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数字视频监控系统的设计与实现
作者:admin 发布于:2011/3/2 11:51:30 点击量:

一、前言
限着社会信息化日益发展,特别是信息技术、网络技术、通信技术以及多媒体技术已经渗透到人类生活、活动的各个领域,视频监控以其直观、方便和内容丰富等特点,日益受到人们的青睐,视频监控行业正从传统的安防监控向管理、生产监控发展,并逐步与管理信息系统相结合,达到资源共享,为管理者提供更直观、更有效的决策信息,数字高清视频监控不仅符合社会信息化的发展趋势,而且代表了监控行业的发展方向。视频监控经历了一对一闭路电视监控时代和以PC为核心的多媒体监控时代,目前正在发展以网络为依托以数字视频压缩、传输、存储和播放为核心的第三代视频监控系统,该技术的出现适应了信息技术的发展,受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。
二、系统概述
重要设施数字视频监控系统是基于计算机网络及其网络的体系结构,以现代网络通信技术、数字监控技术、多画面智能处理和多传感器技术以及防入侵报警技术为核心的综合化、数字化、网络化监控报警管理系统。它以重要设施及重大环境为监控防护对象,既是一种先进的安全防范系统,又是一种智能化、现代化的信息管理系统。系统分为前端系统和中心控制系统两个部分。在任何一台经过授权的计算机上(包括控制中心和分管领导),可对辖区内任一重要部位进行实时、不间断的监控。同时,系统采用先进的报警探测技术,对监控区域内可能发生的任何入侵行为及时捕获报警并进行实时录像,将动态捕获的视频图像记录在计算机硬盘及其他存储介质内,存档备查并可以按照时间、地点、触发时间等关键词进行检索回放,可以有效预防各类意外情况发生。采用数字监控报警系统可以加强监控手段和提高管理水平,甚至可实现无人值守,从而有效缓解这一矛盾。与传统的模拟监控相比,数字监控报警系统具有许多优点:
①便于计算机处理;
②适合远距离传输:
③便于查找:
④提高了图像的质量和监控效率;
⑤系统易于管理和维护。
三、系统的技术分析
数字视频监控系统所包含的核心技术可以归纳为以下3个方面:数字视频编码压缩技术、高效大容量存储技术和网络技术。
(1)数字视频编码压缩技术
目前的数字视频编码压缩技术主要有:MPEG-1,MPEG-2,H263,MPEG-4,Wavelet,JPEG等,本系统采用MPEG-4视频编码标准。MPEG-4视频编码标准支持MPEG-1,MPEC-2中的大多数功能,可以提供不同的视频标准源格式、码率、帧频下矩形图像,重要的是它支持较低的空间分辨率(低于352×288像素)和较低的帧频(低于15Hz)。MPEG-4标准的编码是基于对象的,便于操作和控制对象。由于传输带宽限制,必须对压缩比特率进行控制,MPEG-4对比特率控制可以基于对象,即使在低带宽时,也可以利用码率分配方法,对用户感兴趣的对象可以多分配一些比特率,而对用户不感兴趣的对象可以少分一些比特率,主观图像质量可以得到保证。
(2)存储技术
存储技术是数字视频监控系统非常重要的指标。目前主流的windows采用FAT32或NTFS文件系统,Windows文件系统对管理的文件具有较高的效率。本系统改进和优化了原有的文件系统,使之适应视频文件的存储,提高存储的速度和多路并发的能力。
(3)网络传输技术
本系统根据网络传输的实际需求和网络视频实时传输的特点,在实时传输协议的基础上,实现视音频数据的网络传输,保证数字视频网络传输的服务质量,为整个系统的广泛应用奠定基础。
