基于IP網絡的數字監控集成系統的設計

徐來軍+盧國珍+孔明

摘 要：隨著計算機網絡技術、多媒體技術不斷發展，一種以數字化、網絡化、智能化為特點的新一代的數字視頻監控系統應運而生——基于IP網絡的數字監控集成系統，該系統的關鍵技術主要包括視頻采集壓縮、視頻信號傳輸、信息存儲與系統的集中管理等。它可以廣泛應用于網絡視頻監控和會議、銀行數字監控和家庭遠程監控等許多方面。高效的視頻壓縮和網絡傳輸以及同時多點監控都是該系統的特色。

關鍵詞：視頻監控；視頻壓縮；網絡傳輸

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

1 概述

視頻監控技術的發展歷史，大致分為三個階段，第一階段是模擬閉路電視監控系統，第二階段是以PC機為基礎硬件的數字化監控系統，第三階段是基于IP網絡的數字視頻監控系統。近幾年來，國家對寬帶提速降費政策的大力支持，為通過網絡實現監控提供了更好的環境。本系統是一種基于IP網絡的數字視頻監控系統，IP攝像機硬件主要包括網絡視頻服務模塊和CCD模塊兩部分，上位機軟件可以同時對局域網、外網IP攝像機的圖像進行觀看存儲，可以分別對各臺攝像機配置和管理，達到對需要監控的各個場所進行實時監控的目的。

2 系統設計

整個系統大致分為視頻、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、數字調制與解調；控制部分包括了整個系統的協同運作；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是整個硬件系統的核心，采用的處理器是ARM9處理器。主要負責整個系統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據的存儲，FLASH則是用來存儲系統的內核，文件系統等。

視頻采集模塊負責視頻信號進行模數轉換。

電源管理的功能是為系統提供穩定的電源。

2.1 系統流程圖

本系統發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化成數字信號，因而必須經過A/D轉換。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轉換裝置才能使信號完全量化并被采集。本系統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協議，并采用小波變換、可編程量化器、熵編碼等方法來實現先進的數字壓縮解壓縮算法，使壓縮后的數據流速率小于100Kbps，能夠順利地進行網絡傳輸。MPEG-4Codec是一個用于視頻編解碼和后處理的DSP硬件。編碼器將數據壓縮成為標準的視頻碼流，解碼器將視頻碼流還原成圖像，然后將解壓出來的圖像進行大小、顏色等方面的處理，達到提升顯示效果的目的。

攝像頭按照每秒20～30幀（可調）的速率采集圖像，并且送到編碼器，編碼器實時的將圖像壓縮成為碼流，這些碼流通過內網或者外網傳送到PC機設備，設備接收到碼流之后，啟動解碼器解碼，解碼之后的圖像轉為RGB圖像直接在PC機屏上顯示。視頻采集模塊流程如圖3所示。

2.4 以太網傳輸模塊

本系統中以太網傳輸模塊的主要功能包括兩部分：一是在UBoot過程中實現內核和文件系統的加載，二是視頻數據的傳輸。由于系統要傳輸的數據量比較大（其中視頻信號分辨率為640*480，實現每秒25幀的傳輸速率），因此選擇一塊高速有效的以太網控制芯片是很有必要的。

2.5 顯示與存儲模塊的實現

通過網絡傳輸的視頻流，在相應的控制指令下，通過編寫相應的控件程序，調用Windows提供的標準庫就可以在PC上顯示了。在碼流上加上標準的AVI頭信息就可以存儲為Windows可以播放的標準的AVI視頻文件。

2.6 軟件設計

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

（1）添加監控點；（2）更新局域網內攝像機數量；（3）查看監控畫面；（4）暫停、恢復、關閉監控；（5）對監控畫面的色度、對比度、飽和度設置；（6）對監控畫面的格式、碼流、幀率等進行設置；（7）保存監控錄像。

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內的網絡攝像機，設備列表顯示在“Device”（設備信息）欄中，對外網攝像機的添加可通過右下角“Control”（控制）欄中的“Add”（添加）按鈕實現，鼠標左鍵單擊“Add”（添加）按鈕，出現添加外網攝像機的對話框。輸入外網攝像機對應的IP，點“OK”（確定），設備IP就會顯示在“Device”（設備信息）里了，端口號7000不用改變。“Control”（控制）欄里的“Refresh”（刷新）按鈕，用來更新顯示局域網內的攝像機列表，點擊“Refresh”（刷新）按鈕會把外網的IP自動過濾掉，只保留局域網內的攝像機IP。

右上邊是4個圖像顯示框。雙擊設備列表中的攝像機IP地址，圖像顯示框中就會顯示對應攝像機的畫面，可以4畫面觀看同一個攝像機畫面，也可以分別觀看不同的攝像機畫面。雙擊單個攝像機畫面還可以放大觀看。鼠標右鍵單擊畫面可以暫停監控“Pause”，恢復監控“Resume”，關閉畫面“Close”。

視頻操作：

主界面下方的“ImageSetting”用來設置畫面的“Brightness”（色度），“Contract”（對比度），和“Saturation”（飽和度），點“Disable”表示“ImageSetting”設置不可用，點“Enable”可以更改設置，設置完后點“Apply”應用，數字越小，圖像越暗。設置完后點“Apply”應用。這個設置是針對最后一個打開的攝像機的，而且要先雙擊該攝像機畫面，到單畫面設置里面進行過“ImageSetting”才可以在主畫面進行該設置。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。“CBR”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畫面的變化調整碼流的大小。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。“FPS”為幀率，幀率就是在1秒鐘里傳輸的圖片的數量，每一幀都是靜止的圖像，快速連續地顯示幀便形成了運動的假象。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，碼率就是數據傳輸時單位時間傳送的數據位數，通俗一點的理解就是取樣率，單位時間內取樣率越大，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”為圖像質量，數據越小畫面質量越好，文件大小也越大。在CBR模式下可以設定幀率和碼率，碼率和幀率設置不宜超出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行的操作，如果要對其他視頻畫面進行修改操作，可以雙擊需要操作的畫面，進入單畫面操作界面，設置方法一致。

視頻顯示設置：

通過主界面右下角的“PanelLayout”（窗口分布）設置，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。

視頻保存設置：

雙擊主界面中攝像機畫面，進入單畫面操作界面，可以單獨對一個視頻進行設置和保存操作。設置操作和主界面中的相似，不過主界面中的設置只能對最后一個打開的畫面進行。單畫面操作界面還多了個保存視頻的設置。

保存視頻選項：

“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，需要轉換工具轉換到視頻播放工具可以播放的格式才能觀看，“AVI”格式文件已經是解碼后的文件，播放器可以直接播放。“SaveResult”（存儲結果）中選擇保存的路徑，選好路徑和視頻格式后點擊“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“Close”（關閉）結束保存。

3 結束語

由于網絡技術的不斷發展，網絡成本的不斷降低，視頻監控技術的網絡化方向越來越有利，而網絡化的數字監控技術能滿足視頻監控高穩定性、高可靠性和便于安裝維護的要求。本系統可以充分利用Internet網絡，大大降低了監控的成本，能夠滿足家庭倉庫監控、網絡視頻監控和會議、銀行數字監控等監控需求，方便二次升級。

參考文獻：

[1]張大波，吳迪.嵌入式系統原理、設計與應用[M].機械工業出版社，2004.

[2]閆宏偉.數字視頻監控系統的研究[D]河北大學，2003.

[3]王正軍.VisualC++6.0程序設計[M].人民郵電出版社，2006.endprint