黄河下游引黄涵闸远程视频监控系统总体设计方案

1、第一章 系统设计综述1.1引言2001年，黄河水利委员会启动一项旨在利用“数字化手段统一处理黄河问题、提升治黄科技含量和管理水平，推动黄河水利现代化的宏伟工程“数字黄河工程，预计到2006年根本完成框架建设，2021年建立全面的业务应用系统并投入运行。2003年4月水利部以“水规计2003166号文正式批复了黄河水利委员会报送的?“数字黄河工程规划报告?，这也是我国水利系统首家或水利部批复的数字流域规划。实施“数字调水、“数字工管是“数字黄河的重要内容。“数字水调建设中，通过对引黄涵闸进行技术改造，改变落后的管理方式，从而实现引黄涵闸的远程监控与监视，为黄河水量统一调度提供强有力的技术保障。引

2、黄涵闸属于黄河大堤上的穿堤建筑物，位置重要，能否平安渡汛，直接关系到黄河的安危。在“数字工管建设中，通过引黄涵闸技术改造，设置相应的平安检测设施，实时掌握涵闸工程平安状况，以防患于未然。黄河属资源性缺水流域，水资源供需矛盾日益突出，黄河下游河道断流已成为黄河水资源管理与调度工作解决的一项重大课题。随着工农业和城市用水需求的增大，对黄河下游水管与调度工作的要求越来越高，调度方案的实施与监督工作的难度也越来越大。因此，必须加强对引黄涵闸的监督管理，利用先进的传感器技术、微电子技术、计算机网络与通信技术、网络流媒体技术等，实现对黄河下游引黄涵闸的远程监测、控制和监视，及时获取河道引水和工程状况信息，

3、进行实时调度，对确保黄河防汛平安和黄河不断流、维持河流生命、促进下游社会经济的可持续开展具有重大意义。远程视频监视系统是黄河下游引黄涵闸远程监控系统的子系统，主要实施对涵闸现地闸前、闸后和闸室环境及设备状况进行全方位的远程实时监视，是远程涵闸监控系统建设的重要内容之一。我公司多年来一直从事集中监控系统的开发和研制工作，并成功地开发了通信机房、移动基站、无人值守变电站、公安和银行安防等数字图像监控系统，积累了丰富的监控系统开发和研制的经验。特别是在网络数字图像监控领域，在国内率先提出网络视频分布式接入、接出、视频调度管理、分布式共享访问等先进理念，并相继开发了基于H.261、MPEG1、MPEG

4、4等系列完全具有自主知识产权具有国内先进水平的系列产品，成功地应用于国内电力、电信、公安、交通等多个领域。根据黄河水利委员会远程涵闸视频监控系统的建设要求，建设一套技术先进、运行平安可靠的远程视频监控系统，是我们的追求目标。黄河下游引黄涵闸远程监视系统为水量调度部门的黄河水量调度中心、河南和山东水调分中心及两省所属的13个市级、32个县级分中心及闸管所等各级机构的用户提供对黄河下游引黄涵闸的远程监视功能，黄河下游引黄涵闸为84座，已建19座，待建65座2003年建设42座，2004年建设22座。系统建成以后，将具有1个总监控中心、2个省监控分中心、13个地市监控分中心、32个县级分中心和84个

5、闸管所视频监视站。本次工程招标主要包括内容如下：l 为2003年建设的42座引黄涵闸提供软硬件设备，包括：视频编码器视频接入终端42套多路视频输入的编码器，数量为42套，单路数入的编码器为126套；l 市局视频效劳器13台，省局视频效劳器2台，黄委水调中心视频效劳器1台，共计视频效劳器16台；l 黄委水调中心、河南和山东两省局视频解码器各1台，共计视频解码器三台，分别用于为监视大屏幕提供视频信号；l 黄河下游引黄涵闸远程监视系统配套软件，包括视频效劳器端软件16套和远程监视终端软件远程监视终端软件包括独立安装的视频终端软件及二次开发的相应接口函数或控件，不包括远程监视终端的硬件设备119套，其