四、系统设计
在充分调研计算机系统和视频处理技术的国内外发展现状的基础上,硬件平台选择工控机和PC机作为系统的硬件平台;软件开发平台选择面向对象的语言C 为系统开发语言,确保系统在硬软件选型上具有先进性,符合计算机技术和软件工程的发展方向。系统对外部接口完全按照网络连接规范开发,既可以在Internet上运行,也可以在Intranet上运行,具有网络功能的可扩展性,适应未来发展趋势。
4.1网络传输的功能设计
网络传输技术需要解决在局域网和广域网环境下的视频编码数据包的可靠性传输、数据包定序、低延迟传输、音视频同步、低码率传输、实时解码软件技术等问题,同时,在多用户的网络环境里,还需要考虑应用组播协议,保证网络传输的高效率。系统原理框图如图1所示,由9个模块组成,视频采集和压缩处理由视频采集卡硬件完成,采集卡通过附带的SDK函数接口与网络传输模块通信,当视频采集卡完成视频捕捉和压缩处理后,RTP协议封装模块对数据块进行封装和排序,然后交给UDP网络传输模块在IP网络上传输。接收端和发送端基本类似,负责把网络传输过来的视频资料包重组和解码回放出来。从原理图中可以看出,当采集卡捕获来的资料包通过RTP协议封装在网络上传输时,接收端在译码的过程中同时会对传过来的RTP包进行RTCP分析,分析所有的接收包,统计包丢失、时延抖动、网络负载等状况,如果网络繁忙和堵塞,包丢失严重,译码端会马上给编码发送端一个反馈,发送端接收到这个信息会做相应的处理,实现网络流量的自适应,这就是利用RTCP协议由接收方向发送方反馈信息的功能来进行传输的控制,以保证网络传输的服务质量。

4.2系统硬件构成及功能
重要设施数字化监控系统主要包括周边安全报警和数字化监控两部分,也可以分为前端设备和监控中心设备。
(1)前端设备
前端设备主要完成视频信息采集、探测器报警信号产生、云台与防护罩的控制功能,主要设备包括摄像机、电动变焦镜头、三鉴探测器、周界红外对射、烟雾探测器、红外灯、云台、防护罩、解码器、警灯、警笛、防盗照明灯、门禁设备等,现分别叙述如下:
摄像机和镜头:完成现场动态视频信息的采集,针对监控点的需要,可分别采用固定镜头和电动变焦镜头。
解码器:中心计算机可以通过串行口控制解码器。
实现远程对云台各个方位的控制,以及拍摄现场的场景拉近、推远等。
红外灯:通过红外灯发出的不可见红外线,可以在完全没有照度的环境下正常拍摄。
周界红外对射:负责周边的监控,一旦发生非法翻越周边围墙或栅栏,因红外线被切断,探测器产生报警信号。
烟雾探测器:内置的红外收发装置,在布防区域的空气烟雾浓度达到一定程度时自动发出火灾报警信号。
三鉴探测器:可以侦测覆盖范围内的移动物体,当有移动物体通过布防区域时,探测器发生报警信号。
(2)监控中心
监控中心是系统核心部分,主要完成模拟视频信号的采集、视频压缩、监控管理数据的记录和处理、监控数据的回放和检索、报警输出、设备检测及管理。强大的硬盘管理功能:应用软件系统支持多个硬盘管理,尤其支持抽拉式硬盘管理,自动管理硬盘存储、自动循环录制,可以灵活设置硬盘的存储空间、录满报警等功能,支持录像备份功能。
完善的录像功能:应用软件系统允许为每一路视频自由设置录像方式,可以将每天分为24个时间段,每个小时分别设置为正常录像、传感器报警录像、视频报警录像、只监控不录像等任意一个状态,用户可以根据特定的需要自由设定录像方式,从而有效地利用硬盘空间,并且实现全天自动监视及录像,无需人工干预,达到无人值守的目的。
多路视频移动检测:可以对多路视频录像进行区域、录像预制设置,设置好的时间段区域内如多路视频移动,例如,设定的区域内有人刻意用手堵住摄像头或视频线路短路,系统对应的视频将立即录像,同时可以联动相关设备如灯光、警笛、蜂鸣器等出报警信号,及时输出监控警情,并迅速通知有关人员处理警情。
