活方便的網(wǎng)絡接口是傳輸接口必不可少的。

為滿足任意接入方式的需求，在網(wǎng)絡接口電路設計時，即預先留出支持有線網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)的RJ-45標準接口及能夠很方便地接入Wi-Fi網(wǎng)卡或3G網(wǎng)卡的USB接口，用戶可以選擇適配不同的互聯(lián)網(wǎng)接入方式。

2.3 遠程計算機

遠程計算機是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的用戶終端，它通過互聯(lián)網(wǎng)訪問接入網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控設備，也可通過網(wǎng)絡向攝像頭發(fā)出參數(shù)設置、方位及變焦等控制指令。

監(jiān)控系統(tǒng)與遠程計算機之間進行連接的一種較常用的方式是用戶通過IE，以域名的方式訪問進入遠程視頻處理主機系統(tǒng)，進行遠程控制，并調(diào)取其視頻數(shù)據(jù)，這種方式機動、靈活，用戶隨時、隨地通過一臺接入網(wǎng)絡的PC機就可以接入系統(tǒng)。另一種方式是多個視頻監(jiān)控終端接入指定的遠程平臺，遠程平臺以多畫面的方式實時監(jiān)控，同步進行數(shù)據(jù)存儲，這種方式適宜于數(shù)據(jù)中心長期監(jiān)視的使用場合。

3 遠程視頻監(jiān)控的實現(xiàn)流程

遠程視頻監(jiān)控主要包括視頻服務器和遠程管理平臺兩部分。

3.1 視頻服務器

視頻服務器的核心由一片或多片內(nèi)嵌的專用微處理器及其外圍構成，在微處理器的調(diào)度管理下，主要完成視頻數(shù)據(jù)的接收、圖像預處理、壓縮編碼、傳輸、控制、報警、本地存儲等任務，圖4給出了視頻服務器的工作流程。

圖4 視頻服務器工作流程圖

圖4中，互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，實現(xiàn)視頻服務器與遠程管理平臺之間的交互。其中①表示報警信息上報，②表示遠程預覽，③表示遠程回放，④表示遠程控制。

3.2 遠程管理平臺

遠程管理平臺是運行于遠程計算機的平臺程序，它通過視頻監(jiān)控管理平臺或視頻監(jiān)控矩陣進行遠程管理。管理平臺一方面承擔與遠程視頻監(jiān)視系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，一方面提供良好的人機界面，完成人機交互。圖5給出了遠程管理平臺的工作流程。

圖5 遠程管理平臺工作流程圖

4 現(xiàn)狀及前景展望

視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬、半數(shù)字、全數(shù)字的發(fā)展歷程，隨著攝像頭分辨率及網(wǎng)絡帶寬的提高、硬盤容量的加大和存儲成本的降低，以及視頻處理技術的不斷優(yōu)化，視頻監(jiān)控正在向全高清、全數(shù)字化的方向發(fā)展。

隨著計算機智能的不斷進步，視頻監(jiān)控也正在朝向“智能化”的方向發(fā)展，用來彌補現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)“只看不識”“人工控制”的不足。

智能視頻監(jiān)控[4]是利用計算機視覺技術對視頻信號進行處理、分析和理解，在不需要人為干預的情況下，通過對序列圖像自動分析對監(jiān)控場景中的變化進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎上分析和判斷目標的行為。

目前的智能視頻監(jiān)控通過在嵌入式視頻服務器中加入智能行為識別算法，對畫面場景中的人、車輛或物體的行為進行識別、判斷，并在適當?shù)臈l件下報警提示用戶，如物體識別、越界識別、軌跡跟蹤、遺留或丟失物體識別、車牌識別、車速測量、流量統(tǒng)計等。

實際應用中，由于被識別的人或物體的行為特征太過多樣，導致智能識別的成功率長期徘徊在80%上下。因此，如何改進識別算法，進一步提高智能識別的成功率，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)亟待解決的問題。