智能電視視頻監控系統的設計與應用

方志毅

（中國電子科技集團公司第十五研究所，北京 100000）

0 引 言

伴隨著信息技術、多媒體傳播技術、視頻壓縮技術等的不斷進步，視頻監控系統在娛樂產業、醫療產業、政府行政機關和教育運動項目等領域有了較為廣泛的應用。智能電視視頻監控系統作為新一代的視頻監控專網安全解決方案產品，能夠配合視頻監控管理平臺及業務審計系統，形成一個相對完整且簡單有效的視頻專網安全解決方案，這樣不僅具備了傳統電視視頻監控的基本功能，更在全開放式的平臺上搭建了性能良好的數字化操作系統，具有高效的接入和輸出功能，能夠使用戶快捷高效地安裝和卸載軟件，獲取監控數據。用戶可對其進行實時觀看、控制、歷史回放或下載，實現整個監控區域視頻監視系統的網絡化、數字化和智能化。

1 智能電視視頻監控系統項目設計

無人化、自動化和數字化是智能電視視頻監控系統建設的關鍵，亦是系統整體設計與升級改造的核心。通過汲取國內外智能電視視頻監控系統的成功經驗[1]，本文對整個監控系統的功能框架體系進行設計，如圖1所示。

圖1 系統功能框架結構示意圖

由圖1可知，智能電視視頻監控系統主要包括視頻采集模塊、視頻編碼模塊、數據打包模塊、數據發送模塊、接收模塊、數據提取模塊、視頻解碼模塊以及視頻播放模塊等模塊[2]。在功能實現過程中，數字一體化的遠程監控中心和數字信息處理平臺是保障系統功能得以實現的核心。一體化的遠程監控系統能夠對電視視頻監控系統所覆蓋的節點范圍的相關數據信息進行監控分析和終端顯示，能夠通過可視化的遠程界面，對智能監控系統進行全過程的實時管理與控制，在客戶端/服務器（Client/Server，C/S）的底層架構模式和即時通信技術條件下，將數據參數信息借助分布式結構的組網方式和模塊化提取方式，傳遞到遠程監控系統的中心處理平臺，允許多級服務器之間的數據交流和資源共享，以Windows操作系統為設計的底層架構模式，通過前端信息通信技術實現信號和數據的實時互通，進而借助通信模式無縫銜接云數據[3]。在數據處理平臺模式中，新建的數據共享池采取了Mysql的結構設計方式，能夠通過對參數信息保存、運行狀態實時提取或監測數據全過程管理的方式，實現對數據的集中存儲和管理，便于日后的數據統計和查閱；可通過語音通報或短信通報等方式及時報警數據平臺的相關故障信息，使平臺能夠針對系統功能進行設置，配置數據用戶文件，實現對數據信息的高度共享和查詢記錄等高效率管控。

2 智能電視視頻監控系統架構特點

智能電視視頻監控系統采取C/S架構，主要包括視頻監控采集終端、視頻服務器和智能電視客戶端三部分[4]。在整個視頻監控系統中，視頻監控的采集端部分主要是通過傳感器、攝像頭采集數據視頻信號，并將其傳輸給視頻服務器中心。服務器中心按照一定的編碼標準，將視頻圖像數據信息壓縮為一定規格的網格圖像形式，從而提高傳輸效率；并利用實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）將數據傳遞到視頻監控客戶端。客戶端接收到相應的數據流后，對數據流進行解碼和播放。客戶端還能進一步根據終端客戶的不同需求，向服務器發送相關指令，進而控制云計算平臺和其他基本操作步驟。其整體系統架構如圖2所示。

圖2 整體系統架構示意圖

3 視頻采集及編碼的設計

智能電視視頻監控系統的視頻采集及編碼設計，主要是采用攝像頭，借助攝像頭內部的集成系統、AD轉換器和芯片等，在較高分辨率和編碼率的前提下采集數據信息[5]。視頻采集程序主要采取映射方式代替傳統模式下的直接讀取，能夠將以往設備中的相關文件直接映射到視頻監控系統的內存模塊中，使系統能夠像訪問其他普通內存文件一樣訪問數據信息，加快對視頻參數的讀取速度。在采集視頻之前，首先要通過攝像頭等傳感器設備獲取數據信息和圖像信息，在設置好窗口、圖像等參數的前提下獲得最終的數據流。整個采集流程如圖3所示。

