（控制理论与控制工程专业论文）工业过程多媒体监控系统软件的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 工业过程多媒体监控系统软件的研究与开发 摘要 工业过程多媒体监控系统是将工业过程监控技术与多媒体技术、数据压缩技术、 网络通信技术相结合，对传统监控系统进行改进提高而产生的一种新的高技术产品。 本文综述了国内外多媒体监控系统的现状，对监控系统的历史和发展情况进行了全 面、系统的阐述。工业过程多媒体监控系统在许多技术环节上实现了重大创新，代 表了监控系统的发展方向，在工业生产等不同领域，具有巨大的应用价值和良好的 应用前景。 根据国内工业企业对于工业过程多媒体监控系统的应用需求，对工业过程多媒 体监控系统的构成，以及系统的软、硬件设计原则作了比较详尽的论述，对监控系 统数据的压缩方法和标准的选择做了阐述。并结合酒钢“生产过程多媒体监控网络 系统”的实际要求，对工业过程多媒体监控系统的硬件平台和软件功能模块，进行 了总体设计。 在此基础上，采用m p e g 1 硬件压缩解压缩监控卡s d k 二次开发，w i n s o c k 编 程，d i r e c t s h o w 编程等软件开发技术和编程方法，开发了多媒体监控软件，实现了 工业过程信息的录制、回放和传输等功能。 经过反复实验和运行，系统的设计方案和软件丌发方法得到了验证，工业过程 多媒体监控系统的优势得到了充分体现。系统的研究结果已在酒钢集团公司、山西 铝厂的企业信息化建设中得到了应用。 关键词多媒体、监控系统、图像压缩、图像传输、w i n s o c k 编程、d i r e c t s h o w 编 程 东北大学硕士学位论丈a b s t r a c t so f t w a r er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h e m u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m f o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e s a b s t r a c t m u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e si st h en e w h i g h t e c h n o l o g yp r o d u c t i st h er e s u l to fi m p r o v e m e n to ft h et r a d i t i o n a ls u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o ls y s t e mb ym u l t i m e d i at e c h n o l o g y , d a t ac o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h es u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g y s a r t i c l eg i v e sao v e r v i e wo ft h es t a t eo ft h ea r to fm u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o l s y s t e m ，p r o v i d e s ac o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r ya n d d e v e l o p m e n to f t h em u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m m u l t i m e d i as u r v e i l l a n c e a n dc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lp r o c e s s e sr e a l i z e sal o to fi m p o r t a n ti n n o v a t i o n si n t e c h n o l o g yd e t a i l s ，a n dr e p r e s e n t st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fs u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o ls y s t e m ，i tw o u l db eo ft r e m e n d o u sv a l u ea n do f f e r sg o o dp r o s p e c ti nan u m b e ro f a p p l i c a t i o nf i e l d s a 血ud i s c u s s i o no ft h ef r a m e w o r ko ft