（计算机应用技术专业论文）一种通用的云台控制框架设计与实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科、计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作者：塑级硕士研究生垣亡左 指导教师：毖登堡婴宜员 i i i i iiii 11i i ir ll l lu l 17 5 4 8 9 3 题目：一种通用的云台控制框架设计与实现 英文题目：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa c o m m o np t zc o n t r o l f r a m e w o r k 主题词：视频监控，云台控制，权限控制，云台协议，命令解析 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 a nt i l tz o o m ，a u t h o r i t yc o n t r o l ，p t z p r o t o c o l ，c o m m a n dp a r s e 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近年来，视频监控技术得到了快速发展，已经从模拟监控时代过渡到数字监控和i p 网络监控时代，其应用也广泛深入到各行各业。摄像机云台控制p t z ( p a nt i l tz o o m ) 是视 频监控系统的前端控制中心，是系统正常运作的重要保障。但是传统的云台控制系统设计 商只重视功能的快速实现，轻视基础架构，内部功能模块划分不清晰，导致用户、设备、 权限、命令、协议相互混杂，不利于系统的维护和扩展，而且不同的云台控制系统采用不 同的实现技术和标准，导致系统间无法互联互通，应用上存在很大的局限性。 针对以上不足，本文设计了一个基于框架的综合云台控制系统，构建了一个通用的云 台控制框架，系统采用分层设计的思想，从复杂的业务中分离出基础组件，降低了模块间 的耦合度，便于系统的维护和扩展；采用标准的s i p 协议通信，通用的x m l 结构传递云 台控制信息，便于系统间的互联互通；子模块对外提供标准的函数接口，不依赖于运行的 平台环境，便于系统的二次开发。 首先，介绍了视频监控技术的发展现状，分析了当前的云台控制系统存在的弊端，在 此基础上设计了一个基于框架的综合云台控制系统，并从系统的设计思想、体系结构、模 块间的交互接口和系统的控制流程四个方面对系统做了一个总体的概括。 然后，从云台权限控制和云台命令解析两部分描述了云台控制框架的实现过程。在权 限控制方面，提出了一种基于角色和优先级的权限控制方法，根据控制状态设计角色和优 先级的抢占策略，避免了多用户并发控制同一云台的混乱现象；在命令解析方面，提出了 一种基于模板的解析技术，解决了添加新的云台协议需要编码的问题，使得系统可以灵活 的兼容各种云台协议。 最后，介绍了云台控制框架的几种典型的应用模式，并在其中的强服务模式下对云台 控制框架的各模块进行了功能的测试，证明了本文提出的方案的可行性。 关键词：视频监控，云台控制，权限控制， 云台协议， 命令解析 a b s t r a c t t h ev i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yh a se x p a n d e dg r e a t l yi nr e c e n ty e a r s i th a sb e e n t r a n s f o r m e df r o mt h ea n a l o gs t a g et ot h ed i g i t a la n di ps t a g e ，a n dp e n e t r a t e di n t oe v e r yw a l ko f l i f e t h ec a m e r ap t z ( p a nt i l tz o o m ) c o n t r o lp a l y sac e n t r a lr o l ea n da ni m p o r t a n tg u a r a n t e eo f t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m h o w e v e r ，m o s to ft h et r a d i t i o n a ld e s i g n e r so n l yp a ya t t e n t i o n t oh o wt or e a l i z ef u n c t i o n sr a p i d l yb u tu n d e r e s t i m a t et h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ep