莫志剛

(深圳市地鐵3號線投資有限公司,518172,深圳∥工程師)

深圳地鐵9號線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

莫志剛

(深圳市地鐵3號線投資有限公司,518172,深圳∥工程師)

基于閉路電視的模擬監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟,但當前興起的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與之相比,有許多優(yōu)點。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高智能性和高可靠性,能提供遠程訪問能力,視頻資料的管理、保存方便,而且可以開發(fā)升級。深圳市地鐵9號線在可行性研究階段提出采用基于IP網(wǎng)絡的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案,使數(shù)據(jù)采集、傳輸、終端控制實現(xiàn)了全過程數(shù)字化,為提高運營效率及降低運營成本提供了強有力的保障。

地鐵;模擬監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng);IP網(wǎng)絡

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Author's addressShenzhen Metro No.3 Line Investment Co.,Ltd.,518172,Shenzhen,China

深圳市軌道交通建設正處于高速發(fā)展期,當二期工程剛進入尾期,三期工程就已經(jīng)進入工程可行性研究階段。在總結一、二期工程經(jīng)驗教訓的同時,結合現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,深圳市地鐵9號線在工程可行性研究階段提出了系統(tǒng)設備配置更合理、技術更先進可靠的要求?；贗P網(wǎng)絡數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵9號線的應用,將為提高運營效率及降低運營成本提供強有力的保障。

1 模擬信號方式視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)的組成原理及特點

傳統(tǒng)的視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)中,視頻信號總是以模擬信號的形式出現(xiàn)。圖1中M路視頻圖像輸入、N路圖像輸出。N路輸出視頻圖像可以接到監(jiān)視器上,供監(jiān)控人員實時監(jiān)控,也可以連接到錄像機(硬盤錄像機)上,實時記錄視頻圖像。N路輸出圖像中的任何一路,可以來自M路圖像中的任何一路。切換規(guī)則是可事先編程的,由微處理器控制。模擬切換矩陣的特點是實現(xiàn)比較容易,使用非常方便?，F(xiàn)在在1臺切換矩陣中實現(xiàn)的切換路數(shù)已經(jīng)非常高,可以做到1000路以上。

圖1 模擬視頻矩陣示意圖

傳統(tǒng)的音視頻圖像監(jiān)控中,視頻信號的輸入、輸出都是模擬信號。在寬帶網(wǎng)絡發(fā)展的今天,遠程視頻圖像信號全部用模擬信號傳輸是不現(xiàn)實的,這就需要基于數(shù)字的網(wǎng)絡傳輸技術。

2 數(shù)字視頻監(jiān)視系統(tǒng)

隨著以下幾項技術的發(fā)展,推動著數(shù)字視頻切換矩陣時代的到來。

1)視頻壓縮技術的發(fā)展、視頻圖像實時壓縮的實現(xiàn),使視頻圖像壓縮碼流大大降低,對網(wǎng)絡帶寬的要求也降低;

2)網(wǎng)絡技術的發(fā)展,IP網(wǎng)絡覆蓋的范圍還在不斷擴大,網(wǎng)絡傳輸成本在不斷降低;

3)流媒體技術的發(fā)展,使可控性更強。

數(shù)字監(jiān)控可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡,不需要為圖像監(jiān)控再建傳輸網(wǎng)絡。只要IP網(wǎng)絡能夠覆蓋相應的范圍,都可以進行集中監(jiān)控,包括通過互聯(lián)網(wǎng)進行集中監(jiān)控。

2.1 數(shù)字視頻壓縮標準以及壓縮方式的選擇

現(xiàn)有的壓縮算法有 H.263系列,M-JPEG,MPEG-1 VCD壓縮標準,MPEG-2 DVD壓縮標準,WAVELET小波變換,MPEG-4標準等。這些算法各有優(yōu)缺點,也決定了其應用于不同行業(yè)的適用性。MPEG-4視頻壓縮技術的出現(xiàn)引發(fā)了壓縮領域的一場革命,基本上克服了其他壓縮算法的缺點,可利用很窄的帶寬,通過幀重建技術壓縮和傳輸資料,以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。MPEG-4試圖達到以下2個目標:①低比特率下的多媒體通信;②多媒體通信的綜合。

