新一代试验任务图像监视系统架构及实现

2010-09-26郑玉洁李晓芳

无线电工程 2010年11期

郑玉洁,王娟,李晓芳

(1.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

试验任务图像监视系统主要承担靶场视频信息获取、传输、记录和显示任务,为有关人员提供直观的现场图像信息,保证试验任务的顺利进行,并为事后分析和判断试验故障原因提供依据。目前使用的图像监视系统大都采用模拟视频切换矩阵为系统中心,在远距离传输和硬盘录像方面使用数字化设备,存在着系统扩展困难和信息共享不方便等缺点。新一代图像监控系统以IP网络化信号传输与控制为依托,以数字化视频压缩、传输、存储和播放为核心,通过设立中心监控平台实现对系统内所有设备集中管理与控制,用户仅需通过IE浏览器或客户端软件,即可实现对全网各个监控点摄像系统的控制、图像的调用与浏览。系统具有高度的开放性、集成性和灵活性,是视频监视系统的发展方向。

1 网络视频监视技术

1.1 视频编码技术

网络视频压缩编码器负责图像信息的数字化、压缩和接入IP网。视频压缩编码效率直接影响到图像在IP网上的传输实现。监视系统的图像信息数字化后一路速率为177Mbps,如果不经过压缩,用IP网络传输几乎是不可能的。

视频压缩编码技术发展很快,从上世纪90年代至今,先后得到广泛使用的视频压缩编码标准有H.261(1989)、MPEG1(1991)、MPEG2(1994)、H.263(1996)、MPEG4(1998)和 H.264(2003),这些标准广泛用于视频专业的各个领域。H.264是迄今为止最大集成的编码算法,它不但编码效率高,而且适用范围广,适合于网络视频监控系统使用。其特点主要有:

①压缩效率高。H.264协议在高压缩比的情况下保持了稳定的视频质量,尤其是在低比特率的场合下也能维持较高的图像质量。与H.263或MPEG4相比,在同等图像质量上,H.264的比特率下降了大约50%;

②适用范围广。H.264既可应用于低延时的场合,如在实时通信系统中的应用,也可用于对延时没有限制的场合,如视频存储等;

③抗干扰强。H.264对于丢失的信息提供了错误掩盖工具,便于压缩视频在误码和丢包多发环境中传输,如移动信道或IP信道;

④H.264编码适合于多种信道。H.264编码系统划分为视频编码层(VCL)和网络适应层(NAL)2层,VCL提供核心的视频压缩算法,主要负责对数字视频进行高效编解码,提供具有高质量、高压缩比、健壮性和可分级等特征的视频编码码流;NAL则要负责将VCL产生的数据正确恰当地映射到不同传输网络中去。

以上特点能很好地保证采用此编码的视频图像的清晰度以及在IP网络上传输的稳定性和实时性。

1.2 视频可靠传输技术

视频监视信息在IP网络上传输和交换必须满足一定的时延要求,通常总时延要求不大于400 ms。总时延包括编码时延、IP网传输时延和解码时延。编码时延和解码时延一般取决于使用的编码方式,H.264编码标准满足较低的时延要求。

网络传输时延需要一系列网络协议来保证。TCP协议是面向连接的网络传输协议,提供端到端可靠和有序的信息传输机制。为保证数据包的可靠传输,当检测到数据包丢失或错误时要求发送端重新发送,这样不可避免地引起传输延迟和耗用网络带宽。因此,传统的TCP/IP协议并不适合传输实时性强的音频和视频等多媒体数据。相对于TCP协议来说,UDP提供一种无连接的数据报服务,它包头开销较小,而且不需要反馈控制信息,如果采用UDP协议来传输实时数据,可以使传输延迟时间大大减小。然而UDP协议毕竟是一种无连接和不可靠的传输层协议,它缺乏流量控制和足够的差错控制能力,如果不使用流量控制,接收方就有可能出现溢出。所以UDP协议可靠性问题,需要由应用层协议提供相应的差错控制机制给予解决。实时传输协议RTP/RTCP的出现就是为了辅助UDP协议进行实时数据传输而制定出来的。