t zc o n t r o l s y s t e m ，a n dt h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r en o td i v i d e dc l e a r l y ，w h i c hc a u s e st h a tu s e r s ，d e v i c e s ， a u t h o r i t y ，c o m m a n d s ，p r o t o c o l s a r em i x e dt o g e t h e r ，s 0i ti sn o ti nf a v o ro ft h es y s t e m m a i n t e n a n c ea n de x p a n s i o n f u t h e r m o r e ，d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sa n ds t a n d a r d sa r ea d o p t e d a m o n gd i f f e r e n ts y s t e m s ，w h i c ha r eu n f a v o r a b l et ot h ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r c o m m u n i c a t i o n o fs y s t e m s ，a n de x i s tg r e a t l yl i m i ti na p p l i c a t i o n s i nv i e wo ft h e s ep r o b l e m s ，ac o m p o s i t i v ep t zs y s t e mb a s e do nt h ef r a m e w o r kw a s d e s i g n e da n dac o m m o na p p l i c a t i o nf r a m e w o r kf o rt h ep t zs y s t e mw a sb u i l t h i e r a r c h i c a l l y d e s i g n e dm e t h o dw a sa d o p t e d ，a n db a s i cc o m p o n e n t sw a ss e p a r a t e df r o m b u s i n e s si nt h es y s t e m ， w h i c hc o u l df a c i l i t a t es y s t e mm a i n t e n a n c ea n de x p a n s i o n s t a n d a r ds i pp r o t o c o la n dc o m m o n x m ls t r u c t u r e p a s s i n g p t zc o m m a n d sw e r e a p p l i e d f o rt h ei n t e r c o n n e c t i o na n d i n t e r c o m m u n i c a t i o no fs y s t e m s s t a n d a r da p iw a sp r o v i d e di ns u b m o d u l e s ，s ot h e yd i dn o t d e p e n do nt h eo p e r a t i o np l a t f o r me n v i r o n m e n t ，w h i c hf a c i l i t a t e dt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f t h ev i d e os u r v e i l l a n c ew a si n t r o d u c e da n dt h ed r a w b a c k s o ft h ec u r r e n tp t zc o n t r o ls y s t e mw e r ea n a l y s e d ac o m p o s i t i v ep t zs y s t e mb a s e do nt h e f r a m e w o r kw a sd e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sm a d eag e n e r a ls u m m a r yf o rt h es y s t e mf r o m t h ed e s i g ni d e a ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，m