基于Skyline视频监控系统研究

2010.06No. 3 WWW. GWN. ORG. CN地理信息世界 GEOMATICS WORLD 学术研究 Abstract: Video surveillance system can get the images of real-time monitor targets. The inte gration of video surveillance and two-dimensional GIS came to mature, but three-dimensional GIS has better visualization. Based on the Video On Terrain technology within Skyline software, this paper proposed the concept of three-dimensional terrain images and video surveillance, and designed a terrain image monitoring system hardware and software framework, analyzed of the relevant coding transmission and video control, summarized the key technical requirements, and implemented a three-dimensional terrain image monitoring prototype system. Keywords: Skyline; video surveillance; terrain image 0引言 随着地理信息系统的迅猛发展 和广泛应用，集成 2 维电子地图等 空间位置信息的视频监控系统解决 方案在视频监控领域正逐步走向成 熟13。与传统的单纯获取监控目标 的实时音视频信息的视频监控系统 相比，集成了空间位置信息的视频 监控系统在增强用户空间位置意 识，辅助用户应急决策等方面将发 挥更大的作用。随着 Google Earth， Skyline Software， GeoFusion 以及国 内的 “影像中国” ， Ev- Globe， VGEG- IS 等 3 维软件推出， 3DGIS 在构建 数字城市基础平台系统中的地位变 得越来越重要46。如何把 3DGIS与 广泛分布于城市各个角落的视频 监控系统集成起来成为基于位置 的视频监控系统的研究热点。 在 3 维视频监控方面， 目前比 较流行的做法是间断性地从各地 实时监控影像中采集出图片， 以标 注的形式在 3 维场景中进行显示。 当用户想知道某地的监控影像时， 点击该标注即可弹出实时监控影 像截图。由于网络传输速度等原 因， 该 3 维视频监控方式还远没有 达到与 3 维周边信息进行融合的 目的， 丢失了大量的信息。为了实 现视频监控信息与 3 维空间信息 无缝融合， Skyline79近来提出了地 面影像 （Video On Terrain ） 的概念， 为 3DGIS 与视频监控系统的集成 提供了一种良好的解决途径， 通过 分布在街道或城市不同位置的实 时监控视频， 经过网络收集起来并 按一定的投影方式发布在 3 维场 景中， 形成一系列多个地点在 3 维 虚拟世界的真实演绎， 让用户能在 室内对各个重要地点进行具有空 间感受的实时监控。针对 3DGIS与 基于 Skyline 视频监控系统研究 文章编号： 1672- 1586 （2010） 03- 0050- 04中图分类号： P208文献标识码： B 摘要：视频监控系统能够实时获取监控范围的影像，发现被监控目标的即时状态。2 维 GIS 与视频监控的集成逐步走向成熟，但在可视化效果方面远不如 3 维 GIS。因此，结合 Skyline 软件中的 Video On Terrain 技术提出了一种 3 维地面影像视频监控新方案， 并设计 了地面影像视频监控系统的软硬件框架，分析了音视频编码传输原理和视频控制机制， 总 结归纳了地面影像视频监控系统的关键技术要求， 最后实现了 3 维地面影像视频监控原型 系统。 关键词：Skyline； 视频监控； 地面影像 黄丙湖 1， 韩李涛2， 陈 龙 1 （1.中国石油大学（华东 ） 地球资源与信息学院， 山东 青岛 266555； 2.山东科技大学 测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266510 ） HUANG Bing-hu1， HAN Li-tao2， CHEN Long1 (1.College of Geo-resources and Information，China University of Petroleum，Qingdao 266555， China； 2. Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China) Study on Video Surveillance System based on Skyline黄丙湖 （1977-） ， 男， 山东青岛人， 讲师， 博士， 主要从事地理信息系统 教学和科研工作， 研究方 向为数字城市。 