鄭玉潔,王 娟,李曉芳
(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)
試驗(yàn)任務(wù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要承擔(dān)靶場(chǎng)視頻信息獲取、傳輸、記錄和顯示任務(wù),為有關(guān)人員提供直觀的現(xiàn)場(chǎng)圖像信息,保證試驗(yàn)任務(wù)的順利進(jìn)行,并為事后分析和判斷試驗(yàn)故障原因提供依據(jù)。目前使用的圖像監(jiān)視系統(tǒng)大都采用模擬視頻切換矩陣為系統(tǒng)中心,在遠(yuǎn)距離傳輸和硬盤錄像方面使用數(shù)字化設(shè)備,存在著系統(tǒng)擴(kuò)展困難和信息共享不方便等缺點(diǎn)。新一代圖像監(jiān)控系統(tǒng)以IP網(wǎng)絡(luò)化信號(hào)傳輸與控制為依托,以數(shù)字化視頻壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和播放為核心,通過(guò)設(shè)立中心監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備集中管理與控制,用戶僅需通過(guò)IE瀏覽器或客戶端軟件,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)攝像系統(tǒng)的控制、圖像的調(diào)用與瀏覽。系統(tǒng)具有高度的開放性、集成性和靈活性,是視頻監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展方向。
網(wǎng)絡(luò)視頻壓縮編碼器負(fù)責(zé)圖像信息的數(shù)字化、壓縮和接入IP網(wǎng)。視頻壓縮編碼效率直接影響到圖像在IP網(wǎng)上的傳輸實(shí)現(xiàn)。監(jiān)視系統(tǒng)的圖像信息數(shù)字化后一路速率為177Mbps,如果不經(jīng)過(guò)壓縮,用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸幾乎是不可能的。
視頻壓縮編碼技術(shù)發(fā)展很快,從上世紀(jì)90年代至今,先后得到廣泛使用的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有H.261(1989)、MPEG1(1991)、MPEG2(1994)、H.263(1996)、MPEG4(1998)和 H.264(2003),這些標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于視頻專業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。H.264是迄今為止最大集成的編碼算法,它不但編碼效率高,而且適用范圍廣,適合于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用。其特點(diǎn)主要有:
①壓縮效率高。H.264協(xié)議在高壓縮比的情況下保持了穩(wěn)定的視頻質(zhì)量,尤其是在低比特率的場(chǎng)合下也能維持較高的圖像質(zhì)量。與H.263或MPEG4相比,在同等圖像質(zhì)量上,H.264的比特率下降了大約50%;
②適用范圍廣。H.264既可應(yīng)用于低延時(shí)的場(chǎng)合,如在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,也可用于對(duì)延時(shí)沒(méi)有限制的場(chǎng)合,如視頻存儲(chǔ)等;
③抗干擾強(qiáng)。H.264對(duì)于丟失的信息提供了錯(cuò)誤掩蓋工具,便于壓縮視頻在誤碼和丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸,如移動(dòng)信道或IP信道;
④H.264編碼適合于多種信道。H.264編碼系統(tǒng)劃分為視頻編碼層(VCL)和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(NAL)2層,VCL提供核心的視頻壓縮算法,主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行高效編解碼,提供具有高質(zhì)量、高壓縮比、健壯性和可分級(jí)等特征的視頻編碼碼流;NAL則要負(fù)責(zé)將VCL產(chǎn)生的數(shù)據(jù)正確恰當(dāng)?shù)赜成涞讲煌瑐鬏斁W(wǎng)絡(luò)中去。
以上特點(diǎn)能很好地保證采用此編碼的視頻圖像的清晰度以及在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。
視頻監(jiān)視信息在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸和交換必須滿足一定的時(shí)延要求,通??倳r(shí)延要求不大于400 ms??倳r(shí)延包括編碼時(shí)延、IP網(wǎng)傳輸時(shí)延和解碼時(shí)延。編碼時(shí)延和解碼時(shí)延一般取決于使用的編碼方式,H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)滿足較低的時(shí)延要求。
網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延需要一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)保證。TCP協(xié)議是面向連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,提供端到端可靠和有序的信息傳輸機(jī)制。為保證數(shù)據(jù)包的可靠傳輸,當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤時(shí)要求發(fā)送端重新發(fā)送,這樣不可避免地引起傳輸延遲和耗用網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此,傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議并不適合傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)的音頻和視頻等多媒體數(shù)據(jù)。相對(duì)于TCP協(xié)議來(lái)說(shuō),UDP提供一種無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù),它包頭開銷較小,而且不需要反饋控制信息,如果采用UDP協(xié)議來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可以使傳輸延遲時(shí)間大大減小。然而UDP協(xié)議畢竟是一種無(wú)連接和不可靠的傳輸層協(xié)議,它缺乏流量控制和足夠的差錯(cuò)控制能力,如果不使用流量控制,接收方就有可能出現(xiàn)溢出。所以UDP協(xié)議可靠性問(wèn)題,需要由應(yīng)用層協(xié)議提供相應(yīng)的差錯(cuò)控制機(jī)制給予解決。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP/RTCP的出現(xiàn)就是為了輔助UDP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸而制定出來(lái)的。
