（通信与信息系统专业论文）多协议云台模块设计及视频大纲技术研究应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的飞速发展和生活水平日益提高，人们对安防产品的需求也越来 越高。视频监控经历了模拟监控，模拟数字混合型监控以及网络数字视频监控 三个发展阶段。目前，网络视频监控系统被广泛应用于各种场合，成为金融、 交通、电力、公安、海关、国防、乃至住宅社区等领域安全防范监控的重要手 段。当前视频监控系统的发展迅猛，用于安防的一体化球机正在成倍的增加。 云台是球机中的重要设备，通过它来实现球机的转动以及对镜头的控制。然而 由于现在球机的种类繁多，对应的云台协议又各不相同，加上如今的网络视频 监控系统所支持的云台协议有限，造成了监控系统与云台设备的兼容性不强的 问题。另外，这些安装在城市各个角落的摄像头每天2 4 小时不停的产生监控视 频，这将是一个海量视频库，对它的检索和查看将会耗费大量的人力和时间。 本文充分分析了球机工作原理及云台控制协议并对视频大纲技术进行深入 的研究。在此基础上，针对上述网络视频监控系统中存在的问题作了如下工作： 1 设计并实现了一种支持多种云台协议的、可方便扩展的云台模块，改善了系统 和云台的兼容性。该云台模块将各种云台协议程序和串口程序在l i n u x 平台下编 译生成动态库文件，提供给上层应用函数调用。它为应用层的调用提供了与协 议无关的a p i 接口，真正实现云台功能模块化。方便应用层函数的调用及程序 员的开发和维护。2 设计了一种智能化的网络视频监控系统，将视频大纲技术 运用到网络视频监控系统中来，使得原始监控视频在保留其有效性的基础上得 到了很大的压缩，有效地解决了查看历史视频时的耗时问题。 本文设计的云台模块使得网络监控系统和云台设备间具有更好的兼容性， 并且可以实现网络监控系统对云台和镜头的各种控制，有一定的实用价值。另 外，本文设计的将视频大纲技术运用与视频监控系统的全新方案，对网络视频 监控系统的发展具有一定的参考价值。 关键词：视频监控；云台；视频大纲 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h er i s i n go ft h el i v i n gs t a n d a r d s ， p e o p l e sd e m a n do fs e c u r i t yg u a r dp r o d u c tb o o s t su p v i d e os u r v e i l l a n c eh a sg o n e t h r o u g ht h r e es t a g e s ：a n a l o gv i d e os u r v e i l l a n c e ，a n a l o g d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c ea n d n e t w o r kd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e n o w a d a y s ，n e t w o r ks u r v e i l l a n c eh a sb e e nw i d e l y u s e di ne v e r yo c c a s i o n ，b e c o m i n ga ni m p o r t a n tm e t h o df o rm o n i t o r i n gi ne c o n o m y , t r a f f i c ，e l e c t r i cp o w e r , p u b l i cs e c u r i t y , c u s t o m s ，d e f e n s e ，a n d e v e nr e s i d e n t i a l c o m m u n i t i e s v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y , a n dc a m e r a sf o r s u r v e i l l a n c ea r es h a r p l yi n c r e a s e d p t zd e v i c e ，w h i c hc a nr o t a t et h ec a m e r aa n d c o n t r o lt h ez o o m ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc a m e r a t h e r ea r eav a r i e t yo fc a m e r a si n t h em a r k e ta n de a c hc a m e r ah a sau n i q u ep r o t o c 0 1 h o w e v e r ，p t zp r o t o c o l s ，w h i c h s u p p o r tt h en e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c e ，a r el i m i t e