數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)

趙郭斌

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)從問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)經(jīng)歷了極大的變化。通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以全面滿足人們的安全需求，進(jìn)一步減少監(jiān)控工作進(jìn)行中所投入的人力成本。為更好地迎接時(shí)代發(fā)展的浪潮，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中不斷朝著智能化的方向靠攏，并且隨著科技的進(jìn)步已經(jīng)具備了自動(dòng)識(shí)別功能以及實(shí)時(shí)追蹤功能。為了改善傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際使用中的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提升視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能穩(wěn)定性以及使用價(jià)值的目標(biāo)，有必要就數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討。

1 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

過(guò)去所采用的模擬監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中遵循以下的原理：銅纜介質(zhì)上傳送基帶視頻信號(hào)，在應(yīng)用的過(guò)程中傳輸距離較短，且很容易被干擾。為了解決這些不便，人們對(duì)優(yōu)化傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重視程度不斷提升，加大人力以及物力的投入，開展系統(tǒng)化建設(shè)研究。數(shù)字視頻系統(tǒng)整體原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，在應(yīng)用中主要有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)。

圖1 數(shù)字視頻系統(tǒng)整體原理結(jié)構(gòu)

一是便利性。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在明顯差異，其特點(diǎn)較多，可以根據(jù)人們的實(shí)際監(jiān)控需求將畫面進(jìn)行有效的分割，并且把多個(gè)畫面進(jìn)行組合，還具有遠(yuǎn)程訪問(wèn)等優(yōu)異的功能。將這些功能通過(guò)一定的技術(shù)手段集成到數(shù)字視頻服務(wù)器中，將視頻攝像機(jī)連接到數(shù)字視頻服務(wù)器后便可以展開視頻監(jiān)控工作。整個(gè)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，易于操作，可以全面提高視頻監(jiān)控的便利性以及高效性[1]。

二是廣泛性。遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)有的。該功能全面打破了過(guò)往模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)在距離傳輸方面的局限性，用戶在使用中只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)字視頻服務(wù)器接口處就可以在計(jì)算機(jī)上看到詳細(xì)的視頻監(jiān)控圖像。這一特性使得數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)取得了極其廣泛的應(yīng)用[2]。

三是可靠性。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)本身基于技術(shù)原理在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生故障的概率非常低。此外，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在使用時(shí)完全處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需人工干預(yù)。一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)對(duì)故障產(chǎn)生的位置以及具體原因進(jìn)行查明，并且進(jìn)行自行恢復(fù)。因此，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性非常高[3]。

2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻的采集

結(jié)合數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際使用特點(diǎn)引入智能化技術(shù)，利用視頻數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行合理的取樣活動(dòng)，通過(guò)量化處理以后能將文檔轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖形文檔。為保證模擬視頻處理效率，視頻采集卡在制備時(shí)需要使其具備壓縮硬件這一優(yōu)異功能。同時(shí)，通過(guò)運(yùn)用專用處理芯片對(duì)視頻具體內(nèi)容進(jìn)行合理壓縮，客戶收看視頻的時(shí)候需要對(duì)視頻開展解壓操作。數(shù)據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)z像頭能直接獲得視頻圖像，而且將它轉(zhuǎn)化成另一種方式，即模數(shù)形式。數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過(guò)處理芯片的“加工”后可以在計(jì)算機(jī)對(duì)視頻圖像開展更高效的傳輸活動(dòng)[4]。

2.2 視頻處理

為滿足人們的實(shí)際應(yīng)用需求，視頻工藝處理需要具備視頻數(shù)據(jù)分析方法、視頻圖像預(yù)處理等一系列優(yōu)異的功效。壓縮編碼理論是視頻調(diào)度工作中經(jīng)常使用的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)該方法能將收集過(guò)的圖像開展壓縮編碼，隨后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问竭M(jìn)行展示。同時(shí)，該方法具有存儲(chǔ)作用，圖像預(yù)備處理應(yīng)對(duì)感應(yīng)器開展校準(zhǔn)，并對(duì)圖像開展修復(fù)，為消費(fèi)者提供其所需的信息內(nèi)容。視頻采集端輸入的初始視頻總數(shù)十分巨大，很難通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。因此，數(shù)字視頻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)視頻進(jìn)行壓縮編碼，從而使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣燃百|(zhì)量得到全面提高。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)有了多種視頻壓縮算法，網(wǎng)絡(luò)分層技術(shù)的應(yīng)用可以使網(wǎng)絡(luò)適用性能得到全面提高，使視頻解決范疇得到很好的擴(kuò)寬。此外，這類視頻壓縮算法能使視頻圖像的質(zhì)感及其視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定獲得平穩(wěn)提升，是發(fā)展視頻壓縮算法的重要發(fā)展前景[5]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)的傳輸

傳統(tǒng)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）傳輸機(jī)制與互聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生延遲。此外，這些機(jī)制在使用時(shí)需要消耗較多的網(wǎng)絡(luò)寬帶，無(wú)法對(duì)視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。為了能全面解決以上問(wèn)題，需要及時(shí)引入超文本傳輸協(xié)議/傳輸控制協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol/Transmission Control Protocol，HTTP/TCP)傳輸機(jī)制。同時(shí)，為保證傳輸速度，將實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（Realtime Transport Protocol/User Datagram Protocol，RTP/UDP）傳輸機(jī)制作為實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，通過(guò)這樣的設(shè)置手法可以使視頻傳輸具備一定的實(shí)時(shí)性，為單總體目標(biāo)廣播在線傳輸數(shù)據(jù)信息工作提供支持，科學(xué)合理地運(yùn)用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（Real-time Transport Control Protocol，RTCP）對(duì)視頻開展傳輸操縱。在實(shí)際應(yīng)用中，RTCP協(xié)議專門用來(lái)傳輸信息，RUP則是傳輸工作狀態(tài)。這兩種傳輸機(jī)制在應(yīng)用中各有其優(yōu)勢(shì)，技術(shù)人員只有根據(jù)傳輸工作的具體需求將這2種協(xié)議有機(jī)結(jié)合在一起，才能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)把握，以最小的成本實(shí)現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)傳輸效率[6]。