实时传输协议RTP用来传输具有实时特点的数据,如音频和视频等。RTP协议中比较重要的控制信息字段为:序号、时间戳和同步源标识符。序号是一个16 bit的序列空间,其初始值随机产生。每个RTP信息包都把前一个信息包加1作为自己的序号。收端通过检测收到的信息包序号可以判断是否有信息包丢失并可以按序号处理信息包。时间戳为32 bit,是RTP信息包第一个字节数据的产生时间,它既可以用于流间同步,也可以用于流内同步。收端可以利用这个时间戳来去除网络的延时抖动,并为收端提供同步功能。同步源标识符占用32 bit,用来标识RTP包的媒体源,这个标识是由发端产生的随机数,但要求同一个RTP会话中的同步源标识唯一。RTP协议可以利用组播技术,在低层协议的支持下用多播方式同时向多个目的地传送数据。

RTCP是RTP控制协议,它与 RTP成对使用,RTCP用于监测数据流性能和传输质量,并把信息反馈给收发双方,发端可以用它来确保同步源标识符的唯一性。RTCP协议主要依靠在所有成员之间周期性地传输 RTCP包来实现监测反馈功能,每个RTCP信息包封装发送端或接收端的统计信息,包括发送的信息包数目、丢失的信息包数目和信息包的抖动情况。通过RTCP携带的信息,实时检测音视频数据包的延时、抖动、丢包状况以及网络带宽的变化情况,从而可在应用层对视频源的发送参数作调整,适应网络的变化。

在IP视频监控应用中,视频图像编码采用H.264编码并经过RTP协议封装,传输层采用UDP协议,网络层采用IP组播地址或单播地址进行寻址,加上RTCP的控制信息,保证了视频图像传输的实时性以及对IP网络传输的适应性。

2 总体架构

2.1 视频监视系统设计

靶场试验任务视频监控系统的特点是:与数据、话音和办公自动化信息共用IP传输平台,系统规模需根据需要扩展,直播路数多,客户端分布广(近端监视、远端监视),对图像质量要求高(清晰度高、时延短)。

适应靶场视频监视系统不断发展的需要,考虑系统扩容和新建团站级视频监视系统的接入,系统总体架构必须采用分布式架构。其基本组成单位为一个网络视频监控域,多个网络视频监控域通过IP网连接起来,组成一个统一的视频监视系统。

一个网络视频监控域是一个独立的网络视频监控系统,如图1所示。主要组成包括中心管理平台、前端设备、客户端以及IP网传输设备。

图1 网络图像监视系统组成

中心管理平台是该监控系统的中心,一个中心管理平台的管理范围被称为一个域。中心管理平台可安装中心管理服务模块、设备接入服务模块、用户接入服务模块、转发服务模块、存储服务模块、回放服务模块和WEB服务模块等。一个中心管理平台必须具有且只安装一个中心管理服务模块,用于本域前端设备、客户端、其他服务模块数据信息以及与其他互连中心管理平台之间的数据交互、管理。除中心管理服务模块以外的其他服务模块都可以部署多个。转发服务模块负责广域网之间的信息传输,在单个局域网内,可以不安装该模块。为了适应不同规模监控系统的组建,不同的服务模块可以安装在同一台服务器上,也可以分散在多台服务器上。

前端设备包括摄像头、拾音器、云台、镜头和网络视频编解码器等,负责视频、音频、报警信息的采集和处理并接入网络。前端设备数量可根据实际情况进行增减。

客户端可安装实时监控客户端软件、系统管理客户端软件、录像回放客户端软件、录像文件播放器软件、设备配置工具软件和WEB客户端控件等软件或软件模块,负责将前端设备采集到的视频流、音频流和报警信息提交给监控用户,并根据监控用户权限和要求操纵前端设备,如云台和镜头等。一个系统的客户端数量也可根据实际情况进行增减。

2.2 视频互联体系设计

多个视频监控域通过中心管理服务器实现互联,如图2所示。图2中多个分站级监控中心和场区级监控中心利用场区内IP网实现互联,分站级监控中心和场区级监控中心在功能上是完全相同的,不存在依赖关系,使用中可根据设置权限对系统设备进行管理。系统中各个中心管理服务器通过IP网实现其管理下的前端设备、客户端和网络存储设备等设备状态信息、地址信息和用户信息的通告,以使跨域监视、控制和访问等应用尽快提供,通过中心管理服务器的互联,实现跨域云台和镜头控制信息的转发。