o d u l ei n t e r f a c ea n dc o n t r o lf l o w s e c o n d l y ，t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h ep t zf r a m e w o r kw e r ep u tf o r w a r df r o mt h e a s p e c t so fa u t h o r i t yc o n t r o la n dc o m m a n dp a r s i n g w i t hr e s p e c tt oa u t h o r i t yc o n t r o l ，ac o n t r o l m e t h o db a s e do nr o l ea n dp r i o r i t yw a sa d o p t e d ，w h i c hd e s i g n e dap r e e m p t i o ns t r a t e g ya c c o r d i n g t ot h ec o n t r o ls t a t u s ，a n da v o i d e dt h ec o n f u s i o nc a u s e db ym u l t i u s e r r e g a r d i n gc o m m a n d p a r s i n g ，ap a r s i n gp o l i c yb a s e do nt e m p l a t ew a sp r o p o s e d i tc o u l dc o m p a t i b l ew i t ha l lk i n d so f p t z p r o t o c o l sa n da v o i de n c o d i n gw h e ns y s t e ma d d e d n e wp r o t o c 0 1 f i n a l l y ，s e v e r a lt y p i c a la p p l i c a t i o nm o d e so fp t z c o n t r o lf r a m e w o r kw e r ei n t r o d u c e d ，a n d t i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h em o d u l e sw e r et e s t e du n d e rt h es t r o n gs e r v e rm o d e ，w h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o g r a mp r o p o s e di nt h i sp a p e r 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 a nt i l tz o o m ，a u t h o r i t yc o n t r o l ，p t zp r o t o c o l ，c o m m a n d p a r s e i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 研究背景和意义一1 1 2 本文工作与组织结构3 第二章当前云台控制系统的分析。5 2 1 云台摄像机和云台控制的基本概念5 2 2 模拟视频监控系统中的云台控制系统一7 2 3 数字视频监控系统中的云台控制系统9 2 4 网络视频监控系统中的云台控制系统1 0 2 5 当前云台控制系统的比较1 3 第三章基于框架的综合云台控制系统总体设计。1 4 3 1 系统设计思想l4 3 2 系统总体设计15 3 3 系统接口描述1 6 3 4 系统控制流程17 3 5 本章小结l9 第四章一种基于角色和优先级的云台权限控制方法2 l 4 1 基于优先级的云台权限控制方法2 1 4 2 基于角色和优先级的云台权限控制方法2 3 4 2 1 基本思想。2 3 4 2 2 云台权限控制方式2 3 4 3 主要功能模块与接口设计2 4 4 3 1 模块功能设计2 4 4 3 2 状态机和控制块设计2 6 4 3 3 模块对外接口2 8 4 4 主要功能模块实现2 9 4 4 1 建立连接2 9 4 4 2 释放连接3 2 i v 南京邮电大学硕上研究生学位论文 目录 4 4 3 锁定连接3 4 4 4 4 解锁连接3 5 4 5 本章小结3 7 第五章一种基于模板的云台命令解析技术3 9 5 1 现有的解析技术3 9 5 2 一种基于模板的解析技术4 0 5 2 1 基本思想4 1 5 2 2 模板设计4 1 5 2 3 外部接口4 4 5 3 模块功能实现4 5 5 3 1 模块的初始化。