韓 凱

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局二〇二二臺(tái)）

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(jìn)入社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展的需要及數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，在安防及影像監(jiān)管等領(lǐng)域，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)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(huì)安全等公眾服務(wù)領(lǐng)域迅速普及應(yīng)用。

傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)及圖像處理技術(shù)飛速發(fā)展，為影像信息的采集處理提供了強(qiáng)大的軟硬件支持，先進(jìn)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(shù)的不斷進(jìn)步及網(wǎng)絡(luò)硬件條件不斷改善，信息高速公路已成為事實(shí)，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(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]，采用專用中央處理器對(duì)攝像機(jī)采集的音視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼，由互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)，操作人員通過操作遠(yuǎn)程主機(jī)即可對(duì)云臺(tái)及鏡頭進(jìn)行操作控制。

1 互聯(lián)網(wǎng)接入的實(shí)現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)（Internet）即廣域網(wǎng)，指局域網(wǎng)及單機(jī)按照一定的通信協(xié)議組成的國(guó)際計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。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(chǎng)合，通過TCP/IP訪問指定的目標(biāo)信息。

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

GPRS雖然可以通過無(wú)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(jìn)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(shè)的信息點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，并且往往還需要增設(shè)網(wǎng)線將設(shè)備接入信息點(diǎn)，不過由于通過有線網(wǎng)絡(luò)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(shí)施視頻監(jiān)控。圖1為兩路視頻監(jiān)控通過交換機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成示意圖。

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

圖1中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)從線路①通過互聯(lián)網(wǎng)訪問視頻設(shè)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(shè)備，則只在局域網(wǎng)內(nèi)部，屬于本地訪問。

1.2 無(wú)線接入

在廣場(chǎng)、路口、道路沿線等場(chǎng)合，若實(shí)施視頻監(jiān)控，由于不便接入有線網(wǎng)絡(luò)，而專門鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)疑帶來(lái)成本上的巨大開支。

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

1.2.1 Wi-Fi接入

Wi-Fi俗稱無(wú)線寬帶，它是一種短程無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入，架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一般只需要無(wú)線網(wǎng)卡及一臺(tái)AP（Access Point，無(wú)線訪問接入點(diǎn)），以無(wú)線的模式，使用既有的有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)分享網(wǎng)絡(luò)資源，架設(shè)費(fèi)用和復(fù)雜程度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)?；赪i-Fi網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2所示的AP為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，AP接入有線網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，安裝時(shí)應(yīng)考慮到AP便于接入有線網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線信號(hào)能夠有效覆蓋到視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(wú)線接入方式，即可以通過4G網(wǎng)絡(luò)接入[2]。圖3為視頻監(jiān)控設(shè)備經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的示意圖。

圖2 基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

這種構(gòu)成方式是將監(jiān)控設(shè)備通過4G上網(wǎng)卡接入移動(dòng)基站，再經(jīng)由移動(dòng)基站接入互聯(lián)網(wǎng)。移動(dòng)基站接入互聯(lián)網(wǎng)的過程由移動(dòng)通信系統(tǒng)完成，使用移動(dòng)通信系統(tǒng)既有的通信設(shè)施，不需要額外的設(shè)備投入費(fèi)用，用戶只需向移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商支付數(shù)據(jù)服務(wù)費(fèi)用即可。

目前，4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)已經(jīng)覆蓋了絕大數(shù)城鄉(xiāng)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)接入及維護(hù)方便、穩(wěn)定，初期成本投入少，不過需要定期向移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商支付相關(guān)數(shù)據(jù)流量服務(wù)費(fèi)用。

2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]可看作由網(wǎng)絡(luò)、攝像系統(tǒng)、前端視頻處理系統(tǒng)及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)四大部分構(gòu)成。其中，網(wǎng)絡(luò)部分直接使用現(xiàn)有成熟的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，前文已對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入的幾種方式進(jìn)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(tái)、數(shù)據(jù)接口、電源接口、支架等構(gòu)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(hào)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?jǐn)z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(yīng)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(jià)格高；后者性價(jià)比較高，能夠勝任多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

云臺(tái)用來(lái)控制攝像頭進(jìn)行上、下、左、右以及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的視頻采集；鏡頭調(diào)節(jié)裝置根據(jù)操作指令對(duì)鏡頭進(jìn)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(chǔ)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(shù)成熟、成本適中、運(yùn)算能力強(qiáng)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(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行再進(jìn)行壓縮、編碼以及存儲(chǔ)。整個(gè)過程在CPU的指令調(diào)度下，結(jié)合相關(guān)硬件外設(shè)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(shí)時(shí)是視頻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2.2.2 本地存儲(chǔ)

