基于視頻畫面的設(shè)備面板監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳曉

摘 要：在多系統(tǒng)設(shè)備面板集成監(jiān)控信號的應(yīng)用場景中，針對某些無法直接從系統(tǒng)中引接監(jiān)控信號的設(shè)備，本文設(shè)計了一種基于視頻畫面的監(jiān)控系統(tǒng)。首先分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)控流程，然后探討設(shè)計難點(diǎn)及解決方案，以供參考。

關(guān)鍵詞：視頻畫面;非介入;面板監(jiān)控系統(tǒng);Java

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0013-03

Abstract： In the application scenario of multi-system equipment panel monitoring signals， this paper designed a monitoring system based on video picture for some devices that can not directly connect monitoring signal from the system. Firstly， the system structure and monitoring process were analyzed， and then the design difficulties and solutions were discussed for reference.

Keywords： video screen;non-intervention;panel monitoring system;Java

許多傳輸設(shè)備、自動化設(shè)備和電子信息系統(tǒng)，其設(shè)備面板上都有閃爍的指示燈用來快速反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及告警。雖然很多設(shè)備廠家都有定制的監(jiān)控信號，從設(shè)備直接引接到監(jiān)控席位進(jìn)行主動告警，但在大規(guī)模設(shè)備機(jī)房中，系統(tǒng)的數(shù)量通常都在兩位數(shù)以上，不同系統(tǒng)的告警情況、信號引接方式各不相同。很多系統(tǒng)，特別是有保密要求的系統(tǒng)，出于閉環(huán)的安全性考慮，不允許這些監(jiān)控信號向系統(tǒng)外部引接。在這種情況下，基于視頻畫面的設(shè)備面板監(jiān)控系統(tǒng)成為最佳選擇。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)控流程

本文設(shè)計了一個基于視頻畫面的設(shè)備面板監(jiān)控系統(tǒng)，代替現(xiàn)場巡檢人員對面板上的指示燈進(jìn)行24h不間斷監(jiān)控，并主動發(fā)出報警，提示巡檢人員進(jìn)行人工干預(yù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

本系統(tǒng)使用IP攝像頭采集設(shè)備面板的圖像，在監(jiān)控服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出告警，通過將監(jiān)控服務(wù)器接入公共網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中，任何地方的用戶都能實(shí)時地進(jìn)行監(jiān)控并收到告警。實(shí)際上，本系統(tǒng)僅包括攝像頭和監(jiān)控服務(wù)器，其他都是依賴已存在的設(shè)備，因此投入較小。同時，對監(jiān)控服務(wù)器的硬件要求也不高。核心部分集中在服務(wù)器上運(yùn)行的軟件上。

本系統(tǒng)使用B/S結(jié)構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，用戶通過瀏覽器完成對服務(wù)器的訪問和操作。在B/S結(jié)構(gòu)下，本系統(tǒng)采用J2EE架構(gòu)。J2EE是一種基于Java平臺的企業(yè)級體系架構(gòu)，在B/S結(jié)構(gòu)的信息系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。使用Tomcat作為系統(tǒng)Servlet容器。Servlet是一種服務(wù)器端的Java應(yīng)用程序，具有獨(dú)立于平臺和協(xié)議的特性，可以生成動態(tài)的Web頁面[1]。本設(shè)計完全基于Java開源平臺，具有優(yōu)秀的可移植性和擴(kuò)展性;可部署在多種服務(wù)器平臺上運(yùn)行。

本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是在軟件上提供相當(dāng)多的接口，使用戶可以在設(shè)置頁面進(jìn)行詳細(xì)定制。這就要求軟件在多數(shù)地方采用動態(tài)的方式處理數(shù)據(jù)，并處理可能會出現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出。這些接口將在后面設(shè)計難點(diǎn)和解決方案中詳細(xì)說明。