4 5 5 3 2 增加云台协议模板4 9 5 3 3 删除云台协议模板4 9 5 3 4 解析云台命令字4 9 5 4 本章小结5 2 第六章系统应用模式与性能测试5 4 6 1 云台控制框架的应用模式5 4 6 1 1 基于框架的强终端模式。5 4 6 1 2 基于框架的强服务器模式。5 6 6 1 3 基于框架的多级多域模式5 8 6 2 系统性能测试与分析6 0 6 2 1 实验室环境和服务器配置6 0 6 2 2 云台权限控制模块测试与分析6 l 6 2 3 云台命令解析模块测试与分析6 5 6 2 4 云台控制功能的测试与分析6 7 6 3 本章小结6 8 总结与展望。 缩略词7 l 参考文献。7 2 本人已发表的论文。7 7 致 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着社会经济和科技的快速发展，各种交通和社会不安全因素日益突出，人们对工作 环境和生活安全越来越重视，安全问题已经成为整个社会关注的焦点。视频监控系统v s s ( v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ) 具有监控目标实时性强、适于远距离传输、便于管理控制等 突出优点，其应用越来越广泛。据资料显示，我国视频监控行业应用市场总产值已达到几 百亿元，近几年来更是以2 5 的速度递增。行业应用目前主要集中在政府部门、金融和电 信行业，这3 大行业占据了5 8 的市场份额。同时，视频监控个人应用市场也呈快速增长 趋势，来自中国电子视像行业协会的市场调研表明，随着个人用户对家庭安全的需求r 益 增长，采用视频监控系统来保障住宅安全的意识明显加强，监控市场领域范围将不断的扩 大【l l 。因此，如何利用视频监控有效预测、防范自然灾害和人为危害造成的巨大损失和伤 害，切实保障公众安全、保护生产生活正常高效的运行，成为研究和讨论的热点。 1 视频监控系统的国内外发展现状 当今视频监控技术水平已经从初期的模拟信息传输与控制飞速发展到了数字化、网络 化的信息传输与控制。纵观其发展历程，大致经过了模拟监控、数字监控和网络监控三个 主要阶段f 2 j 。 最早的视频监控系统是全模拟的，也称闭路电视监控系统c c t v ( c l o s e dc i r c u i t t e l e v i s i o n ) 。主要由摄像机、模拟视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频电缆、控制 电缆等连接，投资少，易于部署，易于应用。图像信息以模拟方式传输，一般传输距离不 能太远，主要应用于小范围的监控，监控图像一般只能在控制中心查看，缺乏应用灵活性。 数字视频监控系统作为第二代视频监控系统出现在2 0 世纪9 0 年代中期，以数字视频 矩阵替代原来的模拟视频矩阵，以数字硬盘录像机d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 替代原 来的长延时模拟录像机，将原来的磁带存储模式转变成数字存储模式，实现了将模拟视频 转为数字视频。数字视频监控系统无论在图像质量、保存时间以及可靠性上均有了大幅度 的提升，应用灵活性也较好，但是由于其设计出发点是基于传统模式，通信协议的多样化 塑室堂皇奎兰堡主翌窒生兰垡堡壅 笙二雯堕笙 与专业化很难统，导致现有的计算机资源远远满足不了多种设备的需求。另外数字视频 的数据量很大，要实现远距离视频传输需铺设( 租用) 光缆，在光缆两端安装视频光端机 设备，系统建设成本高、不易维护且维护费用较大，很难组建大型监控系统。 目前第三代视频监控系统是以网络视频服务器n v s ( n e t w o r kv i d e or e c o r d e r ) 为代表 的远程网络视频监控系统。n v s 解决了视频流在网络上传输的问题，从图像采集开始进行 数字化处理、传输，这样使得传输线路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了 图像传输的可能。它具有了明显的优势，不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备，轻 而易举地实现远程视频监控，系统扩展能力强，利用灵活、全数字化的录像方式便于保存 和检索，对视频画面中的海量数据可以进行分析过滤，只向监控者提供关注的信息，减少 了监控者的工作量，比较智能化。 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，为用户提供电信级的大数据量应用，将数字家庭的智能监控服务送达 到远端的p d a 或手机上，支持无线和有线的视频监控方案。在r 本，n t t d o c o m o 公司推 出了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。