（通信与信息系统专业论文）网络监控系统摄像机控制技术开发与研究.pdf

摘要 本文针对传统视频监控系统的不足，以数字化视频压缩编码解码技术、计算 机网络通信技术以及w i n d o w s 多线程编程技术为依托，提出了一种模拟监控系统 网络化改造方案。 首先介绍了原来的模拟视频监控系统的硬件组成以及各部分的功能。提出的 改造方案是利用网络控制器n c ( n e t w o r kc o n t r o l l e r ) 代替模拟监控系统中的机箱。 然后描述了改造后的网络视频监控系统的总体设计。重点介绍了系统使用的编解 码器的功能，并对摄像机协议进行了分析。本文主要设计了网络监控系统控制流 程，并实现了摄像机控制功能模块。分析现有的摄像机控制技术，结合本视频监控 系统的特点提出了一种新的控制摄像机的方法，即通过编码器的透明通道实现对 摄像机的控制。采用多线程技术以支持多用户并发操作。为了合理地利用多线程， 本文还提出了一种老化机制。 最后我们对该系统从功能和性能上进行测试和评估。测试结果表明该系统能 够实现需求分析中要实现的功能，并且性能指标在要求范围之内。 关键字：网络监控系统摄像机控制透明通道 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m sa tr e s o l v i n gt h el i m i t a t i o na n ds h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a l v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，b yu s i n gd i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g i e s ，c o m p u t e r n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dw i n d o w sm u l t i - t h r e a dp r o g r a m m i n gs k i l l s an e t 、o r kr e c o n s t r u c t i v ep r o j e c to ft h ea n a l o g u es u r v e i l l a n c es y s t e m i sp r e s e n t e d f i r s t l y t h eh a r d w a r ea n dt h ef u n c t i o n so ft h et r a d i t i o n a la n a l o g u ev i d e os u l v e i l l a n e es y s t e ma r ci n t r o d u c e d t h er e c o n s t r u c t i v em e t h o di s t h a tr e p l a c es w i t c h m a t r i xo ft h ea n a l o g u es u r v e i l l a n c es y s t e mb y t h en c ( n e t w o r kc o n t r o l l e r ) s e e o n d l y , t h ed e s i g no ft h en e wn 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 i sd e s c r i b e d lh e m n c t i o n so ft 1 1 ee n e o d e ra n dt h ea n a l y s e so fc a m e r ap r o t o c o l a r es t r e s s e d lh l s p a p e rp r i n c i p a l l yd e s i g n sc o n t r o lp r o c e s so ft h en e t w o r ks u r v e i l l a n c e s y s t e m a n d i m p l e m e n t sc a m e r ac o n t r o lm o d u l e t h i r d l y ，w i t h t h ea n a l y s e so ft h ep r e s e n tc a m e r ac o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h es y s t e m ，an e wm e m o do fc o n t r o l l i n gc a m e r a si sp r o p o s e d ，w h i c hu t i l i z e s t r a n s p a r e n tc h a r m e l o ft h ee n c o d e rt oc o n t r o lc a m e r a s m u l t i - t h r e a dt e c h n i q u ei sa d o p t e dt o s u p p o r t m u l t i - u s e ro p e r a t i o n i no r