考慮到網(wǎng)絡(luò)中斷的情況，為不丟失視頻場(chǎng)景信息，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前端備份。前端備份的數(shù)據(jù)可在網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后，通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)取，也可定期由專人取回并更換存儲(chǔ)介質(zhì)。

本地存儲(chǔ)時(shí)，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(chǔ)，往往對(duì)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(chǔ)介質(zhì)，系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器是否寫滿進(jìn)行管理，或以覆蓋方式循環(huán)存儲(chǔ)，或定期轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)保證足夠的存儲(chǔ)空間。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)接口是進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫涌?，?yīng)用中往往根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入及設(shè)備安裝的實(shí)際情況決定設(shè)備是通過有線還是無(wú)線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。因此，靈活方便的網(wǎng)絡(luò)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(luò)接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，即預(yù)先留出支持有線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的RJ-45標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)

遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)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(luò)的視頻監(jiān)控設(shè)備，也可通過網(wǎng)絡(luò)向攝像頭發(fā)出參數(shù)設(shè)置、方位及變焦等控制指令。

監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間進(jìn)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(jìn)入遠(yuǎn)程視頻處理主機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并調(diào)取其視頻數(shù)據(jù)，這種方式機(jī)動(dòng)、靈活，用戶隨時(shí)、隨地通過一臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)就可以接入系統(tǒng)。另一種方式是多個(gè)視頻監(jiān)控終端接入指定的遠(yuǎn)程平臺(tái)，遠(yuǎn)程平臺(tái)以多畫面的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這種方式適宜于數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)期監(jiān)視的使用場(chǎng)合。

3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)流程

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控主要包括視頻服務(wù)器和遠(yuǎn)程管理平臺(tái)兩部分。

3.1 視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)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(gòu)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(yù)處理、壓縮編碼、傳輸、控制、報(bào)警、本地存儲(chǔ)等任務(wù)，圖4給出了視頻服務(wù)器的工作流程。

圖4 視頻服務(wù)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(shí)現(xiàn)視頻服務(wù)器與遠(yuǎn)程管理平臺(tái)之間的交互。其中①表示報(bào)警信息上報(bào)，②表示遠(yuǎn)程預(yù)覽，③表示遠(yuǎn)程回放，④表示遠(yuǎn)程控制。

3.2 遠(yuǎn)程管理平臺(tái)

遠(yuǎn)程管理平臺(tái)是運(yùn)行于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的平臺(tái)程序，它通過視頻監(jiān)控管理平臺(tái)或視頻監(jiān)控矩陣進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。管理平臺(tái)一方面承擔(dān)與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，一方面提供良好的人機(jī)界面，完成人機(jī)交互。圖5給出了遠(yuǎn)程管理平臺(tái)的工作流程。

圖5 遠(yuǎn)程管理平臺(tái)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(luò)帶寬的提高、硬盤容量的加大和存儲(chǔ)成本的降低，以及視頻處理技術(shù)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(jì)算機(jī)智能的不斷進(jìn)步，視頻監(jiān)控也正在朝向“智能化”的方向發(fā)展，用來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)“只看不識(shí)”“人工控制”的不足。

智能視頻監(jiān)控[4]是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理、分析和理解，在不需要人為干預(yù)的情況下，通過對(duì)序列圖像自動(dòng)分析對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的變化進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為。

目前的智能視頻監(jiān)控通過在嵌入式視頻服務(wù)器中加入智能行為識(shí)別算法，對(duì)畫面場(chǎng)景中的人、車輛或物體的行為進(jìn)行識(shí)別、判斷，并在適當(dāng)?shù)臈l件下報(bào)警提示用戶，如物體識(shí)別、越界識(shí)別、軌跡跟蹤、遺留或丟失物體識(shí)別、車牌識(shí)別、車速測(cè)量、流量統(tǒng)計(jì)等。

實(shí)際應(yīng)用中，由于被識(shí)別的人或物體的行為特征太過多樣，導(dǎo)致智能識(shí)別的成功率長(zhǎng)期徘徊在80%上下。因此，如何改進(jìn)識(shí)別算法，進(jìn)一步提高智能識(shí)別的成功率，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)亟待解決的問題。