基于IP網絡的舞臺調度視頻監控方法的研究

任慧，高甜，周亦琛，楊謙逸

(中國傳媒大學自動化系，北京100024 )

1 概述

視頻監控經歷了從模擬到數字，隨著網絡技術的發展，基于IP網絡的視頻監控越來越被廣泛地應用到各個領域。現階段，國內外的劇場用于舞臺調度的視頻監控都還在延續著使用模擬監控，就目前來看，該系統的局限性已經愈發明顯，傳統舞臺調度的視頻監控系統，由于各廠商的標準不一樣，用戶無法根據需求選擇不同廠商的產品，可擴展性不高；當系統擴容時，需要增加大量的設備，擴容成本高。目前國內外未見有將有線對講信號、無線對講信號、視頻監控信號IP網絡化的舞臺監督與調度集成系統，該系統IP網絡化是未來的發展趨勢。為此，本文重點研究了基于IP網絡的舞臺監督與調度系統的關鍵支撐技術之一——基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的實現方法。

2 目前舞臺調度視頻監控的現狀分析

目前，國內的國家大劇院、杭州大劇院等劇場的舞臺調度的視頻監控都還在延續使用模擬視頻監控系統，該系統主要由攝像機、視頻切換矩陣、視頻分配器、數字硬盤錄像機、監視器等組成，通過視頻線、控制線連接，在其封閉的環境內傳輸電視信號，從攝像到圖像顯示構成獨立完整的視頻監控系統[1]。在劇場的用途主要是用于劇場的演出監控、錄制演出存檔資料等。該系統的優點是既省時間省費用，又提高了工作效率，可以實現適時指揮和調度、處理和保存。可是現階段模擬視頻監控系統存在的不合理性愈發突出，模擬視頻信號采用同軸電纜進行傳輸，距離較遠時，需要使用視頻放大器對視頻信號進行放大以補償傳輸損耗，這將導致信號信噪比下降，實際中監視器或者顯示設備上的圖像分辨率就會下降，導致圖像明顯失真；視頻信號有時需要傳輸到較遠的區域，在傳輸過程中受到的干擾難以消除；監控錄像質量將隨著時間的推移下降，存儲成本提高，視頻信息存儲后，在查找調用時需要人工查找已編好號碼的視頻光盤，播放時也需要專業的播放設備；現有的視頻監控系統是一個封閉的系統，其單獨于整個舞臺監督與調度系統，這將導致與其他信息系統無法交換數據，應用的靈活性較差。

3 基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的需求分析

基于IP網絡的舞臺調度視頻監控能夠將視頻信息數字化，并通過有線或無線IP網絡進行傳輸，使實時監控和錄像等功能可以擴展到所有具備網絡連接的地方。針對劇場的舞臺調度視頻監控主要有以下需求[2]：

(1)用于劇場演出監控：演出現場的視頻信號可以被送至各視頻點，例如技術用房的監視器上、化妝間的電視屏幕、各種移動終端等，可以根據需求不同收看指定的攝像機信號；

(2)用于輔助演出監控：如演員在某些位置不能看到指揮，在這些位置需要布置監視器，供演員演出時使用；

(3)錄制演出存檔資料和花絮素材：固定安裝攝像機于舞臺正面位置，攝取圖像角度理想，能夠作為錄制的主畫面；由于劇場大部分攝像機攝取的主要是幕后和觀眾情況，因此這些視頻素材也可以作為今后視頻出版物的花絮部分使用。

4 基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的方法研究

(1)基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的關鍵技術

網絡視頻監控關鍵技術包括視頻壓縮技術、視頻通信協議和存儲技術等。MPEG-4和H.264是現在國內視頻監控行業流行的兩種視頻壓縮標準，市場上多數的數字視頻錄像機、視頻服務器和網絡攝像機都已經支持MPEG-4/H.264的壓縮方法。視頻監控系統內部進行視頻、音頻、數據等信息傳輸、交換、控制時，應遵循所規定的通信協議，監控系統在進行視音頻傳輸及控制時建立兩個傳輸通道：會話通道和媒體流通道[3]。會話通道是用一個應用層的SIP控制協議在設備之間建立會話并傳輸系統控制命令；媒體流通道用于傳輸視音頻數據，經過壓縮編碼的視音頻流采用流媒體協議(RTP/RTCP)進行傳輸。視頻監控系統一般攝像頭數量多，視頻圖像存儲時間長，因此存儲容量需求巨大，所以視頻監控系統存儲必須支持大容量，且容量具有高擴展性，滿足長時間大容量視頻圖像存儲的需求。監控存儲技術經歷了磁帶、磁盤、磁盤陣列的發展，目前以磁盤、磁盤陣列存儲為主[4]。