d e rt o l l s em u l t it h r e a dp r o p e r l y ，a na g i n gm e c h a n i s m i sp r o p o s e d a tl a s tt h es y s t e mi st e s t e di nt e r m so ff u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e t h er e s u l ts h o 、st h a tt h es y s t e mc a na c h i e v et h ef u n c t i o n sm e n t i o n e di n t h er e q u i r e m e n t a n a l y s e sa n dt h ep e r f o r m a n c es t a n d a r d i sc o i n c i d e n tw i t hr e q u i r e dr a n g e k q 刑o r d s ：n e t w o r ks u r v e i l l a n c es y s t e r n c a m e r ac o n t r o lt r a n s p a r e n tc h a n n e l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 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所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 瑟盛 日期：至里翌z 厶篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 日期：竺z ：! ：堑 袁 名 名 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 第一章绪论 视频监控系统一直是监控领域中的热点。它以直观、方便、信息内容丰富而 在各个行业得到广泛应用，例如：交通、电力、通信、石油、码头、仓库、金融、 军队、公安、监狱、水利水厂、民航等要害部门。随着社会信息化程度的不断提 高，社会各行各业需要实施远程视频监控的范围大大增加，由传统的安防监控向 管理监控和生产经营监控发展，对远程视频监控系统的要求也日益增高，往往需 要与网络系统相结合，实现对大量视频数据实时的和无地域性阻碍的传输，从而 达到资源共享，为各级管理人员和决策者提供方便、快捷、有效的服务。 互联网和宽带网络技术的日益发展，使得现有的宽带网络能够满足用户多方 面的需求，在传统的以文字和图片为主的内容服务上，能够提供具有视频和音频 的多媒体内容服务，这是互联网技术发展的必然趋势，也为视频监控业务的发展 提供了强有力的平台支持。 1 1 视频监控系统的概述 1 1 1 视频监控系统【1 1 的发展过程 1 第一代视频监视系统是以v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r s ) 为代表的传统 c c t v 系统。 在2 0 世纪9 0 年代初以前主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统f 2 儿引。视频 监控系统最早的应用方案是采用模拟信号在电缆中传输，然后再集中监控和录像。 其视频监控系统主要由摄像机、视频切换矩阵、监视器、录像机等组成，通过视 频线、控制线连接，主要用于安保、生产管理场合。其特点是建设方便，价格低 廉。模拟视频监控系统组成图如下图所示。 模拟摄像机 模拟摄像机 云台解码器 模拟图像传输 - 模拟图像传输 视 频 分 配 矩 阵 切 换 操作键盘 图1 1 模拟视频监控系统组成示意图 模拟视频监控系统目前已达到了很高的水平。摄像技术、传输技术、显示技 术、系统控制技术都取得了长足的进步，确立了在安全防范系统中的重要地位。 但传统的模拟闭路系统具有很多其自身的局限性，主要有以下几点： 兰一 2网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 传输距离短，通常适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是 同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更 短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场 所。 系统的扩展能力差。对于己经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一 发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之 间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。 2 以d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 为代表的第二代视频监视系统。 d v r 即是数字视频录像机或数字硬盘录像机1 4 j ，我们习惯上称为硬盘录像机。 