【正文】 PC)、視頻編碼器(DVS)、網(wǎng)絡攝像機(NVR)及中央管理平臺(CMS)等[2]。模擬時代，視頻監(jiān)控系統(tǒng)由模擬攝像機、多畫面分割器、視頻矩陣、模擬監(jiān)視器和磁帶錄像機等構(gòu)成。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)又稱閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)，一般由前端信號采集設備、中間信號傳輸部分、視頻矩陣切換及控制部分、顯示及錄像4個部分組成。通過矩陣和多畫面處理器可以實現(xiàn)在一個顯示器上觀看多個場景的功能，從而節(jié)省了監(jiān)視器和錄像機。這種模擬監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)形式技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、操控性好，在超市、商場等場所有著廣泛的應用。數(shù)字時代，以DVR為主要標志產(chǎn)品，模擬視頻信號可以通過DVR進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并被壓縮，這樣視頻信號就可以通過網(wǎng)絡進行傳輸，并且大大提高存儲功能。最典型的架構(gòu)方式是有攝像機、數(shù)字視頻服務器和計算機組成的系統(tǒng)。DVR的核心功能是將模擬音視頻信號數(shù)字化，編碼壓縮并儲存。CPU通過PCI總線將編碼后的音視頻信號發(fā)送到本地存儲硬盤中，通過網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上進行遠程傳輸。智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控時代，目前還處于起步階段。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有非常好的市場前景和應用價值。我國在視頻監(jiān)控領域雖然起步較晚，但發(fā)展極為迅猛。安全防范設備在美國等發(fā)達國家的應用十分廣泛，應用層次也很高，對我國的借鑒價值非常大。在歐洲也是這樣，無論是高樓大廈、還是路口車站也都設置了視頻監(jiān)控設備。所架設的視頻監(jiān)控設備通過網(wǎng)絡與公安系統(tǒng)的監(jiān)控中心直接相連。2005年的倫敦地鐵爆炸案中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)準確地捕捉到恐怖分子的外部特征，為案件的偵破提供了有力的證據(jù)[3]。我國陸續(xù)制定了相關(guān)系列的安全技術(shù)防范標準。為此，中國安全防范產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會于2000年就制定了《中國安全防范產(chǎn)品行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃》力爭在“十五”期間加快中國高科技安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研制有自主知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)產(chǎn)品，開拓應用領域，提高國內(nèi)產(chǎn)品的市場占有率”[4]。數(shù)字信號具有抗干擾能力強、失真小、傳輸效率高等模擬信號無法相比的優(yōu)勢，同時也存在信號處理數(shù)據(jù)量大、占有頻率資源多的問題。目前各種數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛應用大大加快了視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化的步伐。這些設備輸入輸出信號都是模擬量，在設備內(nèi)將這些模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號進行處理。各種數(shù)字視頻設備的功能更加完善，性能大為提高[6]。 課題的來源本課題來源于國家科技重大專項項目《大型油氣田及煤層氣開發(fā)》中的第39子項。因此，建立煤層氣視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對于保障煤層氣的開采安全具有重要意義。本課題通過大量研究，提出一種基于3G技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這種無線煤層氣田視頻監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)為首次應用。 