基于Darwin流媒體的水利智能視頻監控系統設計

賈鐳，黃林，陶青川

（1.重慶市水利信息中心，重慶 401147；2.四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

水資源和水安全問題嚴重影響國民經濟的發展，因此國家水利部門急切需要建立一套有效的水利視頻監控系統[1]。目前，水利監控系統主要為單點監測，無法集成并統一監測，不能對水利監測部門應對旱澇災害和水污染的治理起到很好的輔助作用；同時監測站點的監測信息不同，導致數據復雜，不利于數據的管理和展示；同時，現有的視頻監控系統無法與第三方系統進行信息共享和數據對接。

現如今，視頻監控系統[2]不斷演進和流媒體技術[3]逐漸成熟，使得結合流媒體的視頻監控系統在生產實踐中得到廣泛的運用，其代表技術如：Live555[4]和Dar?win Streaming Server[5]。同時，很多監控站點建設有攝像頭和逐漸完善的網絡通信設備，為系統開發提供了硬件條件。其次，目前許多學者做了大量水利圖像分析算法相關的研究工作[1,6-7]。

基于此，本文以Darwin流媒體為核心，集成水利智能算法，融合智能分析結果以及水文、水質等業務數據，構建了一套功能完善、交互簡潔的水利智能視頻監控系統。

1 系統設計目標

在保證足夠開放性，提供開放性接口，便于與第三方水利信息系統的通信，同時整個系統符合國家以及所在地的水利信息化相關標準下，完成頻、圖像、分析和監測數據的匯聚、管理、轉發以及融合展現，提供綜合數據服務。

軟件實際運行的環境的網絡結構如圖1所示，本系統基于該網絡結構，將系統劃分為三層：采集層、中心轉發層以及客戶端。各層功能如下：

（1）采集層：適配不同攝像機的接入標準；疊加水利監測數據、重編碼視頻數據、RTSP協議傳輸視頻并通過ONVIF標準進行傳輸和控制；前端設備、軟件工作狀態以及異常分析結果的采集和上報。

（2）中心轉發層：匯聚采集層視頻和上報結果；支持手動以及定時錄像并將視頻集中存儲于指定位置；提供上報結果查詢訪問以及視頻訪問功能；視頻資源管理，提供對視頻站點的添加、修改、刪除等功能；支持rtsp和hls等流媒體格式的媒體數據轉發功能。

（3）客戶端：支持PC和Web觀看視頻以及訪問分析結果功能。

圖1 系統網絡結構圖

系統的總體架構如圖2所示。

創業教育是學生創業的核心。Saadat et al.(2015)的研究提出并測試了一個綜合的、多視角的框架，將創業自我效能和個人動機認定為創業意愿的基本要素，以當地805名大學生為樣本，采用結構方程模型對數據進行分析，研究顯示自我效能感對創業意愿有顯著影響，結果表明從整體的角度來看，學生本人的意識在大學生創業中具有重要影響。Fayolle et al.(2015) 指出企業家精神可以教授和學習，強調了在開始某些實際行為之前，企業家教育所起的重要作用；在大學層面，創業教育希望能夠激發學生的創業意識。

圖2 總體架構圖

2 系統設計與實現

系統主要是為監測部門對防洪抗旱以及水資源污染治理，提供輔助決策。因此，系統交互性以及架構合理性是系統的價值的核心。下面分別介紹系統的三層架構。

2.1 采集層

采集層主要完成視頻采集、智能分析、業務數據的獲取等工作，包含前端信息接入代理軟件、前端系統工況監測、圖像壓縮服務以及智能分析模塊。采集層設開發的軟件部署如圖3所示。

視頻接入代理主要支持主流攝像機海康、大華、亞安等主流攝像機的接入，同時采用標準RTSP進行發布。其不同攝像機接入主要是基于廠家提供的SDK進行接入，采用開源流媒體解決方案Live555對其進行視頻發布。ONVIF代理接入主要職能是對發布的rtsp進行代理以便于對其進行跨域播放和云臺控制功能。智能分析模塊則是為降低算法與系統的耦合，以便于不同算法的接入與分析，同時將分析數據和第三方信息進行視頻融合，便于監測部門直觀的獲取相關監測信息。前端工況監測主要完成：前端運行軟件的監測，報警和心跳數據上報到中心轉發層，軟件更新以及接受水質等業務數據并分發給智能分析進行視頻融合。