dn o w a d a y s s oap r o b l e mh a s a r i s e nf o re q u i p m e n tc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h ep t zd e v i c ea n dn e t w o r kv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e m i na d d i t i o n ，am a s s i v ev i d e od a t a b a s e ，g e n e r a t e db yb i l l i o n so f t h ec a m e r aw i t h2 4h o u r sn o ns t o pw o r k i n gi ne v e r yc o r n e ro ft h ec i t y , w i l lc o s t p e o p l eal o to ft i m et os e a r c ha n dr e v i e w b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo ft h ec a m e r a , p t zc o n t r o lp r o t o c o l sa n dt h e r e s e a r c h e so nv i d e os y n o p s i s ，t w ot h i n g sh a v eb e e nd o w ni nt h i st h e s i st os o l v et h e s e p r o b l e m se x i s ti nt h en e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mn o w a d a y s f o ro n e t h i n g ，a p t zm o d u l eh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t op r o v i d es u p p o r t sf o raw i d er a n g e o fp t zp r o t o c o la n ds t r o n ge q u i p m e n tc o m p a t i b i l i t y t h i sm o d u l e ，c o m p o s e db yt h e p r o g r a mo fp t zp r o t o c o l sa n ds e r i a l ，w a sc o m p i l e dt ob ead y n a m i cl i b r a r yf i l e a tl a s t i nl i n u xp l a t f o r m d u rt ot h i sd y n a m i cl i b r a r yf i l e ，t h ea p ii n t e r f a c eh a v i n gn o t h i n gt o d ow i t ht h ep t zp r o t o c o l sw e r ep r o v i d e dt of a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o nc a l la n d t h ed e v e l o p m e n to rm a i n t e n a n c eo fp r o g r a m m e r s f o ra n o t h e rt h i n g ，am e t h o dt h a t b r i n g sv i d e os y n o p s i st e c h n o l o g yt on e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c eh a sb e e nd e s i g n e dt o r e d u c et h et i m ep e o p l ev i e wh i s t o r yv i d e o s t h r o u g ht h i sm e t h o d ，t h eo r i g i n a lv i d e o c o u l db ec o m p r e s s e di n t oas h o r tt i m em a i n t a i n i n gt h ev a l i d i t ya n dt h er e l i a b i l i t y i i 武汉理工大学硕士学位论文 t i m ew a sg r e a t l ys a v e d t h ep t zm o d u l ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i sc o u l di m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t y b e t w e e np t zd e v