还有的国家在数字家庭的 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，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 频监控点播例。 2 当前存在的问题 视频监控的网络化趋势已经相当明显，网络监控的应用范围正逐步扩大，通过网络传 输和联网监控，可以实现跨区域统一监控、统一存储、统一管理、资源共享，整合利用行 业视频资源，达到视频资源最大程度的共享【4 】。另外，视频监控和视频会议、语音通信、 即时通信、视频信息发布等各种多媒体业务的融合需求也逐步增多，同时需要对大量的多 媒体数据进行保存和按需检索，这种多媒体融合应用的发展趋势e 是全行业的业务管理向 着多媒体化方向发展的必然结果【5 1 。监控规模的扩大和多媒体业务的融合，使得视频监控 系统的应用重心由传统的“监看、查证”向“管理、控制”转变，并逐渐在个别功能和应 用理念上跳出安防的界限，向“信息化管理”的方向靠拢。 为了迎合监控联网和多媒体融合管理的需求，不同的厂商提出了不同的解决方案。但 是目前各家的终端设备如编解码器不能互联互通，就算相互配合二次开发，也带给业主及 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一覃绪论 集成商很大的麻烦，为系统设计及扩容带来不便，所以终端设备的标准化将是一种发展趋 势；另一方面，当硬件设备标准化后，系统的真正主导是软件平台，而在软件平台上，由 于各监控系统独立建设，采用不同的实现技术和标准，导致系统间无法互联互通，而图像 存储分散，存储格式不统一，使得系统间图像共享困难，数据无法实现综合利用，很难做 到兼容性、一致性【6 j ，因此，视频监控业务在通用性上也是个不可避免的发展趋势。 经济的发展离不开基础设施的完善，同样，产品和解决方案的发展离不开核心技术和 开发平台的积累。只有实现多媒体软件技术的平台化、货架化，模块化，使得每款新的产 品、新的业务都可基于平台进行开发，才能顺应当今网络监控的发展趋势，在激烈的竞争 中能够快速高效的开发新产品。目前视频监控系统市场比较混乱，主要是缺少统一的行业 标准，每家企业都各自为政，产品上互不兼容，也没有开放式的接口设计，不利于系统的 二次开发，所以视频监控系统的研究存在着重要的实际意义。 云台控制是视频监控系统的一项基本业务，用户通过调整云台的焦距、倍率、方向等 来获取有效视场的图像，云台控制系统设计的好坏直接影响到视频监控系统的可靠性和可 操作性等关键指标。网络化的发展趋势，使得云台控制系统同样面临着互联互通和二次开 发困难等问题，此外，鉴于云台控制自身的特点，其应用和实现中还存在如下问题：用户 控制的随意性和控制形式的多样性要求系统强化对控制权限的管理；云台控制命令和控制 协议的多样性要求系统日_ z , 匕匕，4 k e l 好适应这种变化。为此本文提出一种通用的云台控制框架来解 决这些问题。 1 2 本文工作与组织结构 本文选取视频监控系统中的云台控制业务为研究对象，结合自己在杭州华三通信技术 公司的实习项目，设计实现了一种通用的云台控制框架。本文的研究工作如下：分析了当 前的几种云台控制系统存在的缺陷，在此基础上设计了一种基于框架的综合云台控制系 统，构建了通用的云台控制框架：对于框架的第一部分，提出了一种基于角色和优先级的 云台权限控制方法，来解决多类型用户和多控制方式需求下云台控制出现的混乱现象；对 于框架的第二部分，提出了一种基于模板的云台命令解析技术，来解决目前解析技术中增 加协议时需要编码的缺陷。最后介绍了几种典型的云台控制框架的应用模式，并在强服务 器模式下进行系统的性能测试和分析，验证了本文的研究成果。 本文的章节安排如下： 3 童室堕皇奎兰堡主塑塑竺兰垡丝壅笙二童丝堡 第一章绪论，介绍了课题的研究背景和意义，分析了视频监控系统的发展现状，指出 了当前系统在应用和实现中存在的问题，从而引出本文的研究对象云台控制框架。 第二章首先介绍了云台控制的基本概念，从系统的体系结构和控制流程两方面描述了 当前的几种云台控制系统，指出了它们在实现和应用中的优势和缺陷，网络的发展，使得 云台控制系统面临着新的挑战。 第三章设计了一种基于框架的综合云台控制系统，构建了一个通用的云台控制框架， 用于解决当前云台控制系统存在的弊端。文中详细的描述了其设计思想、体系结构、处理 流程以及主要模块提供的接口，并总结了此系统在应用中的优势。接下来的第四、五两章 详细的描述了云台控制框架的两个组成部分的实现过程。 第四章分析目前通用的基于优先级的权限控制方法的基础上，提出了一种基于角色和 优先级的云台权限控制方法，来解决多类型用户和多控制方式需求下云台控制出现的混乱 现象。文中阐述了其基本思想，介绍了多种控制方式，给出了控制策略、状态机和控制块 的设计和本模块对外提供的接口，以及主要功能的实现过程，第六章的应用和测试中验证 了方法的正确性和优越性。 