基金项目： 国家自然科学 基金项目（40801158 ）资 助；武汉大学测绘遥感信 息工程国家重点实验室开 放基金项目 （09I04 ） 资助 E- mail： huangbhu 收稿日期： 2010- 05- 13 50 2010.06No.3 WWW. GWN. ORG. CN地理信息世界 GEOMATICS WORLD 学术研究 图 1地面影像视频监控集成系统整体架构图 Fig.1The total structure of video surveillance system 视频监控系统的集成问题， 本文基 于 Video On Terrain 技术进行了地 面影像监控系统的方案设计及关 键问题研究，实现了一个原型系 统，为类似系统的研究提供了借 鉴。 1基于 Skyline 视频监 控系统的设计与分析 1.1地面影像视频监控系统设计 地面影像视频监控集成系统 包括硬件和软件两部分 （如图 1 所 示） 。硬件设备包括音视频采集设 备(摄像头、 麦克风等)、 云台、 网络 服务器 DVS 和硬盘录像机 DVR 等 视频监控设备以及网络设备； 软件 系统包括 Skyline 系统、 视频控制系 统及其二次开发集成组件等。系统 数据流程为： 通过音视频采集设备 采集的音视频信号经过音视频编 码器进行编码， 并以 MPEG4， WMV 编码等方式通过流媒体服务器采 用 RTSP 通信协议进行流媒体发 布； 在软件部分通过音视频解码器 解码后，对获得的实时视频流经 Skyline 投影机制投影到 3 维地形 上进行 3 维实时显示。 1.2地面影像视频监控系统分析 1.2.1音视频编码协议与传输协议 测试分析 视频监控视频流输入到系统 时出现视频编码格式不一定支持 的问题， 应该兼容 Real Networks 标 准的 RTSP 协议或微软的 MMS 传 输协议， 在测试过程中主要用到了 MMS， RTSP 传输协议， H.264， MPE- G4， WMV 等编码格式， 测试分析结 果是： 从系统平台支持看， 在相应的 解码器支持下 Skyline Pro5.0 目前 能够播放 H.264 格式等视频文件。 从通信协议方面， 要求网络服务器 同时支持 RTSP， MMS 流媒体协议 (市场上的视频通信协议虽然也标 示带 RTSP 协议，但有的是具有厂 商标示的修改过的协议或者其他 非 Real Networks 标准 RTSP 协议)。 然而，测试发现目前用 RTSP 发布 H.264 等非常规压缩编码还行不 通。 因此， 可以采用 WMV视频编码 方式和 MMS 协议相结合来完成视 频流的传输。尽管这种方式编码压 缩率低、 占用宽带大从而在一定程 度上影响实时监控方面效率， 但可 以保证视频流能够成功传输和播 放。 1.2.2视频控制分析 视频控制分为理想模式和应 用模式两种。 1 ） 理想模式 视频控制理想模式应该为当 进入到摄像监控模式的时候， 视角 变化时摄像头即跟着变化， 这时会 出现以下 2 种情形: 当视角向上下左右旋转时， 云台即向上下左右进行实时旋转， 影像能够与地面进行规定精度内 的匹配； 当摄像机探测到有预定危 险行为而进行视场扫描时， 3 维视 角亦及时跟进。 对于单点监控要求视角变化 在 3 维视图里面非常迅速， 这就对 云台提出了不仅在精度上， 而且在 时效上的要求。因此， 基于以上情 况需做出以下设备要求： 摄像机为 360全实时摄影，每一个时刻都 能获得任意方位的实时影像。从目 前的技术来看可以将多个摄像头 同时对摄像点 360周围进行监 控， 将其影像传输到硬件的视频拼 接服务器进行多视角拼接， 并以多 视角的影像方式输出视频流。 2 ） 应用模式 在实际应用中不能达到以上 硬件要求的情况下， 不得不调整系 统的设计方案。将由多视角的场景 视角获得监控点视角的方式改为 由监控点单视角来获得场景视角 51 2010.06No. 3 WWW. GWN. ORG. CN地理信息世界 GEOMATICS WORLD 学术研究 的方式。以目前的监控设备提供的 功能来看， 可以利用监控设备的预 置点的功能对观看视角进行调整， 必要时引入预置位的自动二次微 动控制提高原监控系统的精度。 2基于 Skyline 视频监控 系统的关键技术要求 2.1对 DVS 视频网络服务器要求 传输协议为 RealNetworks 公 司的 RTSP 传输协议或 MMS 传输 协议； 压缩编码为 MPGE4， WMV 等，同时要求客户端延时在 2 s 内 (包括播放器缓冲时间)； 带云台控制功能； 带 IP 网络通信功能； 编码压缩效率高， 图像质量 高； 探测一定区域移动物体等 功能， 并对其事件进行警告触发。 2.2对云台要求 位置复原功能； 移动角度要求精 度 达 到 34min 以上(到达指定数字位置， 要 求高精度云台)； 能进行网络连接， 通过 IP 地 址进行通信。 2.3对摄像机要求 放大倍数到足够大， 要求清 晰看到 50 m远； 具有夜视功能； 画面质量优， 噪音量少； 具有双向语音功能； 要求能在室外安装， 并能防 盗防湿防晒等。 2.4视频监控数据流的加载要求 一个视频监控系统需要一整 套的视频播放解决方案， 以降低资 源消耗。