基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

萬雪音，姜玲霞，王 萍，欒銀霞

（1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096；2.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

萬雪音1，姜玲霞2，王 萍2，欒銀霞2

（1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096；2.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

根據(jù)大型賽事信息系統(tǒng)需求，研究基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽圖像采集與回放。該設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于廣州第16屆亞運(yùn)會(huì)體操項(xiàng)目競(jìng)賽信息系統(tǒng)，滿足競(jìng)賽實(shí)際應(yīng)用需求。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；圖像；采集；回放

1 引 言

針對(duì)目前國內(nèi)外大型賽事的需要［1］，亟待采用先進(jìn)的技術(shù)手段，以獲取準(zhǔn)確和公正的競(jìng)賽信息。提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，采用.Net軟件開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了競(jìng)賽圖像的采集與回放。該設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于廣州第16屆亞運(yùn)會(huì)體操項(xiàng)目競(jìng)賽信息系統(tǒng)，提供了準(zhǔn)確公正的賽事信息，滿足競(jìng)賽實(shí)際需求。該設(shè)計(jì)方案具有通用性，適用于其它競(jìng)賽項(xiàng)目信息系統(tǒng)的需求，同時(shí)也可為其它圖像監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域提供借鑒。

2 競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)完成競(jìng)賽圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)與回放功能，為裁判提供運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作視頻回放服務(wù)，同時(shí)也為運(yùn)動(dòng)員賽后申訴提供視頻依據(jù)。系統(tǒng)包括圖像采集終端、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器與回放系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1）組網(wǎng)方式

競(jìng)賽信息系統(tǒng)一般采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式建立通信系統(tǒng)，內(nèi)層為場(chǎng)館網(wǎng)，在內(nèi)部場(chǎng)館搭建現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接；中間層是競(jìng)賽專網(wǎng)，場(chǎng)館現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)通過交換機(jī)可連接到競(jìng)賽專用網(wǎng)絡(luò)，用于信息技術(shù)人員進(jìn)行賽事信息的處理；外層為公網(wǎng)，競(jìng)賽專網(wǎng)通過競(jìng)賽數(shù)據(jù)中心相聯(lián)到外部公共網(wǎng)絡(luò)，與外部進(jìn)行信息系統(tǒng)發(fā)布。構(gòu)建合理、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)是保障競(jìng)賽信息系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是內(nèi)層場(chǎng)館網(wǎng)，如圖1所示，根據(jù)競(jìng)賽項(xiàng)目、場(chǎng)地的需要，搭建現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)，在場(chǎng)地安裝若干網(wǎng)絡(luò)采集終端，通過視頻存儲(chǔ)服務(wù)器存放競(jìng)賽圖像，再根據(jù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)回放和下載回放。

圖1 競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（2）編碼標(biāo)準(zhǔn)與傳輸協(xié)議

競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)研究的具體圖像信息對(duì)象為運(yùn)動(dòng)圖像即視頻，對(duì)視頻處理的手段包括采集、壓縮編碼、傳輸與解碼，設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)包括圖像信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議等技術(shù)［2］。

設(shè)計(jì)中競(jìng)賽圖像采集與壓縮采用H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)流媒體應(yīng)用，具有良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，具有高效的壓縮性能。

實(shí)時(shí)回放的關(guān)鍵技術(shù)是視頻流傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)流協(xié)議RTSP（Real Time Streaming Protocol），控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送。使用時(shí)可以是雙向的，客戶機(jī)與服務(wù)器都可以發(fā)出請(qǐng)求。圖像流媒體的播放、暫停、快進(jìn)、快退、停止等都依靠RTSP提供協(xié)議支持。

3 競(jìng)賽圖像采集與回放工作流程

競(jìng)賽系統(tǒng)圖像采集與回放系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)工作流程圖

