新一代試驗任務(wù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)及實現(xiàn)

鄭玉潔,王 娟,李曉芳

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

試驗任務(wù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要承擔(dān)靶場視頻信息獲取、傳輸、記錄和顯示任務(wù),為有關(guān)人員提供直觀的現(xiàn)場圖像信息,保證試驗任務(wù)的順利進行,并為事后分析和判斷試驗故障原因提供依據(jù)。目前使用的圖像監(jiān)視系統(tǒng)大都采用模擬視頻切換矩陣為系統(tǒng)中心,在遠(yuǎn)距離傳輸和硬盤錄像方面使用數(shù)字化設(shè)備,存在著系統(tǒng)擴展困難和信息共享不方便等缺點。新一代圖像監(jiān)控系統(tǒng)以IP網(wǎng)絡(luò)化信號傳輸與控制為依托,以數(shù)字化視頻壓縮、傳輸、存儲和播放為核心,通過設(shè)立中心監(jiān)控平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備集中管理與控制,用戶僅需通過IE瀏覽器或客戶端軟件,即可實現(xiàn)對全網(wǎng)各個監(jiān)控點攝像系統(tǒng)的控制、圖像的調(diào)用與瀏覽。系統(tǒng)具有高度的開放性、集成性和靈活性,是視頻監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)視技術(shù)

1.1 視頻編碼技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)視頻壓縮編碼器負(fù)責(zé)圖像信息的數(shù)字化、壓縮和接入IP網(wǎng)。視頻壓縮編碼效率直接影響到圖像在IP網(wǎng)上的傳輸實現(xiàn)。監(jiān)視系統(tǒng)的圖像信息數(shù)字化后一路速率為177Mbps,如果不經(jīng)過壓縮,用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸幾乎是不可能的。

視頻壓縮編碼技術(shù)發(fā)展很快,從上世紀(jì)90年代至今,先后得到廣泛使用的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有H.261(1989)、MPEG1(1991)、MPEG2(1994)、H.263(1996)、MPEG4(1998)和 H.264(2003),這些標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于視頻專業(yè)的各個領(lǐng)域。H.264是迄今為止最大集成的編碼算法,它不但編碼效率高,而且適用范圍廣,適合于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用。其特點主要有:

①壓縮效率高。H.264協(xié)議在高壓縮比的情況下保持了穩(wěn)定的視頻質(zhì)量,尤其是在低比特率的場合下也能維持較高的圖像質(zhì)量。與H.263或MPEG4相比,在同等圖像質(zhì)量上,H.264的比特率下降了大約50%;

②適用范圍廣。H.264既可應(yīng)用于低延時的場合,如在實時通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,也可用于對延時沒有限制的場合,如視頻存儲等;

③抗干擾強。H.264對于丟失的信息提供了錯誤掩蓋工具,便于壓縮視頻在誤碼和丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸,如移動信道或IP信道;

④H.264編碼適合于多種信道。H.264編碼系統(tǒng)劃分為視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(NAL)2層,VCL提供核心的視頻壓縮算法,主要負(fù)責(zé)對數(shù)字視頻進行高效編解碼,提供具有高質(zhì)量、高壓縮比、健壯性和可分級等特征的視頻編碼碼流;NAL則要負(fù)責(zé)將VCL產(chǎn)生的數(shù)據(jù)正確恰當(dāng)?shù)赜成涞讲煌瑐鬏斁W(wǎng)絡(luò)中去。

以上特點能很好地保證采用此編碼的視頻圖像的清晰度以及在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性。

1.2 視頻可靠傳輸技術(shù)

視頻監(jiān)視信息在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸和交換必須滿足一定的時延要求,通?？倳r延要求不大于400 ms?？倳r延包括編碼時延、IP網(wǎng)傳輸時延和解碼時延。編碼時延和解碼時延一般取決于使用的編碼方式,H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)滿足較低的時延要求。

網(wǎng)絡(luò)傳輸時延需要一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來保證。TCP協(xié)議是面向連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,提供端到端可靠和有序的信息傳輸機制。為保證數(shù)據(jù)包的可靠傳輸,當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)包丟失或錯誤時要求發(fā)送端重新發(fā)送,這樣不可避免地引起傳輸延遲和耗用網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此,傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議并不適合傳輸實時性強的音頻和視頻等多媒體數(shù)據(jù)。相對于TCP協(xié)議來說,UDP提供一種無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù),它包頭開銷較小,而且不需要反饋控制信息,如果采用UDP協(xié)議來傳輸實時數(shù)據(jù),可以使傳輸延遲時間大大減小。然而UDP協(xié)議畢竟是一種無連接和不可靠的傳輸層協(xié)議,它缺乏流量控制和足夠的差錯控制能力,如果不使用流量控制,接收方就有可能出現(xiàn)溢出。所以UDP協(xié)議可靠性問題,需要由應(yīng)用層協(xié)議提供相應(yīng)的差錯控制機制給予解決。實時傳輸協(xié)議RTP/RTCP的出現(xiàn)就是為了輔助UDP協(xié)議進行實時數(shù)據(jù)傳輸而制定出來的。