而据 Skyline 技术总监称 Skyline 可支持的地形影像数最多 达 6 个，且需根据系统配置而定。 经过测试， 在比较高配置的电脑上 可勉强同时加载 4 个， 而当只加载 一个视频监控点影像时，运行流 畅。 对于视频传输部分， 视频监控业 内已有较成熟的解决方案。 一般地通 过视频编码技术， 网络视频流传输技 术等来降低网络负荷10。 对于客户端 系统， 在实际实施过程中为了降低 因监控视频的大量加载而导致的 资源消耗， 采取通过更换网络视频 流地址及时加载单一视频， 并释放 先前视频所占资源的策略来避免 这种消耗。 在每一个时间段里， 在 3 维中的视角总是只有一个， 因此视 频的加载显示也只需一个即可。但 其中还有一些缺点， 如当在飞行的 时候如果同时加载视频流到地形 上， 那么系统将会出现在一段时间 内画面停滞的现象。这也是系统资 源不足导致的。根据 LOD 的思想， 提出以下理想模式的视频流加载 方案： 对于视频监控设备， 要求增 加可实时调整输出视频流分辨率 的功能要求； 对于软件系统， 可根据视角 点与 3 维监控点的距离来对推送 的视频流进行分辨率的动态调控。 采用上述理想模式， 当飞向视 频监控点时， 监控视频流根据距离 远近而自动加载实时视频， 没有停 滞现象； 随着距离的拉近， 地形影 像将根据距离的等级而加载不同 等级的视频流，视频将越来越清 晰。 3基于 Skyline 视频监控 系统的主要功能实现 3.1地面影像的加载编辑功能 首先需要用 Skyline Terrasuite 系列中的 TerraBuilder 软件来为用 户创建一个现实影像的、 带地理参 考的、 精确的 3 维数据场景， 同时 还需要高分辨率的卫星遥感纹理 影像数据和地面高程数据等作为 支撑。其次， 要用到 TerraGate 软件 来进行 3 维地形文件的网络形式 的发布。 加载监控对象视频前， 首先以 摄像机的角度调整好当前视角， 在 弹出的视角调整对话框中设置相 应参数， 默认视角参数已取为当前 视角； 当视频加载后查看是否与地 面纹理吻合， 不吻合时微调监控器 的位置和姿态参数等； 确定后添加 摄像机视角对象，记录到数据库， 在取得主键的同时添加 Camera 对 象并记录到内存对象表中， 并赋予 URL 值和摄像机视角 ID 值，然后 显示出来供用户编辑其他字段， 再 更新数据库； 下一步即在 2 维地图 中添加监控点元素， 并更新对象树 使其同步， 加载视频影像后效果如 图 2 所示。 3.23 维最短路径巡逻功能 3 维最短路径巡逻功能通过 ESRI 组件编写的最短路径类实现， 用于对通过一系列点进行分析， 算 出最短路径。当计算出最短路径 后， 将所有组成路径的片段添加到 IPolyline 中。由于片段集并不是希 望的有序排列的， 因此还需对其进 52 2010.06No.3 WWW. GWN. ORG. CN地理信息世界 GEOMATICS WORLD 学术研究 行拓扑重构为简单型， 使其首尾有 序； 获得折线后， 再提取构成折线 的所有有序点集合， 并以 Skyline 规 定的形式进行对象重构生成点集； 同时在 3 维场景中生成 Skyline 对 象的动态对象， 并添加先前对象点 到动态对象， 形成动态对象行走路 径； 当观察动态对象时视角是随该 对象改变的， 因此便可对最短路径 周边进行巡逻。 3.3视频监控报警功能 视频监控报警过程比较复杂， 表示方式多样， 主要有： 弹出报 警时现场截图画面及当地详细的 信息； 3 维空间进行位置标注， 可 查截图及详细信息；2 维空间警 告位置闪烁； 抬头显示部分提示 简洁文字信息； 弹出警告窗体模 块负责报警信息的显示、 窗体的可 移动、 3 维标注和自动延时对象销 毁等。若自动延时对象一直存在不 销毁， 则屏幕在遇到大量警告提示 时将使用户无法忍受， 且消耗系统 资源等功能。为了降低控件刷新频 率， 2 维空间警告闪烁的实现主要 是利用屏幕绘图功能， 而不是对图 层元素监控对象进 行操作，视频监控 报警界面如图 3 所 示。 4结论 通过对 3 维地 面影像视频监控技 术在软硬件方面的 探讨与应用，得出 以下结论： 3 维地 面影像视频监控技 术的重点部分在于 视频监控的数据 流与软件部分的 兼容及其视频的 及时性和控制的 精确性要求， 其主 要体现在视频编 码和传输协议方 面； 在软件设计过 程中需要考虑视 频数据容量的问 题、 视频监控的空 间分析功能等。对 于 3 维地面影像 视频监控系统还有很多方面需要 考虑， 如视频监控设备的精准实时 控制、 视频数据的切割以及多视频 图像的完美融合等。 致谢： 感谢北京特种工程设计 研究院提供相关实验条件并给予 良好的意见。 参考文献 1 李欣， 华一新.GIS 和 DVS 的集成与应 用J.测绘科学， 2008， 33(2):200- 203. 2王建华， 祝国瑞， 毋河海.GIS 中可视化 媒体的描述与表达J.测绘通报， 1999 (2):12- 15. 3张靓， 张凌， 袁华.视频监控系统中的电 子地图的设计与实现J.计算机工程与 应用， 2004， 40(19):107- 111. 4 朱庆， 高玉荣， 危拥军， 等.GIS 中 3 维 模型的设计J.武汉大学学报： 信息科 学版， 2