它是一套进行图像存储处理的计算机系统，集合了录像机、画面分割器、云台镜 头控制、报警控制、网络传输等五种功能于一身。用户可以将模拟的视频信号进行 数字化，并存储在电脑硬盘而不是盒式录像带上。数字化的存储大大提高了用户 对录像信息的处理能力，用户可以通过d v r 来控制摄像机的启闭，从而实现移动 侦测功能，一此外对于报警事件以及事前事后报警信息的搜索也变得简单。市面上 流行的产品有p c 平台d v r 和嵌入式d v r ，嵌入式d v r 在稳定性、可靠性、易 用性等方面有“专业化 的优势，嵌入式d v r 会逐步侵占p c 平台d v r 的市场。 p c 平台d v r 在通用性、可扩张性方面占有优势，在网络视频监控系统中仍可负 担管理主机的角色，仍然有其自身的市场份额。 3 第三代系统就是目前蓬勃发展的网络化数字视频监视系统。 第三代视频监控领域，集中了多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等 最新技术。关键设备是网络视频信号采集终端( 也被称为视频服务器) ，视频服 务器采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号由视频服务器数字 化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到网络接口发送到网络上，网络上用 户可以直接在p c 机上，用浏览器观看视频服务器传送过来的图像，授权用户还可 以通过计算机网络，透过视频服务器控制摄像机镜头和云台的动作，或对系统进 行配置操作。由于把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内，可以直 接连入局域网，即插即用，省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个口地 址) ，用户也无需安装任何硬件设备，仅通过p c 机用浏览器即可观看。第三代视 频监控技术不仅仅可解决图像传输、远程控制、现场信号采集等监控功能，还可 提供高质量的监控图像和便捷的监控方式。第三代视频监控系统一般基于t c p i p 架构，符合通信网的发展趋势，具有非常灵活的应用。相比于模拟视频监控系统， 数字视频监控系统【5 j 有以下几个方面的优点： 由于采用数字化技术，使多媒体信息，如音视频信息，可以随时随机地通过硬 盘记录和回收，同时记录与布防和报警及其它事件相关的信息。 第一章绪论 3 可以实现分布式监控整个视频监控网络。可以和企业计算机网络整合在一起， 系统前端的摄像信号可以直接进入以太网、i n t r a n e t 网、甚至i n t e m e t 网。被授 权的用户通过客户端软件或w e b 浏览器就可以在任何地方进行现场监控。可 以在本地上网，也可以通过调制解调器远程入网。这样实现了不同地点的多个 终端同时监控，而且可以设定每台监控终端的监控范围。 系统的高度智能化、自动化软件的编程就可实现监控任务无人职守。 系统扩展能力强。只要在有网络的地方增加监控设备就可以扩展新的监控点。 适合远距离传输。数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响， 而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实时监控现场。 采用先进的图像语音压缩技术便于传输和存贮。压缩方法符合国际标准，便于 系统间互操作。 监控软件界面友好，人机交互方便，操作简单。 1 1 2 视频监控系统的现状发展趋势 前端一体化f 6 】、视频数字化、监控网络化、系统集成化以及控制智能化是视频 监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的 基础，所以视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。同时，随着技术 的发展和人们生活水平的提高，视频监控系统智能化的要求也越来越高。 1 数字化 数字化【7 】是2 l 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字 化是迈向成长的通行证。随着时代的发展，人们的生存环境将变得越来越数字化。 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从 模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术 为中心 的结构，根本上改变视频监控系统的信息采集、数据处理、传输、系统 控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频 监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实 现管理和控制，这也是系统集成化的含义。 2 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡， 集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、 分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬 件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计。