智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

方志毅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十五研究所，北京 100000）

0 引 言

伴隨著信息技術(shù)、多媒體傳播技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)等的不斷進(jìn)步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在娛樂產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、政府行政機(jī)關(guān)和教育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用。智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為新一代的視頻監(jiān)控專網(wǎng)安全解決方案產(chǎn)品，能夠配合視頻監(jiān)控管理平臺(tái)及業(yè)務(wù)審計(jì)系統(tǒng)，形成一個(gè)相對(duì)完整且簡(jiǎn)單有效的視頻專網(wǎng)安全解決方案，這樣不僅具備了傳統(tǒng)電視視頻監(jiān)控的基本功能，更在全開放式的平臺(tái)上搭建了性能良好的數(shù)字化操作系統(tǒng)，具有高效的接入和輸出功能，能夠使用戶快捷高效地安裝和卸載軟件，獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。用戶可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看、控制、歷史回放或下載，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控區(qū)域視頻監(jiān)視系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化。

1 智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

無人化、自動(dòng)化和數(shù)字化是智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，亦是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與升級(jí)改造的核心。通過汲取國(guó)內(nèi)外智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)[1]，本文對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括視頻采集模塊、視頻編碼模塊、數(shù)據(jù)打包模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、視頻解碼模塊以及視頻播放模塊等模塊[2]。在功能實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)字一體化的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和數(shù)字信息處理平臺(tái)是保障系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的核心。一體化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄娨曇曨l監(jiān)控系統(tǒng)所覆蓋的節(jié)點(diǎn)范圍的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控分析和終端顯示，能夠通過可視化的遠(yuǎn)程界面，對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全過程的實(shí)時(shí)管理與控制，在客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）的底層架構(gòu)模式和即時(shí)通信技術(shù)條件下，將數(shù)據(jù)參數(shù)信息借助分布式結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式和模塊化提取方式，傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的中心處理平臺(tái)，允許多級(jí)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交流和資源共享，以Windows操作系統(tǒng)為設(shè)計(jì)的底層架構(gòu)模式，通過前端信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)互通，進(jìn)而借助通信模式無縫銜接云數(shù)據(jù)[3]。在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)模式中，新建的數(shù)據(jù)共享池采取了Mysql的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，能夠通過對(duì)參數(shù)信息保存、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)提取或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全過程管理的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理，便于日后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查閱；可通過語(yǔ)音通報(bào)或短信通報(bào)等方式及時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)平臺(tái)的相關(guān)故障信息，使平臺(tái)能夠針對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)置，配置數(shù)據(jù)用戶文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的高度共享和查詢記錄等高效率管控。

2 智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)

智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)采取C/S架構(gòu)，主要包括視頻監(jiān)控采集終端、視頻服務(wù)器和智能電視客戶端三部分[4]。在整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控的采集端部分主要是通過傳感器、攝像頭采集數(shù)據(jù)視頻信號(hào)，并將其傳輸給視頻服務(wù)器中心。服務(wù)器中心按照一定的編碼標(biāo)準(zhǔn)，將視頻圖像數(shù)據(jù)信息壓縮為一定規(guī)格的網(wǎng)格圖像形式，從而提高傳輸效率；并利用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）將數(shù)據(jù)傳遞到視頻監(jiān)控客戶端。客戶端接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)流后，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼和播放。客戶端還能進(jìn)一步根據(jù)終端客戶的不同需求，向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)指令，進(jìn)而控制云計(jì)算平臺(tái)和其他基本操作步驟。其整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 視頻采集及編碼的設(shè)計(jì)

智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集及編碼設(shè)計(jì)，主要是采用攝像頭，借助攝像頭內(nèi)部的集成系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換器和芯片等，在較高分辨率和編碼率的前提下采集數(shù)據(jù)信息[5]。視頻采集程序主要采取映射方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式下的直接讀取，能夠?qū)⒁酝O(shè)備中的相關(guān)文件直接映射到視頻監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)存模塊中，使系統(tǒng)能夠像訪問其他普通內(nèi)存文件一樣訪問數(shù)據(jù)信息，加快對(duì)視頻參數(shù)的讀取速度。在采集視頻之前，首先要通過攝像頭等傳感器設(shè)備獲取數(shù)據(jù)信息和圖像信息，在設(shè)置好窗口、圖像等參數(shù)的前提下獲得最終的數(shù)據(jù)流。整個(gè)采集流程如圖3所示。

