【正文】 24 視頻采集卡的選擇 .................................................................................... 24 5. 1. 4 監(jiān)控計算機(jī)的選擇 .................................................................................. 25 6 總 結(jié)與展望 ................................................................................................................. 27 6. 1 論文工作總結(jié) ................................................................................................... 27 6. 2 展望 ................................................................................................................. 27 緒論 隨著視頻壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻技術(shù)在通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，其中，監(jiān)控系統(tǒng)正是其主要的應(yīng)用領(lǐng) 域之一。 遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個綜合的集成系統(tǒng)，涉及到通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自控技術(shù)、圖像壓縮技術(shù)、安防監(jiān)控技術(shù)和弱電集成技術(shù)等各方面的綜合技術(shù)，本文根據(jù)視頻監(jiān)控在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑恚\用 Winsock 控件，采用模塊化設(shè)計，討論了基于TCP/工 P 和 MPEG4 的數(shù)字圖像壓縮的遠(yuǎn)程實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究實施分析 (作者姓名 ) 指導(dǎo)教師 : 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，人們對安全防范要求也越來越高。近年來網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)字視頻處理技術(shù)的發(fā)展以及國內(nèi)電力變電站的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，大大促進(jìn)了數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究和發(fā)展。 本文介紹了本系統(tǒng)的方案設(shè)計以及各個模塊的開發(fā)實現(xiàn)，其中包括 :網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、MPEG4 圖像服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、歷史記錄模塊以及聲音對講模塊等，設(shè)計方案是一套專門面向電力行業(yè)的變電站遙視系統(tǒng)。現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分兩類 :模擬的和數(shù)字的監(jiān)控系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)設(shè)計、制造比較簡單，但是傳送距離比較短，安裝、使用以及數(shù)據(jù)的保存都比較困難。數(shù)字系統(tǒng)比較難以設(shè)計，但卻有模擬系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，例如傳送距離遠(yuǎn)，圖像質(zhì)量好，安裝、使用以及數(shù)據(jù)的保存都很簡單。 但是，目前開發(fā)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)還存在很多問題。而基于通用平臺 (例如 PC 機(jī) )的系統(tǒng)，開發(fā)難度低，也能根據(jù)需要靈活地加以變動，但是由于這些系統(tǒng)大多基于 Dos 或者 Windows 操作系統(tǒng)，所以其性能，尤其是實時性和穩(wěn)定性方面，無法與基于專用芯片的系統(tǒng)相比，而且價格、體積方面也難以控制，無法完全適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。本文研究的這套數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)采用了先進(jìn)的 MPEG4壓縮算法，并基于 Windows20xx 操作系統(tǒng)平臺，在系統(tǒng)功能和擴(kuò)展性等方面具有絕對的優(yōu)勢，結(jié)合系統(tǒng)看門狗的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在許多項目中得到了廣泛的應(yīng)用 隨著 21 世紀(jì)的到來，各行各業(yè)對于數(shù)字化信息的需求空前高漲，大規(guī)模數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)則為綜合數(shù)字信息的傳輸與交換奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。