（电力系统及其自动化专业论文）基于web的变电站视频监控系统.pdf

a b s t r a c t a sc 1 1 i n a sp o w e ri i l d u s n yc o n t i n u e st od e v e l o p ，e l e c t r i c 时n e t 、) i r o r k sh a v eb e e l l e x p a n d i l l g ，也en e 铆o r ki n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i 够o f 也es t m c t u r e a sah u bo ft h e 面dm es u b s t a t i o n sp l a ya ni i n p o n a i l tr o l e i nt h ep o w e rs y s t e m ，b u tb e c a u s e s u b s t a t i o n ss c a t t e r e da n dr 锄o t e1 0 c a t i o nw h e r et h ec h 啪c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i c i t v n e t w o r km a n a g e l n e n ta n ds e c u 】j t ) ，c a u s e da1 0 to fi i l c o n v e n j e n c e t h e r e f o r e ，t h eu s e o fw b b - b a s e dv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ms u b s t a t i o no nt h ec u ”e n ts u b s t a t i o nt o i n l p r o v ed a y t o - d a ym a n a g e m e n t ， t h ep r o 铲e s s i v er e a l i z a t i o no fm eu m n 糊e d s u b s t a t i o 玛m u si i n p r o v i l l gt h eo v e r a l lp o w e r 鲥dm a n a g 锄e ml e v e li se x 骶m e l y i m p o n a m f i r s t l y ；蚰sa r t i c l ei sp r o p o s i n gt h ed e s i g np r o p o s a lo f 戗a i l s f 0 珊e rs u b s t a t i o n v i d e o 丘e q u e n c ys u p e r v i s o r ys y s t e m b a s e do nt h ew e b ，t 1 1 i sp r o p o s a l t a l ( e sr e a l i z i n g t 1 1 ev i d e o 血a g eg a 1 e 血gb r o a d c a s t ，t 1 1 ev i d e o 舶q u e n c yn e 附o r kt r a i l s m i s s i o m s u p e 1 s o 巧s y s t e m sr e m o t ec o n 仃d l ，v i d e oi m a g em o t i o nd e t e c t i o ns e v e r a l6 m c t i o n s a st h eg o a l ，a d 印t e st h ei n t e 伊a t e dt r e i l dt h a t d i g i t i z a t i o i l t h en e t 、) l ，o r k ，硫e g r a t i o no f 吼l p e i s o r ys y s t 髓n 1 1 1t h ep r o c e s so fr e a l i z i n gv i d e oh a g ec 印n l r i n ga i l dt h eb r o a d c a s t i i l g ，蚰s a n i c l ep r o p o s e dan e wm e t h o dt or e a l i z et h ea d mc o l l i l e c t i o np r o g r a m m i n gb a s e do n d s p a c ka 1 1 d l em i c r o s o rd i l e c t s h o w d e v e l o p m e mt o o lb a g ， i ts o l v e dt h e s h o r t c o 蚵n gt h a tu s e dm ec o mc o l l i l e c t i o n p u r e l yt op r o 伊a mn u m e r o u s ，p r o m o t e d t h ed e v e l o p m e n te m c i