l l em u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc e n t r e l s y s t e mf o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e sa n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h es y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r eg i v e na n dt h es e l e c t i o no ft h em e t h o d sa n ds t a n d a r d so nt h ed a t a c o m p r e s s i o no fs u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mi si l l u s t r a t e db a s e do nt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n to ft h en a t i o n a li n d u s t r i a le n t e r p r i s e o i lt h em u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n d c o n t r 0 1s y s t e m c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n to f m u l t i m e d i as u r v e i l l a n c en e t w o r k s y s t e mo ni n d u s t r i a lp r o c e s s e s ”o f j i u g a n gs t e e lg r o u pc o r p o r a t i o n ，t h eo v e r a l ld e s i g no f h a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l ei sg i v e n b a s e do nt h es y s t e md e s i g n ，s o f t , r a r ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u e sa n dp r o g r a m m i n g s k i l l s ，s u c ha ss e c o n dd e v e l o p m e n tm e t h o do ft h eh a r d w a r ec o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o n c a r dw i t hs d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) ，w i n s o c kp r o g r a m m i n ga n dd i r e c t s h o w p r o g r a m m i n gi sa p p l i e dt ot h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h em u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o ls y s t e m r e c o r d i n g ，p l a y i n gb a c ka n dt r a n s m i m n go ft h em u l t i m e d i ad a t af o r 东北大学硕士学位论文a b s t r a e t i n d u s t r i a lp r o c e s s e si sr e a l i z e db yt h es y s t e m a f t e rm a n ye x p e r i m e n t a t i o n sa n dt e s t s ，t h ep r o j e c td e s i g ns c e n a r i oa n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tf o rt h es y s t e mh a sb e e np r o v e da n dt h ea d v a n t a g eo ft h ep r o p o s e d m u l t i m e d i as u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e si sf u l l yd e m o n s t r a t e d t 而er e s u l to f t h er e s e a r c hh a sb e e na p p u e di nt h ei