6、中闸管所42个，县局分中心32个，市局的分中心26个每个分中心配2个，省局分中心8个每个分中心配4个，黄委配置11个。1.3设计标准在系统的设计过程中，我们遵循了国家与行业有关的设计标准和标准，具体如下：?水利水电工程启闭机设计标准?SL 41-93?低压配电设计标准?GB 50054-95?电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收标准?GB 501071-92?平安防范工程程序与要求?GA/T75-94?民用建筑电气设计标准?JGJ/T16-92?工业电视系统工程设计标准?GBJII5-87?电子计算机机房设计标准?GB 50174-93?电子设计雷击保护导那么?GB 1450?计算机

7、接地技术要求?GB 2887?超声波水位机?SL/T 184-1997 ?计算机软件开发质量及配置管理方案标准?GB125041250990 ?计算机软件开发标准?GB856793本方案设计时主要依据：?黄河水利委员会招标采购黄委远程涵闸视频监视系统视频效劳设备和相应软件工程招标文件?，亚太招标邀200333-1号根据工程的技术要求，系统遵循以下原那么设计，确保研制系统的完整性、先进性、实用性、可靠性、开放性和可扩性。1标准化系统设计依据最新的国际标准、国家标准和行业标准，遵守开放的原那么。系统设计有外部接口，很容易与其他应用系统共享数据，实现无缝衔接。2平安可靠性建立完善的网络与信息平安保障

8、体系，确保系统运行有高度的可靠性和平安性。使用消息队列、数据冗余等技术保证数据的完整性，即使在网络暂时中断时也不会丧失数据。3控制优先级使用全局统一的逻辑授权机制，保证全局同步更新授权，防止造成控制混乱。4实用性采用成熟的技术，并结合?黄河下游引黄涵闸远程监控系统?的实际需要，“量身订做的设计出一套最适合于黄河各级水调部门的监控系统。遥测、遥视、遥控功能三位一体，功能强大，性能优良、界面醒目、友好，系统各种操作简单、易学易用。5先进性采用成熟的先进技术，保证具有较好的先进性、实用性和较长的生命周期。要充分考虑到现代信息技术的飞速开展，使系统具有较强的开放性，为技术更新、功能升级留有余地。6可扩

9、展性系统采用模块化设计，具有较强的扩展性，可以方便的实现规模的扩充和业务的延伸。软件支持在线升级、扩充，可实现平稳过渡。7可维护性系统设计时充分考虑到系统的可维护性，可实现远程维护，具有维护操作简单、维护工作量小的特点。8经济性系统开发运行平台均采用当今最为通用的各种操作系统和开发工具，充分利用了我们在其他监控领域中成功应用的中间件和模块，大大减少在系统平台方面的投入，具有极高的性能价格比。1.6 系统建设目标系统的总体建设目标是：以成熟的高新技术为支撑，借鉴当今先进的管理技术和管理手段，建设一个具有一定实用性、先进性、可靠性、开放性的“引黄涵闸远程视频监控系统。系统依托于黄委黄河计算机广域网

10、，以黄委水调中心为核心，连接省、地市、县三级河务局的水调管理部门，通过授权可以在各级水调部门实现对百座引黄涵闸现地情况进行全方位的具有可视、可调的远程监控系统。根据黄委各级水调部门的业务隶属关系，系统的组织结构如图1.1所示。 图1.1 系统组织结构图1.8系统功能需求根据“系统需求标准系统以黄委水调中心为核心，通过黄委广域网络连接省、地市、县三级河务局的水调管理部门和下游各涵闸现地监控点，实施对涵闸现地的闸前、闸后和闸室环境和设备状况进行全方位的视频监控。各级水调管理部门根据授权，皆可对现地视频进行远程共享访问控制。其视频共享访问功能如下：l 视频监视视频监视就是在黄委各级水调部门，利用黄河