在監(jiān)控流程方面，本系統(tǒng)需要先手工拍攝一張基準(zhǔn)圖像，然后在基準(zhǔn)圖像上劃定監(jiān)控區(qū)域，開始監(jiān)控后，攝像頭周期性地采集實(shí)時圖像，進(jìn)行特征提取后，與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，只要在監(jiān)控區(qū)域中的特征有所改變，就發(fā)出告警。流程如圖2所示。

2 設(shè)計難點(diǎn)及解決方案

2.1 非介入

多數(shù)系統(tǒng)，特別是有保密要求的系統(tǒng)，出于閉環(huán)的安全性考慮，不允許監(jiān)控信號向系統(tǒng)外部引接。在這種情況下，非介入式系統(tǒng)成為唯一選擇。而在非介入式情況下，對面板指示燈的圖像采集成為最好的選擇。

非介入式的另一個好處是，一旦系統(tǒng)完成后，只需稍加修改，就能在其他設(shè)備上使用。設(shè)備僅需要滿足面板上有基本指示燈需要監(jiān)控的前提條件，就可以適用本系統(tǒng)，也不會和設(shè)備已有的其他監(jiān)控系統(tǒng)有所沖突。

2.2 基準(zhǔn)圖像

本系統(tǒng)監(jiān)控前需要一張基準(zhǔn)圖像。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備位置的變化、機(jī)房環(huán)境的變化、業(yè)務(wù)變化等，都會導(dǎo)致基準(zhǔn)圖像發(fā)生改變。因此，需要有可以隨時手工拍攝基準(zhǔn)圖像的功能。

本系統(tǒng)在啟動后并不立即監(jiān)控，而僅啟動攝像頭工作，通過一個“拍照”的按鈕，由人手工拍攝一張當(dāng)前實(shí)時圖像作為基準(zhǔn)圖像，并保存成圖片文件。在點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”后，系統(tǒng)將讀取該圖片文件進(jìn)行監(jiān)控。需要改變基準(zhǔn)圖像時，先停止監(jiān)控，再點(diǎn)擊“拍照”即可，系統(tǒng)會自動覆蓋之前的基準(zhǔn)圖片文件。

2.3 定制監(jiān)控區(qū)域的位置

設(shè)備面板上指示燈僅占面板的一部分，也不是所有的指示燈都需要監(jiān)控。正在使用的端口數(shù)目和位置會隨業(yè)務(wù)更改而變化，因此，監(jiān)控的區(qū)域必須可以編輯更改。

本系統(tǒng)可以在基準(zhǔn)圖像上設(shè)定若干個矩形區(qū)域作為監(jiān)控區(qū)域，在算法中僅對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行運(yùn)算，直接丟棄不需要的部分。系統(tǒng)提供設(shè)置頁面，在此頁面中，輸入所需矩形區(qū)域的起始二維坐標(biāo)和高、寬。多個矩形區(qū)域的位置可以相互重疊。設(shè)置完成后，基準(zhǔn)圖像上將用紅色矩形標(biāo)出需要監(jiān)控的區(qū)域。通過不斷調(diào)整矩形區(qū)域的位置設(shè)定精確的監(jiān)控區(qū)域。這種方法可以使監(jiān)控區(qū)域縮小到一個指示燈大小，僅監(jiān)控所需要的指示燈，排除不感興趣的區(qū)域及其干擾，大大降低了算法的復(fù)雜度，節(jié)省了服務(wù)器資源。

2.4 矩形監(jiān)控區(qū)域的數(shù)量

設(shè)備端口的數(shù)目會隨業(yè)務(wù)發(fā)生改變，因此，監(jiān)控系統(tǒng)必須適應(yīng)不確定數(shù)量的監(jiān)控區(qū)域。