n s t a l l a t i o no f t h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n s y s t e mo f t h ej i u g a n gs t e e lg r o u pc o r p o r a t i o na n ds h a n x ia l u m i n u mf a c t o r y k e yw o r d sm u l t i m e d i a , s u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m ，v i d e oc o m p r e s s i o n ，v i d e o t r a n s m i s s i o n ，w i n s o c k ，d i r e c t s h o w i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳勿挲 f i期：2od5 ，；，l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：2 口6 5 才匆军 ；、f 导师签名 签字日期 东北大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 工业过程多媒体监控系统是在c c t v ( c l o s e dc i r c u i tt e l e v i s i o n ，闭路电视) 监 控技术的基础上，吸收近些年来逐步成熟的计算机多媒体技术、数据压缩技术、数 字存储技术和网络通信技术的研究成果，而发展起来的新一代多媒体网络监控系统， 是传统c c t v 监控报警系统的升级换代。它不但具备传统监控系统的全部功能，还 充分发挥数字化多媒体网络优势，实现了基于t c p i p 通信协议的电话线( p s t n 、 d d n 、i s d n ) 、局域网( l a n ) 等多种信道条件下的本地及远程实时声音、i 虱像的 监视、录制、查询、回放和传输，云台镜头p t z ( p a nt i l tz o o m ) 控制，报警输入、 输出等多种功能。它使监控系统的服务功能得到扩展和加强，服务范日得以扩大， 系统建设和维护成本降低，适应当前工厂企业、政府机关加强信息化建设的形势。 该系统不但在工业企业得到广泛应用，还将在安防、保卫、现代化智能小区、交通、 银行等行业和领域发挥重要作用。下面简要介绍监控系统发展的历史。 1 1 监控系统发展的历史 监控系统的发展大致经历了传统c c t v 监控和现代多媒体监控两个时代。 1 1 1 传统c c t v 监控系统 传统c c t v 监控系统是随着电视和摄像机的出现发展壮大起来的。在这短短几 十年的发展历程中，经历如下几个发展阶段【3 9 】： ( 1 ) 一对一监视系统 最早期的监控产品，多以摄像机与监视器( 电视) 一对一监视系统为主，连接 方式是靠视频电缆一对一直接相连，有多少台摄像机就有多少台监视器，是c c t v 监控系统发展的最初阶段。 ( 2 ) 切换控制电路系统 一对一监视模式，一台摄像机就要配置一台监视器，对监视器是一种浪费，因 而逐渐出现了视频矩阵切换器，对多路视频信号进行切换显示，来弥补这一不足。 而随着监视范围进一步扩大的需要，逐步引入了云台、多可变镜头，必然导致控制 器的出现。此时的切换控制电路系统因受技术的限制，只是简单的硬件电路组合， 东北大学硕士学位论文 第一章前言 视频切换和控制是独立的，控制多是采用多路开关，配合多芯电缆一对一直接连接 的线控方式，有效传输距离短，布线复杂，操作繁琐，难以实现中心控制。监摔系 统容量小，扩展困难，不能实现区域联网。 ( 3 ) 微处理器监控系统 二十世纪七、八十年代，微处理器进一步普及和发展，监控系统将切换和控制 合二为一，是一个不小的进步。但随着时代的变迁，这一微处理器监控系统也逐渐 落伍。因采用非标系统，受单片机( 8 位，1 6 位芯片) 的限制，系统容量及运行速 度有限，体积大；无对话式屏幕菜单，缺乏良好的人机交互界面，操作步骤复杂， 联动控制方式一旦确定难以修改，系统分控采用专用通讯方式，无法与标准计算机 联网，兼容性差，系统升级困难。 1 1 2 现代多媒体监控系统 进入二十世纪九十年代后，多媒体计算机技术逐步成熟，现代多媒体监控系统 随之产生，它建立在多媒体计算机的硬件基础上，以此为核心，采用国际上最先进 的3 c ( 控制c o n t r o l ，通讯c o m m u n i c a t i o n ，计算机c o m p e e r ) 技术，将多元化的 事务模块化、网络化、智能化，形成一个统一的有机整体，监控系统进入了一个崭 新的时代，但也经历了两个发展阶段： ( 1 ) 外挂多媒体的监控系统 3 1 ) , 3 1 】 九十年代初，伴随着计算机多媒体技术的出现及发展，人们慢慢地从简单的计 算机编译和控制方式，向计算机多媒体化过渡，将现场的视频信号传输进来，通过 视频捕捉卡采集到计算机，利用高解析度的计算机显示器显示。但是，控制及切换 主机仍为传统单片机主机，只是通过串口与计算机相连，完成简单控制工作，这一 模式我们称之为外挂多媒体的监控系统。