基于局域网的数字视频监控系统.pdf
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1、!墨垡皇垫查!兰旦塑苎!兰塑墨苎!垒兰塑_ 瞳墨珊收稿日期:2 0 0 2 一0 9 3 0基于局域网的数字视频监控系统D i g“a lV i d e OM o n i t o rS y s t e mB 淞e do nL A N闫宏伟席砺莼Y A NH o“g w d,X IL i c h u“(河北大学电子与信息工程学院保定0 7 1 0 0 2)f I 舾t i t I l t eo fE 蛔r o i ca n dI 砒r 眦t mE 吨m g,H c“U n i 删l y B 刊i q 0 7 1 0 0 2 c l l i 聃)摘要:提出了一个基于局域网的数字视频监控系统,介绍了
2、系统的组成厦功斑摸蜓蕾乐境具有视频压螬、解码、目蝽传输、图像储存、图像索引田破、掇像札远程控制和图像内容报f 等功胞关t 词t 视攮监控f 局城罔,T c P I Pl 引亩视频监控系统在公安、金融证券、银行、商店、宾馆、智能大厦以及重要部门、社区安全方面是至为重要的。在当前广泛应用的监控系统中,采用模拟技术的电视监控仍然是主流。数字视频压缩技术近1 0 年来发展迅速,开始应用于监控系统中,数字视频监控系统因此产生,相对于模拟的电视监控系统来说,他具有很多优点:(1)数字监控系统把监控录像保存在大容量硬盘上,数字信号存储信息永不丢失,图像质量不下降。(2)数字视频容易被计算机处理。可以在监控图
3、像中设定报警区域,计算机对报警区域的图像进行分析和处理,当有目标在该区域内活动时,计算机及时采取预定操作,真正做到自动监控,无人值守。(3)数字视频经过压缩之后,占用带宽较小,而且数字信号在传输时容易进行加密,非法截取的信号无法还原为视频图像。(4)数字录像存储在计算机硬盘上,可以用计算机来检索和管理,摆脱了手工管理和检索的复杂繁琐。正是由于这些优点数字视频监控系统必将逐步取代模拟电视监控系统。与此同时,I n t e r n e t 的迅猛发展使得I P 网络正向社会的各个角落延伸,局域网(L A N)与其他系统相比,组网简单、使用方便、易于连接到办公室和家庭。而视频监控大多数的应用场合是在
4、一个较小的区域内进行监控,因而可以使用局域网作为信道。本文提出了一个基于局域网的数字视频监控系统,并对其各个模块进行了介绍。2 系统构成这个系统是一个基于客户机服务器模型的系统,由视频采集端、监控管理服务器、客户端等几个部分组成,可实现视频检测报警、视频存储、检索播放等功能。监控管理服务器对视额采集端提供的监控视频资源进行处理,如图像检测报警、视频存储等。同时,客户端经过身份验证可以访问监控管理服务器查询监控视频资源。其结构图如图1 所示。图1 系统结构图A b s t r a c t:I n tr o d u c e dt h。P r a c t i c a lt e m p e r a t
5、 u r em e a s u r i“gs y s t e m,g i v e dt h ee l u c i d a t i o no ft h ek e yc l r c u i tw i t ht h eb e e“g l v e nt ou s eo fs i“g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt oc o m p e n s a t et h ee f f e c to fv o h a g ea m p l i f i c a t i o nd r i“t e m p e r a t u r ed r i f ta n dn o tl l
6、 n e K e y w o r d s:s i“g l e c h j pm i c r o c o m p u t e。;t e m p e r a t u r em e a s u r i n g c o m p t n s a t e作者简介张学锋男1 9 6 4 年出生1 9 8 4 年毕业于东南丈学主要从事电子技术和单片机方面的教学和研览工作2 1 万方数据墨鱼垫堕丝墼生垫塑些垄墨堕系统中的客户端和视频监控端可以随时加入或退出网络,整个系统的规模可以动态改变,具有很强的适应性,他既可以用在小型的超市、银行储蓄所,也可以用在大型的地铁车站、住宅区等。(1)监控管理服务器可以控制任一视