11、计算机广域网，通过各级视频效劳器系统，能够实现监视引黄涵闸的闸前、闸后和闸室图象。闸前监视点可以观察闸前、河道的状态；闸后监视点可以观察闸后引水情况；闸室监视点可以观察启闭机的工作状态和机房的状况。系统具有单路或多路图像同时监视功能。l 视频控制视频控制就是控制涵闸现地三个摄像机的云台、镜头、雨刷和照明灯，到达最好的监视效果。控制动作包括： 摄像机的左、右、上、下转动 光圈调节 焦距调节 雨刷控制 照明灯控制l 视频录象和画面捕捉功能视频录象是把要监控的视频信号保存为视频文件，以便查询；视频捕捉是指在远程视频监视时，根据需要随时能够进行涵闸现场重要图像的画面捕捉，以便仔细观察、记录保存和打印存

12、档。从触发机制上分，录象分为三种：手工、定时和联动录象。手工录象是操作人员根据工作需要对涵闸进行的随机录象；定时录象是系统在某个规定的时间区间对涵闸进行自动录象；联动录象是指系统可与涵闸状态监控系统进行联动控制录象。当发生特殊事件时，系统会自动触发录象功能，对该时刻的涵闸进行录象。触发录象的特殊事件包括： 报警事件 闸门控制事件等。l 系统管理维护功能系统管理维护功能是指系统各级管理员，根据授权通过管理终端可对其所辖范围内的系统进行管理和维护操作，包括：站点和设备管理和维护、用户管理与维护、系统维护等。视音频是流特性业务，数据量很大，未压缩的视频在Internet/Intranet上传输的效果

13、是无法容忍的，而且会很容易地将网络资源吞没，造成网络拥塞甚至崩溃。因此，IP视频通信的第一步就是视频压缩。 视频压缩编码的理论根底是信息论。压缩就是从时域、空域两方面去除冗余信息，即将可推知确实定信息去掉。编码方法大致可分为三类： 1.考虑到图像信源的统计特性采用的预测编码方法、变换编码方法、矢量量化编码方法、子带-小波编码方法及神经网络编码方法等； 2.考虑到视觉特性采用的基于方向滤波的图像编码方法、基于图像轮廓/纹理的编码方法； 3.考虑到图像传递的景物特征，采用的分形编码、基于模块的编码方法。 在IP视音频通信应用中，编码方法的选择不但要考虑到压缩比、信噪比，还要考虑到算法的复杂性。太复

14、杂的编码算法可能会产生较高的压缩比，但也会带来较大的计算开销，软件实现时会影响通信的实时性。目前，在众多视频编码算法中，影响最大并被广泛应用的算法标准是ISO/IEC MPEG和。 1.MPEG标准概况(1) MPEG-1 ISO的活动图像专家组MPEG在1991年11月提出了ISO/IEC172标准草案，通称MPEG-1标准。该标准于1992年11月通过，1993年8月公布。它是为工业级标准而设计的，可适用于不同带宽的设备，如 CD-ROM、Video-CD、CD-I等。MPEG-1的编码速率最高可达4-5Mbitss。 (2) MPEG-2 1995年出台的MPEG-2ISOIEC 138

15、18，它所追求的是CCIR601建议的图像质量，即为DVB、HDTV和DVD等制定的3Mbps-10Mbps的运动图像及其伴音的编码标准。 MPEG-2在NTSC制式下的分辨率可达720×486，MPEG-2还可提供播送级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道，和多达7个伴音声道DVD可有8种语言配音的原因。同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。 对于最终用户来说，由于电视机分辨率限制，MPEG-2所带来的高清晰度画面质量如 DVD画面在电视上效果并不明

16、显，倒是其音频特性如重低音，多伴音声道等更引人注目。 (3) MPEG-4 MPEG专家组继成功定义了MPEG-1和MPEG-2之后，于1994年开始制定全新的MPEG-4(IOS/IEC 14496)标准。MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，用于实现音视频audio-visual数据的有效编码及更为灵活的存取。MPEG-4试图到达两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，MPEG-4引入了AVAudioVisaul Objects对象，使得更多的交互操作成为可能。 MPEG-4视频格式大