實時傳輸協(xié)議RTP用來傳輸具有實時特點的數(shù)據(jù),如音頻和視頻等。RTP協(xié)議中比較重要的控制信息字段為:序號、時間戳和同步源標(biāo)識符。序號是一個16 bit的序列空間,其初始值隨機產(chǎn)生。每個RTP信息包都把前一個信息包加1作為自己的序號。收端通過檢測收到的信息包序號可以判斷是否有信息包丟失并可以按序號處理信息包。時間戳為32 bit,是RTP信息包第一個字節(jié)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生時間,它既可以用于流間同步,也可以用于流內(nèi)同步。收端可以利用這個時間戳來去除網(wǎng)絡(luò)的延時抖動,并為收端提供同步功能。同步源標(biāo)識符占用32 bit,用來標(biāo)識RTP包的媒體源,這個標(biāo)識是由發(fā)端產(chǎn)生的隨機數(shù),但要求同一個RTP會話中的同步源標(biāo)識唯一。RTP協(xié)議可以利用組播技術(shù),在低層協(xié)議的支持下用多播方式同時向多個目的地傳送數(shù)據(jù)。

RTCP是RTP控制協(xié)議,它與 RTP成對使用,RTCP用于監(jiān)測數(shù)據(jù)流性能和傳輸質(zhì)量,并把信息反饋給收發(fā)雙方,發(fā)端可以用它來確保同步源標(biāo)識符的唯一性。RTCP協(xié)議主要依靠在所有成員之間周期性地傳輸 RTCP包來實現(xiàn)監(jiān)測反饋功能,每個RTCP信息包封裝發(fā)送端或接收端的統(tǒng)計信息,包括發(fā)送的信息包數(shù)目、丟失的信息包數(shù)目和信息包的抖動情況。通過RTCP攜帶的信息,實時檢測音視頻數(shù)據(jù)包的延時、抖動、丟包狀況以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化情況,從而可在應(yīng)用層對視頻源的發(fā)送參數(shù)作調(diào)整,適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。

在IP視頻監(jiān)控應(yīng)用中,視頻圖像編碼采用H.264編碼并經(jīng)過RTP協(xié)議封裝,傳輸層采用UDP協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)層采用IP組播地址或單播地址進行尋址,加上RTCP的控制信息,保證了視頻圖像傳輸?shù)膶崟r性以及對IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m應(yīng)性。

2 總體架構(gòu)

2.1 視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

靶場試驗任務(wù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點是:與數(shù)據(jù)、話音和辦公自動化信息共用IP傳輸平臺,系統(tǒng)規(guī)模需根據(jù)需要擴展,直播路數(shù)多,客戶端分布廣(近端監(jiān)視、遠(yuǎn)端監(jiān)視),對圖像質(zhì)量要求高(清晰度高、時延短)。

適應(yīng)靶場視頻監(jiān)視系統(tǒng)不斷發(fā)展的需要,考慮系統(tǒng)擴容和新建團站級視頻監(jiān)視系統(tǒng)的接入,系統(tǒng)總體架構(gòu)必須采用分布式架構(gòu)。其基本組成單位為一個網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域,多個網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域通過IP網(wǎng)連接起來,組成一個統(tǒng)一的視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

一個網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng),如圖1所示。主要組成包括中心管理平臺、前端設(shè)備、客戶端以及IP網(wǎng)傳輸設(shè)備。

圖1 網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)視系統(tǒng)組成

中心管理平臺是該監(jiān)控系統(tǒng)的中心,一個中心管理平臺的管理范圍被稱為一個域。中心管理平臺可安裝中心管理服務(wù)模塊、設(shè)備接入服務(wù)模塊、用戶接入服務(wù)模塊、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊、存儲服務(wù)模塊、回放服務(wù)模塊和WEB服務(wù)模塊等。一個中心管理平臺必須具有且只安裝一個中心管理服務(wù)模塊,用于本域前端設(shè)備、客戶端、其他服務(wù)模塊數(shù)據(jù)信息以及與其他互連中心管理平臺之間的數(shù)據(jù)交互、管理。除中心管理服務(wù)模塊以外的其他服務(wù)模塊都可以部署多個。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)廣域網(wǎng)之間的信息傳輸,在單個局域網(wǎng)內(nèi),可以不安裝該模塊。為了適應(yīng)不同規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的組建,不同的服務(wù)模塊可以安裝在同一臺服務(wù)器上,也可以分散在多臺服務(wù)器上。