7、频采集端的摄像机包括调整摄像机的姿态,图像的亮度、对比度等,甚至可以改变其编码方式,确保看到满意的监视图像。实现视频检测报警、视频存储、检索播放等功能,同时负责协调其他部件的工作:生成及维护整个系统的日志文件;提供系统的用户管理功能,包括添加和删除用户;监测网络状态,在网络设备发生故障时及时报告系统管理者;监测系统每个部件的运行状态。供管理者参考。对于一个大型的监控系统来说,由于视频采集端、客户端等部件分布较远,随时掌握他们的运行状态并进行集中控制是必要的,这时需要系统管理平台。但如果监控范围不大,则该部件功能可以合并到客户端中去。(2)多个视频采集端视频采集端分布在局域网的各处每台计算机连接
8、一架或多架摄像机计算机内插有一块或多块压缩卡,对来自摄像机的视频进行压缩编码,把编码后的码流传送给局域网上的监控管理服务器。视频采集端和监控管理服务器进行交互操作。应监控的要求改变压缩编码的参数,调整摄像机的状态。(3)多个客户端客户端提供上层用户一个查询的平台,他可以根据用户需要与监控管理服务器建立连接,接收那里的视频码流。显示在用户的监视器上上层用户可以通过客户机查询某一视频采集端的监控图像,而不需要到监控管理服务器现场。3 系统的实现监控系统所要完成的主要功能可以概括为以下几个部分:视频采集端对视频信号的采集、压缩、网络传输以及监控管理服务器的接收、解码和屏幕显示。用户管理、摄像机状态控
9、制等控制功能。客户端的视频查询功能可以并到视频的网络传输中去。据此可将终端的实现功能分成视频处理模块、数据传输模块以及控制模块3 部分。(1)视频处理模块视频图像的信息量特别大,以Q C I F 格式1 7 6 1 4 4 的真彩色、帧频为1 5 帧s 的图像为例,其未压缩的视频码率为:1 7 7 1 4 4 2 5 1 5 9 1 2 3 8 4 0M b s。这样高的码率在带宽有限的局域网2 2上传输必须要经过有效的压缩。视频处理模块完成视频的获取、压缩编码和解码再现显示的功能。系统通过视频采集卡与外部摄像头进行连接。在数字视频监控领域中,对视频信号的压缩一般是采用M P E G 一1,M
10、 J P E G,H 2 6 1(或H 2 6 3)建议的压缩编码方式。于1 9 9 8 年1 1 月公布的M P E G 一4 利用很窄的带宽,通过帧重建技术,压缩和传输数据,以求以最少的数据获得最佳的图像质量。在易受干扰环境下有很强的鲁棒性。在本系统中采用M P E G 一4 标准对视频图像进行压缩。(2)数据传榆模堤完成视频数据的拆装、发送、接收和图像帧重组等功能。在P C 环境下最流行的协议是T c P I P,T C P I P是多台相同或不同类型的计算机进行交换信息的一套协议。T c P I P 包括T C P,I P 以及与其相关的协议族。局域网拓朴简单,无需进行复杂的路由。对于
11、同一网络中的主机之间的通信来讲,各层协议中重要的是传输层协议。对于T c P I P 网络来讲,传输层的两个重要协议是T C P 和U D P。T c P 是面向连接的协议,他能保证数据无差错地按发端发送顺序接收,传输时要建立一个端到端的虚电路,保证数据包的正确传输、不丢失、不重复;而u D P 是无连接的协议,他不保证数据接收的先后顺序,传输时不建立虚电路,每个数据报携带有独立的收端目的地址,依据目的地址寻址,简捷方便迅速。用u D P 协议进行数据传输的优点是不需要建立连接,传输速度快,缺点是容易丢失数据包和数据包的顺序发生混乱。实时视频信息的传输对时延很敏感,要求视频传输有较好的实时性、
12、时延小、传输抖动低且网络能够提供足够的带宽。同时根据人眼的视觉特性,在视频传输中允许有一定的数据错误和丢失。根据视频传输的特性,在本系统中采用U D P 协议传输视频数据。传输方案如下:建立一条以u D P 为传输协议的数据通路,在传输时要把压缩后的视频流打包,这时不能简单地采用以视频帧为打包的单位。因为,第一某些压缩的关键帧会很大以致超过了u D P 协议所规定的最大值;第二,关键帧与非关键帧数据量相差很远,有可能使数据量较小的非关键帧比前面的数据量大的关键帧更早地到达接收方,而导致乱序。因此我们采用将数据流划分成等量的小包,并在包头标上序号进行顺序传输在包头标序号是为了防止由于u D P