17、大优于MPEG-1与MPEG-2: 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低。主要的原因在MPEG-4采用了ACE(高级编码效率)技术，它是一套首次使用于MPEG-4的编码运算规那么。与ACE有关的目标定向可以启用很低的数据率。这可以将整部视频电影以完全PAL或者NTSC的分辨率与立体声(16位, 48 kHz)存储在单个CD-ROM上。具体而言：700 MB的容量对多数110分钟的电影来说绰绰有余了，而MPEG-2格式的电影在相同的分辨率下需要约11倍以上的储存空间。当MPEG-2的数据率加倍至接近真正的特性时，MPEG-4可以在声频与视频流上在广泛的领域上升级。 当视频在5 Kbit/s与10

18、 Mbit/s之间变化时，声频信号可以在2 Kbit/s 与24 Kbit/s之间进行处理。由于这种可升级性，声频与视频数据可以经专门调整适应真正的环境。 另外，由于MPEG-1和MPEG-2标准均为高层媒体的表示与结构标准，其交互性及灵活性较低。而计算机网络具有很高的灵活性和交互性，但它遵循的标准却与MPEG标准不兼容。MPEG-4的制订有效的促进三网的融合。MPEG-4中一个重要概念是视频对象VO，一幅图像的编码时分割成很多任意形状的VO，分别对各VO进行帧内、帧间编码。必要时只传输某些VO，大大地提高了传输效率。如果视频没进行分割，那么编码结构就退化为只处理标准矩形的一层，这种处理方式与

19、MPEG-1/MPEG-2标准类似，从而到达与MPEG-1/MPEG-2的兼容。 MPEG-4的最低码率可到达5-64kbps。在开发低码率编码的同时，更注重具体视频对象的交互性和可操作性，并对多媒体应用领域的各种编码进行兼容。 MPEG-4是第一个使用户可在接收端对画面进行操作和交互访问的编码标准。由于MPEG-4基于对音视频对象AVO独立编码，必须同时传送编码对象的组成结构信息"场景描述"，它不属于AVO的特征信息，仅表示场景中各AVO对象之间的时空结构关系。"场景描述"信息是独立传输的，解码时在解码端可改变选定AVO的"场景描述"

20、;参数，对图像和声音的有关内容进行编辑和操作。例如：增删某个对象、改变某个音视频对象的音调、激活分级编码信息等，编码端无需任何改变。 MPEG-4引入了合成与自然混合编码Synthetic and Natural Hybrid Coding NHC。这样的合成编码不仅可极大地提高编码效率可获得1kbps的超低码率，可用于实现虚拟电视会议系统，丰富用户与场景的交互。 MPEG-4提供了基于内容对象的随机存取方式，在有限的时间内能以较高的分辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。例如，可以一个序列中的某个音视频对象为目标进行快进搜索。 MPEG-4的编码系统是开放的，适应各种不同的

21、算法。解码器是可编程的，各种解码工具可与信息内容本身一起下载。为众多媒体应用提供一个灵活的框架和一套开放的编码工具，供不同的应用选取。MPEG-4不仅能满足多媒体应用需求，对互联网、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、对于内容存储和检索多媒系统、Internet/Intranet上的视频流等应用也必将产生深远影响。编码 编码是一种帧间预测减少时域冗余、变换编码减少空域冗余的混合编码方法，具有压缩比高、算法复杂度低等优点，得到较为广泛的应用。Mbone的重要应用工具之一IVS的视频编码采用的就是编码算法。在的根底上，1996年ITU-T推出了编码标准。在许多方面对进行了改良和扩充，如在编