系统设备的配置具有通用性强、 开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系 统安装、调试和维修简单化、系统运行互为热备份、容错可靠等特点。系统的网 4 网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将 实现整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集 成的一个重要概念。 3 智能化 越来越多的场合，要求视频监控系统的智能化。自9 1l 事件以来，智能视觉监 控系统的研究取得了很大的进展。智能视觉监控系统能够在无人工干预的情况下， 对监控场景内的运动目标进行自动识别、分析以及告警。由于监控场景的增多和 复杂性以及监控目标的多样性，由操作员去对大量的监视器进行监视观察，并要 求他们能够及时地发现和处理需要快速响应的异常情况，这种要求已经越来越不 现实。因此，智能化的监控系统的应用己成必然趋势。 1 1 3 视频监控系统的国内外研究动态 随着压缩编码技术、计算机网络技术和嵌入式系统的发展，以嵌入式视频服 务器1 8 】为核心的视频监控系统开始在市场上崭露头角。该系统不需要处理模拟视频 信号的p c ，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过内置的嵌入式视频编码器直接 转换成数字信号，通过计算机网络传输出去。嵌入式视频服务器具各视频编码处 理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得 监控范围达到前所未有的广度。 基于视频服务器的远程视频监控系统的研究，国外起步较早，较成熟的视频 服务器产品有索尼公司推出的“a w s g 5 0 0 、三星s n c 1 0 0 p 、趋势t v i p l 0 0 、 及松下公司推出的“k x h c m 2 8 0 等。国外同类产品一般采用m p e g 或h 2 6 3 压 缩方法，性能较好但价格昂贵，国内用户大都无法承受，使用时缺乏灵活性，对 用户的一些要求难以满足，如设备的工作状态。国内在这方面的研究刚刚起步， 大多数厂商仅代理国外产品。随着数字技术的发展，图像数字压缩编码技术及标 准的改进、芯片成本的不断下降，从事研究的单位将会越来越多。 1 2 数字视频监控系统关键技术 1 2 1 视频获取的两种方案 1 使用模拟摄像机。 通过视频压缩编码卡把模拟摄像机获取到的模拟视频图像信号转换为数字视 频图像信号，一块压缩卡一般支持l 路至4 路视频采集压缩，一台计算机可以插上l 块卡或4 块卡，从而支持1 路到1 6 路视频采集。视频压缩卡的质量和性能的好坏直 接影响到整个监控系统的质量和性能。基于p c 机的数字视频监控系统采用软件来 第一章绪论 5 设计实现摄像机到监视器的视频矩阵切换、录像、云台和镜头的控制、通过串口 连接报警设备的报警信息等。 这种方案能充分利用计算机的资源，使视频监控系统随计算机技术的发展而 不断进步，同时其开放性的结构特性更可使之与其他多种系统，如与消防报警系 统、出入口管理系统、楼宇自控系统等实现互动集成，并且比较适合升级改造原 来的模拟视频监控系统。如果使用这种方案，旧系统的模拟摄像机还可以继续使 用。 图1 2 使用模拟摄像机的网络监控系统结构图 2 直接使用数字的摄像机。 数字摄像机获取目标场景的图像信息后直接输出经过压缩编码的数字视频图 像信号，然后通过网络把数字化的视频信号传送到计算机( 视频服务器) 中。视 频服务器可以对图像进行处理，然后在监视器上显示目标景物的实时画面，也可 以根据实际的需要存储起来。这种方案比较适合建设全新的数字监控系统。从技 术的角度来讲，这种方案是未来网络视频监控系统的发展方向，它具有很高的灵 活性和可扩展性。 图1 3 使用数字摄像机的网络监控系统结构图 1 2 2 视频技术及编码标准 人的视觉感觉不到拖影或动画，对视频显示的最低要求通常为2 4 3 0 帧秒，当 要求稍低一些时，1 5 2 0 帧秒也可接受。每帧由3 5 2 2 8 8 ( p a l 制式) 点阵组成p 1 ， 其中每一点为了能表示彩色及层次需要2 4 位，所以未经压缩的高质量的视频系统 的数据传输需要3 5 2 2 8 8 3 0 x 2 4 - 7 3 m b p s 的带宽。显然该数据量过大，一般的通 信网络无法承受。 事实上这些数据有很多冗余信息是可以压缩的，经过压缩以后，对带宽的要 求就降低了许多。当前有多种压缩算法【1 0 1 成为国际通用标准，如运动图像专家组 的m p e g 1 、m p e g - 2 、m p e g 一4 以及国际电信联盟的h 2 6 1 、h 2 6 3 、t t 2 6 4 等。 6 网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 m p e g 1 2 4 视频压缩i l l j 和h 2 6 x 视频压缩技术都是以离散余弦变换为基础， 但它们又各有不同的特点。由于目前压缩算法理论的限制，压缩视频图像的质量、 数据率、网络传输的实时性这几个关键指标是相互制约的。要提高某项性能，必 然会损失其它的两项性能。 m p e g 1 主要是针对1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒质运动图像及其伴 音编码的国际标准，它用于在c d r o m 上存储同步和彩色运动视频信号。