圖3 采集層軟件部署圖

2.2 中心轉發層

流媒體服務、資源管理平臺、視頻壓縮服務、視頻集中存儲服務、實時信息管理服務、Web服務。資源管理平臺主要負責對資源的管理，例如設備的增刪改查，用戶鑒權等；視頻壓縮服務提供對視頻的轉碼，包含：分辨率、幀率以及碼流改變等功能；視頻集中存儲主要提供對視頻站點的定時錄像功能；實時信息管理服務主要提供匯聚前端上報異常情況、心跳收集以及將信息寫入數據庫等功能，流媒體服務主要完成視頻資源的匯聚，以及不同流媒體格式（rtsp和hls）的轉發功能；Web服務主要是提供對視頻、信息訪問功能。

如今，使用較多的流媒體技術主要為三種：Real NetWork公司的Real Media，微軟提供的Windows Me?dia，蘋果公司提供的Quick Time。

其三種流媒體系統對比表如表1所示。

表1 三種流媒體系統對比表

由上表知，QuickTime性能和跨平臺型遠優于其他兩種。Darwin流服務器完全基于QuickTime流服務器代碼開發的開源版本[8]，因此,系統采用Darwin流媒體服務器為核心搭建該系統。其Darwin流媒體服務器邏輯結構圖如圖4所示。

圖4 達爾文流媒體服務器邏輯結構圖

圖5 HLS模塊切割流程圖

Web Service開發采用gSOAP工具實現其服務端。gSoap是開放的C/C++源碼的SOAP/XML服務工具，提供了關于C/C++語言的SOAP實現[9]。通過gSOAP編譯來序列化或者反序列化C/C++的數據結構使得編寫Web服務大大簡化。其交互過程如圖6所示。

其Web Service為本系統客戶端以及其他水利信息化系統獲取設備信息和監測結果，實現本系統和其他系統的信息交換和數據對接。

2.3 客戶端

客戶端主要分為PC端和前端。主要是完成視頻和數據的展示功能。其客戶端流程如圖7所示。

圖6 Web Service交互圖

圖7 客戶端流程圖

3 系統運行結果

本系統主要采集站點為重慶市監控站點圖，數據采集層處理器為Intel Atom D525，內存為4GB，操作系統為32位XP；中心轉發層處理器為Intel Xeon CPU E5-1603 0@2.80Hz，內存為4.00GB，操作系統為64位Windows 10，開發環境Visual Studio 2015；Web端測試環境為IE12。

首先是采集層的視頻接入與輸出，圖8（a）前端攝像機是海康威視攝像機，圖8b）代理本地MP4格式的視頻文件并將其以RTSP格式轉發，圖8（c）代理圖8（a）中的RTSP流并將其以RTSP格式轉發，圖8（d）為將RTSP流用ONVIF方式進行代理，其中RTSP流測試工具采用VLC播放器，而ONVIF則采用標準的ONVIF客戶端ONVIF Device Manager。其支持格式如圖9所示。

圖8 采集層不同典型類型輸入源接入圖

圖9 支持設備類型

由圖8和圖9知，前端攝像機基本覆蓋市面上主流攝像頭的輸入，并按照標準RTSP和ONIF進行輸出。

監測算法將分析結果以及水文水質等業務信息與視頻集中展示，便于監控部門對監控站點直觀掌握其變化，同時便于數據的管理。系統集成的典型智能監測算法結果如圖10所示。

客戶端需要符合用戶的操作習慣和交互功能，同時清晰、快捷獲取站點信息，以提前決策，提高辦公效率。其PC端和Web端分別如圖11和圖12所示。

圖11 PC桌面端主要功能圖

圖12 Web主要界面

4 結語

該系統交互簡單，功能完善和強大，接口開放，耦合性低，便于快速擴容，同時整個系統符合國家以及所在地的水利信息化相關標準。目前，本系統只支持越線、入侵、物品損壞和拿放、水位測量以及漂浮檢測，有待于豐富，以滿足多種多樣的監控場景和應用需求。