程羅德， 邢旭峰， 孫 濤， 王建彬

(大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡、圖形圖像、音視頻等相關技術的發(fā)展與應用，監(jiān)控系統(tǒng)也有傳統(tǒng)的模擬電視監(jiān)控發(fā)展到目前多技術融合的全新數(shù)字網(wǎng)絡監(jiān)控.并且伴隨著通訊信息平臺的擴展與應用，監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)連接融合，實現(xiàn)異構(gòu)信息聚合(數(shù)據(jù)、語音和圖形圖像)[1].本文針對項目應用實際需求，設計了改進型監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸通信模式，并將數(shù)據(jù)存儲與恢復、音視頻數(shù)據(jù)流處理、實時聯(lián)動報警、云管理平臺等在設計過程中充分應用，真正做到監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、智慧化、網(wǎng)絡化.

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展、應用特點分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷三個不同階段:模擬視頻監(jiān)控、多媒體微機平臺的數(shù)字視頻監(jiān)控、數(shù)字智能化網(wǎng)絡視頻監(jiān)控[2].

模擬監(jiān)控系統(tǒng)特點為視頻、音頻信號的采集、傳輸、存儲均為模擬形式，質(zhì)量最高，但是只適用于較小的地理范圍、與信息系統(tǒng)無法交換數(shù)據(jù)、監(jiān)控僅限于監(jiān)控中心，應用的靈活性較差 、不易擴展.基于微機平臺的數(shù)字視頻監(jiān)控(DVR)采用微機和Windows平臺，支持實時視頻和音頻，適合傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，不適合新建的監(jiān)控系統(tǒng)、又要求實現(xiàn)遠程視頻傳輸?shù)南到y(tǒng)[3].網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)將傳統(tǒng)的視頻、音頻及控制信號數(shù)字化，以IP包的形式在網(wǎng)絡上傳輸，實現(xiàn)了視頻/音頻的數(shù)字化、系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、應用的多媒體化以及管理的智能化.

圖1 直道監(jiān)測點監(jiān)視范圍示意圖

圖2 彎道監(jiān)測點監(jiān)視范圍示意圖

圖3 紅外檢測報警模塊設計結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)字智慧網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的模塊設計

2.1 網(wǎng)絡傳輸模塊設計

本系統(tǒng)主體采用數(shù)字化網(wǎng)絡傳輸，攝像機與前端視頻服務器間采用同軸電纜連接.結(jié)合大數(shù)據(jù)、實時、可控、無差錯的進行數(shù)據(jù)傳輸要求，設計采用Socket網(wǎng)絡接口，TCP(Transmission Control Protocol)＆UDP(User Datag ram Protocol)傳輸協(xié)議，以UDP協(xié)議為基礎[4]，由此建立滾動堆棧協(xié)議并結(jié)合TCP進行數(shù)據(jù)流傳輸，從而確保了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量大、高效、完整、無差錯.

在數(shù)據(jù)進行通訊之前，首先由服務進程和客戶進程各自創(chuàng)建套接字，函數(shù)創(chuàng)建如下:Socket socket(int sa，int stream，int tcp).發(fā)送方和接收方建立 2張大數(shù)據(jù)緩存表，作為循環(huán)滾動棧，發(fā)送方系統(tǒng)調(diào)用綁定函數(shù)把自己的IP地址及發(fā)送端口號與接收方顯式建立連接，以使客戶端對其進行請求服務及相應，然后將壓縮視頻數(shù)據(jù)幀分割若干小的數(shù)據(jù)包按順序編號再逐個進行發(fā)送，當每發(fā)一個數(shù)據(jù)包，循環(huán)滾動棧上邊界數(shù)值加1，并同時調(diào)用本函數(shù)中對該數(shù)據(jù)包的計時器功能.服務器發(fā)送方設置監(jiān)聽工作方式并調(diào)用Socket accept(SOCKET s，struct sockaddr* addr，int* addrlen)函數(shù)，等待響應接收方的請求連接，一旦握手成功建立連接后接收方只接收序號位于上下邊界棧內(nèi)的數(shù)據(jù)包，當收到序號等于下邊界的數(shù)據(jù)包時，滾動棧上下邊界同時加1，同時接收方通過先前建立的旁路TCP連接向發(fā)送方發(fā)送已收到該數(shù)據(jù)包的確認信息.發(fā)送方每收到一個從接收方送過來的確認信息下邊界數(shù)值增1，并使計時器歸零.當出現(xiàn)發(fā)送方棧溢出時，進行發(fā)送等待，若計時器發(fā)生超時，則需重新傳輸該緩存區(qū)的數(shù)據(jù)包.數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束前調(diào)用釋放函數(shù)winsock DLL:int WSACleanup(void).通過循環(huán)滾動棧和旁路TCP傳輸信息確認，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效完整傳輸.

