一种基于IPC的多区域网络视频监控系统设计

王培国，杨艳芳

(1.成都市江汉路31号网管中心，四川成都 610011;2.电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731)

伴随计算机图像处理、网络通信传输技术的快速发展，在视频监控领域内，视频图像远程传输、数字化编码压缩、流媒体等新技术不断出现。网络摄像机的出现更体现了视频监控向智能化、数字化、网络化的方向发展［1］。本文针对多区域视频监控管理，在兼容本单位现有网络视频监控系统的基础上，开发了一套网络化视频监控系统。该系统实现了多区域的实时远程视频监视和运动目标检测与取证，以及视频和图像资料的远程管理。其特点是基于软件编程，通过对网络摄像机的控制，实现了为本单位当前的标清系统提供运动目标检测和高清图片抓拍的取证能力，同时无需更换其他监控设备或增加现有容量。

1 系统的组成结构

系统采用监控中心的图片服务器与布置于各处的网络摄像机协同工作。首先，用户基于IP网络，通过区域内的图片服务器，设置对应区域内各网络摄像机的布防参数、录像计划参数等，使网络摄像机开始自主工作。然后，监控区域中所拍摄的视频流以及运动侦测所抓拍的图片将存于对应区域的图片服务器内。当总监控台需查看任意区域内的报警情况时，只需通过IP网络对区域内的图片服务器进行访问，获得对应抓拍的图片和视频即可。本系统基于用户权限管理，并具有网络的总控和分控功能，确保了多区域网络的数据管理。

图1 全IP网络化视频监控系统的结构

系统由网络摄像机和图片服务器组成。该两部分由交换机和路由器构成的IP网络实现连接与通信。在系统中，每个监控点安装一个监控单元。其既实现视频录像，也能实时有效地对运动物体进行检测，若一旦发现，则立刻抓拍高清图片取证。视频信息经H.264编码压缩［2］后，直接经IP网络传输，形成IPC(IP Camera，IP网络摄像机)。本系统中图片服务器利用网络视频监控应用软件(客户端)实现对本区域图片服务器中文件的读取、与远程图片服务器进行数据传输、远程监控等功能。图片服务器的具体组成结构为:PC机、可靠的操作平台、FTP服务器(服务器端)和网络视频监控应用软件［3］。

1.1 网络摄像机

网络摄像机负责系统的视频拍摄、运动侦测及高清图片抓拍等工作，并通过IP网络为图片服务器提供数据。其同时接收来自图片服务器下发的视频运动侦测参数配置、抓拍、视频拍摄、录像计划配置等命令，同时向图片服务器回传各类确认信息。其内部模块如图2所示，软件的核心是嵌入式软件系统和一套可扩展的应用编程接口。

图2 网络摄像机内部模块

1.2 图片服务器

图片服务器的主要功能在于配置IPC参数、录像计划参数、接收来自IPC的高清图片数据以及来自录像存储服务器的视频流数据，以实现网络分控。其结构如图3所示。

图3 图片服务器内部结构

在参数配置阶段，用户通过键盘输入相关命令，系统解析后通过网络传送IPC或远端图片服务器，收到的数据进入系统缓存中，解码后送入视频输出设备。

2 系统的软件结构与设计

系统设计的核心是运行于图片服务器内的软件系统。该软件系统通过模块化的函数调用，提供各子程序模块，主要界面包括:区域设备管理、摄像机预览布防、摄像机监控预览、录像计划配置、FTP文件管理、用户管理中心、数据库和底层SDK(Software Development Kit)组成。通过界面接口，配置各子程序参数，实现各模块的功能。

图4 MFC主程序界面与底层模块关系图

2.1 系统界面功能组成

主程序界面采用简洁的应用入口，如图4中实线框所示。以下分别介绍其功能。

(1)用户管理中心。本系统设置管理员和普通用户两种用户权限。而管理员使用全部权限，同时又有管理其他用户的权限;普通用户只有摄像预览、FTP图片管理、关闭软件等基本权限。在管理员权限下，则可增删用户，并可设置检测和报警相关参数。

(2)区域设备管理。1)增加/删除区域、增加/删除IPC以及增加/删除图片服务器。2)完成对远程IPC设备的参数配置与查询，包括基本配置信息、设备版本、网络配置等。3)对远程IPC通道参数及通道名称等进行配置。如在压缩参数配置中，有压缩参数类型、视频编码复杂度、视频编码、图像质量、码流类型、分辨率以及视频帧率等7个参数。4)移动侦测设置，主要包括灵敏度、报警处理方式及布防时间等选项。5)根据需求选择设置对应拍摄视频流以及抓拍图片上显示信息的格式。6)IPC本地配置中，主要包括图片抓取文件的保存路径、日记文件保存路径、循环写入路径。7)对图片服务器参数的配置，主要包括服务器名称、IP地址、所属区域等信息。

