視頻技術在船舶領域中的研究與應用*

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隨著視頻通信技術的發(fā)展，客觀上船舶辦公具備了將視頻技術與傳統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)結合的條件[1，2]。目前，視訊技術在船舶上的應用主要包括，視頻監(jiān)控、船舶視頻會議和船舶紅外光電取證三個方面。從發(fā)展的角度來看，上述的應用還只是局限于視頻技術淺層意義上，相互之間比較獨立，不能形成一個高效的綜合性平臺。

視頻通信技術的介入，可為船舶領域提供一個更為多元化的工作環(huán)境，一個更為高效的船岸綜合信息交互的平臺。工作人員可以根據(jù)需要靈活地進行各種視訊應用，如視頻辦公會議、船岸遠程管理、船舶故障診斷和水上遠程監(jiān)督與調度等[3-6]。

1 視頻技術使用的基本協(xié)議及標準

1.1 H.320協(xié)議(基于ISDN上的視頻會議協(xié)議)

H.320標準是面向電路交換網(wǎng)絡的使用環(huán)境，其數(shù)據(jù)交互和音、視頻傳輸使用同一個物理通道。其系統(tǒng)對設備的管理可以通過通信系統(tǒng)本身的管理平臺來實現(xiàn)，但它在帶寬上有比較大的局限，實現(xiàn)較為困難，難以將視頻通信網(wǎng)絡有效延伸。

1.2 H.323協(xié)議(基于IP網(wǎng)絡的視頻會議協(xié)議)

H.323協(xié)議詳細說明了在無服務質量保證的分組交換網(wǎng)絡上提供多媒體信息交互的終端的結構、功能以及各個傳輸信道所遵循的協(xié)議。其基本組成單元是“域”。一個H.323系統(tǒng)的域包括網(wǎng)關、關守、多點控制單元(MCU)和所有的視頻終端。其結構如圖1所示。

圖1 基于LAN/ATM的H.233標準

1.3 SIP協(xié)議(會話發(fā)起協(xié)議)

SIP用于發(fā)起會話，它能控制多個參與者參加的多媒體會話的建立和終結，并能動態(tài)調整和修改會話屬性。

1.4 H.324M協(xié)議

H.324M標準是目前惟一能夠提供無線網(wǎng)絡視頻業(yè)務的可行方案。隨著3G技術的完善，在移動網(wǎng)上已經(jīng)具備了開展視頻傳輸?shù)目赡堋５曨l在無線網(wǎng)絡的傳輸對高效率的壓縮和網(wǎng)絡的完善設計是一個極具挑戰(zhàn)性的任務。

1.5 ITU-601標準(4∶2∶2標準，電視演播室等級標準)

為了規(guī)范國際上存在的多種數(shù)字格式，國際無線電咨詢委員會于1982年通過了CCIR-601標準，后更名為ITU-601標準。該標準規(guī)定了數(shù)字視頻圖像編碼的基本參數(shù)，如，信號的編碼方式、取樣頻率、取樣結構等。

1.6 視頻傳輸協(xié)議(RTP、RTCP、RSVP、RTSP)

RTP為實時傳輸協(xié)議，是針對用于Internet上的多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議。它通常使用UDP來傳輸數(shù)據(jù)，本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，而是依靠RTCP提供這些服務。RTCP的數(shù)據(jù)傳輸是無連接、無差錯控制的報文傳輸。RTP/RTCP的傳播方式原理如圖2所示。

RSVP資源預留協(xié)議是用來向網(wǎng)絡發(fā)送信號，告訴用戶在特定的應用程序下對網(wǎng)絡服務的要求或在收發(fā)路徑上傳遞Qos參數(shù)并預留提供服務所需的資源。

RTSP多媒體流表示控制協(xié)議，用在于客戶機/服務器之間建立和控制具有實時特性的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 RTP/RTCP協(xié)議應用框

2 視頻技術標準應用比較

H.320協(xié)議標準要求具有充足線路資源，組成元素為視頻終端和多點控制單元MCU，對時鐘同步要求高，MCU級聯(lián)受到限制，不同的系統(tǒng)之間難以實現(xiàn)互通。目前船舶內(nèi)部的視頻會議和以衛(wèi)星為主要通訊平臺的船岸視頻互動無法擺脫專網(wǎng)使用的局限性，而且建設和維護成本太高。

基于IP的H.323標準可以充分利用網(wǎng)絡資源，通過它可以將視頻引到船舶辦公系統(tǒng)的桌面，利用數(shù)據(jù)實時交互功能，完成船舶內(nèi)部以及船岸之間的協(xié)調辦公，使工作人員從根本上擺脫親臨現(xiàn)場的限制，實現(xiàn)真正意義上的視頻互動，并且支持的廠家設備多，互通性和可擴展性好。

SIP協(xié)議是一個與 H.323并列的協(xié)議。它借鑒了大量基于Internet的協(xié)議，如HTTP和SMTP等，并同這些標準一樣采用文本作為編碼方式。SIP系統(tǒng)構建拓撲靈活，容易實現(xiàn)和推廣，從而為基于IP的視訊提供了新的解決方案。 但SIP標準的最大問題是協(xié)議不完善，對多媒體通信支持能力仍較差。由于SIP協(xié)議需要相對智能的用戶終端，能夠準確地實現(xiàn)端對端之間的連接，其較適于應用在船岸互通的視頻會議中。目前ITU也開始加大了對SIP標準的支持，并實現(xiàn)了基于SIP的系統(tǒng)和基于H.323的系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。隨著移動通信技術的發(fā)展，移動承載高速數(shù)據(jù)業(yè)務的能力大幅度提高，為移動視訊的發(fā)展提供了可能[7]。

