數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉燕德 趙文星 劉德力

摘要

數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)在各種環(huán)境中實(shí)時(shí)、持續(xù)、真實(shí)地觀測(cè)和記錄對(duì)象信息，并且具有可遠(yuǎn)程、可擴(kuò)展，易集成等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。數(shù)字化果園視頻監(jiān)控系統(tǒng)是遠(yuǎn)程專家和基地種植人員溝通的橋梁，也是遠(yuǎn)程診斷的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程專家可通過客戶端診斷系統(tǒng)觀看到視頻監(jiān)控系統(tǒng)的畫面，并可對(duì)網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該研究首先介紹了整個(gè)系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)及視頻信息和控制信息在系統(tǒng)中的傳輸過程， 然后提出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法， 最后概述了系統(tǒng)的主要功能。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化果園;監(jiān)控系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);視頻監(jiān)控

中圖分類號(hào) S126 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-371-03

Design and Implementation of Digital Orchard Video System

LIU Yande¹，2， ZHAO Wenxing¹，2， LIU Deli³

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013; 2. Institute of Optics-Mechanics-Electronics Technology and Application， Nanchang， Jiangxi 330013; 3. Agricultural and Food Bureau of Xingguo County， Xingguo， Jiangxi 342400）

Abstract With the ability to live in various environments， continuously and actually observe and record object information and advantages to remote， extend and integrate， digital video surveillance technology is widely used in agricultural production. Digital orchard video surveillance system is the bridge to remote expert personnel and industrial plantations and the key to remote diagnostics. Remote expert diagnosis system can be viewed by the client to the video surveillance system of the screen， and network high definition infrared intelligent ball is remote controlled. This paper first introduce the whole systems basic hardware structure and the transmitting procedure of the video and operating information， then put forward the implementation methods of several key technologies， and finally summarize the main functions of the system.

Key words ?Digital orchard; Monitoring system; Network camera; Video surveillance

基金項(xiàng)目 國(guó)家863計(jì)劃課題（2012AA101906）;國(guó)家863計(jì)劃課題（2012AA101904）;江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)對(duì)象計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009DD00700）;江西省光電檢測(cè)工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目（贛科發(fā)財(cái)字[2012]155號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介

劉燕德（1967- ），女，江西泰和人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理與數(shù)字化研究。

收稿日期 20141204

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)的各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，視頻監(jiān)控技術(shù)逐漸從原來的模擬技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)，以及現(xiàn)在的高清技術(shù)。數(shù)字化果園視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用現(xiàn)今普及全球的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有效解決了長(zhǎng)距離布線、系統(tǒng)的擴(kuò)展等問題，打破了地域限制的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。在農(nóng)業(yè)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)中引入無線網(wǎng)絡(luò)，可大大提高控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，降低設(shè)備維護(hù)的成本，從而使整個(gè)系統(tǒng)得到優(yōu)化^[1]。

數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球研制開發(fā)的一種全新監(jiān)控平臺(tái)，集中體現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)字化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用多媒體化和管理智能化特點(diǎn)，充分展

示了現(xiàn)代信息技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球是集網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能與網(wǎng)絡(luò)高清智能球功能為一體的新型網(wǎng)絡(luò)智能球，能有效解決夜晚成像清晰度問題，白天能提供清晰圖像，夜間 0Lux 照度下并在紅外燈的有效距離內(nèi)也能提供清晰的圖像^[2]。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及主要部件功能

數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、終端客戶機(jī)組成，前端設(shè)備將光信號(hào)變?yōu)閳D像信號(hào)，通過傳輸設(shè)備將圖像信號(hào)傳輸?shù)浇K端，由監(jiān)控中心將傳送過來的圖像顯示出來。該系統(tǒng)應(yīng)用于江西千里山（通津）種植基地，數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)控智能球是數(shù)字化果園系統(tǒng)的前端部分，使其視頻覆蓋方位能夠監(jiān)控觀察果園的各個(gè)地方。傳感器作為網(wǎng)絡(luò)紅外智能球的核心部件，決定著圖像質(zhì)量，被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至傳感器芯片上，傳感器根據(jù)光的強(qiáng)弱進(jìn)行處理，形成視頻信號(hào)輸出。