i c ea n dv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m t h r o u g hi t ，n e t w o r kv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mc o u l de a s i l yc o n t r o lt h ep t zd e v i s ea n dz o o m i th a ss o i t i eg o o d a p p l i e dv a l u e b e s i d e s ，t h en e wm e t h o dd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hb o u g h tv i d e o s y n o p s i st e c h n o l o g yt on e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c e ，a l s oh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei n n e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；p t z ；v i d e os y n o p s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 五五玺 日期丕立：墅：乡! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：钌睫 导师( 签名) ：号身宁 日期 纠时巧 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 视频监控业务是以计算机、网络、通信技术为基础，以智能图像分析为特 色，实现音视频信息的压缩、存储、分析、显示及报警等自动化处理并通过宽 带网络平台实现远距离监控的业务。 近年来，各行各业对视频监控需求不断升温。监控摄像机已经广泛地存在于 银行、商场、停车场和交通路口等一些人群比较密集或比较容易受攻击的公共 场所，如机场、体育馆、外国使馆、地铁等，都纷纷安装视频监控系统以保障 人民生命和财产安全。在建造智能大厦和选购住房时，安防视频监控系统也越 来越受到人们的重视。随着目前骨干网带宽的增加和i p v 6 等相关技术的日益成 熟，电信运营商为安防视频监控系统提供了很好的网络承载平台，于是两个原 本不相干的领域结合到了一起，出现了网络视频监控系统。中国电信率先推出 了“全球眼”网络视频监控系统，并取得了很好的成绩。随后，中国移动 和中国联通也推出了移动网络视频监控，专门服务于2 0 0 8 北京奥运。可见网络 视频监控系统已经成为我们生活不可缺少的一部分，将来它会像电话和宽带一 样走进千家万户，为每个家庭提供实时监控，保障他们的住房安全。因此，研 究一种更好的网络视频监控系统具有非常重要的意义。 1 2 国内外发展历程、现状及未来趋势 1 2 1 视频监控的发展历程 视频监控系统经历了模拟监控，模拟数字混合型监控以及网络数字监控三 个发展阶段。 1 模拟视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初及其以前由安防产品演化而来的闭路视频监控系统是 我国第一代模拟视频监控系统。模拟视频监控系统主要由摄像机、视频矩阵、 武汉理工大学硕士学位论文 监视器、录像机等组成。该系统的工作原理是利用模拟视频线将来自摄像机的 视频连接到监视器上，通过键盘进行切换和控制，采用录像带进行数据存储【l 】。 传统的模拟监控系统有很多局限性。首先，有线模拟视频信号的传输受模 拟视频电缆传输长度和电缆放大器的限制，通常只适合于小范围的区域监控； 其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监控现场，并且使得 布线工程量极大；另外，有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如 录像带) ，查询取证时十分繁琐1 2 j 。 2 模拟数字混合型视频监控系统 2 0 世纪9 0 年代中期，出现了以数字硬盘录像机( d v r ) 为核心的半模拟 半数字的方案，视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，由多媒体控制主机或 d v r 进行数字处理与存贮( 从摄像机到d v r 仍采用同轴电缆输出视频信号，通 过d v r 同时支持录像和回放，并可支持有限的i p 网络访问) 。数字化技术的发 展给监控系统带来了一次巨大的改进，信息处理由以往的模拟方式逐渐转向数 字方式，计算机系统也被引入到视频监控系统中。借助于计算机的数据处理能 力和显示器的高清晰度显示能力，视频数据通过视频采集卡采集到计算机中并 在显示器上显示，大大提高了视频画面的质量。但这类监控系统不能称之为真 正意义上的数字监控系统，根本原因在于其系统设计的出发点仍然是基于传统 的模拟监控模式，视频数据的传输采用的依然是模拟方式，计算机在大部分时 间里只是充当一个外部监视器的角色而已。