賽前圖像采集終端啟動(dòng)采集后分別向視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2、以及高級(jí)裁判監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送圖像信息。視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1接收到圖像信息后進(jìn)行視頻預(yù)覽并開始圖像信息的存儲(chǔ)，在整個(gè)比賽過程中，視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1連續(xù)存儲(chǔ)競(jìng)賽圖像信息，直到賽后圖像采集終端停止采集為止。視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1完成整場(chǎng)比賽的全程錄像，該視頻文件起備份作用，在視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2存儲(chǔ)失敗的情況下，可以根據(jù)時(shí)間從視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1存儲(chǔ)的視頻文件中查看動(dòng)作回放信息。實(shí)時(shí)回放終端收到圖像信息后也進(jìn)行視頻預(yù)覽，在整個(gè)比賽過程中，它只進(jìn)行視頻預(yù)覽但不存儲(chǔ)。比賽開始后，視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2受控于采集控制端，運(yùn)動(dòng)員上場(chǎng)時(shí)，采集控制端發(fā)送Go消息命令視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2開始存儲(chǔ)圖像信息，動(dòng)作結(jié)束后發(fā)送Stop消息命令其結(jié)束存儲(chǔ)并生成運(yùn)動(dòng)員單套動(dòng)作視頻文件，該文件的文件名必須與比賽信息相關(guān)，否則查找不到。下載回放終端可以在運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作結(jié)束后，根據(jù)需求從視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2上下載視頻文件進(jìn)行回放。

4 圖像采集終端設(shè)計(jì)

圖像采集終端硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，采用以DSP微處理器TMS320DM642為核心的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺(tái)，包括前端采集模塊、中央處理器模塊、存儲(chǔ)模塊及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

圖像采集終端軟件設(shè)計(jì)主要包括視頻信號(hào)采集模塊、編碼壓縮模塊與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等。

5 視頻存儲(chǔ)服務(wù)器設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)原理

競(jìng)賽圖像采集與回放系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)視頻存儲(chǔ)服務(wù)器［3］，如圖1所示。視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿1用于存儲(chǔ)整段視頻文件，即存儲(chǔ)從圖像采集終端開啟到關(guān)閉整個(gè)時(shí)段的圖像信息；視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2則用于存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)員單套動(dòng)作的視頻文件，即存儲(chǔ)從運(yùn)動(dòng)員上場(chǎng)到動(dòng)作結(jié)束期間的圖像信息。

賽前，技術(shù)人員首先開啟圖像采集終端，然后啟動(dòng)服務(wù)器＿1的配置管理軟件并開啟其存儲(chǔ)功能，開始全程視頻存儲(chǔ)，最后打開服務(wù)器＿2的配置管理軟件與視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件。

比賽開始后，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員上場(chǎng)時(shí)，采集控制端向服務(wù)器＿2的視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件發(fā)送上場(chǎng)運(yùn)動(dòng)員基礎(chǔ)信息，包括場(chǎng)次、賽段、輪次、號(hào)碼、姓名等基礎(chǔ)信息，收到消息后視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件向配置管理軟件發(fā)送存儲(chǔ)指令，命令其存儲(chǔ)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作視頻信息。運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作結(jié)束后，采集控制端向視頻存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送動(dòng)作結(jié)束消息，收到消息后系統(tǒng)向配置管理軟件發(fā)送停止存儲(chǔ)的指令，命令其停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作視頻的存儲(chǔ)，配置管理軟件收到指令后停止視頻存儲(chǔ)并根據(jù)運(yùn)動(dòng)員基本信息對(duì)視頻文件進(jìn)行命名。這樣就完成了運(yùn)動(dòng)員單套動(dòng)作視頻文件的接收存儲(chǔ)工作。

賽后，首先關(guān)閉服務(wù)器＿1的存儲(chǔ)功能，服務(wù)器＿1完成全程視頻文件的存儲(chǔ)，然后關(guān)閉服務(wù)器＿2的視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件與兩個(gè)服務(wù)器的配置管理軟件，最后關(guān)閉圖像采集終端。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

