基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字監(jiān)控集成系統(tǒng)的設(shè)計

徐來軍+盧國珍+孔明

摘 要：隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)不斷發(fā)展，一種以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特點(diǎn)的新一代的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生——基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字監(jiān)控集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視頻采集壓縮、視頻信號傳輸、信息存儲與系統(tǒng)的集中管理等。它可以廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控和會議、銀行數(shù)字監(jiān)控和家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控等許多方面。高效的視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸以及同時多點(diǎn)監(jiān)控都是該系統(tǒng)的特色。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；視頻壓縮；網(wǎng)絡(luò)傳輸

中圖分類號：X924.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0091-03

1 概述

視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷史，大致分為三個階段，第一階段是模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，第二階段是以PC機(jī)為基礎(chǔ)硬件的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，第三階段是基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。近幾年來，國家對寬帶提速降費(fèi)政策的大力支持，為通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控提供了更好的環(huán)境。本系統(tǒng)是一種基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，IP攝像機(jī)硬件主要包括網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)模塊和CCD模塊兩部分，上位機(jī)軟件可以同時對局域網(wǎng)、外網(wǎng)IP攝像機(jī)的圖像進(jìn)行觀看存儲，可以分別對各臺攝像機(jī)配置和管理，達(dá)到對需要監(jiān)控的各個場所進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)大致分為視頻、傳輸、控制及存儲四部分，視頻部分包括視頻采集、A/D轉(zhuǎn)換、視頻壓縮解壓縮；傳輸部分包括打包、糾錯編碼、加密解密、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)；控制部分包括了整個系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作；存儲部分包括視頻存儲。

硬件主要包括：嵌入式微處理器、硬件編解碼模塊、視頻采集模塊、存儲模塊、電源管理模塊以及各個接口等。

嵌入式CPU是整個硬件系統(tǒng)的核心，采用的處理器是ARM9處理器。主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和管理以及所有信號的處理。

存儲包括SDRAM和FLASH。SDRAM的主要作用是中間數(shù)據(jù)的存儲，F(xiàn)LASH則是用來存儲系統(tǒng)的內(nèi)核，文件系統(tǒng)等。

視頻采集模塊負(fù)責(zé)視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

電源管理的功能是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

2.1 系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)發(fā)送端和接收端軟件模塊流程圖如圖2。

2.2 視頻采集模塊

由于采用的外界視頻輸入的是CCD的模塊。因此必須將此模擬圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，因而必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。由于模擬圖像本身具備一定的輸入模式，此外又屬于高速信號，因此必須采用高速的A/D轉(zhuǎn)換裝置才能使信號完全量化并被采集。本系統(tǒng)采用飛利浦公司的可編程視頻輸入采樣芯片。

2.3 視頻編解碼模塊

視頻壓縮編解碼采用流行的MPEG4協(xié)議，并采用小波變換、可編程量化器、熵編碼等方法來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的數(shù)字壓縮解壓縮算法，使壓縮后的數(shù)據(jù)流速率小于100Kbps，能夠順利地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。MPEG-4Codec是一個用于視頻編解碼和后處理的DSP硬件。編碼器將數(shù)據(jù)壓縮成為標(biāo)準(zhǔn)的視頻碼流，解碼器將視頻碼流還原成圖像，然后將解壓出來的圖像進(jìn)行大小、顏色等方面的處理，達(dá)到提升顯示效果的目的。

攝像頭按照每秒20～30幀（可調(diào)）的速率采集圖像，并且送到編碼器，編碼器實(shí)時的將圖像壓縮成為碼流，這些碼流通過內(nèi)網(wǎng)或者外網(wǎng)傳送到PC機(jī)設(shè)備，設(shè)備接收到碼流之后，啟動解碼器解碼，解碼之后的圖像轉(zhuǎn)為RGB圖像直接在PC機(jī)屏上顯示。視頻采集模塊流程如圖3所示。

2.4 以太網(wǎng)傳輸模塊

本系統(tǒng)中以太網(wǎng)傳輸模塊的主要功能包括兩部分：一是在UBoot過程中實(shí)現(xiàn)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的加載，二是視頻數(shù)據(jù)的傳輸。由于系統(tǒng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大（其中視頻信號分辨率為640*480，實(shí)現(xiàn)每秒25幀的傳輸速率），因此選擇一塊高速有效的以太網(wǎng)控制芯片是很有必要的。

2.5 顯示與存儲模塊的實(shí)現(xiàn)

通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l流，在相應(yīng)的控制指令下，通過編寫相應(yīng)的控件程序，調(diào)用Windows提供的標(biāo)準(zhǔn)庫就可以在PC上顯示了。在碼流上加上標(biāo)準(zhǔn)的AVI頭信息就可以存儲為Windows可以播放的標(biāo)準(zhǔn)的AVI視頻文件。

2.6 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件是在WinXP下用VC++6編寫的，采用IP協(xié)議和硬件通訊，整個程序界面簡單，主要功能有：

（1）添加監(jiān)控點(diǎn)；（2）更新局域網(wǎng)內(nèi)攝像機(jī)數(shù)量；（3）查看監(jiān)控畫面；（4）暫停、恢復(fù)、關(guān)閉監(jiān)控；（5）對監(jiān)控畫面的色度、對比度、飽和度設(shè)置；（6）對監(jiān)控畫面的格式、碼流、幀率等進(jìn)行設(shè)置；（7）保存監(jiān)控錄像。