前端設(shè)備包括攝像頭、拾音器、云臺、鏡頭和網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器等,負(fù)責(zé)視頻、音頻、報警信息的采集和處理并接入網(wǎng)絡(luò)。前端設(shè)備數(shù)量可根據(jù)實際情況進行增減。

客戶端可安裝實時監(jiān)控客戶端軟件、系統(tǒng)管理客戶端軟件、錄像回放客戶端軟件、錄像文件播放器軟件、設(shè)備配置工具軟件和WEB客戶端控件等軟件或軟件模塊,負(fù)責(zé)將前端設(shè)備采集到的視頻流、音頻流和報警信息提交給監(jiān)控用戶,并根據(jù)監(jiān)控用戶權(quán)限和要求操縱前端設(shè)備,如云臺和鏡頭等。一個系統(tǒng)的客戶端數(shù)量也可根據(jù)實際情況進行增減。

2.2 視頻互聯(lián)體系設(shè)計

多個視頻監(jiān)控域通過中心管理服務(wù)器實現(xiàn)互聯(lián),如圖2所示。圖2中多個分站級監(jiān)控中心和場區(qū)級監(jiān)控中心利用場區(qū)內(nèi)IP網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián),分站級監(jiān)控中心和場區(qū)級監(jiān)控中心在功能上是完全相同的,不存在依賴關(guān)系,使用中可根據(jù)設(shè)置權(quán)限對系統(tǒng)設(shè)備進行管理。系統(tǒng)中各個中心管理服務(wù)器通過IP網(wǎng)實現(xiàn)其管理下的前端設(shè)備、客戶端和網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備等設(shè)備狀態(tài)信息、地址信息和用戶信息的通告,以使跨域監(jiān)視、控制和訪問等應(yīng)用盡快提供,通過中心管理服務(wù)器的互聯(lián),實現(xiàn)跨域云臺和鏡頭控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

當(dāng)一個客戶端需要進行跨域訪問時,首先登錄自己所在域的中心管理服務(wù)器,通過本域的中心管理服務(wù)器與它要訪問域的中心管理服務(wù)器進行信息交互、權(quán)限認(rèn)證,當(dāng)確認(rèn)客戶端和其訪問的設(shè)備都處于正常狀態(tài)且有訪問權(quán)限時,中心管理服務(wù)器才授權(quán)前端設(shè)備和中心設(shè)備進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

3 視頻監(jiān)視軟件設(shè)計

IP網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)視系統(tǒng)既要具有實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能,又要具有高度的開放性、集成性和靈活性,其功能實現(xiàn)主要體現(xiàn)在其軟件模塊上。

3.1 中心服務(wù)平臺軟件模塊

中心服務(wù)平臺作為整個系統(tǒng)的核心,主要由實體服務(wù)器添加相應(yīng)的軟件模塊組成,包括接入服務(wù)器組、中心管理/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組和分發(fā)/存儲服務(wù)器組。

接入服務(wù)器組包括訪問服務(wù)和調(diào)度服務(wù)模塊。訪問服務(wù)模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端和設(shè)備提交的系統(tǒng)請求服務(wù),如視頻監(jiān)視請求、云鏡控制請求、報警處理請求、視頻存儲請求和認(rèn)證轉(zhuǎn)發(fā)請求等。調(diào)度服務(wù)模塊進行視頻分發(fā)和存儲的調(diào)度管理。

中心管理/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組包括用戶管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理、存儲策略管理、日志管理、認(rèn)證管理、通信管理和報警管理等模塊,負(fù)責(zé)設(shè)備管理、用戶管理、權(quán)限管理、報警管理和日志管理等事務(wù)性業(yè)務(wù)處理。

分發(fā)/存儲服務(wù)器組由視頻分發(fā)模塊和存儲模塊組成,負(fù)責(zé)視頻信息跨區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)、集中存儲和點播回放服務(wù)。

3.2 客戶端軟件模塊

根據(jù)使用需要,不同級別的客戶端可安裝不同的軟件功能模塊?？蛻舳塑浖ūO(jiān)控客戶端軟件、系統(tǒng)管理客戶端軟件、錄像回放客戶端軟件、錄像文件播放器軟件、設(shè)備配置工具軟件和WEB客戶端控件等軟件或軟件模塊。

4 結(jié)束語

航天靶場圖像監(jiān)視系統(tǒng)以IP網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ),實現(xiàn)了場區(qū)內(nèi)、場區(qū)間視頻信息的互聯(lián)互通,中心管理平臺實現(xiàn)了視頻網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理,是航天靶場試驗任務(wù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向。

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