尽管它有较为良好的人机界面，但还不能 称其为真正的多媒体系统，其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机，而 是基于传统微处理器监控模式，只是被动地在原有基础上加以改进，在大部分时间 罩，计算机只是充当一个外部监视器，并没有发挥其真m 的系统核心的作用。并且， 传统微处理器监控系统所固有的弊病并没有克服，通讯协议的多样化及专用化，很 难统一，导致已有的计算机资源远远地满足不了多种设备的需求。在联动连接方式 上仍然只是线缆的组合，无法真正意义上地实现计算机智能化管理。 ( 2 ) 真正意义上的多媒体监控系统 真正意义上的多媒体监控系统就是完全基于计算机，以计算机为核心，结合监 控系统的实际要求及多年来不断完善的监控理论和经验，建立一套软硬件相互结合， 崭新、完整的监控体系。其特点在于优化内部结构，减少不必要的环节，提高整体 一2 一 东北大学硕士学位论之 第一章前言 视频切换和控制是独立的，控制多是采用多路丌关，配合多芯电缆一对一直接连接 的线控方式，有效传输距离短，布线复杂，操作繁琐，难以实现中心控制。嗡摔系 统容量小，扩展困难，不能实现区域联网。 ( 3 ) 微处理器监控系统 二十世纪七、八十年代，微处理器进一步普及和发展监控系统将切换和控制 台二为一，是一个不小的进步。但随着时代的变迁，这微处理器监控系统也逐渐 落伍。因采用非标系统，受单片机( 8 位，1 6 位芯片) 的限制。系统容量及运行速 度有限，体积大；无对话式屏幕菜单，缺乏良好的人机交互界面，操作步骤复杂， 联动控制方式一旦确定难以修改，系统分控采用专用通讯方式无法与标准计算机 联嘲，兼容性差，系统升级困难。 1 1 2 现代多媒体监控系统 进入二十世纪九十年代后，多媒体计算机技术逐步成熟，现代多媒体监控系统 随之产生，它建立在多媒体计算机的硬件基础上，以此为核心，采用国际上虽先进 的3 c ( 控制c o n t r o l ，通讯c o m m u n i c a t i o n ，计算机c o m p u t e r ) 技术，将多元化的 事务模块化、网络化、智能化，形成一个统一的有机整体，监控系统进入了一个崭 新的时代，但也经历了两个发展阶段： t1 ) 外挂多媒体的监控系统p q ”1 九十年代初，伴随着计算机多媒体技术的出现及发展，人们慢慢地从简单的计 算机编译和控制方式，向计算机多媒体化过渡，将现场的视频信号传输进来，通过 视频捕捉昔采集到计算机，利用高解析度的计算机显示器鼹示。但是，控制及切换 主机仍为传统单片机主机，只是通过串口与计算机相连，完成简单控制工作这 模式我们称之为外挂多媒体的监控系统。尽管它有较为良好的人机界面，但还不能 称其为真正的多媒体系统，其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机， 是基r 传统微处理器监控模式，只是被动地在原有基础上加以改进，在大部分时闸 罩，计算机只是充当一个外部监视器，并没有发挥其真正的系统核心的作用。并且， 传统微处理器监拄系统所固有的弊病并没有克服，通讯协议的多样化及专用化，很 难统，导致已有的计算机资源远远地满足不了多种设备的需求。在联动连接方式 上仍然只是线缆的组合，无法真正意义上地实现计算机智能化管理。 ( 2 ) 真正意义上的多媒体监控系统 真正意义上的多媒体监控系统就是完全基于计算机，以计算机为核心，结合监 控系统的实际要求及多年来不断完善的监控理论和经验，建立一套软硬件相互结合， 崭新、完整的监控体系。其特点在于优化内部结构，减少不必要的环节，提高整体 崭新、完整的监控体系。其特点在于优化内部结构，减少不必要的环节，提高摧体 一2 东北大学硕士学位论文 第一章前言 性能和响应速度，满足新技术不断发展的需要弘1 4 ，2 0 ，2 3 。2 5 2 7 蕊，3 8 ，”1 。 真正意义上的多媒体监控系统平台集中体现在多媒体监控系统音视频的数字 化、系统的网络化、应用的多媒体化、管理的智能化和合作的专业化。这也是衡量 多媒体监控系统是否能成为真正意义上的多媒体监控系统的唯一标准，具体要求如 下： ( a ) 音视频的数字化 1 是否能实现活动多画面视窗，完成多画面任意分割，静态图像抓拍、存盘及 音视频捕捉： 2 是否能实现长时间大容量多通道硬盘录像，完成已录制图像的单路、多路检索、 回放； 3 是否能实现多路视频报警，动态跟踪，图像识别，并能适应不同现场环境和 工作条件： 4 是否能支持多种音、视频压缩算法、压缩标准，满足用户各种需要； 5 是否能充分利用计算机资源，做到单机实时多任务，合理地处理好多种音视 频数字化流、控制数据流，提高系统稳定性，不会造成程序出错、系统崩溃乃至死 机等现象； ( b ) 系统的网络化 1 是否同时支持多种通讯协议，如t c p 1 p ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，完成与传统监控系 统的无缝连接； 2 是否支持多种传输信道，如电话线p s t n ，i s d n ，d d n 专线，光纤，微波， 无线扩频等，支持全带宽信道3 3 6 k - - 1 0 0 m b p s ； 3 是否能实现基于l a n w a n 基础上的视频监控，视频会议，视频广播； 4 是否能实现单机多分控，多机多主控、多机多分控等多种监控模式，完成点 对点，一点对多点，多点对多点的任意网络监控组合： 5 是否能设置本地系统及网络间不同级别的安全权限，建立多级网络架构及安 全机制，满足复杂大型网络监控的需求； 6 。