實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP用來(lái)傳輸具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的數(shù)據(jù),如音頻和視頻等。RTP協(xié)議中比較重要的控制信息字段為:序號(hào)、時(shí)間戳和同步源標(biāo)識(shí)符。序號(hào)是一個(gè)16 bit的序列空間,其初始值隨機(jī)產(chǎn)生。每個(gè)RTP信息包都把前一個(gè)信息包加1作為自己的序號(hào)。收端通過(guò)檢測(cè)收到的信息包序號(hào)可以判斷是否有信息包丟失并可以按序號(hào)處理信息包。時(shí)間戳為32 bit,是RTP信息包第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生時(shí)間,它既可以用于流間同步,也可以用于流內(nèi)同步。收端可以利用這個(gè)時(shí)間戳來(lái)去除網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)抖動(dòng),并為收端提供同步功能。同步源標(biāo)識(shí)符占用32 bit,用來(lái)標(biāo)識(shí)RTP包的媒體源,這個(gè)標(biāo)識(shí)是由發(fā)端產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),但要求同一個(gè)RTP會(huì)話中的同步源標(biāo)識(shí)唯一。RTP協(xié)議可以利用組播技術(shù),在低層協(xié)議的支持下用多播方式同時(shí)向多個(gè)目的地傳送數(shù)據(jù)。
RTCP是RTP控制協(xié)議,它與 RTP成對(duì)使用,RTCP用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流性能和傳輸質(zhì)量,并把信息反饋給收發(fā)雙方,發(fā)端可以用它來(lái)確保同步源標(biāo)識(shí)符的唯一性。RTCP協(xié)議主要依靠在所有成員之間周期性地傳輸 RTCP包來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)反饋功能,每個(gè)RTCP信息包封裝發(fā)送端或接收端的統(tǒng)計(jì)信息,包括發(fā)送的信息包數(shù)目、丟失的信息包數(shù)目和信息包的抖動(dòng)情況。通過(guò)RTCP攜帶的信息,實(shí)時(shí)檢測(cè)音視頻數(shù)據(jù)包的延時(shí)、抖動(dòng)、丟包狀況以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化情況,從而可在應(yīng)用層對(duì)視頻源的發(fā)送參數(shù)作調(diào)整,適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。
在IP視頻監(jiān)控應(yīng)用中,視頻圖像編碼采用H.264編碼并經(jīng)過(guò)RTP協(xié)議封裝,傳輸層采用UDP協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)層采用IP組播地址或單播地址進(jìn)行尋址,加上RTCP的控制信息,保證了視頻圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m應(yīng)性。
靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是:與數(shù)據(jù)、話音和辦公自動(dòng)化信息共用IP傳輸平臺(tái),系統(tǒng)規(guī)模需根據(jù)需要擴(kuò)展,直播路數(shù)多,客戶端分布廣(近端監(jiān)視、遠(yuǎn)端監(jiān)視),對(duì)圖像質(zhì)量要求高(清晰度高、時(shí)延短)。
適應(yīng)靶場(chǎng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)不斷發(fā)展的需要,考慮系統(tǒng)擴(kuò)容和新建團(tuán)站級(jí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的接入,系統(tǒng)總體架構(gòu)必須采用分布式架構(gòu)。其基本組成單位為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域,多個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域通過(guò)IP網(wǎng)連接起來(lái),組成一個(gè)統(tǒng)一的視頻監(jiān)視系統(tǒng)。
一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控域是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng),如圖1所示。主要組成包括中心管理平臺(tái)、前端設(shè)備、客戶端以及IP網(wǎng)傳輸設(shè)備。
圖1 網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)視系統(tǒng)組成
中心管理平臺(tái)是該監(jiān)控系統(tǒng)的中心,一個(gè)中心管理平臺(tái)的管理范圍被稱為一個(gè)域。中心管理平臺(tái)可安裝中心管理服務(wù)模塊、設(shè)備接入服務(wù)模塊、用戶接入服務(wù)模塊、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊、存儲(chǔ)服務(wù)模塊、回放服務(wù)模塊和WEB服務(wù)模塊等。一個(gè)中心管理平臺(tái)必須具有且只安裝一個(gè)中心管理服務(wù)模塊,用于本域前端設(shè)備、客戶端、其他服務(wù)模塊數(shù)據(jù)信息以及與其他互連中心管理平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互、管理。除中心管理服務(wù)模塊以外的其他服務(wù)模塊都可以部署多個(gè)。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)廣域網(wǎng)之間的信息傳輸,在單個(gè)局域網(wǎng)內(nèi),可以不安裝該模塊。為了適應(yīng)不同規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的組建,不同的服務(wù)模塊可以安裝在同一臺(tái)服務(wù)器上,也可以分散在多臺(tái)服務(wù)器上。