第五章提出了一种通用的基于模板的云台命令解析方法，来解决目前解析技术中的增 加协议时需要编码的缺陷。文中首先分析了目前的几种解析方法的优势和缺陷，然后提出 了此方法，详细的描述了其基本思想、模板的设计形式t d 夕t - 部接口，论述了功能的实现过 程，同时给出了外部如何应用的方法，第六章的应用和测试中验证了功能的正确性和优势。 第六章云台控制框架在多种系统应用模式中的应用和系统的性能测试，首先介绍了目 前典型的应用模式和存在的问题，然后论述了如何应用本框架解决问题和应用后的优势， 最后选取了当前应用最广泛的强服务器模式作为测试环境，对云台控制框架的各模块进行 了功能的测试，证明了本文提出的方案的可行性。 最后，总结本文所做的工作，并对该课题进一步研究的重点方向进行展望。 4 南京邮电大学硕j j ：研究生学位论文第_ 二章当前云台控制系统的分析 第二章当前云台控制系统的分析 云台控制是视频监控系统的前端控制中心，通过云台控制调整摄像头的方向可以扩大 摄像机的监控范围，通过调整摄像机镜头的焦距、光圈、光倍，可以提高监控图像的准确 度和清晰度，从而提高摄像机的使用价值，实现全方位的监控【7 1 。云台控制作为视频监控 系统的一项基本功能，紧跟视频监控系统的发展而发展，本章将按照视频监控系统的发展 阶段，详细的介绍当前的几种云台控制系统。 2 1 云台摄像机和云台控制的基本概念 1 云台摄像机 云台摄像机，即带有云台的摄像机。云台是一种设备，通常用于摄像机与摄像机支撑 物的联结，是承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置，通过转动方向使摄像机实 现多角度的摄像。云台内装两个交流电组成的电动机，这两个电动机一个负责水平方向的 转动，另一个负责垂直方向的转动，电动机接收控制器的信号精确地运行定位，在控制信 号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下 跟踪监视对象。云台根据其回转的特点可分为，只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右 旋转又能上下旋转的全方位云台【8 1 。 根据云台和摄像机的结合程度，有云台与摄像机一体的一体机，而半球机和球机一般 是外部安装了护罩，同时内部整合了转动云台。根据转动速度不同，又分为高速球机、中 速球机和匀速球机。云台摄像机一般用于开阔地带的监控，根据情况，可采用云台一体机， 半球机，球机，其中云台一体机转速略慢，可用于普通巡航式监控；半球机转动角度多在 1 8 0 度以内，适合角落处安装；球机可以进行3 6 0 度旋转，多采用吊装，进行全角度监控，i 有报警定位需求的，可考虑使用高速或中速球机【9 1 。 2 云台控制命令 云台控制命令，即云台摄像机实现的控制功能，主要包含以下几类：方向运动控制命 令、镜头控制命令、辅助控制命令、扩展控制命令等。表2 1 列举了一些常见的云台控制 命令【1 0 1 。 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章当前云台控制系统的分析 表2 1常见的云台控制命令 分类控制命令类型命令说明 方向运动向上、向下、向左、向右、调整摄像机的方向扩大摄像机的监控范围，摄像机运动 控制命令左上、左下、右上、右下的速度是由水平速度和垂直速度决定。 调整摄像机焦距的远近，得到所需的全景画面或是远处 焦距控制 细微的视图。 光圈控制调整摄像机的光圈大小，以获得满意的图像亮度。 镜头控制 聚焦控制通过摄像机的聚焦控制，以获得满意的图像清晰度。 命令 变倍控制调整摄像机的倍数大小，以获得合适的监控范围。 当镜头运动到底部时，镜头会自动翻转1 8 0 度，并随即 自动翻转向上转，可直接观看到背面的景物，从而实现纵向1 8 0 度的全程连续监视。 辅助控制 雨刷、红外、加热、照明 通过控制雨刷、红外灯等外围设备的开启和关闭，来保 命令护工作在恶劣环境下的摄像机。 预置位是指摄像机能将所需状态下的镜头位置参数保 预置位的设置、调用、删除存到存储器中，需要时可以迅速调用该参数而自动地将 镜头调整至该位置。 从事先设置好的预置位列表中选择一个重要位置，云台 看守位 不处于控制状态时，自动转到该位置。 通过预置何编程，将某些预置何按要求的顺序编排剑巡 预置位巡航航的队列中，只需一个外部命令就可以让摄像机自动按 设定的预置位顺序以设定的时间间隔往复不停的转动。 扩展控制 巡航计划 将多个巡航按照时间段排列，时间到了就可以自动执 命令行，可以指定日计划、周计划和节假日计划。 是指预先设定左限位和右限位，可以实现摄像机在左右 自动扫描 限位之间以设定的速度水平自动来回扫描。 模式功能是用户启动录制功能后，云台能够连续记录用 模式或花样扫描户在某一段时间内对云台转动及镜头操作的运行轨迹， 通过操作命令可以将录下的操作过程自动循环的回放。 是指使用者在一段时间内没有云台操作时，摄像头能自 自动运行动回到预先设置的某一个重要的预置位或执行预先设 定的巡航、自动扫描、自动巡航等。 