圖3 采集流程圖

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用了內(nèi)部集成的多媒體解碼編碼模塊，對(duì)數(shù)據(jù)視頻、數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，既能夠保留原始視頻的高清分辨率和其他優(yōu)勢(shì)，又能夠在較低的碼率和網(wǎng)絡(luò)條件下提高容錯(cuò)能力[6]。在此過程中，網(wǎng)絡(luò)提取層主要負(fù)責(zé)在整個(gè)智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包和傳輸，其中的視頻編碼層主要負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壓縮編碼，從而在結(jié)構(gòu)分層的條件下對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝和控制，借助不同類型的冗余結(jié)構(gòu)達(dá)到高效的數(shù)據(jù)壓縮比率，生成具備更高質(zhì)量的圖形，進(jìn)而在較低的碼率壓縮比率下得到更高的視頻編碼規(guī)格。最后，智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高性能特點(diǎn)和較高傳輸效率，能夠使視頻解碼和編碼快速流通，進(jìn)而對(duì)多種格式的多媒體影像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行高效率的編碼和解碼。

4 視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)

智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸模塊設(shè)計(jì)，主要是基于RTP的視頻流進(jìn)行傳輸控制。在此過程中，RTP主要是根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)時(shí)協(xié)議，在一對(duì)一或一對(duì)多的情況下進(jìn)行傳輸。RTP協(xié)議還能夠支持實(shí)時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)信息的時(shí)間戳、序列號(hào)及源頭標(biāo)識(shí)等。由于該協(xié)議建立在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）形式上，能夠借助UDP的不同層次傳輸數(shù)據(jù)。而該結(jié)構(gòu)形式是參考模型中的無連接傳輸層協(xié)議，實(shí)際所提供的各項(xiàng)服務(wù)具有簡(jiǎn)單且不可靠的特點(diǎn)，因此，RTP協(xié)議本身并不具備較為可靠的傳輸機(jī)制，在傳輸過程中，流量控制和擁堵控制主要由RTP 控制協(xié)議（RTP Control Protocol，RTCP）協(xié)議所提供。在此條件下，RTP控制協(xié)議能夠大幅度提高管理數(shù)據(jù)信息的傳遞質(zhì)量。本文所提出的智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)就有效應(yīng)用了這一協(xié)議，保障了數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性和可靠性。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)編碼視頻、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)信息報(bào)頭的設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)分為不同的數(shù)據(jù)包，進(jìn)而通過無線網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)在局域網(wǎng)中進(jìn)行高效率傳輸。圖4為視頻封裝格式示意。客戶端接收到數(shù)據(jù)包后，能夠按照相反的順序?qū)TCP數(shù)據(jù)報(bào)頭和數(shù)據(jù)視頻流進(jìn)行參數(shù)提取，根據(jù)時(shí)間戳和數(shù)據(jù)序列號(hào)等參數(shù)信息，將其置入客戶端緩存的解碼器進(jìn)行解碼后輸出。同時(shí)，客戶端也能夠根據(jù)報(bào)頭數(shù)據(jù)信息參數(shù)的周期性返回，在整個(gè)傳輸過程中了解數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化情況，以保證數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性。

圖4 視頻封裝格式示意

5 客戶端設(shè)計(jì)

智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端設(shè)計(jì)，主要以智能電視作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的終端設(shè)備。目前，絕大部分智能電視實(shí)際采用的系統(tǒng)為安卓系統(tǒng)。本文以長(zhǎng)虹智能電視搭載安卓2.2平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)核心功能和擴(kuò)展功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)應(yīng)用內(nèi)容如圖5所示。開發(fā)本系統(tǒng)監(jiān)控軟件客戶端的過程主要基于Windows 7系統(tǒng)，程序開發(fā)環(huán)境包括各式各樣的插件和模擬器，包含了對(duì)數(shù)據(jù)包的解碼和數(shù)據(jù)視頻顯示等內(nèi)容。以視頻顯示為例，在采用Surface view時(shí)間顯示視頻過程中，由于該軟件是基于view視圖進(jìn)行拓展的視圖類別，因此能夠在全新的線程運(yùn)行過程中，通過不斷重新繪制畫面來實(shí)現(xiàn)視頻的展示過程，以此避免主線程不斷更新而導(dǎo)致的延時(shí)過長(zhǎng)或是信息度辨別不高造成的主線程堵塞和畫面卡頓等現(xiàn)象。

圖5 應(yīng)用示意圖

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及云計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)的深度應(yīng)用，智能電視監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足人們的個(gè)性化監(jiān)控需求。本文在探討智能電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、基本架構(gòu)特點(diǎn)、視頻采集設(shè)計(jì)、編碼設(shè)計(jì)、視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)以及客戶端設(shè)計(jì)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)橹悄茈娨曇曨l監(jiān)控系統(tǒng)未來應(yīng)用范圍的不斷拓寬帶來更多思路和啟迪。