采用s i f 标准交换格式( 对于n t s c 制式为3 5 2 2 4 0 ，对于p a l 制式为3 5 2 2 8 8 ) 的图像 进行压缩，每秒能够播放3 0 帧。 m p e g - 2 标准追求的是d v b 、h d t v 和d v d 等3 1 0 m b p s 高质量的运动图像 及其伴音的编码标准。专为数字电视传输和分配等高质量视音频应用而制订，注 重于提高视频质量，而对数据率的控制和实时性的要求考虑得比较少。 m p e g - 4 标准【忆l 【”j 提供用于通信的新方式，其核心是基于内容的动态视频信息 存储及操作，支持交互性、高压缩比及通用的访问性。它在结构上具有适应性和 可扩展性。由于将内容和交互性作为m p e g 4 的核心，就不再把具体的码率范围作 为特别的要求，但低码率依然是其一项基本内容，它在极低码率的传输上与h 2 6 3 具有一定的相似性，也支持高质量的视频语音通信。它主要用于因特网音视频广 播、无线通信、电视电话等领域。 h 2 6 1 t 1 4 l 是第一个得到广泛承认并产生巨大影响的数字视频图像压缩编码标 准，此后制定的j p e g ，m p e g ，h 2 6 3 等标准都是以它为基础和核心的。 h 2 6 1 视频压缩算法的核心是带有运动补偿的帧间d p c m + 二维d c t 变换编 码。它是一种帧间预测减少时域冗余，变换编码减少空域冗余的混合编码方法， 具有压缩比高，算法复杂度低等优点，得到较为广泛的应用。在h 2 6 1 的基础上， 1 9 9 6 年i t u t 推出了h 2 6 3 编码标准1 1 5 】。h 2 6 3 在许多方面对h 2 6 1 进行了改进和 扩充，如在编码算法复杂度增加很少的基础上，h 2 6 3 能提供更好的图像质量，更 低的速率，十分适合于i p 视频会议、可视会议、可视电话应用。目前，h 2 6 3 编码 是i p 视频通信采用最多的一种编码方法，并已被许多多媒体通信终端标准所吸收。 h 2 6 4 是最新的研究成果i 1 6 l ，和h 2 6 1 ，h 2 6 3 一样，也是采用离散余弦变换编 码，加上d p c m 的差分编码，是混合编码结构。h 2 6 4 提高了编码效率，更贴近实 际应用，它具有比h 2 6 3 更好的压缩性能，又具有适应多种信道的能力。h 2 6 4 的 应用目标广泛，可满足各种不同速率、不同场合的视频应用，具有较好的抗误码 和抗丢包的处理能力。h 2 6 4 的基本系统无需使用版权，具有开放的性质，很好地 适应i p 和无线网络的使用，这对目前因特网传输多媒体信息、移动网中传输宽带 信息等都具有重要意义。 第一章绪论 7 1 3 1 课题背景 1 3 课题背景、目的以及意义 本论文来源于本室承担的项目一网络控制器及摄像机控制器开发。该项目主 要开发网络视频监控系统中的网络控制器及摄像机控制器，完成对c c t v 模拟视 频监控系统的改造。原来的c c t v 视频监控系统是由m p u ( m a i nc p u ) 、智能键 盘、机箱( 含内部功能板) 、摄像头、监视器等组成的一套模拟i 监控系统。改造的 方法是去掉原来系统的机箱，用网络控制器和摄像机控制器完成m p u 与编解码 器之间的数据转换，实现m p u 对编解码器及整个系统的控制与管理，发挥m p u 原有的功能。本论文主要完成摄像机控制模块的设计与实现。 1 3 2 课题目的以及意义 第一代视频监视系统存在很多明显的缺点，例如维护工作繁琐、无法进行远 程访问、无法与其他安防系统( 如门禁、周界防护等) 有效集成、录像质量将会 随着时间的推移下降等。目前，视频监控系统已经发展到了第三代，即数字视频 监控系统。前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统 公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础。虽 然原来的模拟系统已经落后，但是还可以通过改造重新实现它的价值。完全抛弃 原来的模拟系统建立一个全新的数字视频监控系统的花费是非常高的。本课题的 目的就使完成对c c t v 模拟视频监控系统的改造，实现监控系统的数字化、网络 化。 采用软件实现摄像机到监视器的视频矩阵切换，摄像机的控制。通过程序自 动完成视频切换、控制、o s d 等各项控制功能。而且用一台工控机和编解码器代 替机箱，大大降低了系统的成本。本文为改造模拟视频监控系统提供了一个易于 实现而又行之有效的方法。这样既可以让原来的系统继续使用，又避免重新建立 新的数字化系统。 1 4 本文工作以及内容安排 本文结合项目“网络控制器及摄像机控制器开发”，主要致力于研究视频监控 系统数字化、网络化的改造方法。本文重点在于摄像机控制技术的开发与研究。 提出了一种改造该模拟监控系统的方案，并在v i s u a lc + + 6 0 环境下编程实现，最 后对设计的网络视频监控系统进行了测试。文章的内容安排如下： 第一章主要介绍了视频监控系统的发展过程和国内外研究动态。其中重点描 述了视频监控系统发展的三个阶段，分析了原有的模拟监控系统不足之处以及现 8 网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 有的网络化数字化监控系统的优点，然后介绍了数字视频监控系统中的关键技术。 