多路报警探测、多路联动输出:可以同时接入8路外置报警探测信号、8路输出控制信号。用户可以根据实际情况设定联动报警摄像机组,每路探测器可与一个或多个摄像机任意组合完成报警录像。在录像预制中设置好传感器报警录像,对应时间段内一旦报警则触发信号,系统自动联动对应的控制输出,对应的视频将提前5min或滞后5min进行录像,同时可以联动云台(镜头)锁定录像,联动相关设备如灯光、警笛、蜂鸣器等输出报警信号。快速录像检功能:软件系统对已存储的各路文件数据进行单独的分类、管理,并按年、月、日、时、分、秒、帧进行存储,操作者可以轻易地搜索到对应的时间段内录像文件数据,避免了传统模拟控中的翻找录像带、倒带检索的过程。
显示/回放/图像处理:用户可按实际需要每路的录像选择分辨率和压缩比,8路系统最多可以接到16路视频输入、8路报警输入和8路报警输出,每路25帧/s实时录像。在现场监视的情况下,可以用全屏幕或多画面显示。在图像回放时,以实时或逐帧分解格式显示,用户可以选择单幅对特定图像进行处理,如放大/缩小、柔和.增强、锐化/提取、浮雕/扩散等,然后存储或打印。
云台/镜头控制功能:具有本地及遥控控制全方位云台/镜头功能,方便用户对系统各个部分进行遥控操作。
4.3软件设计及实现
系统采用C/S模式,包括3个部分:视频采集、数据传输、服务器显示和控制。视频采集的工作由视频采集卡来完成。视频资料包和码流的大小会影响视频在网络中传输的实时性和视频在接收端回放时的抖动程度,因此视频资料包大小和码流设置应该是传输时的实时性与回放时的抖动情况的折衷。
发送端的取流、封装和发送过程采用32位操作系统抢先式多线程任务机制,以解决CPU并行效率低等问题,整体上分类一缓冲区多线程结构,即采用取流缓冲区、封装缓冲区和发送缓冲区3个缓冲区;分配取流封装线程、内存切换线程、视频图像发送线路和程序主线程4个线程;利用取流缓冲区空、取流缓冲区满、封装缓冲区空、封装缓冲区满、发送缓冲区空、发送缓冲区满及允许发送等7个事件,提高视频图像传输效率。
为了避免主干网出现拥塞,采用IP组播技术,这项技术在多点视频数据传输方面具有很大的优势,当某个IP站点向网络中的多个IP站点发送同一视频数据时,它可以减少不必要的重叠发送,减轻系统和网络的负担,提高CPU资源和网络带宽的利用率,极大地改善视频数据传输的实时性,提高数据传送效率。
由于数据监控报警系统还需要给客户端提供网络控制功能和传送系统信息,在具体的网络编程应用中,采取UDPSocket和TCPSocket并存的编程机制。
五、结论
本文阐述了如何在现今技术条件下,组装成一个既经济又可靠又超前兼容的视频监控系统。系统经过长时间测试,在多处实际安装使用,可保持良好的稳定性能,能够长时间连续运行,不出现死机现象;CPU资源消耗比较少,在监控不录像状态,98%以上时间CPU利用率为0;操作简便,系统扩展性好,适合于在局域网(10/100M)上传输实时数字视频图像,是一种简单的多媒体监控系统。
数字视频监控系统的发展趋势是安防与管理的结合,利用先进的探测技术、数据采集技术、传感器技术、图像与生物识别技术、自动控制技术、网络技术、图像分析与处理技术、多媒体技术、数据融合技术,形成安全防范、人员管理、物流管理、信息管理等综合化、自动化、智能化的安全管理体系。相信随着计算机技术、视频技术、控制技术、通信技术的发展,网络监控必然前景广阔。



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