这种基于多媒体计算机的系统称为 第二代视频监控系统，即模拟数字混合型视频监控系统。 模拟数字混合型视频监控系统有着传统监控系统无可比拟的优势，如数字 视频信号易于被计算机处理且抗干扰性强，易于进行远距离传输与保存。这种 模拟数字混合型视频监控系统在实际工程中特别是在大、中型视频监控工程中， 有着广泛应用，但是它仍然存在如下弊端【3 】： 1 ) 复杂的布线。“模拟一数字”方案仍需要在每个摄像机上安装单独的视频 电缆，距离超过1 公里就要通过专业传输手段解决传输问题。导致布线复杂性。 2 ) 有限的可扩展性。d v r 的典型限制是一次最多只能扩展1 6 个摄像机。 3 ) 有限的可管理性。您需要外部服务器和管理软件来控制多个d v r 或监 控点。 4 ) 有限的远程监视控制能力。您不能从任意客户机访问任意摄像机。您只 能通过d v r 间接访问摄像机。 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 磁盘发生故障的风险。与r a i d 冗余和磁带相比，“模拟一数字”方案的 录像没有保护。 3 网络视频监控系统 到了2 0 世纪9 0 年代末特别是近几年，随着网络带宽、计算机处理能力和 存储容量的迅速提高，以及各种视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全 数字化的网络时代，称为第三代视频监控系统，即网络视频监控系统。 今天，网络己经渗入到社会的每一个角落，它提供了一个非常好的信息传 输和资源共享的平台。多媒体技术在近几年间也发生了巨大变化。同时，嵌入 式技术在硬件和软件方面都有了较大发展，它能够满足更加复杂和灵活的应用 需求。软硬件相关技术的发展促使视频监控系统进入一个新的阶段，网络视频 监控系统随之出现。 网络视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放 为核心，引发了视频监控行业的技术大发展。它的工作原理是：视频从前端图 像采集设备输出后转为数字信号，并以网络为传输媒介，基于国际通用的t c p i p 协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。组网时一般采用视频 服务器在前端进行压缩及视频数据网络化处理，后端有平台支撑。 与传统的视频监控相比，网络视频监控更便于计算机进行视频信息的压缩、 储存、分析、显示以及报警等自动化处理，从而实现无人值守；通过网络平台 实现了远距离监控，即使是数千公里外也能达到亲临现场的效果；无需铺设管 道、光缆，只要就近接入中国电信的宽带网络，充分利用网络资源使得传输成 本降低，而且增强了监控范围的灵活性，也提高了图像传送质量；另外网络视 频监控系统无须庞大的视频分配器，并且安装所需设备较少，整个安装过程就 是架设摄像机和在p c 机上安装系统管理软件，工程成本大幅降低。 1 2 2 国内外发展现状 1 国内发展现状 在国内，越来越多的大型监控系统项目( 如平安城市) 因其监控点多、地 域分布广，传统监控模式已经不能满足网络化远程监控、智能化监控的新需求。 虽然目前监控系统前端设备中模拟产品还占据大部分市场，但从系统本身结构 来看，目前监控系统几乎完全进入网络视频监控时代。 目前，随着电信运营商的介入和用户对网络视频监控的逐步认可，网络视 3 武汉理工大学硕士学位论文 频监控在市场份额上占据了越来越大的比例，0 8 年网络视频监控路数大约在4 7 0 万路左右，已经占据总视频路数的4 0 以上，预计2 3 年后，网络视频监控将占 据5 0 以上的份额，超过d v r 市场。此外，随着“平安城市”建设，越来越多的 城市使用网络视频来解决大范围视频监控系统在管理、使用、共享、维护方面 存在的问题，导致对平台管理软件的需求如井喷式发展。目前平台的总体数据 流已经超过5 0 万，增长速度在每年1 0 万数据流。 视频监控系统的应用范围正在延伸，除了应用于安防领域外，它还可以用 于娱乐共享、网上直播、商业分析、河流检测、环境管理、排污监测、企业远 程视频展示、森林防火等领域。如旅游景点，利用视频监控方式，用户登录景 点区网络后，可以观测到景区实时画面，从而判断出游的价值。如宝宝在线系 统，家长通过网络可实时实景观察到孩子在幼儿园学习、生活、游戏的情形。 借助医院、敬老院的监控图像，值班医生可集中观察各病房病人情况，同时也 方便家属远程看护病人。 与此同时，视频监控正在走进家庭用户。中国电信全球眼和原中国网通已 经在有条件的家庭发展远程视频监控，中国移动也在发展以“手眼通”为代表的手 机彩信监控，基于3 g 视频监控正在测试和试商用。家庭视频监控由于庞大的数 据和信号流对网络依赖性强、需要家庭部署家庭网关和摄像头等使得研发和推 广难度较大。目前视频监控主要应用在行业领域和家庭紧密联系的小区，对于 家庭监控应用还比较少。在平安城市、平安家庭的政策引导下，家庭网络环境 不断改善、用户消费能力的提升、安防意识增长、独立式居住家庭的增多，国 内家庭监控将开始兴起。 2 国外发展现状 在国外，网络视频监在家庭视频监控和智能视频监控方面发展较快，技术 水平领先于我国。 