為此，電力部門己開始在全國范圍內(nèi)構(gòu)筑 SDH 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，各省市電業(yè)局也相應(yīng)開始在其所轄區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑 SDH 傳輸網(wǎng)，并通過網(wǎng)絡(luò)將所有變電站連接起來。 在無人值守變電站的實施過程中，除了設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸外，電力部門又進(jìn)一步提出了對各變電站現(xiàn)場圖像、聲音及相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視及遙視要求，即在電業(yè)局的有關(guān)管理部門，既要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字信息掌握各變電站的設(shè)備運行狀況，又要實時地看到各變電站的現(xiàn)場圖像 (變壓器、電閘、控制柜以及變 電站場景的圖像 )，并要求對各變電站現(xiàn)場的攝像機(jī)及其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行全方位控制。此項要求的提出主要是為了監(jiān)視無人值守變電站是否有人非法闖入，以及變電站現(xiàn)場是否有其他異常情況 (如電閘是否動作或接觸是否良好，變壓器是否冒煙、起火等 )，如果有人非法闖入或是無意進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域，則報警系統(tǒng)應(yīng)能夠自動偵測到，并向電業(yè)局發(fā)出報警信息，管理人員則根據(jù)對現(xiàn)場畫面的監(jiān)視，通過遠(yuǎn)程聲音廣播系統(tǒng)予以警示，并同時遙控啟動其他相應(yīng)設(shè)備。 實際上，除了電力系統(tǒng)外，金融、郵電、石油、鐵路等諸多行業(yè)，都相繼提出了基于其現(xiàn)有行業(yè)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電視監(jiān)控的要求，許多跨地區(qū)的連鎖企業(yè)也提出了在集團(tuán)總部通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，隨時調(diào)看各下屬企業(yè)有關(guān)圖像的要求 1. 3視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展 基于網(wǎng)絡(luò)的電視監(jiān)控系統(tǒng)的概念也是 20 世紀(jì)提出來的。因此，從系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)看，同一區(qū)域或不同區(qū)域間的不同類型的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備都已通過上述不同種類、不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了物理連接，這也是基于網(wǎng)絡(luò)的電視監(jiān)控系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。如今各類寬帶網(wǎng)絡(luò)及寬帶交換技術(shù)正在突飛猛 進(jìn)地發(fā)展，因而將電視監(jiān)控系統(tǒng)建立在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，其實用意也是顯而易見的。同時隨著社會的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也隨之經(jīng)歷了三個時代。視頻以模擬方式采用同軸電纜進(jìn)行傳輸，并由控制主機(jī)進(jìn)行模擬處理 :第二代 :半數(shù)字時代。第三代 :全數(shù)字時代。此外報警、門禁、巡更等前端設(shè)備輸出的數(shù)字信號也可由多網(wǎng)合一的方式通過網(wǎng)絡(luò)復(fù)用進(jìn)行傳輸并在同一平臺上進(jìn)行管理與控制。這將徹底打破“閉路電視系統(tǒng)”模擬方式的結(jié)構(gòu)，從根本上改變了視頻監(jiān)控系統(tǒng)從信息采集、傳輸處理、系統(tǒng)控制的方式和結(jié)構(gòu)形式，也標(biāo)志著監(jiān)控正在走向現(xiàn)代“四化”階段即： 前端 — 一體化：監(jiān)控系統(tǒng)前端一體化意味著多種技術(shù) 的整合、嵌入式構(gòu)架、適用和適應(yīng)性更強(qiáng)以及不同探測設(shè)備的整合輸出，為系統(tǒng)集成化奠定了基礎(chǔ)。 處理 — 數(shù)字化：信息處理數(shù)字化意味著信息流的數(shù)字化、編碼壓縮、開放式的協(xié)議，具有微內(nèi)核技術(shù)的實時多任務(wù)、多用戶、分布式操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)搶先任務(wù)調(diào)度算法的快速響應(yīng)，硬件和軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計，系 統(tǒng)設(shè)備的配置具有通用性強(qiáng)、開放性好、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、人機(jī)界面友好以及系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡單化，系統(tǒng)運行互為熱備份，容錯可靠等功能。