3 云台控制协议 云台协议是系统主机与云台摄像机之间的通讯协议，它控制云台和摄像机镜头的工作 方式。系统主机为发送命令方，云台摄像机内置的解码器为接收方，只有两者的协议相同 6 塑室墅皇奎兰堡圭塑窒生兰垡笙塞丝三童堂萱墨鱼丝塑墨竺塑坌塑 才能完成控制。云台协议有很多种，比较成熟且使用广泛的通信协议有如下几种：p e l c o 公司制定p e l c o d 和p e l c o p 协议、a d 通讯协议、p h i l i p s 通讯协议和s a m s u n g 通 讯协议1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 1 等。在实际应用中，p e l c o p 协议是业内最为流行的云台控制协议， p e l c o p 协议采用r s 4 8 5 接口进行传输，波特率为4 8 0 0 ，一位起始位，一位停止位，八 位数据位和一位校验位，在协议中所有数值都为十六进制数，其数据传输格式如表2 2 所 示。其中，起始码是帧头，表示一帧数据的开始；地址码用于区分不同的云台设备：四个 数据字节包含了本条云台控制命令的全部信息，具体数据含义如表2 3 所示；停止码表示 一帧数据的结束；校验码用于接收端判断传输过程中数据是否出错。 表2 2p e l c o p 协议数据传输格式 数据序列( 字节) l2345678 发送数据 a 00 0 1 fd a t a1d a t a 2d a t a 3d a t a 4a f0 0 - f f 含义 起始码地址码数据l数据2数据3数据4停l e 码校验码 表2 - 3p e l c o p 四个数据字节的设置 各位值所代表的意义 76543210 摄像机打摄像机打开光圈关光圈打焦距拉焦距 数据字节1 0 自动扫描 开关闭闭开 近拉远 数据字节2 0视角变宽视角变窄下上左右 o 数据字节3 平移速度o o ( 停止) 到3 f ( 高速) 以及4 0 ( 最高速) 数据字节4 垂直移动速度o o ( 停止) 到3 f ( 最高速) 2 2 模拟视频监控系统中的云台控制系统 模拟视频监控系统中，云台控制系统主要由前端、控制和切换、传输三大部分组成。 前端包含云台摄像机和云台解码器；控制和切换部分由模拟视频矩阵控制主机和模拟控制 键盘实现；传输部分包括专门的视频电缆，双绞线等。其体系结构如图2 1 所示。 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章当前云台控制系统的分析 援l 像机 糯 控制键盘 摄像机l 模拟视频 啊墙 矩阵控制 主机 摄像机 控制键盘 丁眄露澜 i 蚤h 燮：_ | 图2 1模拟视频监控系统中的云台控制系统 其中，模拟控制键盘向用户提供操作面板，键盘通过控制主机上的专业键盘接口连接 到控制主机，键盘和控制主机之间的信息编码格式随各公司的设计而不同，所以键盘和控 制主机必须配套，键盘连线一般比较短，一般1 s k i n 之内；模拟视频矩阵控制主机负责将 控制信号转发到前端云台解码器；云台解码器通过控制主机上的云台镜头控制接口连接到 控制主机，它们之间的通信也需要专门的编码格式，也需要配套才能实现通信；云台解码 器对控制信号进行解析，驱动云台实现控制动作。 最初的模拟视频监控系统是以安全防范为目标的，在应用上更多以“监看、查证为 主要实施手段，云台控制只是视频监控应用中的一个辅助功能，云台控制只是简单的方向 控制和镜头调节。其云台控制流程如下：用户通过模拟控制键盘发送云台控制命令，控制 命令以模拟信号的方式通过控制线路传输到控制主机，控制主机不需要理解信号，将控制 信号经控制线送往位于摄像机前端处的云台解码器，解码器分析信号，确定执行何种动作， 通过它内部的继电器节点驱动云台或镜头完成相应的控制动作。 模拟视频监控系统中，云台控制命令是以模拟信号的方式在系统中传输，因此决定了 系统具有如下特点： 1 ) 每一台云台的每个控制信号有专门的线路铺设，控制信号完全通过线路传输，各部 件无需考虑信号间的通讯联系问题，因此系统的实现大部分由硬件完成。目前，经过几十 年的发展，硬件的实现已经比较成熟，在成熟的硬件之上，系统的稳定性好，可靠性高。 2 ) 随着规模的扩大，系统中大量的线路会导致控制信号之间的干扰越来越严重，同时 大量的线路给维护带来了不便，因此系统只能连接少量设备，系统的容量比较小，只能适 合小规模的应用。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章当前云台控制系统的分析 3 ) 模拟控制信号传输距离会受到视频电缆传输长度和电缆放大器的限制，只能进行短 距离的传输，即只能实现本地控制。 4 ) 模拟信号传输过程中，各种设备没有对控制信号进行转换，这要求控制键盘、控制 主机、云台解码器和云台之问需要兼容，一定程度上限制了组网的灵活性。 