第二章首先对原来的c c t v 模拟视频监控系统作了简要的介绍，然后提出了 一种改造该模拟监控系统的方案。描述新的网络视频监控系统的总体设计，把整 个系统按照不同功能划分为几个模块，并分别介绍每个模块的功能。还介绍了系 统用到编解码器，摄像机。分析现有的摄像机控制技术，结合本视频监控系统的 特点提出了一种新的控制摄像机的方法，即通过透明通道实现对摄像机的控制。 最后简要说明开发平台以及所用到开发工具。 第三章主要介绍了在设计和实现网络视频监控系统中所用到的关键技术以及 本文给出韵解决方案。所用到的关键技术有多线程技术，用来支持多用户并发操 作；相关w i n d o w s 操作系统下的网络编程技术。 第四章主要描述了摄像机控制单元的详细设计与实现。介绍了软件模块的划 分，设计了一套通信协议和数据结构，用于几个功能模块之间的数据传输和通信 控制。为了合理的利用多线程，本文还提出了一种老化机制。详细描述了该老化 机制的原理以及实现方法。 第五章完成了系统功能测试、性能测试、老化机制测试。给出了测试环境， 具体的测试方法。 结束语总结了整个项目取得的成果和系统的特点，并且对网络摄像机监控系 统下一步要进行的工作和发展方向进行了介绍和展望。 第二章网络视频监控系统总体设计 9 第二章网络视频监控系统总体设计 原来的c c t v 模拟监控系鲥r 7 1 是由m p u 、智能键盘、机箱( 含内部功能板) 、 摄像机、监视器等组成的一套模拟监控系统。这套系统由于高可靠性而曾被广泛 应用于机场、铁路沿线等。由于这是一套模拟系统，它只能用于相对较短距离的 传输，而且机箱的成本很高。近年来，随着现代科学技术的不断发展特别是网络 带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种实用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，模拟系统已经开始落伍。但相比其 他监控系统，这套系统当中m p u 和智能键盘仍然具有极大的优越性。因此，改 造这套系统，发挥m p u 和键盘的优越性，而淘汰模拟信号的机箱，代之以数字 化而且价格低的编解码器无疑是一个更好的组合。 2 1 1 系统的硬件组成 2 1 原来的模拟监控系统介绍 摄像机监视器 +牟 i l 机箱 i ， c 邮板l - is w 板卜l o s 。板 工 m p u 工 键盘 图2 1 模拟监控系统连接图 该模拟监控系统的核心部分由多路摄像机控制器( 键盘) 、机箱、屏幕显示， 摄像机及主c p u ( m p u ) 构成。具有灵活的系统结构并可与其它监控系统连接。 此外，还支持以太网控制器网络。并且各输入通道具有内存补偿回路以提供高质 量图像。支持3 种系统级别，第一种是标准型：5 1 2 输入* 6 4 输出，第二种是扩张型： 1 0 2 4 输入* 2 5 6 输出，第三种大规模型：8 1 9 2 输入 1 0 2 4 输出。 l o 网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 1 主要硬件介绍 m p u l r 7 l 是m a i nc p u 的简称，用于控制v i d e o - s w i t c h i n g 、v i d e o c o n t r o l 、o n s c r e e nd i s p l a y 等功能模块。另外，m p u 还为用户提供了控制( 键盘) 接口。机 箱用于放置一些功能板块，例如用于实现视频切换的s w 板、用于实现视频控制 的c o n t 板、还有控制监视器显示的o s d 板等。机箱有自己的l o c a lc p u ，它 们的用途是转发m p u 给各个板块的消息，同时存储机箱内各个板块的状态信息， 以供m p u 查询使用。每个机箱有一个唯一的编号，以便于实现设备编号的全局 映射。每个机箱一共有1 8 个插槽，但最多只能容纳1 6 个c o n t 板，1 6 个o s d 板。 系统最大支持8 1 9 2 路视频输入、1 0 2 4 路视频输出、1 2 8 个s y s t e mc o n t r o l l e r 。在机 箱的l o c a lc p u 板后面有三个拨动开关，可以通过开关来确定机箱的编号。 2 机箱中的功能板介绍 c a m e r ac o n t r o lb a y ( c o n t 板) 功能：接受m p u 发来的控制分组，并转化为摄像机所能识别的控制信息， 处理和转发摄像机采集的视频流信息，控制摄像机的动作、特征，存储摄像机当 前状态。 规格：每个c o n t 板最大支持8 路视频输入和8 路视频输出，但一个机箱内所 有c o n t 板最多可以支持1 2 8 路视频输入。 c r o s s p o i n tb a y ( s w 板) 功能：控制视频输入输出连接，存储当前系统的连接状态。 规格：每个s w 输入板可支持3 2 路输入，每块s w 输出板可支持3 2 路输出。 o s db a y ( o s d 板) 功能：控制视频输出正常显示到监视器上。控制监视器的显示状态，在视频 流中插入特殊的显示信息。存储监视器当前状态，如监视器的连接状态等。保证 视频输出端与全系统的同步。 规格：每个o s d 板最大支持8 路从s w 进来的视频输入和8 路视频输出，但一 个机箱内所有o s d 板最多可以支持1 2 8 路视频输入和1 2 8 路视频输出。 