e l l c y ；i i lt h ep r o c e s so fr e a l i z i i l gt h ev i d e o 舶q u e l l c yn e 研o r k 仃a 1 1 s m i s s i o n ，t h i sa n i c l eh a su s e dt h ee t h e n l e ta 1 1 dt h ea r mn e t w o r k 仃a 1 1 s m i s s i o n t e c l l l l o l o g 弘o v e r c 锄et h es h o r t c o m i l l gt h a tt h ee a r l yt i m es u p e n ，i s o r ys y s t e l i l t r a l l s m i s s i o ns p e e di se x c e s s i v e l ys l o w ，a i l da l s ot a k e st h eb a n dw i d t l le x c e s s i v e l yt o o 1 1 i 曲；1 1 1t h ep r o c e s so fr e a l i z i n gt h es u p e i s o 拶s y s t e mr e m o t ec o n t r o l ，t m sa n i c l e u s e st l l ea c t i v e xt e c l l l l o l o g y ，r e a l i z e dt h eb r o w s i n ga 1 1 dt l l eo p e r a t i o no ft ot h ev i d e o f k q u e n c ys u p e i s o us y s t e mi i lt h ew e bp a g ef - m a l l y ，t h em e t h o dw m l eg u a r a i l t e e d s y s t e m so p e i m e s sa i l dt h es e c 嘶t y ；f i n a l l y ，“sa n i c l eu s e sm eb a c k 田o u l l da b a t e m e m t e c h n o l o g yt or e a l i z et h ev i d e oi m a g em o t i o nd e t e c t i o n ，i td i s c o v e r si i lt h ep m c e s so f r e a l i z i n gt h a tt h ei 1 1 i t i a la l g o r i m ma n t i - j a n l m i n gw a sn o ts n o n g ，t h ew a m i n gw a s f - r e q u e m ，t h i sa r t i c l ep o i n t e do u tt h a tt h ea l g o n t h mu s e di nj u d 西n gf i n a l l yw h e t h e r s h o u l dr 印o r tt ot h ep o l i c et h et h r e s h o l dv a l u et o o ki sw h e no 1c o u l dr e = p o nt ot h e p o l l c et l l ea c c u r a c yt 0r e a c ht h em o s th i g he n e r g yt oe l 证l m a t et l l em a j o r i t yo fw r o n g w 猢g s l t u a t i o na r e rc a r e 缸lr e s e a r c l l i n gt h ea l g o r i t h m 。 lh es u b s t a t l o nv 1 d e of r e q u e n c ys u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nw 曲o nt h j sa n i c l e m o v e st h ep e n o do p e r a t l o n a la s p e c tt ob eg o o d ，t h ep i c t u r eq u a l i 谚i sc l e a r ，t 1 1 e w a 衄n ga c c u r a c yl sl l i g h ，m e e t st l l et r a n s f o m l e rs u b s t a t i o nc 1 盯r e mm a l l a g e m e mw o r k r e q u i r e m e l l tc o m p l e t e l y k e yw o i i s ：s u b s t a t i o n ；d e os u r v e i l l a n c e ：d i r e c t s h o w ；a c t i v e x ； m o v 锄e n td e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鎏盘堂或其他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。 