是否是建立在标准网络平台上的系统，在系统实旌时，不需要重新建设网络 平台，充分利用现有网络资源，发挥最大效益； ( c ) 应用的多媒体化 1 是否具备拟人化设计，良好的图形界面，方便快捷的人机对话功能，使操作 变得更简单，更灵活： 2 是否具备虚拟现实技术，形象逼真的人工智能报警布防图，将各种监控要素 生动活泼地表现出来； 3 是否能结合监控领域具体情况完成文字，声音，图像交互式多媒体应用； ( d ) 管理的智能化 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章前言 1 是否通过以计算机为核心，将与监控相关的要素关联起来，将监控系统提升 到管理的高度，实现企业管理的智能化； 2 系统软硬件设计是否符合国际标准，模块化强，便于扩展，方便维护，能否 根据对监控系统需求的多样性，提供满足用户要求的多种选择方案； 3 系统是否能自动跟踪记录在监控过程中发生的一切信息，将这些信息存储起 来，统计分类，定时完成打印输出工作，实现监控信息的自动化管理； 4 监控系统是否具备极高的稳定性，抗干扰、防破坏能力，同时要求系统自身 具备极强的免疫特性，灾难性恢复功能，自我检查，自我维护，保证用户的讵常使 用； 5 是否能针对不同用户的多种要求，量身定制，建立各具特色的使用方案，操 作方便，简单易学，构成真正意义上的面向用户的多媒体监控系统。 表1 1 为传统c c t v 监控和现代多媒体监控系统之间的全面比较，从中可以看 出现代多媒体监控系统在技术先进性、应用广泛性方面的巨大优势。 表1 1传统c c t v 监控和现代多媒体监控系统比较 对比内容现代多媒体监控系统传统c c t v 监控系统 系统配置 用计算机完成全部监控功能，设备简由监视器、录像机、视频转换器、画 洁，可靠性高 面分割器、矩阵控制器等组成。设 备繁琐，可靠性低 系统安装只需在计算机上安装软、硬件系统，需耍安装调试以上许多设备 再连接摄像机即可 工程费用平均一个点五千元以下 平均一个点一万元左右 操作 友好的用户界面，只需要对计算机进要经过很多培i j l i 才可操作众多的电 行简单操作器设备 管理可实现无人值守 需多人值守 传输可以在任何网络上传输 无法进行网络传输 l a n ，p s l n ，l s d n ，d d n x d s l i n t e r n e t ，n 4 t r a n e t ，v p n 录制方式多种录制方式：定时录制、按时间表单一机械录制方式 录制、报警触发录制等 录制内容有情况录，无情况则不录录制大量无用信息定时更换录像带 存储介质大容量硬盘自动循环存储 定时更换录像带 介质管理光盘或磁带永久保存 录像带使用及耗费巨大 图像质每可达到6 4 0 4 8 0 分辨率，2 4 位真彩色扫描线分辨率3 0 0 线 效果 检索多级随机检索，可根据文件类型、发无目标地顺序查找录像带 生时间：年月日时分秒及摄像机编号 等快速找到所需的图像信息 同放可以单帧、连续、快速、慢速回放录像带顺序回放 编辑可对每一帧画面进行各种处理：摄人不能修复、打印、编辑 程度还原打印等 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章前言 访问记录自动记录所有访问系统的人、时间及 没有任何日志 报警事件 报警系统自动报警设置，可接入多路报警信号 只能手动录制报警后内容 输入，多路控制信号输出 系统升级只需更换软件或少部分硬件 要更换重要的设备 1 2 多媒体监控系统 1 2 1 多媒体监控系统的主要特点 多媒体监控系统主要的特点包括： 1 安全性较高。进入系统时需首先输入用户标识名i d 和密码，经过验证正确后 才能完成登录。可以设置系统运行日期和时间段，在使用者离开时，还可以锁定键 盘。有的系统还具有多层安全保密结构。 2 ，显示方式灵活。可同时输入多台摄像机的图像，一般多为4 、8 、1 6 台，最多 达到3 2 台。既可以多画面分割显示方式同时显示输入摄像机的图像，也能够对输入 的摄像机图像进行选择，例如可从1 6 路摄像机的输入图像中任选一路在屏幕上作单 一画面动态显示，也可在一个屏幕上同时显示4 台、9 台或1 6 台摄像机的图像。 3 录制方便。能以硬盘作为存储设备对所有输入的视频图像及声音依次序作 m o t i o l 3 j p e g 、m p e g 一1 或其它方式压缩处理，然后将其记录在硬盘上。由于它采用 分时复用技术，因此能够实现以一台硬盘来记录1 6 个同时产生的视频信号。硬盘容 量最大可达4 0 7 6 g b ，依据被摄图像运动部分的比例不同，每1 g b 容量可存储2 5 小时的图像。必要时还可以用磁带机等大容量存储设备作备份存档。以硬盘对所有 输入图像作数字化存储录制，因具备视频压缩、数字化硬盘存储及视频解压缩功能， 故可以完整地记录下摄像机的高清晰度画面，而且图像回放时也能达到极高的清晰 度。 4 配置灵活。