為了節(jié)省前端設(shè)備的投入，簡(jiǎn)化傳輸系統(tǒng)及控制顯示系統(tǒng)，可在網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球中內(nèi)置云臺(tái)，云臺(tái)由運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏，定位準(zhǔn)確的精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，再加上精巧的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，支持水平360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣就可以按照用戶的意愿，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)預(yù)置點(diǎn)定位、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、巡航掃描和花樣掃描等功能^[2]。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球中也內(nèi)置了自帶變焦鏡頭高靈敏度、高分辨率的一體化數(shù)字處理彩色機(jī)芯，該彩色機(jī)芯使其具有自動(dòng)聚焦、自動(dòng)增益、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑等功能。總之，監(jiān)控智能球就像整個(gè)系統(tǒng)的眼睛一樣，它把光信號(hào)變?yōu)閳D像信號(hào)，傳送給監(jiān)控中心。為了防塵、防雨、抗高低溫、抗腐蝕等，對(duì)智能球加裝了專門的防護(hù)罩。

傳輸部分主要傳輸?shù)氖菆D像信號(hào)，由于基地監(jiān)控中心通過控制臺(tái)對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩等進(jìn)行控制，因而還包含傳輸控制信號(hào)。對(duì)圖像信號(hào)的傳輸，特別要注意在圖像信號(hào)經(jīng)過傳輸設(shè)備后，不產(chǎn)生明顯的噪聲、失真（色度信號(hào)與亮度信號(hào)均不產(chǎn)生明顯的失真），保證原始圖像信號(hào)的清晰度和灰度等級(jí)沒有明顯下降等。

控制部分主要由總控制臺(tái)組成，總控制臺(tái)可以進(jìn)行視頻信號(hào)放大與分配，圖像信號(hào)的校正與補(bǔ)償，圖像信號(hào)的切換和記錄，攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩等的控制。總控制臺(tái)上的錄像機(jī)可以隨時(shí)把發(fā)生情況中被監(jiān)視場(chǎng)所的圖像記錄下來，以備事后查詢或作為重要資料依據(jù)。總控制臺(tái)上設(shè)有“多畫面分割器”，可以在一臺(tái)監(jiān)視器上同時(shí)顯示出4個(gè)、9個(gè)、16個(gè)攝像機(jī)送來的果園各個(gè)地方果樹的生長(zhǎng)狀況，并用一臺(tái)常規(guī)錄像機(jī)進(jìn)行記錄。總控制臺(tái)上還設(shè)有時(shí)間的字符發(fā)生器，可以把年月日時(shí)分秒等信息顯示出來^[3-4]。總控制臺(tái)一般采用總線方式，把控制信號(hào)送給攝像機(jī)附件的“終端解碼箱”，在終端解碼箱上將總控制臺(tái)送來的編碼控制信號(hào)解碼出來，稱為控制動(dòng)作的命令，再去控制攝像機(jī)及云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)等。

終端客戶機(jī)由多臺(tái)監(jiān)視器組成，它的功能是將傳送過來的圖像顯示出來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程回放和對(duì)云臺(tái)的監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器是一種壓縮、存儲(chǔ)、處理視音頻數(shù)據(jù)的專用計(jì)算機(jī)，它由視音頻壓縮編碼器、大容量存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)接口、視音頻接口、協(xié)議接口、軟件接口、視音頻交叉點(diǎn)矩陣等構(gòu)成^[5]。

圖1 ?數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字化果園系統(tǒng)視頻傳輸與處理模塊

數(shù)字化果園系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球、服務(wù)器端和客戶端組成，服務(wù)器端通過Socket套接字與客戶端在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行通信。視頻數(shù)據(jù)流傳輸與處理示意見圖2。

圖2 視頻數(shù)據(jù)流傳輸與處理示意

內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器接收安裝在網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球中攝像頭和傳聲器將采集的模擬音視頻信號(hào)。把模擬信號(hào)分成兩路，一路直接送入服務(wù)器端進(jìn)行本地回放，另一路被送入編碼器編碼成H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻流和音頻流，經(jīng)過編碼的音視頻流再被分為兩路，一路送入服務(wù)器端的本地硬盤存儲(chǔ)，另一路通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端。遠(yuǎn)程客戶端登入到服務(wù)器端，通過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的方式訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球，遠(yuǎn)程客戶端在內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的協(xié)助下通過UDP打洞的方式訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球^[6-7]。通過訪問網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球進(jìn)行云臺(tái)、智能球的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)果園的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1