学位论文作者签名：繇科寥 签字日期：脚步年，月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 蒙，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 槲宇 签字同期：户衢年6 月7 护目。 导师签名：勿杨乙 签字日期：年 么月，p 同 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 实现变电站远程视频监控的必要性 随着我国电力工业的不断发展，电力网络规模不断扩大，网络结构的复杂 性与日俱增。而作为电网枢纽的变电站，更是在电力系统中发挥着重要的作用， 但由于变电站所处地理位置分散和偏僻的特点，为电力网络的管理和安全防范造 成了诸多不便，因此，采用先进技术的研究成果对目前的变电站管理进行改进， 逐步实现变电站的无人值守，进而提高电网的管理水平具有重要的意义。 常规意义上的三遥或四遥系统是调度自动化的主要内容，是实现变电站无人 值班或值守的必要条件。仅依靠调度自动化现有技术手段，实现变电站无人值班 或值守还不完善。为保证变电站安全，应对环境状况、设备运行、文明生产等各 类情况加以监视。特别要防范火灾、爆炸、泄露、失窃及恶意破坏等，对安全生 产构成极大威胁的情况加以监视，切实提高实行无人值班或值守后的变电站安全 水平。 1 2 变电站远程视频监控系统的发展现状 无人职守作业已经成为电力行业的迫切需要，国家电力调度通讯中心要求现 有的3 5 k v 、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 变电站在条件成熟时，逐步实现无人值班；新建变电 站应按无人值班方式设计。目前“无人值班”已成为考察电力企业达标创一流的 一个重要指标。鉴于现今变电站的位置和环境要求，如果对相隔几十甚至几百公 里距离之外的变电站每天派人去进行现场值班工作既浪费人力物力财力，也不便 于管理和处理突发情况，所以用于远程的无人值守视频监控系统的设计就被提了 出来。对于远距离无人值守的变电站，为了及时了解现场的工作情况，这就需要 一套远程视频监控系统，使之能够对变电站设备的运行状况和变电站四周图像的 非法入侵进行视频监控，并且能够对现场发生的异常情况进行自动报警，以便远 端值班中心操作人员及时发现和解决故障。 、然而，长期以来，变电站一直采用2 4 小时有人值班的工作方式。虽然，随 着调度综合自动化改造的实现，许多变电站已成为无人值守站或仅有一名守门人 员，变电站配变电设备的调度管理全部集中到调度中心。原来由生产现场工作人 员直接执行的设备运行状态监控职能，只能依靠变电站的遥测、遥信、遥调和遥 控系统实现。在实际生产运行中，由于这些系统在功能和可靠性上的局限，并不 第一章绪论 能完全覆盖所有设备的运行状态的监控。同时，无人值班变电站经常出现的由于 外人侵入而造成设备的损坏和丢失，也是变电站配套设备安全管理亟待解决的问 题。 因此，要实现真正意义上的无人值守，必须在变电站原有的遥测、遥信、遥 调和遥控的基础上，增加变电站室内外图像监控和图像传输的功能，实现遥视功 能。视频监控系统能够支持相关人员及时直观了解变电站现场的情况，为控制中 心操作人员提供变电站现场图像，并对关键部位进行报警检查。伴随电力网建设 的同时，目前大多数电力企业，都已经建立了较具规模的电力通信网络，形成了 数字微波、光纤干线和电力载波线等混合型网络架构，通信带宽和信道质量有了 明显提高，这些为变电站远程视频监控提供了必要的通信传输条件。 目前，电力系统中应用的图像监控系统有工业电视系统和计算机管理的图像 监控系统。工业电视系统是将安装在厂站现场的摄像机通过视频电缆将视频信号 经视频切换器传送到监视器。由于视频电缆会使模拟视频信号产生损耗，传送图 像局限在5 0 0 米范围内，只能用于本地监视；计算机管理的图像监控系统是将摄 像机采集的模拟或数字视频信号，经计算机视频采集卡进行数字处理再压缩编 码，而后远传或本地监视。采集点增多时，计算机工作量巨大，形成信息传输瓶 颈，图像失真，系统不稳定。因此，针对这些问题，在具体研究和开发过程中必 须加以解决。 远程视频监控系统发展至今大体经历了如下三个发展阶段： ( 1 ) 古老的模拟视频监控方法，即采用录像机将现场情况录下来备查。录像 机录下来的图像，存在着清晰度不足，查询麻烦和录像带保存等问题，所以这种 方法的使用已经越来越少。而对于较早的远程视频监控，存在着数据量大，网络 传输极其困难，需要专用线路设备，视频信号质量差，对监控系统要求高等不便。 随着现代科学技术的日新月异，特别是近年来计算机技术的迅猛发展，这种模拟 监控方法正在，也终将会被数字视频监控方法所取代。 ( 2 ) 传统的视频监控系统基本只能在局域网中工作，无法很好的满足远程监 控的需要。并且由于其前端采用带视频采集卡的计算机完成视频信息的采集和与 远程监控端进行通信的任务，所以要求几乎每个监控点都需要一台计算机，这就 增加了许多额外的开销和空间占用，也带来了许多繁杂的维护工作，所以传统的 监控手段已不能很好的满足现代人们对监控系统的要求。 ( 3 ) 随着i c 设计产业的迅速发展和嵌入式系统的大力推广和流行，新的各 种专用芯片功能越来越强，价格也越来越能够被实际应用所接受。这样就产生了 新的用小型高效的网络视频服务器为前端的新一代网络远程监控系统，采用压缩 效率更高的专用视频压缩芯片可以很好的解决网络传输中实时性和图像质量的 第一章绪论 矛盾。新一代的远程监控系统是分布式的，采用基于口、l a n 形式的利用公共 网络传输的视频监控系统，可以实现在无论任何地方，只要安装客户端软件，通 过服务器的身份验证，就可以对监控系统进行操作。并且由于服务器体积小，独 立工作性强，也就减少了采用计算机作为前端所带来的许多问题，符合目前流行 的瘦客户端、胖服务器的要求，也减少了维护带来的不便。这样的监控系统既是 计算机技术迅猛发展的产物，又是现代高科技的结晶，是图像处理和信息技术的 完美结合，并且它和i i l t e m e t 相结合的形式非常利于客户端的智能操作。 总结远程视频监控系统的三个发展阶段，可得表卜1 如下： 表卜l 远程视频监控系统的三个发展阶段比较 新一代数字监控系统传统的数字监控系统 古老的视频监控系统 远程监控通过i n t e n i e t 即可监 可实现局域网监控，监控远程 能力控远方现场现场，但对网络质量要求较高 很难实现远程监控 监控点条 专用服务器，体积小， 无需专门维护，受周 采用视频采集卡的计算机，需需大量特殊监控设 件要求 专人维护，对环境有一定要求备，硬件环境要求高 边环境影响较小 相同网络 条件下监 图像画面清晰，图像 图像画面质量较差，丢帧，图基本无法实现远程图 质量高像不够连续像的网络传输 控质量 1 3 国内外视频监控系统研究现状 近年来，视频监控在各行各业得到了广泛的应用，如生活中有小区安全监控， 电讯行业有机站监控，银行系统有柜员机监控，林业部门有火情监控，交通方有 违章和流量监控等。从功能上讲，视频监控可用于安全防范、信息获取和指挥调 度等方面。 目前，国外的视频监控广泛应用于各领域，其技术先进，功能齐全。而国内 的厂家大多在引进、消化国外产品，市场上的产品主要有两类：一是直接引进国 外产品，比较典型的系统如v s a m ，它于1 9 9 6 1 9 9 9 年间，美国国防高级研究计 划局( d a r p a ) 资助卡内基梅隆大学、戴维s 刖刚o f f 研究中心等著名大学和公司 合作研制的。其它的例如：来自欧洲的c e u s t a c k 产品、英国高速公路局m 2 5 高 速公路上数字c c t v 监控系统和总部设在比利时的t e l h l d u s 等：二是国内自主开 发的监控系统产品，但大多都未采用最新的视频数据解压缩标准，并且不能很好 地与变电站监控的实际功能需求实现紧密结合。 第一章绪论 数字视频监控系统不仅符合信息产业的未来发展趋势，而且代表了监控行业 的未来发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，成为目前信息产业中颇受关注 的数字化产品。特别是近年来，随着技术的进步和社会经济的不断发展，客观上 对监控系统的准确性、有效性和方便性提出了更高要求。具体地讲，主要体现在 以下两个方面： 一是需要实施视频监控的范围更加广阔，由传统的安防监控向管理监控和生 产经营监控发展，而且对同一套系统的覆盖面和实施距离也提出了更高的要求， 达到点多面广； 二是要求监控系统与管理信息系统、网络系统结合，实现对大量视频数据的 压缩存储、传输和自动处理，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。总之，数字视频监控系统在向网络化、管理智能化和 功能综合化方向发展隋，。 1 4 当前视频监控系统相关技术的进展 ( 1 ) c m o s 图像传感器技术的成熟 监控摄像机的图像传感器正逐渐从传统的c c d 向c m o s 转变。这两种传感 器各有长短，但一直以来，c m o s 传感器的缺点渐渐减少。c m o s 图像传感器 低成本、高集成度为其主要特点，图像质量已不输于c c d 。与基于c c d 的摄像 头相比，c m o s 摄像头的集成度更高，因为c m o s 传感器集成了许多外围处理 功能，所需器件比c c d 摄像头少，且比c m o s 摄像头的功耗要低得多。从整个 系统来看，c m o s 传感器可将成本大大降低。 ( 2 ) 智能分析技术的发展 i e e e 在图像的智能分析等方面有比较大的成果，比如运动检测、人脸识别、 目标跟踪等。 运动检测是指在指定区域能识别图像的变化，检测运动物体的存在并避免由 光线变化带来的干扰。由于背景图像的动态变化，如天气、光照、影子及混乱干 扰等的影响，使得运动检测成为一项相当困难的工作。早期的运动检测是对编码 后产生的n 帧进行比较分析，通过视频帧的比较来检测图像变化。目前常用的方 法有背景减除( b a c k 乒o u l l ds u b t r a c t i o n ) 、时间差分( t e m p o r a ld i 疵r e l l c e ) ，光流 ( o p t i c a l f l o w ) 、运动向量检测法等。 ( 3 ) 芯片技术为视频监视产品提供新方案 i p 摄像机通常集成了视频捕获、视频编码处理和网络接口功能。在视频监 控市场，能够支持这些功能的各种视频信号处理器芯片性能差异很大，但也是最 能突显优势的产品。从功能需求最少的低端产品到高性能的采用多核数字信号处 第一章绪论 理器( d s p ) 芯片的高端产品，针对不同的市场，对视频信号处理器的要求差别 很大。高性能的d s p 芯片使视频处理器性能得到极大提升。这些d s p 是催生智 能摄像机的关键要素。正因为这些d s p 、口视频服务器才具备同时对多视频流 进行智能管理的能力。 ( 4 ) 视频压缩格式越来越先进 以前的数字视频监控的图像格式主要以m j p e g 与e g 2 为主。随着图像 压缩技术的提高，出现了越来越先进的视频压缩格式，如e g 4 ，h 2 6 4 ，国 内正在大力发展具有自主产权的a v s 编码格式。视频压缩技术的发展为视频监 控在图像传输、录像存储等方面带来极大的好处。 现今视频监控系统已经步入了全数字时代，彻底打破了“闭路电视系统”模 拟方式的结构，从根本上改变了视频监控系统从信息采集、传输处理、系统控制 的方式。目前，监控正在走向现代“四化”阶段： ( 1 ) 前端一体化 监控系统前端一体化意味着多种技术的整合、嵌入式构架、适用和适应性更 强，以及不同探测设备的整合输出，为系统集成化奠定了基础。 ( 2 ) 传输网络化 视频监控系统的网络化意味着系统的结构将由集总式向集散式系统发展，集 散式系统采用多层分级的结构形式，将使整个网络系统硬件和软件资源以及任务 和负载得以共享，这也是系统集成与整合的重要基础。 ( 3 ) 处理数字化 信息处理数字化意味着信息流的数字化和遵循开放式的协议。采用具有微内 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。 ( 4 ) 系统集成化 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、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、调试和维修简单化等特点。系统集成化正是由于构建系统的各子系统 均实现了网络化和数字化，特别是使视频监控系统与弱电系统中其它各子系统间 实现无缝连接，从而实现了在统一的操作平台上进行管理和控制。 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。所以，视 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 大规模数字传输网络是实现现代“四化”的物质基础。为加快电力系统数字 化的步伐，电力部门已经在全国范围内开始构筑s d h 光纤传输网络，各省市电 第一章绪论 业局也相应开始在其所辖区域内构筑s d h 传输网，并通过网络将所有变电站连 接起来。 1 5 本文所要做的主要工作 本文所做的是一种基于w 曲的网络视频监控系统，它包括网络接口编程技 术、网络传输技术视频、压缩编解码技术和计算机视频图像处理技术等。 本论文的主要研究内容是针对以上远程视频监控系统开发中的关键技术进 行研究和分析，提出监控系统的设计方案和开发步骤，对各个关键部分进行具体 的开发实现，最后将开发一个初步的基于w e b 的变电站无人值守远程视频监控系 统。具体主要包括以下内容： ( 1 ) 利用安装在监视目标区域的摄像头，对监视点进行全方位布防监视。 ( 2 ) 利用d i r e c t s h o w 编程捕获摄像头传来的视频数据并采用肝e g 一4 压缩算 法，将视频信号进行压缩。 ( 3 ) 将压缩后的视频数据在本地进行录像存储。 ( 4 ) 将压缩后的视频数据通过a c 6 v e x 技术网络传输送至客户端( 即远端监 控中心的主机) 。客户端的p c 机能在正上顺利访问监控系统页面。 ( 5 ) 用程序实现视频的检索、回放和定位，使客户端机器能够方便地为监控 视频文件进行事后查看。 ( 6 ) 对视频图像进行运动检测：对现场图像进行监控，检测是否有可疑运动 发生，这就需要对运动图像进行动态的数字视频图像运动检测，对连续帧图像进 行比较，对所发生的运动进行自动报警。这是本系统需要完成的重要也是主要的 一个功能。 设计的主要任务是完成通过公用互联网络进行的视频压缩信号的传输，远端 监控人员可通过浏览i e 网页实时现场监控，系统应具有初步的运动图像监测功 能、报警功能和监控录像功能，能够保存并回放无人值守时的监控录像。 在开发环境上，本文采用c + + b u i l d e r6 作为开发工具进行服务器端软件的设 计，在本论文中将侧重分析和研究视频压缩m p e g _ 4 协议的基本原理和微软的 d i r e c t s h o w 开发工具包的使用方法以及对实时网络流媒体数据进行处理的手段， 研究对数字视频序列进行运动图像检测的基本原理和基本方法，也了解和学习视 频压缩解压设计的基本原理和工作情况。 第二章基于w e b 的变电站视频监控系统的主要技术 第二章基于w 曲的变电站视频监控系统的主要技术 2 1 视频监控系统视频捕获与播放技术 2 1 1dir e c t s h o w 技术 流媒体的处理，以其复杂性和技术性，一向广受工业界的关注。