研究內(nèi)容論文的主要工作集中在以下幾個方面：第1章：簡要地介紹國內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展狀況和幾種典型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)方式。介紹系統(tǒng)中會用到的若干關(guān)鍵技術(shù)。第3章：根據(jù)系統(tǒng)功能要求提出該煤層氣視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能指標。系統(tǒng)由前端視頻采集設備、視頻編碼壓縮設備、3G網(wǎng)絡傳輸設備以及監(jiān)控中心組成。詳細說明系統(tǒng)中各設備的配置情況和如何使用這些設備進行組網(wǎng)工作。詳細介紹軟件中重要模塊的關(guān)鍵代碼。最后，對全文工作進行總結(jié)，并提出對未來工作的展望。本章對網(wǎng)絡選擇問題及涉及到的視頻壓縮等關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。3G服務的代表特征是其提供的服務有高速度的傳輸速率。為找到一種適合無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，下面從速度、穩(wěn)定性和覆蓋面、資費等方面比較這三種無線網(wǎng)絡的優(yōu)劣。 速度無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中主要需要考慮上行傳輸速率，但由于云臺等輔助設備需要接受監(jiān)控終端的指令，因此在主要考慮上行傳輸速率的同時還要兼顧下行傳輸速率。雖然我們實測的速率和運營商宣傳的有很大差距，但聯(lián)通WCDMA上行80120Kbps、下行140250Kbps的速率已經(jīng)可以完成無線視頻傳輸?shù)娜蝿铡? 穩(wěn)定性和覆蓋面TDSCDMA、WCDMA和CDMA2000都屬于寬帶CDMA技術(shù)。因此在網(wǎng)絡穩(wěn)定性方面，三種方式處于同一水平。中國移動TD基站：一期建設中已經(jīng)累計開通了17672個基站，容量可達950萬戶；在2011年，[10]。中國電信 資費目前，這三種網(wǎng)絡的各地運營商都推出了很多套餐，有包年、包月、包流量綜合比較這三種網(wǎng)絡的各種資費標準，但CDMA2000 網(wǎng)絡的資費最具優(yōu)勢[11]。顯然，中國電信和中國聯(lián)通的視頻業(yè)務是比較適合行業(yè)用戶的。最終網(wǎng)絡的確定還要結(jié)合煤層氣田視頻監(jiān)控自身的特點。一旦某煤層氣發(fā)生火災、盜采等事故時，及時的獲取現(xiàn)場視頻信息就可以最大地降低損失或為破案提供關(guān)鍵線索[13]。網(wǎng)絡的傳輸速率問題。前三小節(jié)已經(jīng)論述三種3G網(wǎng)絡的穩(wěn)定性難分伯仲，并且隨著中國電信事業(yè)的發(fā)展網(wǎng)絡會越來越穩(wěn)定可靠。因此，最終決定選用中國聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡。WCDMA是Wideband CDMA的英文縮寫，中文翻譯可理解為寬帶分碼多工存取，該方式支持384Kbps至2Mbps的不同等級的數(shù)據(jù)傳輸速率。在低速移動或者室內(nèi)環(huán)境中，則可提供的傳輸速率高達2Mbps[14]。相比其他兩種3G模式，中國聯(lián)通WCDMA具有如下網(wǎng)絡優(yōu)勢[15]：（1）網(wǎng)絡速度快：WCDMA 3G技術(shù)已經(jīng)在全世界很多國家得到廣泛應用。（2）支持業(yè)務最廣泛：基于WCDMA成熟的網(wǎng)絡平臺，可以支持的業(yè)務非常多 ，包括無線上網(wǎng)卡，手機上網(wǎng)等。（4）國內(nèi)覆蓋范圍廣泛：目前全國大部分地區(qū)開通了聯(lián)通WCDMA業(yè)務。 為了充分利用無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)帶寬，合理地選擇一種適合無線視頻傳輸?shù)囊曨l壓縮編碼是很有必要的。％，壓縮比達到150：l，從而提高了其傳輸?shù)姆€(wěn)定性。實踐證明500（水平）582（垂直）的分辨率可以滿足野外煤層氣田監(jiān)控的需要，遠遠小于3G網(wǎng)絡的理論上行速率。與以前的標準一樣，集中了以往各編碼方式的優(yōu)點。在相同圖像質(zhì)量的前提下、它可節(jié)省相當大的帶寬和存儲成本。：（1）網(wǎng)絡適應性強：，、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等不同的網(wǎng)絡環(huán)境中傳輸。（3）整數(shù)變換：4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數(shù)為基礎的空間變換，整數(shù)DCT變換還具有減少運算量和復雜度、有利于定點DSP移植的優(yōu)點。這些特點保證了圖像質(zhì)量的同時降低了碼流。