高清監(jiān)控編碼技術(shù)。采用高清監(jiān)控編碼技術(shù)，數(shù)字化果園視頻的監(jiān)控離不開視頻信號(hào)的壓縮編碼，流媒體信息源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，直接傳輸或存儲(chǔ)比較困難，需先進(jìn)行壓縮處理，以便于傳輸和存儲(chǔ)。該系統(tǒng)采用H.264 標(biāo)準(zhǔn)編解碼技術(shù)。

目前主流的高性能視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.264是由目前國(guó)際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有國(guó)際電聯(lián)（ITU-T）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）共同組建，它采用 H.264 壓縮算法壓縮比高，具有低碼率、高質(zhì)量視頻畫面、容錯(cuò)能力強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和硬盤存儲(chǔ)空間^[8]。

3.1.2

高清監(jiān)控傳輸技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信通道和通信協(xié)議的選擇對(duì)數(shù)字化果園視頻傳輸來說至關(guān)重要，常用的傳輸層協(xié)議有TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）、UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、RTP（Realtime Transport ?Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）、RTCP（Realtime Transport Control Protocol，實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議）等。TCP是一種面向連接的可靠的基于IP的傳輸層協(xié)議，提供確認(rèn)與超時(shí)重傳機(jī)制滑動(dòng)窗口機(jī)制等，但是這些機(jī)制增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷，不適合傳輸突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。UDP是一種無連接的傳輸層協(xié)議，注重?cái)?shù)據(jù)的傳遞速度，不提供數(shù)據(jù)傳送保證機(jī)制，具有資源消耗小，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1.3

Web server技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球內(nèi)置小型Web server服務(wù)器，可通過瀏覽器對(duì)其進(jìn)行控制。Web server的中文名稱叫網(wǎng)頁服務(wù)器，當(dāng)接收到一個(gè)請(qǐng)求，會(huì)返回一個(gè)HTTP響應(yīng)，主要功能是提供信息瀏覽服務(wù)。

3.2 ?系統(tǒng)的主要功能

系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)查看、檢索回放、系統(tǒng)管理、遠(yuǎn)程訪問等功能。實(shí)時(shí)查看：管理人員通過客戶端實(shí)時(shí)查看實(shí)時(shí)視頻，能夠?qū)崟r(shí)查看當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r和果園的蟲情情況。檢索回放：管理人員可以調(diào)取過去時(shí)段的錄像資料和抓圖場(chǎng)景。系統(tǒng)管理：管理人員可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球的配置，如定時(shí)任務(wù)設(shè)置，畫面質(zhì)量設(shè)置，用戶權(quán)限設(shè)置，巡航掃描設(shè)置。遠(yuǎn)程訪問：具有相應(yīng)訪問權(quán)限的操作人員，可通過客戶端軟件或Web頁面實(shí)現(xiàn)訪問實(shí)時(shí)畫面、獲取報(bào)表等功能^[9]。

4 系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

系統(tǒng)利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果園病蟲害的遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)^[10-11]。遠(yuǎn)程專家通過遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球進(jìn)行遠(yuǎn)程病蟲害診斷，同時(shí)也可以與基地種植人員進(jìn)行溝通。系統(tǒng)在果園安防和果樹生長(zhǎng)中得到驗(yàn)證，運(yùn)行情況良好。系統(tǒng)可以查看到果樹葉片上的蟲害。系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖3所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控江西千里山果園情景如圖4所示。

圖3 ?監(jiān)控中心

5 結(jié)語

該研究設(shè)計(jì)的數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字高

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控江西千里山果園情景

清監(jiān)控系統(tǒng)的工作模式，即網(wǎng)絡(luò)高清紅外智能球—接入交換機(jī)—千兆核心交換機(jī)—管理服務(wù)器—存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)字化果園視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模的視頻數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)、傳輸、分發(fā)和自動(dòng)處理，從而達(dá)到資源共享，為各層面的管理人員和決策者提供方便、快捷、高效、智能化的服務(wù)。該研究的創(chuàng)新點(diǎn)是：采用了H.264 壓縮算法，壓縮比高節(jié)省網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和硬盤存儲(chǔ)空間;通過UDP打洞及服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的互補(bǔ)方式，實(shí)現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)無限距離的視頻監(jiān)控;構(gòu)建了可遠(yuǎn)程交互的數(shù)字化果園系統(tǒng)，為基于數(shù)字化果園視頻監(jiān)控果樹病害蟲診斷系統(tǒng)的開發(fā)做了前期準(zhǔn)備工作。

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