許志成

(黎明職業(yè)大學信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

基于IP組網方式的數字高清高校安全視頻監(jiān)控系統的構建

許志成

(黎明職業(yè)大學信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

構建基于IP組網方式的數字高清高校校園安全視頻監(jiān)控系統，安全問題是關鍵。突發(fā)高校校園安全問題時，高清的數字編碼與傳輸技術能夠獲取高清畫面，準確清晰地捕捉到人臉特征以及行為動作，幫助相關部門及時掌握現場情況，便于監(jiān)督服務，采取相應措施。

IP組網；視頻監(jiān)控；數字編碼

一、前言

高校校園是社會大環(huán)境中一個獨特的小區(qū)。隨著教育的不斷發(fā)展，校園建筑面積和辦學規(guī)模不斷擴大，為了滿足師生的各種需求，各種服務行業(yè)也加入到校園服務中，這些大大地增加了校園的流動人口數量，帶來了許多新的安全隱患。近期發(fā)生在全國各地的校園詐騙、盜竊及交通事故等意外突發(fā)事件已經引起教育部和公安部的高度重視?；贗P組網方式的數字高清高校校園安全視頻監(jiān)控系統可以解決這些問題，讓高清視頻監(jiān)控有效地應用起來，幫助提升校園原有的保安系統，讓師生能夠在健康、安全的環(huán)境下工作學習，實現“平安校園”的最終目的。

二、系統組成

(一)前端采集設備

高清網絡攝像機或球機能夠實時捕捉到高清的畫面質量，畫面的精度在1280*720到1600*1200之間，每秒種傳輸的數據流量超過3Mb。故在本次設計中將采用高清網絡攝像機或者球機作為前端采集設備。要因地制宜，合理選擇圖像捕捉設備，特別是合理配置攝像機，能夠對圖像捕捉功能起到很大的作用。通過高清校園視頻監(jiān)控系統，希望能夠創(chuàng)建一個健康有序相對安全的校園環(huán)境。具體需求內容：學校圖書館、教學樓、教職工宿舍等關鍵建筑物的安全；公共或個人財產的安全；學校秩序的監(jiān)控；實現遠程登陸、遠程實時視頻監(jiān)控。

根據上述目標需求的特點和其所要達到的目標范圍采用適合的攝像機及合理的安裝方式。校園安全對視頻監(jiān)控的要求越來越高，這將作為視頻監(jiān)控系統前端攝像頭選型的主要依據。當前主流采用光纖無損高速快球和高清網絡攝像機作為前端部署高清監(jiān)控攝像機。校園高清視頻監(jiān)控系統監(jiān)控點攝像頭應根據監(jiān)控點周圍所處狀況和監(jiān)控主要對象分別選擇球機或者高清網絡攝像機。編碼和圖像采集這兩個功能模塊捕捉各個監(jiān)控點的圖像畫面信息，是校園高清視頻監(jiān)控系統中前端不可或缺的一個重要子系統。它們將所得的數據輸送到各個區(qū)域中心并轉發(fā)數據供各部門調用。在傳輸數據的同時，內部完成對視頻的壓縮任務，并且將含有音頻、視頻、報警和控制相關信息的IP碼流送出。分為儲存流和實時流，儲存流輸入網絡儲存系統，實時流轉發(fā)到客戶端、提供解碼顯示并進行流媒體交換。網絡攝像機采用MPEG4/H. 264等先進編碼方式，高清攝像機輸出的碼流在變碼率3Mbps以上，圖像的分辨率不低于HD720p。用戶可以對網絡高速球或網絡高清攝像機進行遠程操控、配置參數以及軟件升級。通過軟件平臺還能夠查看其工作狀態(tài)并進行校時。在網絡突發(fā)狀況導致設備間無法通訊的情況下，錄像文件將暫時存儲在網絡高清攝像機內置的SD卡中。

(二)傳輸網絡部分

在校園安全視頻監(jiān)控系統中前端負責視頻監(jiān)控的子系統，利用現有的校園光纖專線線路 (3Mb以上帶寬)，接入監(jiān)控中心的千兆交換設備，經交換設備轉發(fā)到NVR ( 網絡高清硬盤錄像機)或IP-SAN(IP網絡構架存儲網絡)模塊上，實現對視頻流的保存；在監(jiān)控中心部署若干的千兆位交換機，構架高清專用交換網絡，實現內部視頻流的存儲、轉發(fā)及回放。前端監(jiān)控點的接入有三種不同方式：