，同樣的圖像質(zhì)量，碼流僅是MPEG4的一半。 VPN技術(shù)概述系統(tǒng)的前端設備和監(jiān)控中心是通過虛擬專用網(wǎng)進行連接的。這樣當前端設備使用中國聯(lián)通WCDMA上網(wǎng)卡時，監(jiān)控中心計算機無法通過IP地址訪問到前端設備。在VPN連接中，前端設備被設置成客戶端，監(jiān)控中心計算機被設置成服務器端。下面簡單介紹一下VPN技術(shù)。通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的封包和加密傳輸技術(shù)，在一個公用網(wǎng)絡(一般指英特網(wǎng))上的客戶端和服務器端建立一個專屬于用戶通信通道，安全可以達到私有網(wǎng)絡的級別[18]。雖然VPN通訊建立在公共互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎上，但是用戶在使用VPN時感覺如同在使用專用網(wǎng)絡進行通訊，所以得名虛擬專用網(wǎng)絡。 VPN通道示意圖Fig. Diagram of VPN tunnel所謂VPN隧道技術(shù)，實際上就是一種數(shù)據(jù)封裝技術(shù)，將一種協(xié)議封裝在另一個協(xié)議中傳輸，從而保持被封裝協(xié)議的安全性。在把PPP數(shù)據(jù)幀封裝到隧道協(xié)議里，這種封裝方法封裝的是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)包，稱為“第二層隧道”。（2）把網(wǎng)絡層協(xié)議(如IP，IPX等)直接封裝到隧道協(xié)議中。第三層隧道協(xié)議里以Microsoft公司開發(fā)的IP層安全協(xié)議IPSec應用最為廣泛，是事實上網(wǎng)絡層安全的業(yè)界標準，同時符合IPV4和IPV6環(huán)境。 系統(tǒng)功能要求與劃分根據(jù)《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設計規(guī)范》，本視頻監(jiān)控系統(tǒng)應具有安全性、可靠性、開放性、可擴充性和使用靈活性，做到技術(shù)先進，經(jīng)濟合理，實用可靠。 系統(tǒng)功能要求（1）前端攝像設備應有至少30米有效射程，具備紅外功能可以實現(xiàn)晝夜監(jiān)控。（2）前端視頻編碼設備應支持4CIF/DCIF/2CIF/CIF/QCIF實時編碼，提供 10/100Mbps自適應以太網(wǎng)口，支持TCP、UDP、RTP等多種網(wǎng)絡協(xié)議。必須可支持用戶設置本機IP地址及網(wǎng)關(guān)。支持低功耗模式，電源接口內(nèi)置反相保護和過壓保護。支持無線視頻監(jiān)控和動態(tài)圖像傳輸。（5）系統(tǒng)應具有多畫面預覽，視頻參數(shù)（如對比度、色調(diào)、飽和度）可調(diào)節(jié) [20]。監(jiān)控軟件使用C編程語言。該部分功能可以實現(xiàn)對畫面質(zhì)量如清晰度，亮度等參數(shù)進行設置。（3）設備控制模塊：該模塊實際是一個預留模塊，是為將來實際應用時安裝云臺設備而設的。（4）用戶管理模塊：實現(xiàn)不同級別用戶的管理。為后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)處理部分提供支持。 系統(tǒng)總體組成根據(jù)以上設計要求，本系統(tǒng)主要設備有監(jiān)控攝像頭、視頻服務器、3G路由器、監(jiān)控中心。本系統(tǒng)采用杭州?？低暽a(chǎn)的DS2CC102P(N)IR3 紅外防水槍型攝像機。夜間紅外照射距離可達3040米，夜間成像為黑白。本文采用視頻服務器（DVR）作為前端視頻編碼設備，所選的視頻服務器是杭州?？低旸S6101HF視頻服務器。DS6100 系列視頻服務器是專為遠程監(jiān)控而設計的嵌入式數(shù)字監(jiān)控產(chǎn)品，完全脫離PC平臺采用最新的平臺芯片技術(shù)，程序代碼固化在系統(tǒng)閃存中，具有很高的代碼執(zhí)行效率。具有如下功能特點[22]：視頻壓縮技術(shù)： 視頻壓縮技術(shù)及OggVorbis 音頻壓縮技術(shù)，壓縮比高，且處理非常靈活；網(wǎng)絡功能：支持完整的TCP/IP 協(xié)議，內(nèi)置網(wǎng)絡瀏覽器，可以同過IE進行視頻預覽；支持PPPOE、DHCP協(xié)議； 由于本課題正處于方案設計階段，因此視頻服務器選擇了DS6100HF。 視頻服務器Fig. Video server后面板各接口依次為（從左到右）：電源 DC12V。3.、ALARM OUT：2 路常開/常閉型開關(guān)量（干節(jié)點）報警輸出。 RS485：標準 RS485 串口RJ45 插座，接云臺解碼器。VIN：1路視頻輸入，BNC 接口（電平：，阻抗：75Ω）。LINE IN：1 路語音對講輸入。