有的系统可对系统的总资源进行动态分配，即在系统总资源数量 额定不变的情况下，每路图像可以有不同的采集速率，如每路5 、l o 、1 5 、2 5 帧 秒；每台摄像机的图像清晰度也可进行选择，如7 0 4 x 5 7 6 、3 5 2 x 2 8 8 、1 7 6 x 1 4 4 像素 等不同档次；对每台摄像机的图像压缩比率也可作选择，有低质量图像( 4 0 ：1 ) 、 中等质量图像( 3 0 ：1 ) 、中高质量图像( 2 0 ：1 ) 、高质量图像( 1 0 ：1 ) 。 5 回放方便。图像的回放速率和显示方式选择机动灵活，系统可以按日期、时 间、图像号码、摄像机号、报警事件序号等为索引，对硬磁盘记录的图像快速进行 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章前言 检索和查找，并通过屏幕菜单、按钮等方式方便地进行操作。 6 具备移动侦测功能。对每台摄像机输入的图像，可定义图像的视频移动探测 报警区域。当监视图像发生变化时产生报警。还有多路常规报警输入，在所接传感 器发生报警时，有的系统可自动记录发生报警前几秒至发生报警后一段时问内的视 频图像，从而能捕获并完整地记录下每一个报警事件。有的系统在发生报警时，不 仅可显示对应报警发生处摄像机的图像，还能使该摄像机的云台运动到预先指定的 位置。 7 。便于事故处理。对录制的报警事件，除了回放时可根据事件、时间或摄像机 号快速检索到指定的文件外，有的系统还允许回放时对图像作二倍的放大观察及平 滑等图像处理功能，并且可以调整图像的色彩、对比度、亮度、饱和度，从而有助 于检查生产过程中人员、设备的活动，识别交通路口的人物、车牌等细节，监视小 区、车站、银行、商场、超市等公共场所的人员流动、异常情况。 8 控制灵活。可以对任何一路监视点的云台进行控制，包括云台的上下左右移 动、旋转，变焦镜头的调节，云台和变焦镜头的预置位置等。 9 远程传输。系统监视点的图像可通过p s t n 、i s d n 线路或者局域网l a n 做 远距离传送。 1 2 2国内外典型多媒体监控系统 ( 1 ) 基于计算机的数码录像机( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ，d v r ) a ，欧美国家的产品 美国s e n s o r m a t i c 公司的i n t e l l e x “三工”型数码录像管理系统开创了d v r 系统 的先河，此外代表性的产品还有英国d m ( d e d i c a t e dm i c r o s ) 公司的u n i c o r d 多画 面数字信号存储主机、加拿大公司的a d r 系列等。 欧美产品的特点是产品的稳定性好，图像采集速率并不高，有的1 6 路输入系统 的总资源仅有2 5 帧，一般最高也仅为1 0 0 帧左右，价格偏高。美国j a m si n t e r n a t i o n a l c o r p 公司产品p r o d v r ，性能指标如下： p r o d v r 8 0 0 0p r o d v r 8 0 0 0p r o d v r 8 0 0 0 同时输入视频路数3 2 路摄像机2 4 路摄像机1 6 路摄像机 同时录像路数8 路( c i f q c i f ) 6 路4 路 音频输入输出1 路录音r c a 连接，1 路音频输出 显示输出 主显示器( p c v g a 显示器) 和t v 监控输出 显示速度2 5 帧秒每路，不丢帧 录像速度 在允许的同时录像路数内，录像速度为2 5 场秒每路 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章前言 回放速度 在允许的同时回放路数内，回放速度为2 5 场秒每路 分辨率1 0 2 4 x 7 6 8 ，6 4 0 x 4 8 0 ，6 4 0 2 4 0 ，3 2 0 x 2 4 0 ，1 6 0 x 1 2 0 影像压缩方式采用多层动态m j p e g 、j p e g 和专有的压缩方式，每副图片小于 1 5 k b 录像时间采用正常清晰度录制时( 2 5 帧秒) ，每g b 的硬盘容量可最大录 1 7 小时；采用高清晰度录制时( 2 5 帧秒) ，每g b 的硬盘容量可 最大录6 小时；采用略低丁正常清晰度录制时( 2 5 帧秒) 每g b 的硬盘容量可最人录3 4 小时 远程传输p s t n ：3 - 5 帧，i s d n ：5 - 1 0 帧，l a n ：超过3 0 帧秒 监视方式活动侦测、报警记录查洵 p t z 控制有 b 日本公司的代表产品 日本公司产品质地优良，价格昂贵。池川( i k e g a w a ) 公司的s n 一d v r l 6 0 被称为是“五工”型数字硬盘监控系统，即现场监视、硬盘录像、智能回放、远程 登录访问、资料备份这5 种功能可同时同步进行。有每秒5 0 场的独特录像方式。有 1 6 路视音频输入、5 路监视器输出，1 路音频输出，在一定范围内可替代视频矩阵 切换控制器，是d v r 中性能较全面的产品。 