视频技术在船舶领域中的研究与应用*

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随着视频通信技术的发展，客观上船舶办公具备了将视频技术与传统办公自动化系统结合的条件[1，2]。目前，视讯技术在船舶上的应用主要包括，视频监控、船舶视频会议和船舶红外光电取证三个方面。从发展的角度来看，上述的应用还只是局限于视频技术浅层意义上，相互之间比较独立，不能形成一个高效的综合性平台。

视频通信技术的介入，可为船舶领域提供一个更为多元化的工作环境，一个更为高效的船岸综合信息交互的平台。工作人员可以根据需要灵活地进行各种视讯应用，如视频办公会议、船岸远程管理、船舶故障诊断和水上远程监督与调度等[3-6]。

1 视频技术使用的基本协议及标准

1.1 H.320协议(基于ISDN上的视频会议协议)

H.320标准是面向电路交换网络的使用环境，其数据交互和音、视频传输使用同一个物理通道。其系统对设备的管理可以通过通信系统本身的管理平台来实现，但它在带宽上有比较大的局限，实现较为困难，难以将视频通信网络有效延伸。

1.2 H.323协议(基于IP网络的视频会议协议)

H.323协议详细说明了在无服务质量保证的分组交换网络上提供多媒体信息交互的终端的结构、功能以及各个传输信道所遵循的协议。其基本组成单元是“域”。一个H.323系统的域包括网关、关守、多点控制单元(MCU)和所有的视频终端。其结构如图1所示。

图1 基于LAN/ATM的H.233标准

1.3 SIP协议(会话发起协议)

SIP用于发起会话，它能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终结，并能动态调整和修改会话属性。

1.4 H.324M协议

H.324M标准是目前惟一能够提供无线网络视频业务的可行方案。随着3G技术的完善，在移动网上已经具备了开展视频传输的可能。但视频在无线网络的传输对高效率的压缩和网络的完善设计是一个极具挑战性的任务。

1.5 ITU-601标准(4∶2∶2标准，电视演播室等级标准)

为了规范国际上存在的多种数字格式，国际无线电咨询委员会于1982年通过了CCIR-601标准，后更名为ITU-601标准。该标准规定了数字视频图像编码的基本参数，如，信号的编码方式、取样频率、取样结构等。

1.6 视频传输协议(RTP、RTCP、RSVP、RTSP)

RTP为实时传输协议，是针对用于Internet上的多媒体数据流的一种传输协议。它通常使用UDP来传输数据，本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，而是依靠RTCP提供这些服务。RTCP的数据传输是无连接、无差错控制的报文传输。RTP/RTCP的传播方式原理如图2所示。

RSVP资源预留协议是用来向网络发送信号，告诉用户在特定的应用程序下对网络服务的要求或在收发路径上传递Qos参数并预留提供服务所需的资源。

RTSP多媒体流表示控制协议，用在于客户机/服务器之间建立和控制具有实时特性的数据传输。

图2 RTP/RTCP协议应用框

2 视频技术标准应用比较

H.320协议标准要求具有充足线路资源，组成元素为视频终端和多点控制单元MCU，对时钟同步要求高，MCU级联受到限制，不同的系统之间难以实现互通。目前船舶内部的视频会议和以卫星为主要通讯平台的船岸视频互动无法摆脱专网使用的局限性，而且建设和维护成本太高。

基于IP的H.323标准可以充分利用网络资源，通过它可以将视频引到船舶办公系统的桌面，利用数据实时交互功能，完成船舶内部以及船岸之间的协调办公，使工作人员从根本上摆脱亲临现场的限制，实现真正意义上的视频互动，并且支持的厂家设备多，互通性和可扩展性好。

SIP协议是一个与 H.323并列的协议。它借鉴了大量基于Internet的协议，如HTTP和SMTP等，并同这些标准一样采用文本作为编码方式。SIP系统构建拓扑灵活，容易实现和推广，从而为基于IP的视讯提供了新的解决方案。 但SIP标准的最大问题是协议不完善，对多媒体通信支持能力仍较差。由于SIP协议需要相对智能的用户终端，能够准确地实现端对端之间的连接，其较适于应用在船岸互通的视频会议中。目前ITU也开始加大了对SIP标准的支持，并实现了基于SIP的系统和基于H.323的系统之间的互联互通。随着移动通信技术的发展，移动承载高速数据业务的能力大幅度提高，为移动视讯的发展提供了可能[7]。