在美国，a t & t 公司结合它在固定电话网、移动电话网、有线电视网、互联 网等网络基础设施上的优势，与杰尔系统的t r u e o n e 解决方案相结合，为用户 提供电信级的手机或p c 上的视频监控应用，以及p t v 、v o l p 等大数据量应用， 将数字家庭的智能监控服务送达到远端的p c 或手机上，支持无线和有线的视频 监控方案【3 5 如。 在日本，n t t d o c o m o 公司利用自身在移动服务上的优势，推出了i - m o d e 运 营模式，可以直接通过手机或p d a 远程控制家中的智能家电，在远程监控上采 4 武汉理工大学硕士学位论文 用了“m 2 m 远程控制”的理念，实现人和机器、机器和机器之间的远程控制渺j 。 n 订推出了可通过因特网或f o m a 手机控制的h c 1 0 0 0 监视摄像头，该设备采 用3 0 0 万像素c m o s 感光器，2 倍数码变焦，以太网接口，支持8 0 2 1 1 a b g ， 可拍摄q v g a 画质的视频：内建“主动防御”系统，可发出刺耳的警报声吓跑 盗贼，甚至还有麦克风扬声器双向通信系统，方便用户与盗贼谈判。n t t - n e o m e i t 还推出了通过p d a 或手机远程控制家电和接收监控报警信息的服务，使用起来 非常方便。除此以外，还实现了生物认证，通过生物认证研发了自动门识别系 统，人们站在安装于入口处的摄像机前，只需约1 秒钟的时间，如果确认来人 为公寓居民，大门就会打开，非常方便。 在韩国，k t 和s k 电讯在数字家庭的远程监控和报警上大量采用了无线传 感网络中的普适计算技术( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) ，采用z i g b e e 的无线传输协议 对家中的智能监控设备进行管理和监控，并支持通过p c 或手机对数字家庭设备 远程监控信息的获取和基于i p 的视频监控点播，用户点播时直接由数字家庭网 关提供视频的处理【3 8 1 。k t 将数字家庭监控及联动报警系统称为n e s p o t 系统， 该系统立足于“控制与防止”，将有线与无线网络结合于一体。采用n e s p o t 系统， 不论用户在家还是在外，都可通过微型监视摄像头、安装在门上的传感器、煤 气泄漏传感器等，将家庭状况实时传到用户的电脑、手机或p d a 上。用户也可 以远程遥控开灯，使家里看上去有人在。紧急情况下，用户还可以呼叫急救中 心对家中的病人进行救助1 3 2 1 。 另外，英国电信、法国电信和西班牙电信也在家庭网关和家庭视频监控方 面取得了很好的发展。 1 2 3 国内视频监控未来的发展方向 随着移动互联网时代的到来，网络视频监控系统必定会有更多的发展。它 的发展将主要集中在以下几个方面： 1 无线网络视频监控系统 据最新消息，北京、上海等近2 0 个城市的3 g 网络已具备3 g 视频监控能力， 其中，北京移动、北京联通已经分别建成基于t d 网络和w c d m a 网络的视频 监控系统，一些南方地区的电信公司也建成了c d m a 网络的视频监控系统。 在近日举办的一场“网络视讯3 g 视频监控解决方案发布会上，中兴多媒 体与终端产品市场总监陈峰表示，中兴通讯的3 g 视频解决方案已在上海电信、 5 武汉理工大学硕士学位论文 江苏电信、北京联通、深圳移动等地大量建设，值得一提的是，北京移动基于 t d 网络的3 g 视频监控系统曾出色的完成了奥运会的监控任务。 随着3 g 牌照的发放，电信运营商开启了全业务运营时代。3 g 视频监控业 务利用高带宽的无线接入支持在任意地点上传现场图像、在任意位置接收远方 图像，并和固网视频监控系统融为一体实现随时随地、无所不在的视频监控应 用。 3 g 视频监控是高端和差异化的3 g 多媒体业务之一，可广泛应用于应急指 挥、公交监控、家庭监控、视频浏览等领域，极大地扩展了监控的应用环境和 使用方式，给用户更友好、更便捷、更贴身的业务体验，将具有广阔的市场前 景。 3 g 的到来将突破视频监控无线带宽的瓶颈，无线移动视频监控将成为3 g 业务的“杀手级”应用。 2 家庭视频监控系统 随着人们生活水平的提高和网络的普及，安全防护越来越深入人心。尤其 是近几年信息技术的发展和人们居住环境的改善，人们对家庭安全防范的意识 得到空前强化。现在的视频监控，一般都是行业监控，例银行、公安这类部门， 家庭使用监控设备很少。随着信息技术的发展，人们居住环境的改善，经济发 展带来的需求，人们对自身，家庭的安全防范意识的增强，家庭防盗，监控等 需求日益增强，再加上网络的普及，从软硬件环境都为家庭监控降低了门槛。 另外，3 g 时代的到来为无线视频监控创造了条件，而无线视频监控又为家庭无 线视频监控提供了可能。 3 智能视频监控 未来的视频监控系统将不仅仅局限于被动地提供视频画面，更要求系统本 身有足够的智能，能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，以最快 和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而更加有效地协助安全人员处理危 机，并最大限度地降低误报和漏报现象，成为应对袭击和处理突发事件的有力 辅助工具。智能视频监控还可以应用在交通管理、客户行为分析、客户服务等 多种非安全相关的场景，以提高用户的投资回报。 