特别伴随着 互联网的普及和流媒体在网络上的广泛应用，怎样才能使流媒体的处理变得简单 而富有成效逐渐成为了焦点问题，只有选择一种合适的应用方案才能事半功倍。 此时，微软的d i r e c t s h o w 给了我们一个不错的选择。长久以来，多媒体应用一 直面临着挑战，包括多媒体大量的数据传输、快速的数据处理要求、音视频流的 同步、媒体流的格式转换等等。d 抵t s h o w 正是微软针对以上问题设计，并且很 好地解决了这些问题的一种应用架构。它的设计目标是：隔离数据传输、硬件兼 容、流同步等底层处理，使客户能够轻轻松松地创建w i i l d o w s 应用平台上的多 媒体应用程序。 d i r e c t s h o w 是微软公司提供的一套在w i l l d o w s 平台上进行流媒体处理的开 发包，与d i r e c t x 开发包一起发布，目前，d i r e c t x 最新版本为9 o 。d n c t s h o w 为多媒体流的捕捉和回放提供了强有力的支持。运用d i r e c t s h o w ，我们可以很方 便地从支持w d m 驱动模型的采集卡上捕获数据，并且进行相应的后期处理乃至 存储到文件中。它广泛地支持各种媒体格式，包括a s f 、m p e g 、a v i 、d v 、 3 、w a v e 等等，并且对捕捉设备进行了包装，支持、加m 或者旧的：w 设 备，能自动侦测并利用硬件加速功能。这些功能都使得多媒体数据的回放变得轻 而易举。另外，d i r e c t s h o w 还集成了d i r e c t x 其它部分( 比如d n c t d r a w 和 d i r e c t s o u l l d ) 的技术，直接支持d v d 的播放，视频的非线性编辑，以及与数字摄 像机的数据交换。更值得一提的是，d i r e c t s h o w 提供的是一种开放式的开发环境， 我们可以根据自己的需要定制自己的组件。 2 。1 2d ir e c t s h o w 系统组成 d i r e c t s h o w 是基于c o m 模型的，基于这个框架的任何部件都是一个c o m 组件，遵循c o m 协议进行通讯，一般情况下，这些组件都是作为进程内服务器 运行的。m i c r o s o r 公司在d i r e c t x9 os d k 中，提供了开发这些组件的基础类， 第二章基于w e b 的变电站视频监控系统的主要技术 在基础类里已经实现了c o m 机制，因此开发者只需要将精力集中在数据处理及 逻辑控制上面。d n c t s h o w 中的数据处理组件称为过滤器( f i l t e r ) 。过滤器有输入 口和输出口，称为p i n 。过滤器通过p i n 相连接，多个连接的过滤器组成链路。 过滤器之间传输的媒体数据称为样本( s 锄p l e ) ，由样本容器( e d i a s a m p l e ) 包装，由f i l t e rg r a p hm a n a g e r ( 过滤器图表管理器) 管理所有这些组件。作为 d i r e c t s h o w 的核心部分，f i l t e rg r a p hm a i l a g e r 除了对整个g r a p h 的运行状态进行 协调外，还维护一个系统参考时钟( 用于同步媒体播放) ，向应用程序发出事件通 知，并提供方法供应用程序来构建g r 印h 。一个g r a p h 里面可以存在一条或者多 条链路，根据在链路中扮演的不同角色，过滤器分成三大类：源过滤器( s o w c e f i l t e r ) ，转换过滤器( t r a n s f o n i lf i l t e r ) ，表现过滤器( r e l l d e r e rf i l t e r ) ，源过滤器可 工作在推模式和拉模式。在推模式下，源过滤器有自己的工作线程，通过调用下 游过滤器上输入p i i l 的r e c e i v e ( ) 方法来传递样本，而拉模式则被动等待下游过滤 器来调用其上的方法获得样本。从源过滤器捕捉设备、文件系统、网络等获得媒 体数据，交由转换过滤器进行格式转换、效果处理等，然后将这些加工后的数据 送给表现过滤器，进行播放或者存入文件或者发送到网络上。图2 1 示意了一个 d n c t s h o w 应用中各部分的关系及其在系统中的层次瞳1 。 图2 1d n c t s h o w 系统框图 从上图中可以看到，应用程序与过滤器图管理器( f i l t e rg r a p hm a i l a g e r ) 进。 行交互，达到控制目的，而具体控制由过滤器图管理器实现，对于工作在系统级 ( 弛go ) 的硬件输入、转换、输出设备，d i r e c t s h o w 以过滤器( f i l t e r ) 的形式将 其进行了封装，避免了用户对底层进行操作。d i r e c t s h o w 还提供了一些辅助开发 工具，最常用的是g r a p h e d i t e x e ，开发者可以在这个工具程序内插入各种过滤器、 并连接、运行，观察效果。 