3 应用设计

3.1 总体视频应用框架模型

将视频技术与船舶办公、船舶信息管理有机结合，把视频数据视为一种信息流，从而搭建起一个统一的船舶综合办公平台，如图3所示。

图3 视频技术在船舶领域中的总体应用方案

它架构在视音频的存储与转发、影像识别、工作流、邮件服务、消息传递、信息共享、实时协作的标准群集服务的基础上，针对现代船舶管理和通航作业的特点采用了当今最流行的各种协议和标准，所以具有很强的整合性、通用性和可扩展性。

3.2 船舶视频会议系统

船舶及船岸之间的视频会议通常是多方甚至是异地参与的，要建立多个会场的视频会议系统必须要使用H.323协议中的多点控制器。同时考虑到船舶网络中数据流量控制的重要性，还需要在网络中增加流量管理设备(关守)，实现方案如图4所示。

图4 船舶视频会议系

本系统参照ITU-T制定的H.323视频会议标准设计实现，采用分布式多点对多点的会议模式，基于网络组播基干，与会终端之间以组播方式传送视、音频数据流。各会议终端为对等关系，系统中不存在会议管理器，会议管理功能由发起会议的会议主持人终端来完成。其主要由7个部分(模块)构成：系统人机交互界面、视频处理模块、音频处理模块、会议管理模块、会议控制信息传输模块、会议数据传输模块、会议辅助模块。

3.3 船舶网络视频监控系统

根据船舶系统稳定性好、安全系数大、集成度高、便于管理等特点，把数字视频监控、模拟视频监控、红外光电视频监控统一架设在船内主干网上，且由一台主控计算机进行视频处理，并通过卫星接口辅之以一定的管理权限分配进行岸上远端监视、控制、存储等。系统实现方案见图5。

图5 船舶网络视频监控系

通过系统自带的客户端浏览器和多个不同场地的摄像头对船舶内部设备、仪表，船舶外部的海况、过往船只等进行多角度跟踪监视以及跟踪记录，以及时地取得第一手的现场资料。

3.4 红外光电取证系统

由于动态图象的传输受到自身大小、网络传输等因素的影响，实时的传输率比较低，画质也比较差，没有静态图像传输得快和清晰。船舶红外光电取证执法系统就是在考虑到以上各因素进行研究和实现的。它是集卫星文件转发、资源同步共享、断点续传等几大功能于一体的图片转发工具，它能够识别各种不同格式的图片文件，使船上采集的高分辨率静态图像能够实时而准确地传到陆地执法部门，使其能在第一时间掌握重要的数据取证信息，以便及时地采取有效行动。

本系统以P2P技术为主，使船岸两地的信息源互为服务器和客户端，即无论哪一端，只要同步信息发生变化，自动被系统认为是客户端，而其把要求信息同步的申请发给了另一端，请求的接受端就成为服务器端。从而以现今应用越来越广泛的点对点技术，实现了断点续传和同步共享功能。

4 结束语

从船舶应用的角度对多种视频协议进行了分析比较，借助于TCP/IP网络技术及卫星通信平台提出了视频技术在船舶领域中的总体应用方案。该方案把船舶的各种视频、音频以及数据信息集成在统一的船舶办公平台上，实现了船舶监、控、管一体化的系统设计，并可实时通过卫星接口与岸地站进行交互，改善并提高了船舶的可维护性和办公效率，降低了船舶的运营成本。该设计已经在某海巡船上成功实施，效果良好。

[1] 陆健贤,张 凌,冯穗力.基于RSVP的VOD实际应用及系统性能分析[J].计算机工程,1999:81-83.

[2] 曹 辉,李忠凯,张均东.基于工作流的船舶办公自动化系统[J].大连海事大学学报,2005,31(2):41-44.

[3] 苗凤林.高速船机舱自动监控系统设计[J].船海工程, 2005(6):47-48.

[4] 高海波,陈 辉,陆 畅,晏洪涛.“船舶轮机设备运行与管理”多媒体素材库的开发与制作[J].船海工程, 2005(6):37-39.

[5] 张均东,任 光.基于专用局域网的助航灯光综合监控设计[J].计算机工程与应用,2002(1):225-227.

[6] 姚玉南.船舶信息管理系统开发研究[J].船海工程, 2006(4):110-113.

[7] T. Wiegand, G.J. Sullivan, G. Bjntegaard, A. Luthra. Overview of the H.264/AVC Video Coding Standard[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2003, 13(7): 560-576.