本系統(tǒng)采用動態(tài)生成矩形區(qū)域的方法，在設(shè)置頁面中有監(jiān)控區(qū)域位置列表。輸入矩形區(qū)域坐標(biāo)時，每輸入一組坐標(biāo)，就會將其加入列表中。該列表可以動態(tài)刪除單組坐標(biāo)。每次設(shè)置完矩形監(jiān)控區(qū)域后，重新讀取設(shè)置好的監(jiān)控區(qū)域位置列表，重新計算需要運(yùn)算的矩形個數(shù)，動態(tài)改變運(yùn)算邊界。

2.5 特征提取算法

獲取到監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的圖像后，下一步就是提取圖像特征。針對本系統(tǒng)的應(yīng)用，筆者所關(guān)注的是指示燈亮與不亮、亮的是什么顏色。因此，提取圖像像素點(diǎn)的RGB特征，并基于RGB直方圖的特征提取算法是理想的選擇。

所有的顏色都是由三原色，即紅、綠、藍(lán)合成，不同的顏色包含不同比例的三原色，這就是RGB特征。將每一個像素點(diǎn)的RGB特征提取出來，進(jìn)行統(tǒng)計，就能得到圖像的RGB直方特征，即統(tǒng)計直方圖。該直方圖能反映圖像的主色調(diào)，即統(tǒng)計最多的幾種顏色[2]。通過之前的監(jiān)控區(qū)域定制，主色調(diào)被縮小為僅剩一種，也就是我們所感興趣的指示燈顏色。

本系統(tǒng)是基于監(jiān)控圖像的系統(tǒng)。對此類系統(tǒng)而言，背景光照變化對其影響很大，甚至是致命的。但在機(jī)房中，環(huán)境相對單純，不會出現(xiàn)類似戶外監(jiān)控那種光照劇烈變化的情況。照明電故障，因發(fā)生概率較小，歸于需要人工處理的例外情況，在本系統(tǒng)中，按設(shè)備故障處理。

2.6 對閃爍指示燈的處理

以上算法都是針對長亮的指示燈，而設(shè)備面板上有一些閃爍的燈也需要監(jiān)控。本系統(tǒng)處理閃爍的指示燈采用控制實(shí)時圖像采集頻率的方法。計算機(jī)的運(yùn)算速度比人快很多，采集圖像的頻率快到一定程度會形成視頻流，而幾秒甚至幾十秒獲取一次圖像對人來說都是可以接受的，一方面對視頻流進(jìn)行運(yùn)算消耗的資源非常巨大;另一方面，設(shè)定采集圖像的時間間隔，可以解決閃爍問題。例如，指示燈每秒鐘亮半秒，熄滅半秒，周期性閃爍，故障則改變閃爍頻率，可以把采集頻率設(shè)定在每半秒采集一次圖像，就會得到一亮一滅周期性的監(jiān)控圖像，只要實(shí)時監(jiān)控結(jié)果打破這種周期規(guī)律，就可以視為設(shè)備發(fā)生故障。因此，通過控制采集圖像的頻率和相應(yīng)的閃爍規(guī)律算法，就可以對閃爍的指示燈進(jìn)行監(jiān)控。

3 監(jiān)控效果

本系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。左側(cè)為基準(zhǔn)圖像，右側(cè)為實(shí)時圖像，處于正在監(jiān)控的狀態(tài)。從圖3可以看出，當(dāng)前僅對上方板卡的第7個端口進(jìn)行監(jiān)控，8—16端口未使用，成閃爍狀態(tài)，并未影響監(jiān)控結(jié)果。第7個端口從黃色變成紅色，底部的狀態(tài)欄發(fā)出了文字告警，指明是哪個監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)告警，并伴有聲音告警。

4 結(jié)語

本文介紹了基于視頻畫面的設(shè)備面板監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細(xì)論述了設(shè)計中的幾個難點(diǎn)及解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫衛(wèi)琴.Tomcat與Java Web開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]Wu H，Chen X，Gao Y，et al. An Effective Algorithm of Tracking Multiple Objects in Occlusion Scenes[C]//International Conference on Industrial Mechatronics & Automation. IEEE，2010.