據(jù)此目標,MPEG-4引入AV對像(Audio/Visual Objects),使得更多的交互操作成為可能。盡管MPEG-4并不是專為視頻監(jiān)控壓縮領域而設計的,但同樣也適合CIF(常用標準化圖像格式,352×288像素)或者更高清晰度(768×576像素)情況下的視頻壓縮。

實現(xiàn)壓縮算法的方式有2種,即軟件壓縮和硬件壓縮。其中硬件壓縮的實時性好、性能可靠,市場上也存在專用的MPEG-4壓縮芯片或板卡。

2.2 信道環(huán)境以及實時性的考慮

一種技術方法是利用現(xiàn)有的數(shù)字網(wǎng)絡,對音視頻信號進行數(shù)字化壓縮,將壓縮碼流組成IP報文,通過TCP/IP協(xié)議,把這些IP報文傳到監(jiān)控中心實時解碼出視頻圖像,以進行集中監(jiān)控。這個數(shù)字網(wǎng)絡可以是VPN,可以是專網(wǎng),也可以是公網(wǎng),如PSTN、ISDN、GPRS 、CDMA 、ADSL 、寬帶城域網(wǎng) 、互聯(lián)網(wǎng)等 。

而監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)的應用場合是在一個相對較小的地域內(nèi)進行視頻監(jiān)控,因而可以使用已經(jīng)廣泛使用的以太網(wǎng)作為數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)視頻傳輸?shù)男诺?。目?00BASE-T以太網(wǎng)的帶寬已經(jīng)達到100 Mbit/s,可以滿足數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)提供高質(zhì)量清晰圖像、多路視頻同時傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.3 網(wǎng)絡協(xié)議和傳輸機制的控制

ISO組織制訂的OSI網(wǎng)絡參考模型中,運輸層建立在IP層之上,包含2種傳輸協(xié)議:一種是傳輸控制協(xié)議TCP,它是面向連接的網(wǎng)絡協(xié)議;另一種是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP,它是無連接的。其中TCP不適合實時傳輸音視頻資料,常用的是基于 UDP的RTP協(xié)議。由于 UDP沒有差錯控制,屬于不可靠的分組遞交,為了實現(xiàn)可靠交付和流量控制,IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程部)提出了RTP和RTCP兩個協(xié)議。所有的實時媒體資料都使用RT P進行傳輸,RTCP提供接收方向發(fā)送方反饋信息的功能。它們都是基于UDP的。

3 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3.1 系統(tǒng)原理框圖

圖2的數(shù)字視頻監(jiān)控統(tǒng)由9個模塊組成,其音視頻采集和壓縮處理由視頻采集卡硬件完成。視頻采集卡通過附帶的SDK函數(shù)接口同網(wǎng)絡傳輸模塊之間通信。當視頻采集卡完成視頻捕捉和壓縮處理后,RTP協(xié)議封裝模塊對數(shù)據(jù)塊進行封裝和排序,然后交給UDP網(wǎng)絡傳輸模塊在IP網(wǎng)絡上傳輸;對于接收端所做的工作和發(fā)送端基本類似,只是負責把網(wǎng)絡傳輸過來的音視頻資料包重組和譯碼回放出來。

圖2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

3.2 系統(tǒng)硬件構成

圖3所示是整個數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成,包括攝像頭、前端采集計算機和中心服務器3個主要部分。前端采集計算機中裝有視頻采集卡,根據(jù)采集卡的路數(shù)多少可以配備相應數(shù)量的攝像頭。

PC管理主機可以通過IP網(wǎng)絡,對前端的每一臺視頻服務器進行配置、管理、控制,可以實時監(jiān)控每一臺視頻服務器的視頻圖像。如果視頻圖像的數(shù)量太多,整個網(wǎng)絡太大,一臺管理主機可以同時監(jiān)控很多臺視頻服務器的圖像,通過PC機的顯示器顯示視頻圖像,并通過事先設定的規(guī)則切換圖像信號。如15 s切換1次,要求1 min進行一次循環(huán)。以1臺PC機能同時進行16路解碼計算,1臺PC機可以同時監(jiān)控64路視頻圖像,2臺PC機就可以監(jiān)控128路視頻圖像。依此類推。如果在PC機中插入多片視頻解碼卡,視頻解碼卡支持AV輸出,可以組成電視墻;多臺PC機可以組成巨大的電視墻,方便集中監(jiān)控、管理。