2 1 2 功能划分 系统的功能划分大体秉承其物理结构。这些功能包括m x m g t 、m x c o n t 、 m x s w 、m x o s d 可能还有m x d i o 。这些功能可能不仅作用在一个机箱上，也 有可能作用在几个机箱之间。比如m x s w 功能管理的就不只是一个机箱，它可 能会管理几个独立机箱的交换信息。 1 m x m g t 功能 m x m g t 功能提供了一种对存储在机箱内的管理变量的访问方式。其主要管 第二章网络视频监控系统总体设计 理消息为：描述机箱的配置信息，该信息包括机箱的名字、位置、i p 地址、各个功 能的矩阵地址及系统描述符( s y s t e mi d e n t i f i e r ) 。用于存储机箱的状态信息，如机 箱的硬件版本、软件版本、机箱的标识符、管理信息距离上次改变的时间、使用 的插槽数、及各个插槽的状态。 2 。m x s w 功能 这部分功能用于控制视频输入和视频输出的连接，同时提供一种简单的了解 系统输入输出状态的方法。 3 m x c o n t 功能 这个功能模块用于控制摄像机的动作、拍摄特性以及对摄像机的管理。 4 m x o s d 功能 这部分功能用于控制监视器的显示信息和插入字符信息。 2 1 3 工作过程 1 d i i c p 过程 系统通过d h c p 协议给各个机箱分配i p 地址。采用的是m p u 静态配置，所 “谓m p u 静态配置机箱i p ，是预先根据机箱的编号设定给机箱一个i p 地址，机箱 编号通过机箱上的开关设定，需要保证系统中这个编号是唯一的。这样它就和机 箱的m a c 地址是一一对应的。当机箱加电后发送d h c pd i s c o v e r 命令或者d h c p r e q u e s t 命令给m p u 时，m p u 根据分组中的编号找到配置好的i p ，然后将其对 应的i p 地址消息发送出去，写入到机箱当中。机箱应该有个回复表明已经接受了 这个口地址。d h c p 过程如下图所示： 2 a l 冲过程 m p u 机箱 图2 2d h c p 时序图 1 2 网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 m p u 在向外发送分组的时候必须获得机箱的m a c 地址才能组织出完整的分 组。因此需要a r p 过程。首先m p u 会发出一个a r p 请求，机箱收到请求后给 出一个a r p 应答，包含了自己的m a c 地址。 3 初始化过程 m p u 给机箱分配一个唯一的i p ，同时会为机箱的每个功能生成唯一的矩阵 地址( m a t r i xa d d r e s s ) 。m p u 把m a t r i xa d d r e s s 发送给机箱的各个功能。机箱的 l o c a lc p u 根据m a t r i xa d d r e s s 为每个功能分配全局编号，使得每个物理设备 都有一个唯一的全局编号，完成局部编号到全局编号的映射。例如系统( 2 5 6 x3 2 ) 中有两个机箱，每个机箱c o n t ，功能的局部编号都是1 1 2 8 ，如果其中一个机箱 的c o n t 功能的m a t r i xa d d r e s s 是l ，那么这个机箱的摄像机全局编号是1 1 2 8 ， 另一个机箱的c o n t 功能的m a t r i xa d d r e s s 是2 ，则该机箱的摄像机全局编号是1 2 9 2 5 6 。 然后m p u 查询各个功能模块的状态，并等待设备应答。m p u 根据反馈的信 息确定系统的设备连接情况及系统的管理信息，以备后用。 4 切换过程 m p u 固定地每隔2 5 0 毫秒广播一次s w i t c h 分组，该分组包含当前系统内摄 像机与监视器的连接情况，摄像机与监视器的连接切换就是通过这个s w i t c h 完 成的。用户可以通过对s y s t e mc o n t r o l l e r ( 即键盘) 的操作即可改变当前的连接 状态。当连接发生变化时，m p u 突发一个s w i t c h 分组，这个分组用广播形式 发送出去。需要注意的是，这个分组并不影响m p u 以每2 5 0 毫秒广播一次的 s w i t c h 分组。 具体过程如下： 管理员在键盘输入需要连接的摄像机与目的监视器的信息，键盘发送消息 给m p u ，告诉m p u 需要改变的连接。 m p u 自动更新连接状态，并生成新的s w i t c h 分组广播出去。 机箱l o c a lc p u 板收到s w i t c h 分组后便转告s w 板，s w 板改变自 己的c r o s sp o i n t 参数，生成新的连接拓扑，切换完成。 5 摄像机的控制过程 m p u 识别键盘发送过来的控制信号，并转换成m p u 协议的消息分组格 式发送到相应的机箱。 机箱根据消息类型转发到相应c o n t 板。 c o n t 板处理该数据，并转换成摄像机可识别的比特控制信息。 6 o s d 过程 当摄像机和监视器通过切换功能建立连接后，两者之间会建立一条连接通道， m p u 不会对视频流作任何操作，但m p u 可以管理o s d 的状态，也可以管理监 第二章网络视频监控系统总体设计 1 3 视器上的一些插入字符，比如：摄像机的编号、监视器的编号、时间等字符。 m p u 利用s e tr e q 消息设置o s d 功能。