(3)摄像机预览布防。用户以管理员权限对各IPC进行实时监控和运动目标侦测抓拍设置，其中包括运动目标分析和检测报警相关参数的设置。

(4)摄像机预览。用于操作员对各监控区域进行值班监控，通过调整界面上的画面窗口数选项卡，可配置同时浏览多个监控画面。

(5)录像计划配置。主要兼容实现对各区域内新老摄像头的录像计划配置功能。

(6)FTP图片管理。该模块以兼容现有系统的方式查看本地存储的图片，并与指定区域的远程图片服务器进行数据通信，获取对应区域的抓拍图片。该图片管理可依据区域下指定的设备名，以文件的创建时间设定搜索范围，搜索符合要求的图片文件，并将搜索结果显示在列表内，此外还具有下载到本地和查看与删除功能。

2.2 数据库设计

系统在原系统数据库基础上扩充。为达到分权限管理用户的要求，增加用户管理数据表实现对图片用户信息的存储。为了实现分区域管理设备，通过IPC管理数据表实现对设备信息的存储。为满足用户对图片的多次搜索需求，建立临时数据表对用户搜索到的图片数据进行分类存储。

2.3 设备控制

软件系统的底层基于IPC设备的SDK函数实现对IPC的控制与交互，并以此实现后文所讨论的各智能化任务，同时保证与现有系统的兼容性。

3 视频监控系统的关键技术

3.1 运动检测及图像抓拍技术

系统的目的是针对多种场景下的突发事件抓拍取证。为此采用了基于视频分析的技术路线，无需做铺设检测线圈等与场景强关联的操作。

运动检测强调避开光线变化带来的干扰，能在指定区域识别图像的变化，检测运动物体的存在。背景图像的动态变化，如天气、光照及混乱干扰等的影响，使得运动检测困难。目前常见的方法有［4］背景减除、时间差分和光流法等。在系统设计中采用了背景差分与时间差分相结合的算法，通过计算两个有一定时间间隔的帧像素差分获得场景变化。其主要步骤如下:

(1)设置运动检测区域参数。设1～99个有效运动检测的矩形区域，通过函数调用设置为快速和慢速两种运动检测状态。快速检测对每隔两帧的两数据帧进行差分运算，慢速检测对每隔12帧以上的两帧数据进行差分运算。

(2)启动运动检测功能。在CIF(Common Intermediate Format)格式下，整个画面的分辨率为352×288，按16×16像素宏块来划分整个检测区域。宏块内的像素点是逐点从左到右，自上而下的进行差分运算并得到宏块差分系数。整个区域则按16×16的宏块从左到右，从上到下进行扫描，最终计算出整个区域的系数。当整个区域的差分系数超过区域的报警检测阈值则将触发报警。

(3)返回运动检测结果。若整个区域的差分系统大于设定的阈值，则设置报警状态，并实时将每个检测区域的宏块差分系数均返回。根据预先设置的快速和慢速两种检测状态，对画面进行不间断地分析处理，并返回结果，直到停止运动检测。

若整个区域的差分系数小于设定的阈值，则复位报警状态。配合其他接口函数，还可实现预录像功能，即通常状态下只是进行画面预览监控和运动检测，编码后的数据不写入文件，只暂存于一个FIFO缓冲区内。一旦发生运动检测报警，则先将报警前缓冲区的数据写入文件，再实时将编码后的数据写入，并转入写缓冲区状态，实现运动检测报警的全过程录像。该过程既能完整获取整个报警事件的全过程，又可节约系统资源，且在相同的存储空间下，延长了保存录像的时间。

图像抓拍在系统中需实时性这一重要指标，即系统必须在检测到运动侦测报警后的第一时间对监控区域进行抓拍，并确保能记录下有运动目标出现时段内所有可疑事件。

在监测信息传递的过程中，可能因嵌入式系统对算法处理能力的不足，或在嵌入式系统中同时有多个线程进行运算时，导致算法处理资源不够而引起抓拍判断延迟。因此本系统在常规运动检测技术的基础上增加了基于卡尔曼滤波算法［5］原理的运动目标分析机制。其基本思路是基于当前图像中的运动侦测状况来预测随后发生侦测的运动状态，并以此有效缩小数据关联寻找目标的范围，从而满足系统实时性的处理要求，在2 s内抓拍9张高清图片。