3 應用設計

3.1 總體視頻應用框架模型

將視頻技術與船舶辦公、船舶信息管理有機結合，把視頻數(shù)據(jù)視為一種信息流，從而搭建起一個統(tǒng)一的船舶綜合辦公平臺，如圖3所示。

圖3 視頻技術在船舶領域中的總體應用方案

它架構在視音頻的存儲與轉發(fā)、影像識別、工作流、郵件服務、消息傳遞、信息共享、實時協(xié)作的標準群集服務的基礎上，針對現(xiàn)代船舶管理和通航作業(yè)的特點采用了當今最流行的各種協(xié)議和標準，所以具有很強的整合性、通用性和可擴展性。

3.2 船舶視頻會議系統(tǒng)

船舶及船岸之間的視頻會議通常是多方甚至是異地參與的，要建立多個會場的視頻會議系統(tǒng)必須要使用H.323協(xié)議中的多點控制器。同時考慮到船舶網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量控制的重要性，還需要在網(wǎng)絡中增加流量管理設備(關守)，實現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 船舶視頻會議系

本系統(tǒng)參照ITU-T制定的H.323視頻會議標準設計實現(xiàn)，采用分布式多點對多點的會議模式，基于網(wǎng)絡組播基干，與會終端之間以組播方式傳送視、音頻數(shù)據(jù)流。各會議終端為對等關系，系統(tǒng)中不存在會議管理器，會議管理功能由發(fā)起會議的會議主持人終端來完成。其主要由7個部分(模塊)構成：系統(tǒng)人機交互界面、視頻處理模塊、音頻處理模塊、會議管理模塊、會議控制信息傳輸模塊、會議數(shù)據(jù)傳輸模塊、會議輔助模塊。

3.3 船舶網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)船舶系統(tǒng)穩(wěn)定性好、安全系數(shù)大、集成度高、便于管理等特點，把數(shù)字視頻監(jiān)控、模擬視頻監(jiān)控、紅外光電視頻監(jiān)控統(tǒng)一架設在船內(nèi)主干網(wǎng)上，且由一臺主控計算機進行視頻處理，并通過衛(wèi)星接口輔之以一定的管理權限分配進行岸上遠端監(jiān)視、控制、存儲等。系統(tǒng)實現(xiàn)方案見圖5。

圖5 船舶網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系

通過系統(tǒng)自帶的客戶端瀏覽器和多個不同場地的攝像頭對船舶內(nèi)部設備、儀表，船舶外部的海況、過往船只等進行多角度跟蹤監(jiān)視以及跟蹤記錄，以及時地取得第一手的現(xiàn)場資料。

3.4 紅外光電取證系統(tǒng)

由于動態(tài)圖象的傳輸受到自身大小、網(wǎng)絡傳輸?shù)纫蛩氐挠绊懀瑢崟r的傳輸率比較低，畫質也比較差，沒有靜態(tài)圖像傳輸?shù)每旌颓逦４凹t外光電取證執(zhí)法系統(tǒng)就是在考慮到以上各因素進行研究和實現(xiàn)的。它是集衛(wèi)星文件轉發(fā)、資源同步共享、斷點續(xù)傳等幾大功能于一體的圖片轉發(fā)工具，它能夠識別各種不同格式的圖片文件，使船上采集的高分辨率靜態(tài)圖像能夠實時而準確地傳到陸地執(zhí)法部門，使其能在第一時間掌握重要的數(shù)據(jù)取證信息，以便及時地采取有效行動。

本系統(tǒng)以P2P技術為主，使船岸兩地的信息源互為服務器和客戶端，即無論哪一端，只要同步信息發(fā)生變化，自動被系統(tǒng)認為是客戶端，而其把要求信息同步的申請發(fā)給了另一端，請求的接受端就成為服務器端。從而以現(xiàn)今應用越來越廣泛的點對點技術，實現(xiàn)了斷點續(xù)傳和同步共享功能。

4 結束語

從船舶應用的角度對多種視頻協(xié)議進行了分析比較，借助于TCP/IP網(wǎng)絡技術及衛(wèi)星通信平臺提出了視頻技術在船舶領域中的總體應用方案。該方案把船舶的各種視頻、音頻以及數(shù)據(jù)信息集成在統(tǒng)一的船舶辦公平臺上，實現(xiàn)了船舶監(jiān)、控、管一體化的系統(tǒng)設計，并可實時通過衛(wèi)星接口與岸地站進行交互，改善并提高了船舶的可維護性和辦公效率，降低了船舶的運營成本。該設計已經(jīng)在某海巡船上成功實施，效果良好。

[1] 陸健賢,張 凌,馮穗力.基于RSVP的VOD實際應用及系統(tǒng)性能分析[J].計算機工程,1999:81-83.

[2] 曹 輝,李忠凱,張均東.基于工作流的船舶辦公自動化系統(tǒng)[J].大連海事大學學報,2005,31(2):41-44.

[3] 苗鳳林.高速船機艙自動監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].船海工程, 2005(6):47-48.

[4] 高海波,陳 輝,陸 暢,晏洪濤.“船舶輪機設備運行與管理”多媒體素材庫的開發(fā)與制作[J].船海工程, 2005(6):37-39.

[5] 張均東,任 光.基于專用局域網(wǎng)的助航燈光綜合監(jiān)控設計[J].計算機工程與應用,2002(1):225-227.

[6] 姚玉南.船舶信息管理系統(tǒng)開發(fā)研究[J].船海工程, 2006(4):110-113.

[7] T. Wiegand, G.J. Sullivan, G. Bjntegaard, A. Luthra. Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2003, 13(7): 560-576.