o s d 功能根据s e t _ r e q 消息中 携带的信息来管理监视器上的插入字符显示，这种方式需要o s d 功能返回一个应 答消息。另外一种方式是使用t e x t 、t i m e d a t e 消息，分别管理系统消息和时 间信息在监视器上的显示，这种方式不需要o s d 功能返回应答。 2 2 改造后的网络视频监控系统 2 2 1 功能需求分析 本文介绍的网络视频监控系统是由原来c c t v 模拟系统改造而成的。改造后 的系统要求具有以下功能： 实时监控指定的场景。 根据用户请求把指定摄像机的画面通过计算机网络传送到指定的监视器上。 支持多用户并能够同时响应多用户的请求。 支持多路摄像机同时实时传输画面到多个用户。 支持多路摄像机同时录制存储。 支持录制数据的备份以及管理。 支持用户操作控制编码和摄像头。 提供用户管理和配置软件。 扩展性好，系统将来的升级要方便。 系统的安装要快捷方便。 2 2 2 系统改造方案 原有的闭路监控系统由m p u ，智能键盘，模拟交换矩阵( 含内部功能板) ， 摄像头，监视器组成。这是套模拟系统，它只能用于相对较短距离的传输，而 且模拟交换矩阵的成本很高。但相比其他监控系统，这套系统中的m p u 和智能 键盘仍然具有极大的优越性。因此，需要改造这套系统，保留m p u 和键盘，淘 汰模拟交换矩阵。改造的方法是用网络控制器n c ( n e t w o r kc o n t r o l l e r ) 来代替模 拟交换矩阵，利用编解码器完成视频切换、摄像机控制、o s d 等功能l i 引。 改造后的系统由键盘、m p u 、n c 、v i s i o w a v e 和s m a r t s i g h t 编解码器、监视 器、摄像机、交换机等组成。键盘的主要功能有摄像机、监视器的选择，摄像机 的控制等。m p u 是这套系统的“大脑 ，它完成系统周期性的状态查询及管理， 并将键盘的指令编码发送给n c 。n c 装有双网卡，一个网卡用于和m p u 的通信， 另一个用于和编解码器的通信。n c 代替模拟交换矩阵，对m p u 的查询做出回复， 1 4网络监控系统摄像机控制技术开发与研究 接收m p u 发来的数据包，并实现m p u 和编解码器之间的协议转换。改造后的系 统连接图如图2 3 所示。 摄像机摄像机 图2 3 改造后的系统连接图 n c 使得新组成的系统能发挥出m p u 和编解码器的各自优势，并将各自的长 处相结合。为了发挥出m p u 的超强控制和管理功能，n c 收集了网络中的设备信 息，应答m p u ，使得操作者能够及时获取网络中的动态变化，做出相应的判断； 同时，发挥出v i s i o w a v e 本身的优势，如语音切换，使得m p u 发出切换命令时， 能够同时切换视频和语音功能；又如v i s i o w a v e 连接不需要维持，使得系统不需 要一直向编解码器发送切换信息，减少网络中的通信量。 2 2 3n c 的主要功能以及工作过程 1 主要功能 n c 的主要功能是扮演了一个翻译者的角色，它通过将m p u 发来的信息进行 转化，使得m p u 、键盘和v i s i o w a v e 的编解码器之间能够正常通信，来控制摄像 头的各种动作，完成切换、自动切换、o s d 显示、报警等基本功能。 2 工作过程 初始配置过程 为了保证系统正常工作必须先配置一些信息。包括m p u 的配置，n c 的配置 ( 包括摄像机映射表、监视器映射表、机箱信息配置表的配置) ，编解码器配置， 摄像机配置。 第二章网络视频监控系统总体设计 1 5 a r p 过程 前面我们分析了原来的模拟系统的工作过程，要想让改造后的系统能正常工 作，必须让n c 能够代替机箱完成一系列初始化过程，包括a r p 过程，初始化配 置过程。完成初始化工作以后，操作键盘，m p u 就会发出各种分组，例如切换分 组、摄像机控制分组、o s d 分组。a r p 过程主要是在收到m p u 发来的a r p 请 求后组织一个a r p 应答分组，其中包括了机箱的m a c 地址，回复给m p u 。 初始化过程 初始化过程是把m p u 的可能发出的各种查询分组全部回复。在原来的矩阵 监控系统中，状态信息、管理信息都是由机箱返回给m p u 的，如果没有这些信 息，系统就不能进行工作。在没有机箱的情况下，我们需要在n c 中用一个进程 来模拟机箱的响应，负责相应的信息修改及查询信息的应答。而这些信息就是来 自“状态一管理信息表”。 切换+ o s d 过程 收到m p u 发来的切换或者o s d 消息后，查询摄像机映射表和监视器映射表， 把m p u 消息中包含的摄像机和监视器的编号转换成相应i p 地址+ 端口，然后调 用编解码器的s d k 完成切换或者o s d 命令。 摄像机控制过程 收到m p u 发来的摄像机控制消息后，查询摄像机映射表，把m p u 消息中包 含的摄像机编号转换成相应i p 地址+ 端口，然后把m p u 中摄像机动作转换成符 合摄像机协议的命令f 1 9 1 ，通过编码器的透明通道发送给摄像机，从而完成摄像机 控制。 2 2 4 状态一管理信息表 1 机箱信息配置表 这个表中我们存储了系统中各硬件的状态，以及系统配置时的一些管理信息， 在m p u 的查询信息到达时，程序就读取这个表中的内容，返回给m p u ，使m p u 能够正常工作。 表2 1 机箱