視頻存儲(chǔ)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合圖像采集終端（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）配置管理軟件與自主開發(fā)的視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集、存儲(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)配置管理軟件，實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的搜索與發(fā)現(xiàn)，并可以進(jìn)行單個(gè)設(shè)備IP的修改以及批量設(shè)備IP的修改。軟件還具備多個(gè)通道視頻信息實(shí)時(shí)預(yù)覽、單個(gè)通道視頻全屏預(yù)覽、云臺(tái)控制、帶寬與存儲(chǔ)計(jì)算等功能。應(yīng)用配置管理軟件對(duì)采集終端進(jìn)行IP地址統(tǒng)一配置，通過云臺(tái)控制功能調(diào)節(jié)好攝像頭對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)地位置。

仲裁錄像服務(wù)軟件主要用于視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員單套動(dòng)作視頻文件的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)中基于.Net軟件開發(fā)技術(shù)，利用WIN32的兩個(gè)API函數(shù)SetCursorPos和mouse＿event實(shí)現(xiàn)了對(duì)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊操作。仲裁錄像服務(wù)軟件在收到采集控制端發(fā)送的運(yùn)動(dòng)員上場(chǎng)與動(dòng)作結(jié)束消息時(shí)，模擬鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)通道的圖像存儲(chǔ)按鈕，實(shí)現(xiàn)單套動(dòng)作視頻文件的存儲(chǔ)。

6 回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)原理

回放系統(tǒng)是圖像信息采集與回放系統(tǒng)的表示層系統(tǒng)［4］，如圖1所示?；胤畔到y(tǒng)分為實(shí)時(shí)回放模塊與下載回放模塊，其中實(shí)時(shí)回放功能只面對(duì)高級(jí)裁判，它能夠?qū)崟r(shí)接收?qǐng)D像采集終端采集的圖像信息并進(jìn)行解碼播放；下載回放功能面對(duì)的對(duì)象包括高級(jí)裁判、難度裁判、運(yùn)動(dòng)員、教練員、技術(shù)人員等，它主要在運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作結(jié)束后完成相關(guān)視頻文件的下載回放。

在整個(gè)比賽過程中，實(shí)時(shí)回放終端只完成實(shí)時(shí)競(jìng)賽圖像的接收與回放，并不進(jìn)行存儲(chǔ)。該功能主要是為高級(jí)裁判設(shè)計(jì)的，方便其從在主席臺(tái)觀看各個(gè)場(chǎng)地的運(yùn)動(dòng)員表演情況。下載回放終端可以在運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作結(jié)束后從視頻存儲(chǔ)服務(wù)器＿2下載相應(yīng)視頻文件并進(jìn)行本地回放。這個(gè)功能服務(wù)的對(duì)象比較多，賽時(shí)評(píng)分有異議時(shí)，高級(jí)裁判與難度裁判可以通過相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行錄像回放，賽后運(yùn)動(dòng)員提出申訴時(shí)也可以通過下載回放終端查看錄像回放。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

回放系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括實(shí)時(shí)回放模塊、下載回放模塊。

實(shí)時(shí)回放模塊軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用了配置管理軟件，利用其鏡頭預(yù)覽功能，實(shí)現(xiàn)了競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)場(chǎng)地圖像信息的接收與預(yù)覽，該軟件在被安裝在高級(jí)裁判監(jiān)控系統(tǒng)PC上時(shí)，高級(jí)裁判可以通過該軟件實(shí)時(shí)觀看到每個(gè)場(chǎng)地的比賽情況，若需要對(duì)某個(gè)場(chǎng)地加以關(guān)注，可以將相應(yīng)窗口最大化。實(shí)時(shí)錄像回放系統(tǒng)主要應(yīng)用于高級(jí)裁判監(jiān)控系統(tǒng)，賽時(shí)將配置管理軟件安裝在高級(jí)裁判監(jiān)控終端供裁判使用，為高級(jí)裁判提供良好的視角。