同時通過解碼器發(fā)送控制或報警命令，整個系統(tǒng)是集視頻、模擬 /數(shù)字信號采集與控制功能，并且是基于互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)。 前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認(rèn)的發(fā)展方向，而數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提，網(wǎng)絡(luò)化又是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ)，所以，視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個特點就是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化 . 1. 5本文研究的內(nèi)容 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)對電力、銀行、交通、商場、賓館、樓宇等場所的安全防范和現(xiàn)場監(jiān)控都有重要的意義。本課題根據(jù)視頻監(jiān)控在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑?，運用 Winsock 控件，采用模塊化設(shè)計，討論了基于 TCP/IP 和 MPEG4的數(shù)字圖像壓縮的變電站遙視警戒系統(tǒng)。如 :監(jiān)視刀閘、斷路器分合指示以及運行狀態(tài)等。 ? 將送至視頻采集卡的模擬視頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理，采用 MPEG4 壓縮算法，將 視頻信號進(jìn)行壓縮。 ? 將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。 ? 根據(jù)本地或監(jiān)控中心操作發(fā)出來的命令，通過現(xiàn)場總線連接的視頻切換矩陣， 控制多路視頻的任意切換。 2 系 統(tǒng)采用的基本技術(shù)簡介 標(biāo)準(zhǔn)是 ITUT 的 VCEG（視頻 編碼專家組）和 ISO/IEC的 MPEG（活動圖像專家組）的聯(lián)合視頻組（ JVT， Joint Video Team）開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn) ,也稱為 MPEG4 AVC，它作為 MPEG4 Part10，是 “高級視頻編碼 ”。 具有很強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道中的視頻傳輸。因此采用 技術(shù)的聊天工具能夠獲得更高分辨率的視頻影像，即使采用 Modem撥號上網(wǎng)的低速率上網(wǎng)方式也能夠?qū)崿F(xiàn)清晰的視頻影像傳輸。顯然， 壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。 ? 容錯能力強(qiáng)： 提供了解決 在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。 標(biāo)準(zhǔn)采用了很多新技術(shù)用來提高壓縮比降低碼流，主要是采用了高精度、多模式預(yù)測技術(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰O(shè)計了差錯消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，從而保證了視頻傳輸?shù)挠行?。這是由于芯片處理能力逐步提高，可以適應(yīng)算法的不斷優(yōu)化， ASIC 技術(shù)產(chǎn)品化周期長，已經(jīng)無法適應(yīng)目前算法進(jìn)步的步伐。在算法和芯片技術(shù)成熟以后，未來的主流壓縮平臺 應(yīng)該是 ASIC的天下，當(dāng)然 ASIC 和DSP 技術(shù)相結(jié)合的芯片，同樣具有誘惑力，能夠適合未來算法發(fā)展的需要。這些噪點隨著產(chǎn)品型號和工作環(huán)境而不同。 噪點的處理使得中低檔攝像頭能夠同樣達(dá)到理想的壓縮效果，特別是對于光線不好的環(huán)境非常有意義。時間軸濾波采用運動自適應(yīng)方式來去處偽顏色噪聲同時還原運動物體。除此之外，還可以使用柱狀均衡器，它通過平滑亮度信號的突變來改善對比度。另一方面，通過實時濾波技術(shù)的應(yīng)用，使得在壓縮之前就排除了信號中的干擾，壓縮還原的圖像有很大的提高，同時也降低了碼流。網(wǎng)絡(luò)信息還可以利用無線電系統(tǒng)、微波無線系統(tǒng)和紅外技術(shù)等傳輸。 光纖是最理想的傳輸媒介，其特點是傳輸容量大，傳輸質(zhì)量好，損耗少，但成本很高，適合網(wǎng)絡(luò)主干線。目前有線電視采用這種傳輸媒介，適合短距離通信。 無線通信包括長距離的衛(wèi)星通信、微波通信，其傳輸性能、容量不如光纖。 2. 2. 2 傳輸網(wǎng)絡(luò) 目前運營的傳輸網(wǎng)絡(luò)有電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)。