4 基于i p v 6 的视频监控 2 0 0 3 年我国正式启动了由国家发展和改革委员会等八部委联合发起的国家 级专项中国下一代互联网示范工程项目( c n g i 示范网) 。c n g i 示范工程的 6 武汉理工大学硕士学位论文 目标是在2 0 0 3 - - 2 0 0 5 年的时间内，完成c n g i 主干网建设、国内国际互联中心 建设和覆盖2 0 个城市3 9 个核心节点的建设。此项目涉及八个部委、六大全国 性网络运营商、一百多所高校和研究单位、几十个设备制造商，工作量大，涉 及面广、参加人数多，在中国通信网络科技工程建设史上是第一次，对我国下 一代互联网技术和产业的发展具有深刻影响。目前，作为c n g i 核心网c e r n e t 2 主干网已经开通，其余各建设单位也已进入网络建设的准备阶段。 视频监控技术已经基本完成从模拟时代向数字时代的转变，其中，全数字 技术支持的、高度集成一体化的前端数字设备网络摄像终端卜疋。二叭 的组成部分，是技术发展的必然趋势。而通过对i p v 6 协议的支持，使网络摄像 终端具有更大的生命力。( 1 ) 每一个网络摄像终端分配有全球惟一的i p 地址， 在互联网上可以随时随地地被访问到。( 2 ) 安全性：内嵌的i p s e e ，实现标准的 安全性支持。( 3 ) 拥有即插即用的强大优势，使用简单方便，便于普及。( 4 ) 移动性：无论是处于运动中的网络摄像终端还是运动中的浏览端，实现永远在 线不间断的监控服务。 i p v 6 技术在北京2 0 0 8 奥运会上首次亮相。中国网通作为北京2 0 0 8 年奥运 会固定通信合作伙伴为北京奥组委指定了采用端到端i p v 6 技术的实时视频监控 方案，提供了近5 0 个奥运场馆1 0 0 个监控节点的实时视频、温度环境监控，在 北京奥运会期间发挥了积极作用。目前视频监控正呈现由行业应用向社会公共 领域及家庭个人普及；由分散的监控专网向大规模部署、集中管理的运营级公 众服务方向发展。i p v 6 视频监控技术本身具有海量地址、即插即用等优势，为 其大规模部署、可运营、可管理提供了先决技术条件，同时结合国家产业政策 扶植，i p v 6 视频监控将极有可能成为基于i p v 6 技术的下一代互联网“杀手级”应 用。 5 网动视频监控协同系统 数字化视频监控系统是二十一世纪视频监控平台的主流趋势，系统的网络 化，应用的多媒体化，管理的智能化，合作的专业化，也将成为衡量视频监控 系统是否能称之为真正意义上的数字视频监控系统的统一标准。监控系统的目 的就是要在实现强大的监控能力的同时，充分体现出高度的智能化，安全性， 可靠性。系统克服传统系统的不足，使操作更加简单易学，更加直观，日常维 护变得更加容易。 网络数字视频会议系统是网络技术发展的产物，随着网络的发展，带宽的 7 武汉理工大学硕士学位论文 提高为视频会议提供了良好的通信平台。视频会议系统集合语言、图像、数据 的传输，实现了远距离实时的声音、图像和数据信息的交流，是提高办公效率 行之有效的措施，也是行政管理信息化的一个重要的标志。a c t i v em o n i t o r 正是 网动视频会议与网络数字监控的完美结合，充分发挥了二者的优势。 网动视频监控协同系统( a c t i v em o n i t o r ) ，将远程视频监控与会议有机地整合 到一起，在视频监控的同时，能够即时地与被监控点进行沟通联络，一套系统， 两种功能，系统非常适合于交通、地铁、水利、矿井、钻探、冶炼等户内户外 环境。 通过该系统，中央控制室不仅能迅速地查看各个现场，还能即时与现场负 责人进行沟通，下达命令。满足远程监控与双向沟通的需要。平日正常监控， 突发事件后，可以迅速举行视频会议讨论处理办法，并在举行视频会议时间， 利用p 网络摄像机的多路单播功能不影响系统的视频监控。 1 3 本文主要工作及其组织结构 本文以烽火网络公司推出的中国电信“全球眼”解决方案为例，对网络视 频监控进行了深入的研究。网络视频监控系统作为一种全新的视频监控系统， 从根本上解决了以往视频监控系统中所存在的问题，使得监控规模和监控质量 都有了很大的提高。但作为一种新兴的视频监控系统，网络视频监控系统也存 在一些不足： 1 系统与云台设备的兼容性较差 随着视频监控的网络化应用，产业链的分工将越来越细。有些厂商专门做 球机，有些厂商专门做d v s ，有些厂商则可能专门做平台，有些厂商做监控器， 然后再通过集成商进行集成，最后提供给客户。这种紧密的产业合作模式，使 得对标准化的接口的要求越来越高。现在的球机种类繁多，对应的云台协议又 各不相同。即使是同一种协议，也可能有几个不同的版本，例如p e l c o p 协议 中缺少对自动扫描动的扫描速度、看守位和自动巡功能的定义，而这些命令在 实际工程中又用得比较多。因此，云台设备厂商就自行扩充这些命令的定义， 不同的厂商可能有不同的定义，由于利益的关系，他们没能统一。这就使得对 云台控制函数的定义需要根据不同的协议而变化。 然而现有的云台模块支持的云台协议有限，可扩展性不强。这就导致了监 控系统与云台设备之间兼容性不足。目前，视频监控的应用规模越来越大，动 8 武汉理工大学硕士学位论文 辄覆盖一个城市、甚至覆盖全国，这对系统的扩展能力提出更高的要求。系统 与云台设备兼容性不足的问题将严重阻碍系统的扩展。 