s n - d v r l 6 0 视频输入1 6 路摄像机 图像分辨率 7 2 0 x 4 8 4 音频输入输出1 6 路可选择播放录音，r c a 连接，8 k b i t s 数据压缩率，l 路音 频输出 影像输出1 路多画面，4 路现场定点监视 显示速度5 0 场秒 录像速度( 最人)5 0 场，秒，可单独设置每路摄像机的录像速度 回放 可同时录像和回放，速度为5 0 场，秒 硬盘容量内部可接4 个e i d e 型硬盘，外部可接1 5 个s c s i 型硬盘 影像压缩方式 w a v e l e t 格式可编程压缩 画面分割显示模式 1 、4 、9 、1 6 、1 + 1 2 、2 + 8 、p i p ( p i c t u r ei np i c t u r e ) 等 远群传输 p s t n 、i s d n 、l a n 监视方式移动侦测、报警记录查询 p t z 控制有，内置3 种控制协议，也可通过标准解码驱动器i r x 1 0 0 进 行控制 c 韩国公司的产品 韩国在d v r 方面不断有新产品推出，特别是在图像的采集速度和影像回放速 度上，均有上乘表现。韩国公司迎合中国用户对“实时”的误区，即要求每路都达 到每秒2 5 帧，但价格相对较便宜。技术主要集中在几家公司，如e a s t e r n i n f o c o m 、k o d i c o m 、l gi n t e r n a t i o n a l 、i d i s 公司等。 7 一 东北大学硕士学位论文 第一章前言 e a s t e r ni n f o c o m 公司的d r s 产品有3 0 1 6 ( 总资源每秒3 0 帧) 、6 0 1 6 ( 总 资源每秒6 0 帧) 、9 0 1 6 ( 总资源每秒9 0 帧) 、1 2 0 1 6 ( 总资源每秒1 2 0 帧) 等型号， 均可接4 路、8 路、1 6 路视频输入，采用的视频压缩技术每帧为3 1 0 k b i t 。该公司 产品技术较成熟，图像质量高，有的产品图像分辨率已达7 6 8 5 7 6 ，产品稳定性好， 而且带有音频通道，适用面宽广。 ( 2 ) 非p c 类硬盘录像机 传统的d v r 采用的是存储在硬磁盘中的w i n d o w s 操作系统，这种开放式的系 统有友好的图形用户接口g u i 等优点，但也存在如系统不稳定及可支持c p u 受到 限制等缺点。非p c 类硬盘录像机是不以p c 机为平台的专业化机，这样能避免因操 作系统原因引起的死机及存储图像混乱等现象。由硬件作压缩与解压缩，可以达到 实时录制和实时回放的要求。典型产品如下： a s o n y 公司的监控录像机h s r 1 p 监控录像机h s n 一1 p ，不仅将硬盘和d v 磁带相结合作为存储媒体，而且内置 多画面处理功能。该监控录像机内置的双工多画面处理功能，使之可独立地记录和 监视多达1 6 路摄像机输入，无须外接多画面处理器或切换器，监视模式灵活可选。 该监控录像机以硬盘作为最初的记录媒体，之后这些记录内容会按要求转移到第二 记录媒体d v 磁带。 b 美国g y y r 公司的视频管理系统d v m s d v m s 硬盘录像系统采用的操作系统q n x ，是来源于u n i x 并成功应用于核 反应堆控制的实时操作系统，杜绝了丢帧现象，保证了系统性能；采用w a v e l e t 压 缩方式，图像质量和压缩比要优于m j p e g ；具有音频记录和远程接入功能；与传统 的c c t v 设备能很好地兼容。 c 韩国s k g l o b a l 公司的产品 s kg l o b a l 公司产品采用能嵌入r o m 快闪存储器中的实时操作系统r t o s ， 最大优点是能够支持t i 公司的d s p 。 ( 3 ) 基于嵌入式w e b 服务器技术的网络视频监控系统“。 基于嵌入式w e b 服务器技术的网络视频监控系统主要的原理是：视频服务器内 置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄像机传送来的视频信号数 字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部数据总线传送到内置的w e b 服务器。网络上 用户可以直接用浏览器( 如i e 或n e t s c a p e n a v i g a t o r 等) 观看w e b 服务器上的摄像 机图像，授权用户还可以控制摄像机云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。 出于把视频压缩和w e b 功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太 网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，用 户也无需使用专用软件，仅用浏览器即可观看。 一8 一 东北大学硕士学位论文第一章前言 1 3 工业过程多媒体监控系统 工业过程多媒体监控系统是多媒体监控系统的一个重要组成部分，但由于主要 面向工业生产过程，又有着自身的突出特点。 1 3 1 工业过程多媒体监控系统的特点 ( 1 ) 实时性能要求高。工业生产大多数都是连续进行，这就给监控系统提出了 一个严格的要求，就是对生产过程中发生的异常情况，要及时做出反应，采取措施， 加以处理，并将有关情况记录下来，以各事后分析。