前端設(shè)備包括攝像頭、拾音器、云臺(tái)、鏡頭和網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器等,負(fù)責(zé)視頻、音頻、報(bào)警信息的采集和處理并接入網(wǎng)絡(luò)。前端設(shè)備數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減。
客戶端可安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端軟件、系統(tǒng)管理客戶端軟件、錄像回放客戶端軟件、錄像文件播放器軟件、設(shè)備配置工具軟件和WEB客戶端控件等軟件或軟件模塊,負(fù)責(zé)將前端設(shè)備采集到的視頻流、音頻流和報(bào)警信息提交給監(jiān)控用戶,并根據(jù)監(jiān)控用戶權(quán)限和要求操縱前端設(shè)備,如云臺(tái)和鏡頭等。一個(gè)系統(tǒng)的客戶端數(shù)量也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減。
多個(gè)視頻監(jiān)控域通過(guò)中心管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)互聯(lián),如圖2所示。圖2中多個(gè)分站級(jí)監(jiān)控中心和場(chǎng)區(qū)級(jí)監(jiān)控中心利用場(chǎng)區(qū)內(nèi)IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián),分站級(jí)監(jiān)控中心和場(chǎng)區(qū)級(jí)監(jiān)控中心在功能上是完全相同的,不存在依賴關(guān)系,使用中可根據(jù)設(shè)置權(quán)限對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行管理。系統(tǒng)中各個(gè)中心管理服務(wù)器通過(guò)IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其管理下的前端設(shè)備、客戶端和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備等設(shè)備狀態(tài)信息、地址信息和用戶信息的通告,以使跨域監(jiān)視、控制和訪問(wèn)等應(yīng)用盡快提供,通過(guò)中心管理服務(wù)器的互聯(lián),實(shí)現(xiàn)跨域云臺(tái)和鏡頭控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)。
圖2 監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
當(dāng)一個(gè)客戶端需要進(jìn)行跨域訪問(wèn)時(shí),首先登錄自己所在域的中心管理服務(wù)器,通過(guò)本域的中心管理服務(wù)器與它要訪問(wèn)域的中心管理服務(wù)器進(jìn)行信息交互、權(quán)限認(rèn)證,當(dāng)確認(rèn)客戶端和其訪問(wèn)的設(shè)備都處于正常狀態(tài)且有訪問(wèn)權(quán)限時(shí),中心管理服務(wù)器才授權(quán)前端設(shè)備和中心設(shè)備進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。
IP網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)視系統(tǒng)既要具有實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能,又要具有高度的開放性、集成性和靈活性,其功能實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在其軟件模塊上。
中心服務(wù)平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要由實(shí)體服務(wù)器添加相應(yīng)的軟件模塊組成,包括接入服務(wù)器組、中心管理/數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組和分發(fā)/存儲(chǔ)服務(wù)器組。
接入服務(wù)器組包括訪問(wèn)服務(wù)和調(diào)度服務(wù)模塊。訪問(wèn)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端和設(shè)備提交的系統(tǒng)請(qǐng)求服務(wù),如視頻監(jiān)視請(qǐng)求、云鏡控制請(qǐng)求、報(bào)警處理請(qǐng)求、視頻存儲(chǔ)請(qǐng)求和認(rèn)證轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求等。調(diào)度服務(wù)模塊進(jìn)行視頻分發(fā)和存儲(chǔ)的調(diào)度管理。
中心管理/數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組包括用戶管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理、存儲(chǔ)策略管理、日志管理、認(rèn)證管理、通信管理和報(bào)警管理等模塊,負(fù)責(zé)設(shè)備管理、用戶管理、權(quán)限管理、報(bào)警管理和日志管理等事務(wù)性業(yè)務(wù)處理。
分發(fā)/存儲(chǔ)服務(wù)器組由視頻分發(fā)模塊和存儲(chǔ)模塊組成,負(fù)責(zé)視頻信息跨區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)、集中存儲(chǔ)和點(diǎn)播回放服務(wù)。
根據(jù)使用需要,不同級(jí)別的客戶端可安裝不同的軟件功能模塊。客戶端軟件包括監(jiān)控客戶端軟件、系統(tǒng)管理客戶端軟件、錄像回放客戶端軟件、錄像文件播放器軟件、設(shè)備配置工具軟件和WEB客戶端控件等軟件或軟件模塊。
航天靶場(chǎng)圖像監(jiān)視系統(tǒng)以IP網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)區(qū)內(nèi)、場(chǎng)區(qū)間視頻信息的互聯(lián)互通,中心管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了視頻網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理,是航天靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向。
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