2.2 系統(tǒng)監(jiān)控采集點模塊設計

前端監(jiān)測點主要負責視頻的實時采集、壓縮和網(wǎng)絡傳輸.要求能夠適應比較惡劣的環(huán)境，能夠按要求覆蓋規(guī)定區(qū)域，能夠保證視頻的質(zhì)量.為了方便安裝、布線和監(jiān)視、管理，除了每個攝像頭對應一個全段外，合理劃分個監(jiān)管區(qū)域，每個區(qū)域設機柜一個，用于安放前端視頻服務器、網(wǎng)絡集線器等設備.為了保證不出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，每個監(jiān)測點監(jiān)視范圍應適度重疊，直彎道檢測點方案設計如圖1，2所示:

監(jiān)測點為不間斷運行，為了確保其穩(wěn)定運行，監(jiān)測點采用固定與動態(tài)旋轉(zhuǎn)架設方式，聯(lián)動云臺.

圖4 統(tǒng)一管理控制平臺功能模塊組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 紅外探測報警監(jiān)測模塊設計

根據(jù)項目功能需求及運營環(huán)境特點的特殊要求，此子系統(tǒng)包括紅外遠程監(jiān)管中心、前端監(jiān)測點部分.紅外檢測報警模塊設計結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示:

前端監(jiān)測點由主動對射紅外報警器和網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換傳輸模塊組成.當主動對射紅外報警器探測到布防區(qū)有人非法入侵時，將報警信號傳送給轉(zhuǎn)換傳輸模塊，發(fā)送到監(jiān)控中心.

監(jiān)管中心負責對報警信號的接收、處理、保存、顯示和發(fā)出報警.提示值班人員能夠在監(jiān)管中心直觀地看到各監(jiān)測點的狀態(tài)，有報警發(fā)生時，可調(diào)看 監(jiān)控點區(qū)段實時視頻并作出處理.

圖5 軟件系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖6 系統(tǒng)部署實現(xiàn)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.4 統(tǒng)一管理控制平臺模塊設計

統(tǒng)一管理控制平臺包含四個子模塊，分別通過不同的方式產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)信息，我們通過集中控制管理平臺把它們進行聚合、整合.

為了把各種數(shù)據(jù)聚合到一起，系統(tǒng)需要提供單獨的服務器作為數(shù)據(jù)服務器.各子系統(tǒng)在單獨處理存儲數(shù)據(jù)的同時，需要把其相關數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)服務器進行處理和存儲.收集到數(shù)據(jù)服務器的數(shù)據(jù)必須進行關聯(lián)，完成數(shù)據(jù)的整合.為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、關聯(lián)的有效，各種數(shù)據(jù)必須實現(xiàn)標準化，需要為各種關鍵數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)字典，如區(qū)段等.統(tǒng)一管理控制平臺功能模塊組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.

3 數(shù)字網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建技術及實現(xiàn)

3.1 數(shù)字網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設計

系統(tǒng)以監(jiān)控指揮中心為核心，所有信息在中心進行集中、整理，中心根據(jù)從各子系統(tǒng)獲得的信息進行指揮，為了保證報警信息得到及時處理，報警信息在傳往中心的同時向保安執(zhí)勤點報警.監(jiān)控指揮中心建設一面電視墻，對各種信息進行集中監(jiān)控.軟件系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖5所示.

3.2 數(shù)字智慧化網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部署與實現(xiàn)

系統(tǒng)以監(jiān)控中心為核心，沿圍網(wǎng)分兩條線路架設光纖和交流220V主供電線路，分別到達最遠的四個個分站.管道采用 PE碳素管.每條線長為2000米.以每個分站為中心，采用星型布線[5]，管道為波紋管，供電線材采用水壓線.分中心到視頻監(jiān)視點的線路為一條視頻線和一條12V直流供電線線，分中心到紅外監(jiān)測點的線路為一條24V直流供電線和一條信號線.系統(tǒng)部署實現(xiàn)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖6所示.

監(jiān)控系統(tǒng)通過前端的數(shù)據(jù)采集終端實時收集信息，然后數(shù)據(jù)流及控制信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲服務器，以便展示到web信息平臺，進行實時、個性化的管理與監(jiān)控.

4 結(jié)語

系統(tǒng)在設計與應用中對數(shù)據(jù)流的傳輸進行了改進，以套接字為接口，結(jié)合TCP和UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并以此建立的大數(shù)據(jù)循環(huán)滾動棧，從而確保了數(shù)據(jù)流的高效、完整、無差錯的傳輸，經(jīng)系統(tǒng)正式運行驗證數(shù)據(jù)傳輸效果非常理想.為了保證視頻監(jiān)控采集無盲區(qū)、高質(zhì)量的要求，依據(jù)項目部署實際環(huán)境進行了特殊的設計.系統(tǒng)設計與開發(fā)過程中，融合了圖像視頻處理技術、模式識別及人工智能技術、數(shù)據(jù)庫存儲備份恢復技術，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智慧化.

[1]Banerjee，Suman.Scalable Secure Group Communication over IP Multicast[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2002.

[2]Collins RT.Mean Shift Blob Tracking Through Scale Space[J].Proc.of the Conf.on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR)，2003:18 －20.

[3]Comaniciu D，Ramesh V，P.MEER.Kernel－based Object Tracking[J].IEEE Transactions.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2003，25(5):564 －577.

[4]石頭，張笑微，周建雄.智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].兵工自動化，2009，28(12).

[5]吳礅華.網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].計算機工程與設計，2004，25(6).