工业过程多媒体监控系统应具 备报警输入、输出，视频动态侦测功能，将事故发生前后一段时间的图像、声音自 动记录下来，还要自动生成报警日志，提供给有关人员参考。 ( 2 ) 网络功能要求高。一般来说，冶金、采矿、石油、化工等工业企业的生产 作业区域比较分散，部分作业点距离厂区中心达几公里，甚至几十公里；作业环境 比较恶劣，而有些工作岗位必须进行监测，如果有人值守，将带来大量的人力、物 力、财力消耗，不利于企业降低生产成本，提高经济效益。工业过程多媒体监控系 统能在分散的作业区域设立自动监控点，将监控点的音视频信息通过光纤等传输网 络传至厂区的指挥控制中心等地，进行远程指挥、调度和控制，实现生产过程信息 的共享。这不但可以降低通讯、控制电缆的敷设、维护费用，还可以减少人员、通 讯设备的消耗。 ( 3 ) 记录质量要求高。现代化企业要想提高管理水平，创造更高的经济效益， 就要在质量上下功夫，具体来说，就是不断完善生产工艺，减少各种设备、生产事 故的发生。工业过程多媒体监控系统要将生产工艺过程、重要设备的运行情况完整 无误地记录f 来，提供给有关人员，进行分析判断，提出改进意见。这就要求监控 系统的录制准确完整，不能出现数据丢失现象，并包含录制的时间、地点、监测点 位置等相关信息，还要在此前提下，提高存储数据的压缩率，充分发挥数字存储设 备( 主要是硬磁盘) 的存储能力。 ( 4 ) 智能化要求高。工业生产的很多重要场合实现了无人值守，这就对监控系 统的智能判断、识别能力提出了很高的要求。工业过程多媒体监控系统应具备数据 分析、图像处理、图像识别能力，能根据预先设定的算法，对图像和监控数据进行 分析处理，智能预测，判断某些异常现象，提醒有关人员注意，避免事故的发生。 9 一 东北大学硕士学位论文 第一章前言 1 3 2 当前工业过程多媒体监控系统存在的问题 近些年来，多媒体监控系统的发展速度很快。但是，工业过程多媒体监控系统 由于其自身的特点，技术含量较高，受试验条件的制约和市场导向的影响，发展的 步伐并不是很快，迫切需要各方面的关注和重视，加大资金和科研投入力度，争取 在短时间内，在系统性能的提高和功能的完善上有一个较大的突破，上一个新台阶。 东北大学自动化研究中心针对流程工业监控系统的现状，适应监控系统的发展 趋势，在工业过程多媒体监控系统的研究上做了大量工作，取得了一些成果。研究 开发了国家八六三自动化技术领域c i m s 主题目标产品发展项目“d z 9 8 x 系列工 业过程多媒体监控系统”1 3 3 1 ，通过了国家鉴定。先后在辽宁省排山楼金矿、鞍钢小 型型材厂、沈阳采油厂、长春北郊污水处理厂进行实施，取得了很好的效果，积累 了系统开发方面的宝贵经验。但是，在项目的实施过程中，也发现了一些问题，需 要加以改进和提高i j 。 ( 1 ) 不能进行数据的实时压缩。系统的视频采集卡没有硬件压缩解压缩功能， 数据的录制只能不压缩或者采用软件压缩，也就无法完成数据的实时录制，无法对 生产过程的声音、图像进行记录。因为不能对声音、图像进行实时压缩，也就不适 合在网络上进行传输。 ( 2 ) 视频传输功能差。系统图像传输使用的是同轴电缆，传输g 巨离短，受干扰 影响大，当传输距离超过1 0 0 0 m 时，易产生图像失真，监控效果不好。而且无法传 输文字、监测过程数据、图形等多媒体信息。 ( 3 ) 无法实现信息共享。系统不具备网络功能，无法实现文字、图形、声音、 图像、监测过程数据等丰富的多媒体信息的共享与交互，无法实现声音、图像的远 程监视，无法实现云台、镜头的远程控制。 1 3 3 工业过程多媒体监控系统应用研究的意义和研究方向 工业过程多媒体监控系统除了满足工业企业对生产过程的实时监控的基本要求 外，还实现了网络传输、远程控制功能，实现了信息共享，有利于企业内部的事故 分析，生产决策；降低了生产运营成本，提高了工作效率；适应企业减员增效，向 管理要效益，提高市场竞争力的要求；为现代化工业企业与国际接轨，加快自身信 息化建设，实现现代管理制度，增强综合实力创造了条件，提供了保障。工业过程 多媒体监控系统的应用研究，对于现代化工业企业的建设和发展，综合实力的增强， 将起到积极的推动作用，具有重要的意义。 一1 0 东北大学硕士学位论文第一章前言 因此，我们有必要在现有工业过程多媒体监控系统的基础上，进一步扩展功能， 提高性能，满足工业企业对多媒体监控系统越来越高的要求；同时，适应不同需要， 拓宽多媒体监控系统的应用范围和领域，加快各行各业的信息化进程。具体研究方 向如下： 1 追求接近8 0 0 x 6 0 0 像素的高品质画厩，能够对每路的清晰度作动态分配。 2 除记录图像外，还有同步录音功能。录音功能已被越来越多的应用场合所要 求，当| ； ，在图像压缩与声音压缩还存在不完全同步的情况下，为实现图像与声音 的同步，采用m p e g 1 压缩方式，也不失为另一种途径。 3 为了充分利用硬盘资源，降低各种数据流单位时间的存储空间，在保证音视 频信息的基础上，提高数据存储压缩比是关键。可以考虑采用多种压缩算法，如最 新的w a v e l e t 小波、f r a e t a l 分形等压缩方法，m p e g 一4 等压缩标准，提高数据压缩比： 还可以采用动态侦测，即“动则录，不动则不录”的方法进行存储；此外，还可以 针对不同的现场情况，采取动态改变帧速率的策略，根据音视频变化率的大小，自 适应改变录制的帧速率。 4 硬