(2)基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的架構設計

根據劇場舞臺視頻監控的需求，設計了基于IP網絡的舞臺視頻監控系統的架構如圖1所示。

圖1 基于IP網絡的舞臺調度視頻監控的架構

舞臺調度視頻監控系統涉及視頻采集、視頻編碼、數據傳輸、平臺管理、視頻解碼、視頻播放顯示等過程，用到的設備主要有攝像機(包括模擬和網絡攝像機)、云臺、視頻編碼器、視頻分配器、流媒體服務器、視頻服務器、錄制服務器、監視器、舞臺調度臺和遠程訪問PC等。

攝像機是該系統最前端的視頻采集部分的主要設備，分為兩種：一種是現已被布置在劇場的某一些位置的模擬攝像機，另一種則是為了提高視頻質量和全面實現舞臺監督與調度集成系統的IP網絡化，在劇場里布置的一些高清網絡攝像機。網絡攝像機因有自己的IP地址，可以直接連接到局域網中[5]。攝像機上一般會集成拾音器，且攝像機設備安裝在云臺上。

視頻編碼器將模擬攝像機采集到的視頻和音頻信號轉換成可傳輸的網絡視頻信號，通過MPEG-4/H.264編碼進行壓縮，提供IP地址。視頻編碼器能夠使劇場無需拋棄現有的模擬監控設備，便能遷移至網絡視頻監控系統里，從而讓模擬攝像機能夠充分發揮網絡攝像機的多項優勢。轉換后的網絡視頻信號可以直接進入流媒體服務器。

流媒體服務器是一個視頻數據交換中樞，監控系統的所有數據都經過該節點進行數據交換，網絡攝像機(帶云臺)設備和流媒體服務器可通過有線網絡或無線網絡進行通信。流媒體服務器交換的數據中的數據至少包括控制命令和視頻數據。流媒體服務器與劇場舞臺調度臺通信連接，該劇場舞臺調度臺也通過劇院局域網與劇院調度內通系統通信連接。通過接入到劇院局域網，可以方便移動終端或者遠程PC通過互聯網進行訪問該系統。另外攝像機云臺控制器也通過IP網絡和流媒體服務器連接，從而通過網絡控制安裝的攝像機的云臺動作。視頻數據的存儲則通過流媒體服務器傳輸至錄像服務器，由錄像服務器進行存儲。

視頻服務器將接收的來自流媒體服務器的數字信號經解碼后轉換為模擬信號后傳輸至視頻分配器，視頻分配器可以實現一路視頻輸入、多路視頻輸出的功能，兼具視頻信號放大功能[6]。通過視頻服務器和視頻分配器的方式實現了對原有系統的整合，節省了劇場設備的配置成本。從視頻分配器里分配出來的視頻信號可以直接顯示在舞臺調度技術用房的監視器或者化妝間等地的電視屏幕上。

5 結論

本文在現有的舞臺視頻監控系統的基礎上，按照基于IP網絡的舞臺視頻監控系統的需求和網絡視頻監控技術，對舞臺視頻監控系統進行了研究，可以實現視頻高清晰度高分辨率顯示，更為方便快捷的存儲和調用視頻數據，標準化的設計大大提高了可擴展性，計算機技術的引入提高了系統的易用性，智能化程度也有了較大的提升，為實現舞臺監督與調度系統的集成奠定了技術基礎。

[1]楊磊，李峰，田艷生.閉路電視監控系統(第2版)[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]國家大劇院舞臺技術部音響組.國家大劇院舞臺監督系統[J].藝術科技，2008(1).

[3]梁篤國，張艷霞，曹寧，等.網絡視頻監控技術與智能應用[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]周密.基于IP網絡視頻監控系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2010.

[5]西剎子.安防天下智能網絡視頻監控技術詳解與實踐[M].北京：清華大學出版社，2010.

[6]信師國，劉慶磊，劉全賓.網絡視頻監控系統現狀和發展趨勢[J].信息技術與信息化，2010(1).