1.EPON技術接入

EPON是一種點到點的無源光網絡；在接入網中，采用P2MP拓撲結構將多個用戶端設備(ONU/ONT)和局端設備(OLT)利用無源的光纜、光分/合路器等組成的無源分光器POS搭建而成。按這個定義來講，它應該由無源分光器(POS)，光網絡終端(ONT)，光網絡單元(ONU)和光線路終端(OLT)四個部分組成。光線路終端OLT放在各功能樓棟，和該樓棟的交換機通過千兆電口或光口對接。光網絡單元ONU一般內置解碼器中或在圖像采集設備附近；位置密集數量大的圖像采集設備中，通過雙絞線連接編碼器和EPON光纖，使用獨立的ONU設備；而ONU內置到解碼器中用在那些相對分散的視頻監(jiān)控點，把解碼器直接連接到EPON網絡。POS(Passive Optical Splitter)是一種無源的設備，亦稱作無源光纖分路器，可以用來連接OLT和ONU單元。作為傳輸介質，還可以實現下行數據的分發(fā)和上行數據的集中。巧妙地利用波分復用(WDM)的方法，在單根光纖為基礎，EPON技術完成最大化程度擴展光纖的帶寬，達到對稱1Gbps的光纖寬帶；同時對客戶端進行分光下行處理，最大化的情況下可以達到64路之多，有效距離為10公里；在32路的情況下，有效距離更達到20公里，足以滿足校園視頻監(jiān)控系統最遠監(jiān)控范圍。特別是在32路的時候，每一路所能達到數據傳輸量可以穩(wěn)定保持在大于每秒30M的狀態(tài)，足以滿足當前高清視頻技術的任何需求。

2.視頻光端機接入

要讓視頻監(jiān)控系統中的電子流量變成在校園光纖上的可見光通信，需要用到視頻光端機；它可以把視頻設備采集到的電子流數據通過模擬轉換技術或者數字轉換技術轉換成光信號，以便能在光纖中實現快速傳輸?？煞譃閮煞N，一種是模擬光端機，另一種則是我們在這里所采用的數字視頻光端機。一般情況下，將單路的網絡視頻光端機布置在前端攝像機相對分散的區(qū)域，而將多路的網絡視頻光端機布置在前端攝像機相對密集分布的監(jiān)控點環(huán)境中；這樣不僅可以節(jié)約光纜資源，還可以保證傳輸的質量要求。

3.光纖收發(fā)器接入

光纖收發(fā)器，也叫做光電轉換器。顧名思義，它可以實現從電子流到可見光的轉變，通過它能夠把傳統的傳輸線路和光纖寬帶鏈接在一起。在校園中存在一些以太網電纜傳輸沒有辦法達到的區(qū)域，可以接入光纖收發(fā)器，利用光纖的長距離傳輸屬性擴大傳輸的區(qū)域范圍，到達任何理想的位置，而且光纖收發(fā)器必須采用裸光纖方式。

(三)監(jiān)控中心

為了能夠及時發(fā)現并且震懾可能發(fā)生的一些不安定因素，視頻監(jiān)控中心的主要功能是對整個校園范圍以及附近人員構成復雜且密集的區(qū)域進行高清視頻監(jiān)控。

1.云臺控制

轉動云臺可以改變監(jiān)控視角，擴大監(jiān)視的區(qū)域范圍。客戶端使用Socket通信來連接云臺、鏡頭以及高清網絡攝像機周邊的照明燈開關，控制鏡頭的變焦，變距和光圈。圖像控制的方式有兩種，動作控制以及狀態(tài)控制。

(1)動作控制。云臺水平方向或垂直方向上的位置操控以及攝像機聚焦、縮放倍數的控制等，都是屬于圖像的動作控制。在正常運行的視頻監(jiān)控系統中，通常鏡頭都是固定不動的；當需要查看不同的攝像頭視角時，才控制云臺及鏡頭進行指定的操作?？蛻舳藢⒖刂葡l(fā)送給云臺和鏡頭，進行相應的上、下、左、右動作，以及鏡頭的聚焦(focus)、變焦(zoom)、光圈(iris)等控制。

(2)狀態(tài)控制。對云臺和鏡頭開啟或關閉狀態(tài)的控制叫做狀態(tài)控制，狀態(tài)控制也指對攝像頭的雨刷、射燈等打開或者關閉的控制。在對整個系統的設計過程中還應該包括打開、關閉以及自動這三種不同的狀態(tài)控制。

2.動態(tài)檢測

在校園安全視頻監(jiān)控系統中，動態(tài)監(jiān)測以及IP網絡監(jiān)控視頻相關信息都將被實時顯示出來，這樣我們就能根據需求有效地規(guī)劃和管理監(jiān)控的區(qū)域范圍。動態(tài)檢測功能包含圖像顯示和畫面控制。

(1) 圖像顯示。在本系統的設計過程中將選擇高清視頻編碼標準H.264對采集到的模擬視頻數據快速壓縮處理，然后實時將多路頻道的監(jiān)控畫面集中顯示在監(jiān)控屏幕劃分好的相應區(qū)域。通過H.264編碼標準壓縮而得到的圖片信息包含I幀(內幀)、P 幀(預測幀)和 B 幀(內插雙向幀)等三類幀。I幀是按照JPEG的編碼標準，每個12幀采集一幀進行獨立編碼的，監(jiān)控網絡系統中唯一能被存取的視頻幀。通過對I 幀的連續(xù)截取，可以有效地檢測運動目標。

(2)畫面控制。系統畫面控制能夠根據用戶的需求來控制客戶端界面通道，將視頻監(jiān)控畫面分為各種不同比例的組合，例如十六畫面等。在界面通道數多于攝像頭時，沒有攝像頭的通道將顯示黑色或者已經設置好的背景圖像。