2 对海量数据的检索和查看非常费时 在城市各个角落，用于视频监控的摄像机正在成倍地增长。这些摄像机每 天2 4 小时不停得产生监控视频，这将带来一个海量视频库。对于这个海量视频 的存贮、检索和查看将是一件非常繁琐的事情，这会消耗监控人员大量的时间。 鉴于以上现阶段网络视频监控系统中存在的不足，本论文做了如下两个方 面的工作； 1 ) 设计并实现一种支持多种云台协议的、兼容性强，并可方便扩展的云台 模块。该模块作为一个独立的功能模块，以动态链接库的方式提供接口函数给 上层调用。应用者可以把接口函数当作诸如p f i n t f 之类的库函数调用，而无需关 心它是怎样实现的。这种使云台功能模块化的设计思想屏蔽了源码，既方便又 直观，便于开发者的扩展与维护。该模块的设计有效地改善了网络视频监控系 统与云台设备的兼容性。 2 ) 提出了将视频大纲技术运用于网络视频监控系统中的思想。该技术能使 最后的输出视频在保留原始视频的动态性和有效信息的前提下得到很大压缩。 使用该方法能将2 4 小时的监控录像在2 0 秒甚至更短的时间内呈现出来，大大 的节省了用户浏览监控视频的时间，也在一定程度上节省了服务器的存储空间。 该方法有效地解决了海量监控视频带来的浏览耗时问题。 本论文的结构安排如下： 第一章首先阐述了本文的研究背景和意义，接着回顾了视频监控系统的发 展历程，并对目前国内外的发展现状和未来的发展方向进行了介绍，最后给出 了本文的研究意义，简要介绍了论文所做工作。 第二章详细分析了网络视频监控系统的总体构架，并随后研究了该系统的 承载网解决方案和关键技术。 第三章简要介绍了球机的内部组成，并详细得说明了云台模块代码的设计 和实现。 第四章首先介绍了传统的视频摘要技术和三维时空蒙太奇技术，接着分析 了各自的不足，并引出了基于对象的视频大纲技术，最后设计了将该技术应用 于网络视频监控系统的方案，并给出了实验结果。 第五章对本文的工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章网络视频监控系统总体架构分析 本章以武汉烽火网络推出的中国电信“全球眼解决方案为例，对网络视 频监控系统进行了详细的分析。 武汉烽火网络推出的网络视频监控系统能够为用户提供一整套的解决方 案，实现前端数据采集和压缩传输、数据集中转发、集中存储、用户设备管理 和视频监控( 监控中心和一般p c 用户) 。该网络视频监控系统的总体构架如图 2 1 所示。 图2 1 网络视频监控系统构架 如图2 1 所示，烽火网络公司的网络视频监控系统按其功能分可分为四层： 接入层，包括前端单元和用户单元； 传输层，包括视频分发单元和网络存储单元； 控制层，包括调度控制服务器： 运营层，包括业务管理服务器、平台管理服务器、网络管理服务器、 中心数据库服务器及计费认证服务器【4 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 各子系统构成 2 1 1 接入层 1 p u p u 是系统的信息采集端，实现视频信息、音频信息、数据信息及告警信息 的采集功能，具有语音信息和数据信息的双向传送功能。部分p u 可实现音视频 录像的存储功能。p u 如图2 - 2 所示，包括如下设备：视频采集设备、音频采集 设备、云台及摄像机、报警输入输出设备和音视频编码设备【5 1 。 图2 - 2 前端设备结构图 其中音视频编码设备又包括网络摄像机、数字视频服务器和数字视频录像 机。前端子系统根据要求将摄像机采集到的图像信号、麦克风采集到的声音信 号、报警设备采集到的报警信息等经过编码设备编码后，将压缩后的流媒体文 件通过宽带网络发送到中心服务平台中，供用户实时观看或保存在存储设备中。 同时，中心服务平台传来的控制信令被送到数字视频服务器d v s 中，d v s 通 过r s 一4 8 5 串口发送p t z 控制命到解码器，并在那里进行p t z 命令的格式分析， 最后按照命令的内容执行相应的操作，完成云台的转动以及摄像机镜头的控制 【6 】 o 2 c u c u 是系统的客户应用端，用于浏览和控制远端视频设备，实现视频信息、 武汉理工大学硕士学位论文 音频信息、数据信息及告警信息对用户的呈现。功能应包括播放远程视频、云 台控制、录像检索、录像配置、报警联动、设备配置、用户登录、用户管理、 电视墙控制、日志察看等。 c u 主要分为监控中心、普通客户端( 一般p c 用户) 两种应用模式【2 9 】。监 控中心由数字矩阵、软硬件解码器、控制台、电视墙组成。 1 ) 监控中心 监控中心由数字矩阵、软硬件解码器、控制台、电视墙组成。利用数字矩 阵实现的监控中心设备组成如图2 3 所示 电丰皿墙 控制台数字矩阵 图2 3 监控中心设备 上图中的数字矩阵也可替换为解码器，成为利用解码器实现的监控中心设备。 2 ) 普通客户端 普通客户端以纯软件的方式部署在远程p c 机上，直接与中心平台的分发服 务器、存储服务器、管理服务器通信。这种监控客户端可以使用b s 或c s 方 式接入系统。 2 1 2 传输层 1 分发服务器v t d u v t d u 是网络视频监控系统的媒体处理单元，主要功能是提供实时音视频 媒体流的转发、分发功能。它可接收p u 以单播或组播形式发送的实时音视频数 据流，并转发、分发给多个c u 客户端。