圖3 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

4 軟件設計

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作為C/S(客戶/服務器)方式,包括采集、傳輸、服務器顯示和控制三部分。

音視頻采集的軟件開發(fā)是在采集卡廠商提供一個SDK軟件包的基礎上進行的。由于視頻資料包和碼流的大小會影響到視頻在網(wǎng)絡中傳輸?shù)膶崟r性和視頻在接收端回放時抖動的程度,因此該音視頻資料包大小和碼流設置應該是傳輸時的實時性和回放時的抖動情況的折衷。

發(fā)送端的取流、封裝和發(fā)送過程采用了32位操作系統(tǒng)搶先式多線程任務機制,以解決CPU并行效率低等問題;整體上分為三緩沖區(qū)多線程結構,即采用取流緩沖區(qū)、封裝緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)等3個緩沖區(qū),分配了取流封裝線程、內(nèi)存切換線程、視頻圖像發(fā)送線程和程序主線程等4個線程;利用了取流緩沖區(qū)空、取流緩沖區(qū)滿、封裝緩沖區(qū)空、封裝緩沖區(qū)滿、發(fā)送緩沖區(qū)空、發(fā)送緩沖區(qū)“滿”及“允許發(fā)送”等7個事件,提高了視頻圖像傳輸?shù)男省?/p>

在使用RTP協(xié)議對音視頻復合流進行封裝時,通行的做法是:在Windows操作系統(tǒng)中裝載RTP協(xié)議的動態(tài)鏈接庫(DLL),然后將發(fā)送端的視頻編碼器輸出的數(shù)據(jù)流進行相應的成幀算法,形成適合于RTP協(xié)議格式的視頻流封裝,遞交給RTP協(xié)議分組處理模塊,加上此協(xié)議的分組報文頭;并根據(jù)當前的采樣時鐘打上時間戳,標記順序號,并給定幀頻、分辨率、相應的壓縮格式等參數(shù),經(jīng)多目地址傳輸來完成。在接收端,當實時視頻資料到達后,去掉該層協(xié)議的頭標,根據(jù)套接字應用的埠號向上層遞交。RTP分組模塊處理遞交的資料分組,根據(jù)其會話標識和序列號進行鑒別,將有效的分組傳遞給相應的譯碼緩沖區(qū),實現(xiàn)視頻流內(nèi)部的同步。

為了避免引起廣播風暴,采用了在PC平臺上實現(xiàn)IP組播,為此量身定制了一個基于微軟基本類庫MFC的IP組播類CMulticastSocket。IP組播類CMulticastSocket是在異步Socket類CAnsycsocket的基礎上派生出來的,分組中的每一個成員都可以動態(tài)地加入和退出;組中的某個成員發(fā)出的信息,分組中其他所有的授權成員都能收到,它是UDP Sockets的一個分支。由于數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)(DVR)還需要給客戶端提供網(wǎng)絡控制功能和傳送系統(tǒng)信息,在具體的網(wǎng)絡編程應用中,采取UDP Socket和TCP Socket并存的編程機制。

5 結語

本文介紹的基于IP網(wǎng)絡的采用通用計算機結合視頻采集卡的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng),已成功應用于某大型倉庫的無人看護,使用情況表明其性能良好。今后,隨著相關技術的發(fā)展,基于IP網(wǎng)絡的功能更強大和體積更小巧的嵌入式數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)將得到越來越廣泛的應用。

[1]方暉.IP寬帶通信網(wǎng)絡技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[2]李金伴,王善斌.電視控制系統(tǒng)及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.

Design of Video Supervisory System on Shenzhen MetroLine 9

Mo Zhigang

Analogue supervisory system based on closed-circuit television has been developed very quickly,but the newly emerging digital video supervisory system seems to have more advantages.This system is of high intelligence and reliability,provides remote access capabilities,and is very easily to save and manage video data,it could also be easily upgraded.The design of digital video supervisory system based on IP network has been adopted in the feasibility study stage of Shenzhen Metro Line 9,which can realize the entire digital process,including data acquisition transmission and terminal control.

metro;analogue supervisory system;digital supervisory system;IP network

2009-11-16)