下載回放模塊軟件設(shè)計(jì)［5］，基于.Net軟件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用Comm組件中的Windows Media Player控件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要用在裁判評(píng)分遇到爭(zhēng)議的情況下，需要查看運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作回放錄像，另外在某一階段比賽結(jié)束后，如果運(yùn)動(dòng)員對(duì)裁判評(píng)分有異議提出申訴時(shí)，也需要通過查看錄像回放。

7 運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)

7.1 視頻存儲(chǔ)服務(wù)器運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)

視頻存儲(chǔ)服務(wù)器運(yùn)行如圖4所示。當(dāng)視頻存儲(chǔ)服務(wù)接收到來自第6通道對(duì)應(yīng)攝像機(jī)所在場(chǎng)地的采集控制端發(fā)送的運(yùn)動(dòng)員上場(chǎng)信息后，模擬點(diǎn)擊第六通道對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)按鈕，此時(shí)仲裁錄像服務(wù)軟件的錄制時(shí)間列被選中，表示正在錄制存儲(chǔ)。當(dāng)視頻存儲(chǔ)服務(wù)軟件收到采集控制端發(fā)送的動(dòng)作停止信息時(shí)，將模擬鼠標(biāo)再次點(diǎn)擊存儲(chǔ)按鈕，停止視頻文件的存儲(chǔ)并根據(jù)該套動(dòng)作基本信息生成視頻文件存儲(chǔ)到共享文件夾下。

7.2 回放系統(tǒng)運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)

回放系統(tǒng)下載回放運(yùn)行界面如圖5所示，包括了比賽階段、比賽項(xiàng)目以及運(yùn)動(dòng)員號(hào)碼等競(jìng)賽信息，運(yùn)行界面上“303－6514.mpg”是視頻文件的名稱，303是運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼，65是項(xiàng)目代碼表示體操項(xiàng)目中的平衡木，4是賽段代碼，表示單項(xiàng)決賽，ACT指的是運(yùn)動(dòng)員的第幾套動(dòng)作。

圖5 下載回放系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

8 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)環(huán)境下，競(jìng)賽圖像的實(shí)時(shí)采集與回放，已應(yīng)用于廣州第16屆亞運(yùn)會(huì)體操項(xiàng)目信息系統(tǒng)，滿足競(jìng)賽實(shí)際應(yīng)用需求，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。該方案具有通用性，適用于其他的競(jìng)賽項(xiàng)目信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)該設(shè)計(jì)思路也可用于其他圖像監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］趙黎.體育信息技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：145－147.

［2］婁莉.圖像通信原理與技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］章民融，徐亞鋒.基于RTSP的流媒體視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006（7）：93－95.

［4］朱文博.流媒體傳輸技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2010（10）：146.

［5］楊芙清，梅宏.構(gòu)件化軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Design of Com petition Image Capture and Replay System Based on Network

WAN Xue－yin1，JIANG Ling－xia2，WANG Ping2，LUAN Yin－xia2
（1.College of Instrument and Meter Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

According to the demand of major games information system，the competition image capture and replay system based on network technology is researched.The local area network for the system is built，network communication technologies for system design and software development is used，and competition image capture and replay are achieved.The design scheme has been applied in the 16th Asian Games on gymnastics competition in Guangzhou and met the requirement of the competition in real applications.

Network；Image；Collection；Replay

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.025

TP31

：A

：1002－2279（2014）06－0088－05

國家體育總局體育信息中心委托項(xiàng)目—廣州第16屆亞運(yùn)會(huì)體操競(jìng)賽信息系統(tǒng)開發(fā)（2010－036）

萬雪音（1990－），女，江蘇省常州市人，碩士研究生，主研方向：圖像采集與處理技術(shù)。

2014－03－19