AOUT：1 路語音對講輸出。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸設備就選用剛剛興起的3G無線路由器。F3423路由器采用高性能的工業(yè)級ARM9通信處理器，以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺。目前該設備已廣泛應用于金融，水利，環(huán)保，電力，郵政，氣象等行業(yè)。智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥。支持多種協(xié)議：TCP/IP，UDP，ICMP，SMTP，HTTP，POP3，OICQ，TELNET，F(xiàn)TP等。 支持動態(tài)路由和靜態(tài)路由 。支持多種無線撥號方式：自動分配，指定IP，指定本地對端IP。同時支持LINUX和WINDOWS操作系統(tǒng)。接口包括1個10/100M以太網(wǎng)口1個RS232串口（根據(jù)需要，可支持RS422/RS485），串口速率110~230400bits/s。天線接口為標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。： 3G路由器功能結(jié)構(gòu)Fig. Functional structure of 3G router（4）監(jiān)控中心中心監(jiān)控室具有寬帶網(wǎng)絡、服務器、PC、監(jiān)控軟件及顯示屏等。C Framework開發(fā)壞境是近年來最為重要的新技術(shù)之一，、徹底的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它具有清晰的面向?qū)ο蟮恼Z法結(jié)構(gòu)。C具有高效率的編譯工具。作為一種編程語言，C是現(xiàn)代的、簡單的、并且是完全面向?qū)ο蟮?，而且是類型安全的。在類、名字空間、方法重載和異常處理等方面，C語言去掉了C++中的許多復雜性，借鑒和修改了JAVE的許多特性，使其更加易于使用，不易出錯。（1）簡單性在C中不需要再記住不同處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型。C在CLR層面上統(tǒng)一了數(shù)據(jù)類型。整形和布爾數(shù)據(jù)類型是完全不同的類型。比較和賦值運算的混淆不會再發(fā)生。金融類型對于企業(yè)級編程語言來說是很受歡迎的一個附加類型。（3）面向?qū)ο驝編程語言支持面向?qū)ο蟮乃嘘P(guān)鍵性的概念，諸如封裝、繼承和多態(tài)性。因此，編寫同一段代碼，C編程語言與C++編程語言相比，不僅具有開發(fā)周期短、代碼量小等特點，而且可讀性也是非常好的。在本文的后面，圖像處理部分的功能實現(xiàn)時就能感受到C語言開發(fā)數(shù)字圖像處理算法的簡潔性。廣義上指輔助開發(fā)某一類軟件的相關(guān)文檔、范例和工具的集合。它可以簡單地為某個程序設計語言提供應用程序接口 API 的一些文件，但也可能包括能與某種嵌入式系統(tǒng)通訊的復雜的硬件。?？低暱蛻舳塑浖_發(fā)包主要由客戶端操作和設備端操作兩大部分組成。設備端操作功能可支持遠程操作設備啟動或停止、遠程設置視頻服務器參數(shù)等功能。設備網(wǎng)絡SDK包含網(wǎng)絡通訊庫、軟解碼庫、硬解碼庫等功能組件，有Windows和Linux兩個版本的SDK可供選擇，由于本系統(tǒng)僅使用Windows版本，因此只介紹第二種版本，： 函數(shù)庫Tab. Fuction library庫名所包含的文件網(wǎng)絡通訊庫 頭文件 LIB庫文件 DLL庫文件Hpr庫 LIB庫文件 DLL庫文件RTSP通訊庫 DLL庫文件軟解碼庫 LIB庫文件 DLL庫文件轉(zhuǎn)封裝庫 DLL庫文件該軟件開發(fā)包同時支持TCP、UDP、RTP、MULTICAST網(wǎng)絡傳輸模式。網(wǎng)絡預覽時，設備的每個通道最多支持6路同時連接，每臺設備最多支持24路同時連接。但是這些均為理論數(shù)值，實際情況還得看設備的運行情況和運行客戶端的計算機CPU能力。目前使用了off_screen 畫面和Blt操作。為此，軟件開發(fā)包提供了測試系統(tǒng)是否支持的一個接口NET_DVR_IsSupport，用戶可以用它測試系統(tǒng)中播放器是否能正常工作,另外，顯示屬性里的顏色設置應該設置為16位或32位的，對于24位的，系統(tǒng)是不支持的。按實現(xiàn)功能的不同可以分成十個模塊，實現(xiàn)每個模塊的功能時初始化SDK、用戶注冊設備、注銷設備和釋放SDK資源這4個流程是必不可少的。設置連接超時時間（NET_DVR_SetConnectTime）：這部分為可選，用于設置SDK中的網(wǎng)絡連接超時時間，編程時可以根據(jù)用戶的需要設置該值。 主要流程Fig. The main flow設置接收異常消息的回調(diào)函數(shù)（NET_DVR_SetDVRMe