基于IP网络的数字监控集成系统的设计

徐来军+卢国珍+孔明

摘 要：随着计算机网络技术、多媒体技术不断发展，一种以数字化、网络化、智能化为特点的新一代的数字视频监控系统应运而生——基于IP网络的数字监控集成系统，该系統的关键技术主要包括视频采集压缩、视频信号传输、信息存储与系统的集中管理等。它可以广泛应用于网络视频监控和会议、银行数字监控和家庭远程监控等许多方面。高效的视频压缩和网络传输以及同时多点监控都是该系统的特色。

关键词：视频监控；视频压缩；网络传输

中图分类号：X924.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0091-03

1 概述

视频监控技术的发展历史，大致分为三个阶段，第一阶段是模拟闭路电视监控系统，第二阶段是以PC机为基础硬件的数字化监控系统，第三阶段是基于IP网络的数字视频监控系统。近几年来，国家对宽带提速降费政策的大力支持，为通过网络实现监控提供了更好的环境。本系统是一种基于IP网络的数字视频监控系统，IP摄像机硬件主要包括网络视频服务模块和CCD模块两部分，上位机软件可以同时对局域网、外网IP摄像机的图像进行观看存储，可以分别对各台摄像机配置和管理，达到对需要监控的各个场所进行实时监控的目的。

2 系统设计

整个系统大致分为视频、传输、控制及存储四部分，视频部分包括视频采集、A/D转换、视频压缩解压缩；传输部分包括打包、纠错编码、加密解密、数字调制与解调；控制部分包括了整个系统的协同运作；存储部分包括视频存储。

硬件主要包括：嵌入式微处理器、硬件编解码模块、视频采集模块、存储模块、电源管理模块以及各个接口等。

嵌入式CPU是整个硬件系统的核心，采用的处理器是ARM9处理器。主要负责整个系统的控制和管理以及所有信号的处理。

存储包括SDRAM和FLASH。SDRAM的主要作用是中间数据的存储，FLASH则是用来存储系统的内核，文件系统等。

视频采集模块负责视频信号进行模数转换。

电源管理的功能是为系统提供稳定的电源。

2.1 系统流程图

本系统发送端和接收端软件模块流程图如图2。

2.2 视频采集模块

由于采用的外界视频输入的是CCD的模块。因此必须将此模拟图像转化成数字信号，因而必须经过A/D转换。由于模拟图像本身具备一定的输入模式，此外又属于高速信号，因此必须采用高速的A/D转换装置才能使信号完全量化并被采集。本系统采用飞利浦公司的可编程视频输入采样芯片。

2.3 视频编解码模块

视频压缩编解码采用流行的MPEG4协议，并采用小波变换、可编程量化器、熵编码等方法来实现先进的数字压缩解压缩算法，使压缩后的数据流速率小于100Kbps，能够顺利地进行网络传输。MPEG-4Codec是一个用于视频编解码和后处理的DSP硬件。编码器将数据压缩成为标准的视频码流，解码器将视频码流还原成图像，然后将解压出来的图像进行大小、颜色等方面的处理，达到提升显示效果的目的。

摄像头按照每秒20～30帧（可调）的速率采集图像，并且送到编码器，编码器实时的将图像压缩成为码流，这些码流通过内网或者外网传送到PC机设备，设备接收到码流之后，启动解码器解码，解码之后的图像转为RGB图像直接在PC机屏上显示。视频采集模块流程如图3所示。

2.4 以太网传输模块

本系统中以太网传输模块的主要功能包括两部分：一是在UBoot过程中实现内核和文件系统的加载，二是视频数据的传输。由于系统要传输的数据量比较大（其中视频信号分辨率为640*480，实现每秒25帧的传输速率），因此选择一块高速有效的以太网控制芯片是很有必要的。

2.5 显示与存储模块的实现

通过网络传输的视频流，在相应的控制指令下，通过编写相应的控件程序，调用Windows提供的标准库就可以在PC上显示了。在码流上加上标准的AVI头信息就可以存储为Windows可以播放的标准的AVI视频文件。

2.6 软件设计

该系统软件是在WinXP下用VC++6编写的，采用IP协议和硬件通讯，整个程序界面简单，主要功能有：

（1）添加监控点；（2）更新局域网内摄像机数量；（3）查看监控画面；（4）暂停、恢复、关闭监控；（5）对监控画面的色度、对比度、饱和度设置；（6）对监控画面的格式、码流、帧率等进行设置；（7）保存监控录像。