系统内可分布式部署多台视频分发单元， 由调度控制服务器进行管理和业务调度，实现负载分担。 v t d u 具体实现以下几个功能： 1 ) 实时接收功能 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 夺向前端或其它v t d u 发起会话请求； 夺接收并缓存媒体流流； 码流接入、汇聚。 2 ) 分发服务功能 夺接收n r u 、c u 或其它v t d u 的会话请求； 夺进行媒体流分发，将一路复制成多路。 3 ) 组播功能 今v t d u 可以支持接收组播流，或向外组播媒体流。 4 ) 业务控制功能 夺接收d c s 调度命令，启动并控制接收模块和分发模块； 令会话管理，维护接收与分发的映射关系； 夺记录计费原始信息，并报告。 5 ) 设备管理功能 接收网管系统命令，实现配置管理、状态、故障等网管代理功能。 2 网络存储服务器n r u n r u 是网络视频监控系统中的网络录像服务器，实现对音频视频的接收存 储、录像存储、存储介质管理及录像回放服务等功能。n r u 必须连接s a n 、n a s 、 d a s 等各类物理存储设备，可实现分布式部署。n r u 负责视频数据的转存和检 索，它负责接收视频分发单元v t d u 转发的视频数据，将其存入s a n n a s d a s 存储设备中，同时基于标准的r t s p 、r t p 协议，为视频客户端提供历史录像的 点播和回放功能。系统内可分布式部署多台网络存储单元，由调度控制服务器 d c s 进行管理和业务调度。 n r u 的主要功能包括【8 】： 1 ) 接收录像启动命令后，接收视频流，并启动相应的录像服务，存储到 存储设备； 2 ) 录像检索，能对检索指令进行反馈，支持多种检索方式 3 ) 应支持多个p u 和v t d u 并发访问模式，并和编码方式无关。 4 ) n r u 需要提供v o d 点播功能，支持r t s ps e r v e r 。 5 ) n r u 支持录像的快速点播回放功能，并支持录像点播回放的精确定位 功能。对于c u 提交的录像点播回放请求，n r u 能根据请求消息中的 起始时间，精确定位到该时间点的录像数据，启动回放。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) n r u 需要提供带宽资源预留功能，需要确保在有大量并发存储的情况 下还能够响应c u 的点播请求，或在有大量点播的情况下能够响应存储 需求。 2 1 3 控制层 1 调度控制服务器d c s d c s 是网络视频监控系统的核心单元，负责实现p u 、c u 的接入、各单元 的信令转发控制处理、报警信息的接收与处理以及业务支撑信息管理。 d c s 主要实现以下功能。 1 ) 前端接入功能： 夺前端与业务平台的信令接口，负责前端和平台间所有信令指令的交互， 并负责前端的注册、注销。 2 ) 客户端接入功能： 客户端与平台间所有信令指令的交互，是客户端与业务平台的信令接 口： 转发用户的接入认证请求，监视接入用户的退出情况并产生退出消息； 夺接收并处理来自客户端子系统的各种操作命令( 如用户管理，录像，回 放) ，并提交平台管理子系统做系统日志。 3 ) 控制服务功能： 夺转发客户端子系统请求、指令和消息给目标设备，如转发云台操作、参 数设置等。 4 ) 告警服务功能： 令接收来自前端的告警，记录日志； 夺以e m a i l 、短消息或其它方式通知相关人员，并可分发给当前具备相 应权限的在线客户端。 5 ) 调度功能： 夺接收来自客户端的视频请求命令，并根据当前系统的使用情况要求前端 上传媒体流，并对媒体流的分发服务器进行调度。 2 1 4 运营层 1 中心管理服务器c m s 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 c m s 的主要功能是完成设备管理、用户管理、权限管理、报警管理、日志 管理等事务性业务处理。中心管理模块包括业务管理、平台管理、调度控制三 部分，由业务管理服务器s m s 、平台管理服务器p m s 和调度控制服务器d c s 三大实体组成【7 j 。 1 ) p m s 平台管理服务器p m s 的功能如下： 夺专为电信管理员和客户管理员服务，与普通用户c u 区分。 采用b s 架构，为电信管理员提供友好的系统管理界面。 夺完成对网络视频监控系统的统一控制、资源管理和调度。 管理平台设备、前端设备、客户端设备( 或软件) 等。 夺p m s 与d c s 采用s i p 消息接口，将管理员的平台与设备控制命令传送 到设备或用户。 2 ) s m s 业务管理服务器s m s 的功能如下t 夺为操作员服务，提供用户管理，权限管理，业务受理界面 令系统业务数据的维护， 夺管理a a a 服务器，完成用户接入认证、计费、鉴权。 夺监控系统业务的营业、帐务、客户服务等运营支撑功能。 令与电信b o s s 系统接口，接收用户数据、上传帐务数据、缴费接口。 3 ) d c s c m s 作为系统的核心，系统管理、业务受理、前端控制、用户接入均通过 该服务器，容易成为瓶颈，因此将调度控制服务器d c s 分离出来，控制前端和 客户端的接入，调度用户请求、转发告警信息。