電信網(wǎng)絡(luò)具有連接范圍最廣、服務(wù)范圍最廣等特點，通過電信網(wǎng)可以和世界上絕大多數(shù)地方進(jìn)行通信。目前局域網(wǎng)內(nèi)常采用的是快速以太網(wǎng)，傳輸速度為100M/S。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是范圍最小的網(wǎng)，通常廣域的 INTERNET 網(wǎng)需要通過電信網(wǎng)，以專線或者撥號的形式互聯(lián)。電視網(wǎng)上提供的多媒體服務(wù)有 VOD,HFC 和 Cab 1 e Modem。 TCP/IP 是 INTERNET的基礎(chǔ)協(xié)議，也是一種電腦數(shù)據(jù)打包和尋址的標(biāo)準(zhǔn)方法。在接受端，一個 TCP 軟件包收集信封，抽出數(shù)據(jù)，按發(fā)送前的順序還原，并加以校驗，若發(fā)現(xiàn)差錯， TCP 將會要求重發(fā)。 TCP 是一個更高層次的，它允許運行在不同主機(jī)上的應(yīng)用程序相互交換數(shù)據(jù)流。在大多數(shù)情況下，每個 TCP 數(shù)據(jù)段裝在一個 IP 數(shù)據(jù)報中進(jìn)行發(fā)送。由于 IP 并不能保證接收的數(shù)據(jù)報的順序相一致， TCP 會在收信端裝配 TCP 數(shù)據(jù)段并形成一個不間斷的數(shù)據(jù)流。 TCP 是一個可靠的協(xié)議，因為它有錯誤檢查和握手確認(rèn)來保證數(shù)據(jù) 完整的到達(dá)目的地。如果有可靠性要求，則應(yīng)用程序避免使用它。方案中遙視瞥戒系統(tǒng)在 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之上開發(fā)了專用通訊層，針對圖像數(shù)據(jù)的混合傳輸做了優(yōu)化處理，適合多點視頻和數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸，降低了系統(tǒng)資源的占用率。該通訊層支持多種 TCP/IP 協(xié)議的傳輸，包括 TCP,UDP、多播等?？梢詫⑻捉幼挚醋鞑煌鳈C(jī)間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點。套接字存在于通信域中，通信域是為了處理一般的線程通過套接字通信而引進(jìn)的一種抽象概念。 Winsock 規(guī)范支持單一的通信域，即 Inter 域。 套接字可以根據(jù)通信性質(zhì)分類，這種性質(zhì)對于用戶是可見的。不過只要底層的通信協(xié)議允許，不同類型的套接字間也照樣可以通信。這種方式隱含了在建 立客戶機(jī) /服務(wù)器間通信時的非對稱性。 TCP/IP 協(xié)議本身是非常復(fù)雜的，然而在網(wǎng)絡(luò)編程中，程序員不必考慮 TCP/IP 的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需利用協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口 Socket(亦稱套接字 )即可。 TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶 /服務(wù)器模式，面向連接的應(yīng)用調(diào)用如圖 2. 1 所示 : 圖 2. 1 流套接字編程時序圖 TCP/IP 的 socket 提供下列三種類型套接字： 流式套接字 (SOCK_ STREAM)提供了一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無差錯、無重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。文件傳送協(xié)議 (FTP)即使用流式套接字。數(shù)據(jù)包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。 原始式套接字 (SOCK_ RAW)該接口允許對較低層協(xié)議，如工 P、工 CMP 直接訪問。 3 整個系統(tǒng)的方案設(shè)計 3. 1系統(tǒng)的方案設(shè)計 在某電力的 220KV 變電站所用的 EV20xx 監(jiān)控系統(tǒng)的其核心是 AXIS 2400 VIDEO SERVER 該系統(tǒng)是一家瑞典公司的產(chǎn)品，屬于 OEM 貼牌的方式，相比之下本系統(tǒng)是專 「〕面向電力行業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。無論從壓縮率還是清晰度方面來說 MPEG4都要比 JPG 優(yōu)秀的多。在 2MB的帶寬下，可以輕松的支持多個客戶同時瀏覽圖像。 EV20xx 就是采用這兩種方式，有很大的迷惑性。 EV20xx是采用嵌入式，本系統(tǒng)是采用前端工控機(jī)。 本方案根據(jù)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求及各站點的具體地理位置，組建的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)集消防、防盜、防火、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)視電氣設(shè)備為一體。 系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖 3. 1 所示 : 3. 2系統(tǒng)整體組成功能 系統(tǒng)前端變電 站監(jiān)控柜中的監(jiān)控主機(jī)對接入的視頻信號進(jìn)行壓縮處