3.2 多通道报警技术

监控区域在发生运动侦测事件时，会将事件信息放入发送队列中，并通过网络回传至PC机。PC机将接收到的信息放入接收队列中再对其进行处理。网络视频监控系统在运行时，IPC不仅向上发送事件信息，还会始终保持发送视频序列等。当数据量较大时，运动侦测信息在队列中相对靠后，可能在运动侦测事件信息被处理前，运动目标已离开监控区域，这将造成拍摄盲区，使系统整体指标下降;同理，即使IPC将运动侦测事件的信息及时发送出去，也有可能在PC接收信息时因信息阻塞，造成同样的恶劣后果。

多通道事件优先级技术用于解决此问题。即在PC中设立多个事件通道，其数量与注册的设备数量相同，每个通道对应一个处理线程。同时，每个IPC上传的信息分成不同的优先级，优先级高的事件在队列中始终排在前面。由于运动侦测事件信息并非频繁出现，因此不存在该事件一直占用信息通道的情况，从而解决了运动侦测事件信息不能即时到达导致抓拍延迟的问题。

多通道体现在程序的多线程［6］设计中，即在设立报警通道时，采用多个线程，一对一地处理每个报警信息。在10台IPC同时工作于100 Mbit·s－1以太局域网的实验条件下测试，通过在网络视频监控应用软件内插入计时器，记录图片服务器向IPC发送抓拍命令，直到IPC完成抓拍工作并将高清图片成功回传的响应时间［7］如图 5 所示。

图5 单通道与多通道使用时间对比图

数据显示［8］，使用单通道来响应多台网络摄像机命令时，响应时间随网络摄像机数量增加而线性增长。而多通道方式中，为每台摄像机分配了通道来进行命令收发，IPC数量的增加只引入少量处理时间，整体响应时间并不增加。

3.3 双码流技术的应用

双码流［7］是指视频系统中同时存在两种不同参数的码流。通常视频监控系统中，用户可通过界面配置IP摄像头输出的视频数据做主/子两路码率编码，以适应网络环境的变化。基本的码率控制原理如图6所示。通常主码流分辨率高于子码流，更适于抓拍取证。

图6 基本码率控制原理

本系统中，双码流技术被巧妙地应用于抓拍和录像。即用高分辨率的码流作高清图片传输，同时以低分辨率的码流作常规视频存储和实时浏览。这样可充分降低远程浏览所占网络带宽的压力，从而获得更高的图像流畅度，提升系统整体容量，并大幅降低存储开销。系统IPC采用H.264编码技术，主子码流为CIF格式分辨率。码流基于的1 080P像素清晰度，可拍得2百万像素的图片。

4 结束语

介绍了一套针对多区域的网络化视频监控系统。该系统能通过IP网络控制多个监控点的IPC进行全时段的视频监控。在兼容现有标清监控系统的基础上，通过智能化视频信息处理，检测物体运动，并高清连续拍照取证。同时还能将运动侦测时抓拍的图片存于对应区域内的图片服务器，供本地和远程调阅。本系统无需增加原系统硬件成本，并具有较高的性价比，为当前的安防提供了有效地系统升级，且具有一定的应用推广价值。

［1］陈海霞.多媒体网络视频监控系统的研究和设计［D］.南京:南京理工大学，2004.

［2］任子晖，刘伟，朱慧，等.基于H.264的嵌入式Web网络视频监控系统设计［J］.工矿自动化，2013，39(6):98 －101.

［3］王素玉，沈兰荪.智能视觉监控技术研究进展［J］.中国图象图形学报，2007，9(12):1506 －1510.

［4］陈尧红.基于网络的视频监控系统［D］.杭州:浙江大学，2006.

［5］王倩，张露文.基于FTP的网络视频检索与播放软件设计［J］.北京广播学院学报:自然科学版，2004(4):18－23.

［6］王春梅.双码流传输的研究及其在审讯监控指挥系统中的应用［D］.合肥:合肥工业大学，2007.

［7］宋亚姬.基于卡尔曼滤波的运动目标检测与跟踪技术研究［D］.长春:长春理工大学，2011.

［8］廖建尚，陈益民，曹成涛.基于ARM和Linux的智能嵌入式网络监控系统［J］.电子科技，2013，26(7):59 －62，66.