3.視頻回放

在視頻監(jiān)控系統中，監(jiān)控屏幕上呈現的是現在正在發(fā)生的事情，有時候我們必須對過往的視頻資料進行分析和整理，這就是所謂的視頻回放。視頻回放模塊的主要功能是尋獲所需視頻數據并使用播放器播放該視頻內容。在校園安全視頻監(jiān)控系統中，采用了Direct Draw 技術播放視頻監(jiān)控系統的視頻記錄文件，根據視頻文件在數據庫中的屬性獲取視頻的時間點以及存放在文件系統中的具體位置，再利用Over Relay 的方式將視頻畫面播放出來。

(四)管理平臺

在系統正常運行的過程中會產生驚人的視頻數據，我們將使用文件系統來保存這些龐大的視頻數據，使用數據庫管理系統幫助維護系統產生的管理數據。

1．數據存儲

當然，針對系統運行產生的視頻數據和管理數據所構建的儲存和管理的方法是不夠全面的，還應該就視頻監(jiān)控的基本屬性信息，例如區(qū)域和開始結束時間等，還有其他的一些系統相關管理數據，例如用戶的信息等構建儲存方法。

(1)視頻數據。在本系統中還需要有一個重要的數據處理功能，應用文件系統儲存和管理監(jiān)控過程中自動生成龐大的視頻數據。視頻監(jiān)控時時刻刻都在進行，伴隨著生產龐大的視頻數據，以一所中等規(guī)模的高等院校為例，視頻監(jiān)控24小時生產的視頻數據量在千G以上，同時，為了便于日后的調取分析或者其他因素，視頻數據至少還需要再儲存超過30天的時間。為了滿足文件系統的靈活性以及數據的存儲容量，通過大量容量較小的磁盤采用磁盤陣列柜的方式來實現大容量數據的管理，同時，用RAID5來做磁盤之間的連接，這樣就可以在不關閉系統的情況下，更換掉損壞的磁盤保證系統的不間斷運作，并且不會丟失數據。

(2)系統管理數據。系統的管理數據較視頻數據而言，它占用的儲存空間很小，但是需要采取比較高的保密措施，例如視頻存儲數據、攝像頭相關數據信息和用戶信息等，為了將這些數據進行妥善地保存和管理，我們通常為它們構建專門的數據庫管理系統。相對應地在構建好的數據庫管理系統中，分別創(chuàng)建三個不同的數據表來描述這三種數據：視頻文件描述信息存儲信息表，攝像頭信息表和系統用戶數據表。

2. 視頻數據錄像

錄像控制是視頻監(jiān)控系統中最重要的一個模塊；調用不同的報警流程啟動錄制視頻功能，實現不同的錄像控制方式。錄像控制方式一共有四種：自動錄像、手動錄像、定時錄像和警告錄像。最終的視頻錄像將會以文件的形式存儲在磁盤中。

三、結論

本文所討論的基于IP組網方式的數字高清高校校園安全視頻監(jiān)控系統是為了實現現代化平安高校的目標而設計的；以通用的數字視頻監(jiān)控系統為例，對系統中的各個模塊，如前端采集模塊、網絡傳輸、監(jiān)控中心和管理平臺等的相關技術作了較深入的論述。隨著信息和圖像技術的進一步發(fā)展，視頻監(jiān)控系統將在圖像智能識別和視頻快速搜索的方向上越走越快。

[1]巧申龍. 概述網絡視頻監(jiān)控系統的現狀和發(fā)展趨勢[M]. 城市建設理論研究,2014(7)

[2]汪國有,姜遠利,楊永祥. 基于Blackfin DSP的實時視頻采集接口設計與實現[M].計算機與數學工程,2010,34(1):125-127

[3]莊益強,余輪. 基于DM642的H.264視頻監(jiān)控系統的軟件實現[M]. 通信技術,2010,40(12):397-399

[4]余和初. 數字視頻編解碼技術標準及其發(fā)展趨勢[J]. 中國安防,2011(5):32-37

[5]保承軍,岳植杰. 云計算和物聯網在智慧校園系統構建中的應用機.自動化與儀器儀表,2014(3):62-64

Construction of Digital High-Definition University Security Video Monitoring System Based on the IP Network Mode

XU Zhi-cheng
(College of Information and Electronic Engineering of Liming Vocational University, Quanzhou 362000, China)

To construct digital high-definition college campus security video monitoring system based on IP network mode, security is the key. When the sudden college campus security issues happen, high-definition digital coding and transmission technology can obtain high-resolution images, accurately and clearly capture the facial features and behavior actions, helping the relevant departments to master the situation in a timely manner, to facilitate supervision and service and take corresponding measures.

IP network; video monitoring; digital coding

2016-12-11

校級課題《非線性編輯軟件在校企合作微電影制作中的實證研究》(LZ2015112)。

許志成(1981- )，男，大學，黎明職業(yè)大學信息與電子工程學院講師，從事多媒體和虛擬技術方面研究。

TP277

A

1671-3974(2017)01-0065-03