13、本身带来的传 万方数据!墨垡皇i 塾查!圣璺鱼墨生墨兰兰塑整蔓!垒墨塑-皿瞄墨臣皿输乱序问题。在收发端都开辟定容量的缓冲区来进行发送和接收队列管理。建立一条以T c P 为传输协议的控制通路,他的作用是反馈一些控制命令给发送方,以最小限度地防止传输中的错误。接收方要从数据通路得到视频数据流,并把这个数据流存储在一个缓冲区中,按照数据包头的编号将数据流重构出来。如果数据包编号出现不连续,说明发生了丢包或乱序,则接收方立即通过控制通路发送要求重发所丢失的数据包的命令。采用T c P 作为控制通路的协议是因为可以保证控制命令的准确性,而且控制命令的数据量很小,发生阻塞的情况不大。图2 采用T C P
14、 和U D P 协议通路为了保证传输的实时性,不能无限制地发送控制命令,接收方以缓冲区为限制,当缓冲区已经用完,而仍然存在丢失数据包的现象,则丢掉一些数据来保证实时性。对于视频传输来说,重要的信道特性主要是端到端时延、可用带宽和包丢失率。在系统中主要采用缓冲调整的方式来解决时延抖动。对于可用带宽和包丢失的处理,现在主要有速率控制和差错控制两种机制。在本系统中采用如下速率控制机制:接收端通过所建立的T c P 控制通路定时发送报告包,源端在接收来自所有目的端的报告包之后,可以使用报告包中的信息来估计媒体流在网络中的拥塞状况以及在目的端的视频质量调整输出码流的速率。视频处理模块中,压缩编码的许多参
15、数都可用来调整输出码流的速率。例如,陴低视频的采样频率可以降低码流速率;增加视频的量化步长同样可以减少码流的单位时间比特量;提高运动检测的门限,减少丁自上一帧以来被认定为变化块的数目,这样也减少了编码每个图像的字节数从而使输出的码流速率降低。对于在包交换网络中的视频信号传输,包的丢失必定是影响视频效果的重要因素。在系统中采用了动态调整帧间间隔的办法来适应实际的网络状况,即根据报告包的丢失情况动态调整帧间间隔。通过速率控制机制和差错控制机制,在局域网流量变化时,仍能维持一定的监控图像质量。(3)控制模决视频采集端和客户端的控制模块完成各终端之间的s o c k e t 连接、数据收发线程、编解码
16、线程的调度等功能。监控管理终端不仅完成上述功能,还要完成对视频采集端云台、摄像机等的控制。4 系统的开发平台和开发工具采用当前流行的w i n d o w s9 8 作为开发平台,所采用的开发工具为:v i s u a lC+6 0,w i n s o c k。w i n s o c k技术工作于网络上层,上层软件开发比较容易,开发的应用程序界面友好,并且采用W i n d o w s 特有的消息驱动机制。同时利用w i n d o w s9 8 提供的多线程机制在各终端通过事件驱动多个线程协调运行。参考文献 1 T a l l u“,RE r r o r R e s i l i e n tV
17、 i d e oc o d i n gi nt h eI S OM P E G 一4S t a n d a r d I E E EC o m m u n i c a t i o nM a g a z i n e,1 9 9 8。3 6(6):1 1 2 1 1 9 2 s t e v e nG r i“g e r i,R o m a nE g o r o v,K h a l e ds h u a i b,d f R o b u s tC o m p r e s s i o n8 n dT r a n 5 n l is s i o no fM P E G一4V i d i o h t t p:w
18、 w w k o m e t e c h n i k t u d a r m s t a d t d e a c m m m 9 9 e p g r i n g e r i 3 付良,赵鹏,戴梅萼,等在I n t e r n e t 网上提高传输视频实时性的研究,电子技术应用,2 0 0 0(7)4 蒋东兴,林鄂华,等w j n d o w ss o c k e t s 网络程序设计大全北京:清华大学出版社,19 9 9A b s t n“:I tp u t sf o r w a r dad i g i t a lv l d e om o n i t o rs y s t e mb a s e
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