3 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化建設(shè)

3.1 智能化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種常見的城市感知觀察專用工具，在許多關(guān)鍵場(chǎng)所都充分發(fā)揮出很重要的作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)體現(xiàn)不同地區(qū)工作人員活動(dòng)或者機(jī)器運(yùn)行的具體情況，為安全保衛(wèi)消防安全等一系列工作中的管理決策帶來(lái)了詳實(shí)的根據(jù)，對(duì)維護(hù)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全有著十分重要的意義。智能化數(shù)據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是由拍攝、傳輸、控制、紀(jì)錄4個(gè)部分構(gòu)成。拍攝部分主要是由監(jiān)控?cái)z像頭、攝像鏡頭、保護(hù)罩、支撐架以及電動(dòng)式云臺(tái)等組成，能夠?qū)ΡO(jiān)控地區(qū)進(jìn)行合理的拍攝，并將捕捉的圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行合理的傳輸活動(dòng)。傳輸部分由電纜線、調(diào)制解調(diào)機(jī)器設(shè)備及其路線驅(qū)動(dòng)設(shè)備等組成，將監(jiān)控?cái)z像頭捕捉的一系列電子信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心?？刂撇糠重?fù)責(zé)將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像展示在監(jiān)控系統(tǒng)上；紀(jì)錄部分則全自動(dòng)拍攝監(jiān)控?cái)z像頭捕捉到的一系列圖像，進(jìn)一步提高系統(tǒng)軟件的具體利用效率[7]。智能化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 智能化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

3.2 前端采集設(shè)計(jì)

在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，進(jìn)程間通信（Inter-Process Communication，IPC）能夠?qū)崿F(xiàn)連接攝像頭以及編碼器的功能性目標(biāo)，這一組件的使用不僅全面克服了模擬攝像機(jī)在使用中所具有的一系列局限性，也可以有效保障圖像的傳輸效果。在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前端采集硬件設(shè)備中IPC發(fā)揮著重要作用。一般個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）采用嵌入式的架構(gòu)，這一硬件可以有效完成圖像采集、信號(hào)處理、編碼壓縮等一系列優(yōu)異的功能，同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，不但在一些行業(yè)中發(fā)揮出了極大的優(yōu)勢(shì)，而且合理利用這一設(shè)備可以構(gòu)建出大規(guī)模分布式的智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。就技術(shù)手段而言，IPC在使用中無(wú)需多次進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，因此技術(shù)指標(biāo)得到了明顯提升，甚至有完全取締模擬攝像頭的趨勢(shì)[8]。

IPC在對(duì)信號(hào)處理時(shí)主要采用以下的過(guò)程：電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）影像傳感器只需經(jīng)過(guò)一次模數(shù)（Analog to Digital，AD）變換便由監(jiān)控?cái)z像頭內(nèi)嵌的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）芯片對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行分析，如減噪、增益值等，再通過(guò)壓縮打包將其上傳至后端服務(wù)器中。與監(jiān)控?cái)z像機(jī)數(shù)次轉(zhuǎn)換所造成的耗損相比，IPC能夠很好的確保圖像品質(zhì)。此外，IPC在對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描時(shí)，采取的是逐行掃描的方式。這種掃描方式保障了信號(hào)的穩(wěn)定性，同時(shí)IPC實(shí)現(xiàn)了在連接揚(yáng)聲器的基礎(chǔ)上與客戶進(jìn)行對(duì)講[9]。

3.3 中央服務(wù)器

在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，中央處理器主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)內(nèi)部控制工作，在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中占有非常關(guān)鍵的地位。中央服務(wù)器在數(shù)據(jù)采集以及分析的過(guò)程主要以SDK函數(shù)或微軟提供的DriectShow函數(shù)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。將采集后的數(shù)據(jù)信息作為流媒體，中央處理器負(fù)責(zé)將其發(fā)送至制定模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，滿足系統(tǒng)智能化發(fā)展的實(shí)現(xiàn)要求。同時(shí)，客戶端提供相關(guān)的支持服務(wù)，不斷加強(qiáng)中央系統(tǒng)與客戶端之間的交流，提升監(jiān)控視頻處理、系統(tǒng)控制以及用戶安全驗(yàn)證等工作，為實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展提供保障。在中央服務(wù)器中設(shè)計(jì)的管理服務(wù)內(nèi)容較多，如權(quán)限管理、智能功能實(shí)現(xiàn)管理、客戶端管理、數(shù)據(jù)服務(wù)器管理以及Web服務(wù)器管理等。以視頻管理為例，由客戶端采集視頻信息，再將信息傳輸至各個(gè)模塊中，制定針對(duì)性模塊發(fā)展的建議，開展流媒體服務(wù)器的分析[10]。

4 結(jié) 論

在新時(shí)代背景下，智能化已經(jīng)成為未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，構(gòu)建智能化數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效改善傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，提升數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的適用性。為了打造智能化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以智能化系統(tǒng)框架為基礎(chǔ)，針對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。