圖3 采集流程圖

系統架構設計采用了內部集成的多媒體解碼編碼模塊，對數據視頻、數據信號進行壓縮編碼，既能夠保留原始視頻的高清分辨率和其他優勢，又能夠在較低的碼率和網絡條件下提高容錯能力[6]。在此過程中，網絡提取層主要負責在整個智能電視視頻監控系統中對數據信息進行打包和傳輸，其中的視頻編碼層主要負責對視頻數據信息進行壓縮編碼，從而在結構分層的條件下對數據信息進行封裝和控制，借助不同類型的冗余結構達到高效的數據壓縮比率，生成具備更高質量的圖形，進而在較低的碼率壓縮比率下得到更高的視頻編碼規格。最后，智能電視視頻監控系統具有高性能特點和較高傳輸效率，能夠使視頻解碼和編碼快速流通，進而對多種格式的多媒體影像數據信息進行高效率的編碼和解碼。

4 視頻傳輸模塊設計

智能電視視頻監控系統傳輸模塊設計，主要是基于RTP的視頻流進行傳輸控制。在此過程中，RTP主要是根據多媒體數據流傳輸的實時協議，在一對一或一對多的情況下進行傳輸。RTP協議還能夠支持實時傳遞的數據信息的時間戳、序列號及源頭標識等。由于該協議建立在用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）形式上，能夠借助UDP的不同層次傳輸數據。而該結構形式是參考模型中的無連接傳輸層協議，實際所提供的各項服務具有簡單且不可靠的特點，因此，RTP協議本身并不具備較為可靠的傳輸機制，在傳輸過程中，流量控制和擁堵控制主要由RTP 控制協議（RTP Control Protocol，RTCP）協議所提供。在此條件下，RTP控制協議能夠大幅度提高管理數據信息的傳遞質量。本文所提出的智能電視視頻監控系統就有效應用了這一協議，保障了數據傳遞的實時性和可靠性。在整個設計過程中，通過對編碼視頻、數據流、數據信息報頭的設計，將數據分為不同的數據包，進而通過無線網絡信息系統在局域網中進行高效率傳輸。圖4為視頻封裝格式示意。客戶端接收到數據包后，能夠按照相反的順序將RTCP數據報頭和數據視頻流進行參數提取，根據時間戳和數據序列號等參數信息，將其置入客戶端緩存的解碼器進行解碼后輸出。同時，客戶端也能夠根據報頭數據信息參數的周期性返回，在整個傳輸過程中了解數據動態變化情況，以保證數據傳輸過程的可靠性。

圖4 視頻封裝格式示意

5 客戶端設計

智能電視視頻監控系統的客戶端設計，主要以智能電視作為視頻監控系統的終端設備。目前，絕大部分智能電視實際采用的系統為安卓系統。本文以長虹智能電視搭載安卓2.2平臺對系統核心功能和擴展功能進行設計，整個應用內容如圖5所示。開發本系統監控軟件客戶端的過程主要基于Windows 7系統，程序開發環境包括各式各樣的插件和模擬器，包含了對數據包的解碼和數據視頻顯示等內容。以視頻顯示為例，在采用Surface view時間顯示視頻過程中，由于該軟件是基于view視圖進行拓展的視圖類別，因此能夠在全新的線程運行過程中，通過不斷重新繪制畫面來實現視頻的展示過程，以此避免主線程不斷更新而導致的延時過長或是信息度辨別不高造成的主線程堵塞和畫面卡頓等現象。

圖5 應用示意圖

6 結 語

隨著傳感器技術、顯示技術、網絡傳輸技術及云計算平臺等技術的深度應用，智能電視監控系統能夠滿足人們的個性化監控需求。本文在探討智能電視視頻監控系統項目設計、基本架構特點、視頻采集設計、編碼設計、視頻傳輸模塊設計以及客戶端設計等內容的基礎上，能夠為智能電視視頻監控系統未來應用范圍的不斷拓寬帶來更多思路和啟迪。