第二章基于唧的变电站视频监控系统的主要技术 g 唧h e d n 在u l 中将过滤器以及过滤器上的p i i l 与p i n 之间的连接以图形化 的方式表现了出来，在内部，则创建了这些组件的实例，并使用过滤器图管理器 按照操作者要求连接、运行。如图2 _ 2 所示： i ! 目i ! ! ! 苎! 1 3 _ _ _ _ l l 卜= = m ，r 卜i j r 主：_ i 田2 2 g 螂h b 曲中的视频摊获播放系统图表 为了区分各种媒体类型。d i 嗽t s h o w 定义了一个结构( a m e d i at y p e ) ， 其中包含主类型( j o r 卯e ) 、次类型( s u b 帅0 、格式城f o 血m b l o c k ) 等信息t 主 类型和谈类型都是g u i d ，除了预先定义的媒体类型i d 外，开发者还可以自定 义媒体l d 。格式块中存放了详细的媒体描述信息，例如音频的声道、采样率、 分辨率视频的压缩方式、帧率、尺寸等。过滤器之问是否能成功连接，主要取 决于收发双方是否能就某一个具体媒体格式达成一致。此外，媒体信息还能坍助 实施过滤器正确处理媒体数据。 d l r o c l s h a w 中包含了众多的软件组件，这些组件提供了各种c o m 接口，有 的接口提供对过滤器流水线的高级控制，有的提供低级控制，以满足不同层次的 应用程序开发的需要。应用程序经常用到几个基本接口如下： ( 1 ) i g r a p h b u i l d 盯接口 应用程序通过此接口建立过滤器流水线。主要方法为：r 即d 廿f i l e ，识别多 媒体文件的类型、格式，建立适用于该格式的过滤器流水线。 ( 2 ) i m “a e v e r 旺x 接口 应用程序通过此接口获得播放过程中发生的事件，如e c _ c o m p l e 播放 完毕) 等。主要方法为：s e i n “f j w m d o w ，指定处理事件通知的窗口 g 旺v e n l 获得事件。 ( 3 ) i d c o w m d o w 接口 控制视频窗口属性。主要方法为：d 址o w n e r ，指定视频窗口的父窗口； p u tf u l l s e r e 曲m o d e ，指定全屏播放模式；s d w 砌o w p o s m o n ，指定视频窗口的 位霉：p u l m e s s a g e d t a i n ，指定一个窗口，用于接收视频窗口发出的鼠标等消息。 ( 4 ) m e d i a c o n 廿o l 接口 控制过滤器流水线的运行，主要方法为：r u n 开始运行；p 孤s e 暂停运行； s t o p 停止运行。 第二章基于w e b 的变电站视频监控系统的主要技术 ( 5 ) i m e d i a s e e k i l l g 接口 提供了对多媒体数据流的播放位置等属性的精确控制。主要方法为： s e t p o s i i o n ，设置播放的起始和终止位置；g e t c u r r e m p o s i t i o n ，获得当前播放位 置。 ( 6 ) i b a s i e a u d i o 接口 控制音频数据流的基本属性：音量和均衡。主要方法：p u tv o l 啪e 、 g e t - v o l u m e ，设置或获得音量；p u l b a l a n e e 、g e t - b a l a i l e e ，设置或获得均衡。 2 2 视频监控系统中的视频编解码技术 2 2 1 视频压缩技术 视频压缩是远程数字视频监控系统的关键技术。 众所周知，视频图像的信息量是巨大的，按照国际通用的标准，广播质量的 数字视频的码率为2 1 6 m b s ，而高清晰电视h d t v 达到1 2 g b s 。 对于分辨率为6 8 0 木4 8 0 ，每秒3 0 帧的视频文件而言进行网络传输时其需要 带宽大小为6 4 0 宰4 8 0 木2 4 木3 0 = 2 2 l m b p s ，由此可见一秒钟的视频文件储存时就要占 用好几百兆字节的硬盘空间，可以想象一个视频短片甚至是一部电影将会需要巨 大的存储空间。虽然c p u 、磁盘、传输信道的性能近年来取得了迅猛发展，但 是，无论从经济还是从技术的角度，单纯靠硬件的支持并不能满足人们的需要。 信息压缩的优点显而易见，如节约存储空间、节省c p u 空间、节省传输时间等 等。 显然，视频压缩数字化是压缩技术的关键，也是实现视频高效传输和存储的 前提。目前，用于远程视频监控的图像压缩的主要技术有h 2 6 4 、m p e g 1 和 m p e g 4 。 2 2 1 1m p e g 一1 压缩技术 m p e g 1 标准制定于1 9 9 2 年，是运动图像和声音的编码，适用于码率在 8 0 0 k b p s 2 m b p s 的数字存储媒体，主要用于多媒体存储与再现。m p e g 1 采用 c i f 视频格式，其算法压缩率为l 1 0 0 1 2 0 0 ，分辨率为3 6 0 术2 8 8 宰2 5 帧s ( p a l ) 或 3 6 0 木2 4 0 木3 0 帧s 州t s c ) 。该标准是一个面向家庭的电视质量级的音视频压缩标 准，我们所熟悉的v c d 采用的就是这个标准。此外，m p e g 1 还被广泛应用于 视频点播( v o d ) 及多媒体教育等领域。