通过以上分析，模拟视频监控系统中的云台控制比较简单，发展比较成熟，系统的可 靠性和稳定性高，但是模拟控制信号的传输方式导致系统的局限性比较大，只适合小范围 的本地监控方式，系统的扩展和维护困难。 2 3 数字视频监控系统中的云台控制系统 最初的数字视频监控系统，以数字信号代替模拟信号，以数字视频矩阵控制主机替代 原来的模拟视频矩阵控制主机，使用p c 机或数字控制键盘代替模拟控制键盘的操作面板， 出现了内置云台解码器的云台摄像机【1 7 】，其体系结构如图2 2 所示。 i 摄像机 一 z 譬 厶 口 控制键盘 l 摄像机l控制 数字视频 l 司 信号 圆 分配 _ _矩阵控制 主机 l 摄像机i 设备 到 p c 台1 1 图2 - 2 数字视频监控系统中的云台控制系统 数字视频监控系统中，云台控制仍未得到广泛的应用，其云台控制流程如下：用户通 过数字控制键盘或p c 机，向目标云台摄像机发送控制命令，数字视频矩阵控制主机对来 自键盘和p c 机的控制命令进行编码，由控制信号分配设备将控制命令广播到所有的前端， 前端根据云台地址码来识别是否针对自己的，若是则由其内置或连接的云台解码器对控制 命令译码，按命令执行动作。 数字视频监控系统中的云台控制系统，相比模拟视频监控系统中的云台控制系统有如 下变化【1 8 】： 1 ) 用户操作面板不再局限于控制键盘，p c 机的控制方式使得人机界面交互更加友好， 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章当前云台控制系统的分析 但p c 机和控制键盘一样，控制信号仍然需要符合一定的编码格式。 2 ) 控制信号由模拟量转变为数字量，一台控制操作台通过简单的串行连接可以控制多 台云台，串口通信方式极大的提高了系统的通讯信息集成化和综合自动化，同时也减少了 信号间的干扰，降低了系统的成本。 3 ) 数字量的传输方式，要求云台解码器和主机之间的编解码遵循对应的云台协议格 式，通过协议的转换达到主机和前端设备的兼容性，增加了组网时设备选择的灵活性。 4 ) 云台摄像机的设计也有了发展，出现了内置云台解码器的云台摄像机，提高了前端 设备的集成度。 数字视频矩阵为主的云台控制系统，采用数字化的方式传输控制信号，相比模拟视频 监控中的云台控制系统有明显的优势，但其设计模式仍是基于原来的系统，控制信号仍然 通过控制线传输，组网方面仍属于本地监控。d v r 0 9 1 视频监控系统出现后，d v r 集成了 管理和切换控制等功能，并支持有限的i p 网络访问，即客户端( p c 机) 可以通过局域网 连接到d v r ，通过网络实现用户远程控制云台，同时通过计算机网络可以实现多个d v r 之间的简单联网。但是d v r 为主的云台控制系统存在如下缺陷： 1 ) 有限的远程控制能力，虽然可以联网，但不能直接从任意客户机控制任意云台，只 能通过d v r 间接访问云台。 2 ) 和模拟系统一样，仍然需要在每个云台摄像机上安装单独的控制线，布线复杂，扩 展困难。 3 ) d v r 的扩展能力差，一次只能扩展有限的云台和客户端，系统的规模仍然比较小。 4 ) d v r 产品五花j k f - j ，没有标准，联网只能使用同一型号的产品。 总的来说，数字视频监控系统中的云台控制系统实现了控制信号的数字化，利用网络 资源实现了简单的远程监控，但其前端的设计仍和模拟监控一样，需要复杂的布线，在一 定程度上仍属于本地监控模式，系统的扩展性比较差，系统的管理方式仍属于复杂的手工 管理，系统的规模比较小。 2 4 网络视频监控系统中的云台控制系统 网络视频监控系统中，云台控制命令以网络的方式在系统中传输，中心服务器实现用 l o 塑室些皇奎堂堡主竺窒竺兰垡垒壅星三雯堂萱墨鱼笙型墨竺塑坌塑 户、设备的集中控制和管理，用户通过客户端或浏览器可以远程控制系统中的云台，系统 的控制范围和规模不再受限制，前端增加编码器设备实现中心服务器和云台设备间的通 信，客户端、服务器以及编码器之间通过i p 地址通信【2 们。 网络视频监控系统中，云台控制系统由客户端、前端、中心和传输四大部分组成，如 图2 3 所示。 摄像机 客户端 剥 台r 彩麓j 编 客户端码 。7i p 网。嚆 i 摄像机l 器 l 矧 ， 凼1 甏。爹 摄像机j ， 。 _ i 云l 编 爹 i 。 中心服务器 码 台r 器 控制和管理 前端部分 图2 3 网络视频监控系统中的云台控制系统 其中，视频客户端提供人机交互的界面，用户通过客户端管理系统中的资源，实现云 台控制功能；视频前端执行云台控制命令，包括编码器和各种云台摄像机，编码器和云台 之间一般通过r s 4 8 5 接口通讯，通过串口广播云台控制命令，云台通过地址码识别是否针 对自己【2 1 1 ，编码器有多种类型，可以根据摄像机的密度情况选择多路编码器，降低成本； 中心服务器完成系统中所有的设备、用户和业务等的管理及控制，包括视频管理服务器和 数据管理服务器，视频管理服务器是系统的管理中心