打開軟件EXE文件，整個主界面簡單明了，軟件開起來后會自動搜索添加局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，設(shè)備列表顯示在“Device”（設(shè)備信息）欄中，對外網(wǎng)攝像機(jī)的添加可通過右下角“Control”（控制）欄中的“Add”（添加）按鈕實(shí)現(xiàn)，鼠標(biāo)左鍵單擊“Add”（添加）按鈕，出現(xiàn)添加外網(wǎng)攝像機(jī)的對話框。輸入外網(wǎng)攝像機(jī)對應(yīng)的IP，點(diǎn)“OK”（確定），設(shè)備IP就會顯示在“Device”（設(shè)備信息）里了，端口號7000不用改變?！癈ontrol”（控制）欄里的“Refresh”（刷新）按鈕，用來更新顯示局域網(wǎng)內(nèi)的攝像機(jī)列表，點(diǎn)擊“Refresh”（刷新）按鈕會把外網(wǎng)的IP自動過濾掉，只保留局域網(wǎng)內(nèi)的攝像機(jī)IP。

右上邊是4個圖像顯示框。雙擊設(shè)備列表中的攝像機(jī)IP地址，圖像顯示框中就會顯示對應(yīng)攝像機(jī)的畫面，可以4畫面觀看同一個攝像機(jī)畫面，也可以分別觀看不同的攝像機(jī)畫面。雙擊單個攝像機(jī)畫面還可以放大觀看。鼠標(biāo)右鍵單擊畫面可以暫停監(jiān)控“Pause”，恢復(fù)監(jiān)控“Resume”，關(guān)閉畫面“Close”。

視頻操作：

主界面下方的“ImageSetting”用來設(shè)置畫面的“Brightness”（色度），“Contract”（對比度），和“Saturation”（飽和度），點(diǎn)“Disable”表示“ImageSetting”設(shè)置不可用，點(diǎn)“Enable”可以更改設(shè)置，設(shè)置完后點(diǎn)“Apply”應(yīng)用，數(shù)字越小，圖像越暗。設(shè)置完后點(diǎn)“Apply”應(yīng)用。這個設(shè)置是針對最后一個打開的攝像機(jī)的，而且要先雙擊該攝像機(jī)畫面，到單畫面設(shè)置里面進(jìn)行過“ImageSetting”才可以在主畫面進(jìn)行該設(shè)置。endprint

“EncodeSetting”用來更改視頻的編碼方式，“Size”是壓縮畫面的格式及分辨率，支持VGA（640*480）、QVGA（320*240）、CIF（352×288）、QCIF（176×144）4種格式?！癈BR”和“VBR”是碼率控制方式，CBR是固定碼流控制方式，這種方式在壓縮文件時碼流大小始終不變。VBR是可變碼流，這種方式在壓縮文件時會根據(jù)畫面的變化調(diào)整碼流的大小。在相同碼流下，它們的畫面效果是一樣的，從文件大小看，VBR方式的文件會小一些?！癋PS”為幀率，幀率就是在1秒鐘里傳輸?shù)膱D片的數(shù)量，每一幀都是靜止的圖像，快速連續(xù)地顯示幀便形成了運(yùn)動的假象。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動畫，一般人眼觀看24的幀率就很流暢了；“Bitrate”為碼率，碼率就是數(shù)據(jù)傳輸時單位時間傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，通俗一點(diǎn)的理解就是取樣率，單位時間內(nèi)取樣率越大，精度就越高，處理出來的文件就越接近原始文件，但是文件的體積與取樣率是成正比的，就是碼率越大，文件越大；“Qp”為圖像質(zhì)量，數(shù)據(jù)越小畫面質(zhì)量越好，文件大小也越大。在CBR模式下可以設(shè)定幀率和碼率，碼率和幀率設(shè)置不宜超出2000000BitRate和30FPS，否則可能引起失真，一般不需要修改。

主界面中這兩個操作只是相對最后一個打開的視頻畫面進(jìn)行的操作，如果要對其他視頻畫面進(jìn)行修改操作，可以雙擊需要操作的畫面，進(jìn)入單畫面操作界面，設(shè)置方法一致。

視頻顯示設(shè)置：

通過主界面右下角的“PanelLayout”（窗口分布）設(shè)置，可以更改畫面的顯示方式，有1畫面、4畫面、9畫面、16畫面可供選擇。

視頻保存設(shè)置：

雙擊主界面中攝像機(jī)畫面，進(jìn)入單畫面操作界面，可以單獨(dú)對一個視頻進(jìn)行設(shè)置和保存操作。設(shè)置操作和主界面中的相似，不過主界面中的設(shè)置只能對最后一個打開的畫面進(jìn)行。單畫面操作界面還多了個保存視頻的設(shè)置。

保存視頻選項(xiàng)：

“Format”（格式）中選擇輸出視頻的格式，“MPEG4”格式的文件是直接的碼流格式，需要轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換到視頻播放工具可以播放的格式才能觀看，“AVI”格式文件已經(jīng)是解碼后的文件，播放器可以直接播放?！癝aveResult”（存儲結(jié)果）中選擇保存的路徑，選好路徑和視頻格式后點(diǎn)擊“Record”（存儲）按鈕開始保存，“Time”（時間）欄顯示的是保存視頻的時間，“Space”（位置）欄中顯示視頻占用的空間。點(diǎn)“Close”（關(guān)閉）結(jié)束保存。

3 結(jié)束語

由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)成本的不斷降低，視頻監(jiān)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化方向越來越有利，而網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字監(jiān)控技術(shù)能滿足視頻監(jiān)控高穩(wěn)定性、高可靠性和便于安裝維護(hù)的要求。本系統(tǒng)可以充分利用Internet網(wǎng)絡(luò)，大大降低了監(jiān)控的成本，能夠滿足家庭倉庫監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控和會議、銀行數(shù)字監(jiān)控等監(jiān)控需求，方便二次升級。

參考文獻(xiàn)：

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