m p e g 1 的核心技术是离散余弦变换和运 动补偿算法，主要思想是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关性 第二章基于w e b 的变电站视频监控系统的主要技术 信息来压缩视频数据量。这些视频压缩标准没有充分考虑监控数据的实际特点， 编码中仍然保留了大量的数据冗余；在传输中无法根据网络情况自适应地调节传 输码率；同时，也不具备良好的用户交互性。因而，在实际应用中受到一定的局 限。 2 2 1 2h 2 6 4 压缩技术 目前压缩算法分为两大类：标准算法和专用算法。标准算法为国际组织 i s o i t u 发布，早期的j p e g 压缩比太小，传输网络带宽要求过高；后期m p e g 1 算法压缩比有所提高，但是还不能适应目前的宽带网络；专用算法为一些专业公 司开发的压缩技术，通用性较差，性能也千差万别，针对网络传输的算法可以支 持低带宽网络，但是图像效果不令人满意。 h 2 6 4 是最新的国际视频编码标准，由r r u t 和i s o i e c 两个国际标准化组 织联合制定。标准在r r u t 中被最终通过为h 2 6 4 ；在i s o i e c ，通过后，被称 为国际标准1 4 4 9 6 1 0 ( m e p g - 4 第1 0 部分) 。因此可见h 2 6 4 并不是比p g _ 4 先进，它们其实是一回事。以前大量使用的h 2 6 4 是采用了标准的m p g 4 第 1 0 部分以前版本，目前名称对应的关系为： h 2 6 4b a s e l i l l ep r o f i l e 对应h 2 6 4s p h 2 6 4m a i np r o f i l e 对应h 2 6 4a s p h 2 6 4e x t e n d e dp r o f i l e 对应h 2 6 4a j t t so rf g s h 2 6 4b a s e l i l l ep r o f i l e 对应h 2 6 4s t u d i o 作为目前最新的视频编码技术h 2 6 4 ，在安防行业应用有着非常大的前景。 h 2 6 4 标准采用了很多新技术用来提高压缩比降低码流，主要是采用了高精度、 多模式预测技术。h 2 6 4 标准针对网络传输的需要设计了视频编码层v c l 和网 络提取层n a l 结构，网络抽象层是提供“网络友好”的界面，从而使视频编码 层能够在各种系统中得到有效的应用。h 2 6 4 标准针对网络传输的需要设计了差 错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，从而保证了视频传输 的有效性。 h 2 6 4 算法分为b a s e l i n ep r o f i l e 、m a i np r o f i l e 、e x t e n d e dp r o f i l e 和h i g hp r o f i l e 四层，h 2 6 4 算法与以前的算法相比： ( 1 ) 算法复杂度；h 2 6 4b a s e l i n ep r o f i l e 是以前h 2 6 4 的2 倍左右，h 2 6 4 ，m a i n p m f i l e 是h 2 6 4 的1 0 倍以上，h i 曲p r o f i l e 复杂度最高。 ( 2 ) 压缩码流：实现h 2 6 4m a i l lp r o f i l e 算法后可以使视频码流降低一半， 可以实现c 格式视频在普通的a d s l 上实时连续传输，即使在网络有波动的 情况下也不会受到影响。同时，由于h 2 6 4 算法具有网络编码层和网络传输层结 第二章基于e b 的变电站视频监控系统的主要技术 构，这样对于普通的宽带网络和无线网络的适应性大大加强，不会因网络的误码 影响传输的质量。 然而，目前的芯片处理能力还不能够实现完整的h 2 6 4 算法，只能实现h 2 6 4 算法中的部分功能，需要一个过程才能够体验到h 2 6 4 给大家带来的优点。 但是，对于h 2 6 4 压缩算法来说，目前最严重的问题之一是摄像头干扰问题， 中低档的摄像头比较明显，特别在低照度的环境中干扰对图像质量有非常大的影 响。这些噪点随着产品型号和工作环境而不同。由于h 2 6 4 视频压缩算法是通过 前后帧图像的差异实现压缩，因此这种随机噪点对压缩的影响非常大，有的时候 甚至造成码流成倍上升，将h 2 6 4 压缩算法的优点全部掩盖。 2 2 1 3m p e g - 4 压缩技术 m p e g 4 是第一个具有交互性、综合性的动态图像标准。它将众多的媒体应 用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工 具，用于实现音视频( a v ) 数据的有效编码及更为灵活的存取。m p e g 一4 的主要特 点体现在： ( 1 ) 基于内容的交互性。 这是m p e g 4 提供的全新功能。基于内容的交互性允许用户修改、增加、 删除或重定位一个视频场景中的对象，甚至可以转换场景中对象的行为，这与前 两个压缩算法标准中基于帧的交互完全不同。该性能使基于内容的码流操纵、编 辑和多媒体数据存取以及增强的时间域随机存取得以