打开软件EXE文件，整个主界面简单明了，软件开起来后会自动搜索添加局域网内的网络摄像机，设备列表显示在“Device”（设备信息）栏中，对外网摄像机的添加可通过右下角“Control”（控制）栏中的“Add”（添加）按钮实现，鼠标左键单击“Add”（添加）按钮，出现添加外网摄像机的对话框。输入外网摄像机对应的IP，点“OK”（确定），设备IP就会显示在“Device”（设备信息）里了，端口号7000不用改变。“Control”（控制）栏里的“Refresh”（刷新）按钮，用来更新显示局域网内的摄像机列表，点击“Refresh”（刷新）按钮会把外网的IP自动过滤掉，只保留局域网内的摄像机IP。

右上边是4个图像显示框。双击设备列表中的摄像机IP地址，图像显示框中就会显示对应摄像机的画面，可以4画面观看同一个摄像机画面，也可以分别观看不同的摄像机画面。双击单个摄像机画面还可以放大观看。鼠标右键单击画面可以暂停监控“Pause”，恢复监控“Resume”，关闭画面“Close”。

视频操作：

主界面下方的“ImageSetting”用来设置画面的“Brightness”（色度），“Contract”（对比度），和“Saturation”（饱和度），点“Disable”表示“ImageSetting”设置不可用，点“Enable”可以更改设置，设置完后点“Apply”应用，数字越小，图像越暗。设置完后点“Apply”应用。这个设置是针对最后一个打开的摄像机的，而且要先双击该摄像机画面，到单画面设置里面进行过“ImageSetting”才可以在主画面进行该设置。endprint

“EncodeSetting”用来更改视频的编码方式，“Size”是压缩画面的格式及分辨率，支持VGA（640*480）、QVGA（320*240）、CIF（352×288）、QCIF（176×144）4种格式。“CBR”和“VBR”是码率控制方式，CBR是固定码流控制方式，这种方式在压缩文件时码流大小始终不变。VBR是可变码流，这种方式在压缩文件时会根据画面的变化调整码流的大小。在相同码流下，它们的画面效果是一样的，从文件大小看，VBR方式的文件会小一些。“FPS”为帧率，帧率就是在1秒钟里传输的图片的数量，每一帧都是静止的图像，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画，一般人眼观看24的帧率就很流畅了；“Bitrate”为码率，码率就是数据传输时单位时间传送的数据位数，通俗一点的理解就是取样率，单位时间内取样率越大，精度就越高，处理出来的文件就越接近原始文件，但是文件的体积与取样率是成正比的，就是码率越大，文件越大；“Qp”为图像质量，数据越小画面质量越好，文件大小也越大。在CBR模式下可以设定帧率和码率，码率和帧率设置不宜超出2000000BitRate和30FPS，否则可能引起失真，一般不需要修改。

主界面中这两个操作只是相对最后一个打开的视频画面进行的操作，如果要对其他视频画面进行修改操作，可以双击需要操作的画面，进入单画面操作界面，设置方法一致。

视频显示设置：

通过主界面右下角的“PanelLayout”（窗口分布）设置，可以更改画面的显示方式，有1画面、4画面、9画面、16画面可供选择。

视频保存设置：

双击主界面中摄像机画面，进入单画面操作界面，可以单独对一个视频进行设置和保存操作。设置操作和主界面中的相似，不过主界面中的设置只能对最后一个打开的画面进行。单画面操作界面还多了个保存视频的设置。

保存视频选项：

“Format”（格式）中选择输出视频的格式，“MPEG4”格式的文件是直接的码流格式，需要转换工具转换到视频播放工具可以播放的格式才能观看，“AVI”格式文件已经是解码后的文件，播放器可以直接播放。“SaveResult”（存储结果）中选择保存的路径，选好路径和视频格式后点击“Record”（存储）按钮开始保存，“Time”（时间）栏显示的是保存视频的时间，“Space”（位置）栏中显示视频占用的空间。点“Close”（关闭）结束保存。

3 结束语

由于网络技术的不断发展，网络成本的不断降低，视频监控技术的网络化方向越来越有利，而网络化的数字监控技术能满足视频监控高稳定性、高可靠性和便于安装维护的要求。本系统可以充分利用Internet网络，大大降低了监控的成本，能够满足家庭仓库监控、网络视频监控和会议、银行数字监控等监控需求，方便二次升级。

参考文献：

[1]张大波，吴迪.嵌入式系统原理、设计与应用[M].机械工业出版社，2004.

[2]闫宏伟.数字视频监控系统的研究[D]河北大学，2003.

[3]王正軍.VisualC++6.0程序设计[M].人民邮电出版社，2006.endprint