深圳地鐵9號線視頻監控系統設計方案

莫志剛

(深圳市地鐵3號線投資有限公司,518172,深圳∥工程師)

深圳地鐵9號線視頻監控系統設計方案

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控系統已經發展得非常成熟,但當前興起的數字視頻監控系統與之相比,有許多優點。數字視頻監控系統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網絡的數字視頻監控系統的設計方案,使數據采集、傳輸、終端控制實現了全過程數字化,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;模擬監控系統;數字視頻監控系統;IP網絡

U 231+.92

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展期,當二期工程剛進入尾期,三期工程就已經進入工程可行性研究階段。在總結一、二期工程經驗教訓的同時,結合現代科學技術的發展,深圳市地鐵9號線在工程可行性研究階段提出了系統設備配置更合理、技術更先進可靠的要求。基于IP網絡數字視頻監控系統在地鐵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視系統的組成原理及特點

傳統的視頻圖像監視系統中,視頻信號總是以模擬信號的形式出現。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視器上,供監控人員實時監控,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比較容易,使用非常方便。現在在1臺切換矩陣中實現的切換路數已經非常高,可以做到1000路以上。

圖1 模擬視頻矩陣示意圖

傳統的音視頻圖像監控中,視頻信號的輸入、輸出都是模擬信號。在寬帶網絡發展的今天,遠程視頻圖像信號全部用模擬信號傳輸是不現實的,這就需要基于數字的網絡傳輸技術。

2 數字視頻監視系統

隨著以下幾項技術的發展,推動著數字視頻切換矩陣時代的到來。

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

2)網絡技術的發展,IP網絡覆蓋的范圍還在不斷擴大,網絡傳輸成本在不斷降低;

3)流媒體技術的發展,使可控性更強。

數字監控可以利用現有的網絡,不需要為圖像監控再建傳輸網絡。只要IP網絡能夠覆蓋相應的范圍,都可以進行集中監控,包括通過互聯網進行集中監控。

2.1 數字視頻壓縮標準以及壓縮方式的選擇

現有的壓縮算法有 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。這些算法各有優缺點,也決定了其應用于不同行業的適用性。MPEG-4視頻壓縮技術的出現引發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,以最少的數據獲得最佳的圖像質量。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 信道環境以及實時性的考慮

一種技術方法是利用現有的數字網絡,對音視頻信號進行數字化壓縮,將壓縮碼流組成IP報文,通過TCP/IP協議,把這些IP報文傳到監控中心實時解碼出視頻圖像,以進行集中監控。這個數字網絡可以是VPN,可以是專網,也可以是公網,如PSTN、ISDN、GPRS 、CDMA 、ADSL 、寬帶城域網 、互聯網等 。

而監控系統大多數的應用場合是在一個相對較小的地域內進行視頻監控,因而可以使用已經廣泛使用的以太網作為數字硬盤錄像系統視頻傳輸的信道。目前100BASE-T以太網的帶寬已經達到100 Mbit/s,可以滿足數字硬盤錄像系統提供高質量清晰圖像、多路視頻同時傳輸的要求。

2.3 網絡協議和傳輸機制的控制

ISO組織制訂的OSI網絡參考模型中,運輸層建立在IP層之上,包含2種傳輸協議:一種是傳輸控制協議TCP,它是面向連接的網絡協議;另一種是用戶數據報協議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協議。由于 UDP沒有差錯控制,屬于不可靠的分組遞交,為了實現可靠交付和流量控制,IETF(互聯網工程部)提出了RTP和RTCP兩個協議。所有的實時媒體資料都使用RT P進行傳輸,RTCP提供接收方向發送方反饋信息的功能。它們都是基于UDP的。

3 數字視頻監控系統的設計

3.1 系統原理框圖

圖2的數字視頻監控統由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函數接口同網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協議封裝模塊對數據塊進行封裝和排序,然后交給UDP網絡傳輸模塊在IP網絡上傳輸;對于接收端所做的工作和發送端基本類似,只是負責把網絡傳輸過來的音視頻資料包重組和譯碼回放出來。

圖2 數字視頻監控系統原理框圖

3.2 系統硬件構成

圖3所示是整個數字視頻監控系統的硬件組成,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,根據采集卡的路數多少可以配備相應數量的攝像頭。

PC管理主機可以通過IP網絡,對前端的每一臺視頻服務器進行配置、管理、控制,可以實時監控每一臺視頻服務器的視頻圖像。如果視頻圖像的數量太多,整個網絡太大,一臺管理主機可以同時監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則切換圖像信號。如15 s切換1次,要求1 min進行一次循環。以1臺PC機能同時進行16路解碼計算,1臺PC機可以同時監控64路視頻圖像,2臺PC機就可以監控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,方便集中監控、管理。

圖3 數字視頻監控系統硬件組成

4 軟件設計

數字視頻監控系統工作為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絡中傳輸的實時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。

發送端的取流、封裝和發送過程采用了32位操作系統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多線程結構,即采用取流緩沖區、封裝緩沖區和發送緩沖區等3個緩沖區,分配了取流封裝線程、內存切換線程、視頻圖像發送線程和程序主線程等4個線程;利用了取流緩沖區空、取流緩沖區滿、封裝緩沖區空、封裝緩沖區滿、發送緩沖區空、發送緩沖區“滿”及“允許發送”等7個事件,提高了視頻圖像傳輸的效率。

在使用RTP協議對音視頻復合流進行封裝時,通行的做法是:在Windows操作系統中裝載RTP協議的動態鏈接庫(DLL),然后將發送端的視頻編碼器輸出的數據流進行相應的成幀算法,形成適合于RTP協議格式的視頻流封裝,遞交給RTP協議分組處理模塊,加上此協議的分組報文頭;并根據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,經多目地址傳輸來完成。在接收端,當實時視頻資料到達后,去掉該層協議的頭標,根據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,實現視頻流內部的同步。

為了避免引起廣播風暴,采用了在PC平臺上實現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地加入和退出;組中的某個成員發出的信息,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。由于數字硬盤錄像系統(DVR)還需要給客戶端提供網絡控制功能和傳送系統信息,在具體的網絡編程應用中,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網絡的采用通用計算機結合視頻采集卡的數字視頻監控系統,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,隨著相關技術的發展,基于IP網絡的功能更強大和體積更小巧的嵌入式數字監控系統將得到越來越廣泛的應用。

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

[2]李金伴,王善斌.電視控制系統及應用[M].北京:化學工業出版社,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)