22、码算法复杂度增加很少的根底上，能提供更好的图像质量、更低的速率，十分适合于IP视频会议、可视 应用。目前，编码是IP视频通信采用最多的一种编码方法，并已被许多多媒体通信终端标准所吸收, 如：ITU-T B-ISDN、ISDN、PSTN、LAN、 WAN、Internet。 随着计算机性能的快速提高，对于可视 和视频会议等应用一般使用QCIF图像，纯软件编码器codec即可以满足应用要求。纯软件编码器在主频为166MHz的主机上编码帧率可达60帧/秒以上，平均图像质量用信噪比表示大于38dB。 1998年ITU-T推出的是建议的第二版，它提供了12个新的可协商模式和其他特征，进一步提高了压缩编码

23、性能。如只有5种视频源格式，允许使用更多的源格式，图像形状和时钟频率也有多种选择，拓宽了应用范围；另一重要的改良是可扩展性，它允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信息在易误码、易丢包异构网络环境下的传输。另外，的图像分段依赖性也可以是受限的，以减少过失传播。对中的不受限运动矢量模式进行了改良，加上12个新增的可选模式，不仅提高了编码性能，而且增强了应用的灵活性。压缩标准MPEG1MPEG2MPEG4网络占用带宽1-2Mbps5-10Mbps64-1920kbps8K-2Mbps通信网络10M/100M以太网及以上宽带网络ISDN及以上普通 线及以上普通 线及以上图像清晰度有马赛克现象较好

24、有水波纹有水波纹很好图像实时性25帧/秒30帧/秒15-25帧/秒15-25帧/秒15-25帧/秒网络延迟>2秒>3秒秒秒秒应用领域应用只局限于播送和影视方面应用只局限于播送和影视方面，在用户带宽有限的情况下，建议使用MPEG4视频编解码标准方式IP视频会议、可视 应用IP视频会议、可视 应用动态图象、互联网、实时多媒体监控、低比特率下的移动多媒体通信、内容存储和检索多媒系统、Internet及Intranet上的视频流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视优点大面积运动图像有很好压缩效果提供较好的视频和CD级的音频数据率较低数据

25、率较低视频质量与分辨率高，而数据率相对较低缺点数据量大,解码后图像质量较差数据量依然很大,不便存放和传输图像压缩痕迹明显运动物体边缘有水波纹对压缩解码的机器性能要求较高1.9.2 组播技术数字视频传输是人们利用视觉来获取信息的一种通信方式，它较之其它信息传递方式，具有确切性、直观性及高效率等特点。由于数字视频传输的大信息量和有限的传输带宽，使得视频的压缩编码、传输信道和网络协议的选择、IP组播技术IP Multicast以及基于Windows 操作平台的软件实现成为基于网络的数字视频传输应用中的关键技术。对于一个以计算机网络连接的视频监控系统，一个需要解决的问题是多个站点视频监控的网络通信问题

26、，要求做到传输时延尽可能小，尽可能少地占用现有的网络带宽，并具有较好的站点数量规模化特性。本文在分析比拟单播、播送和组播工作方式的根底上，指出了IP组播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义，并介绍了与组播密切相关的IP地址格式。1.单播、组播、播送技术之比拟组播技术被认为是WWW技术推广之后出现的最冲动人心的网络技术之一。组播是一种允许一个或多个发送者发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据

27、包。数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的效劳质量需增加硬件和带宽。 单播Singlecast传输：是指发送者发送到单点传送地址的信息包只能发送到由这个地址标识的接口。组播Multicast传输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络如果有组播路由器的支持。播送Broadcast传输：是指在IP子网内播送数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。 播送意味着网络向子网主机都

28、投递一份数据包，不管这些主机是否乐于接收该数据包。然而播送的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁播送通信。播送传输增加非接收者的开销。目前，使用得最为广泛的组播技术是IP Multicast。IP组播技术是一种为优化使用网络资源而产生的技术，通常用于多点工作方式下的应用程序中，它是标准IP网络层协议技术的一个扩展。从Steve Deering于1989年提出的IETF的RFC1112"Host Extension for IP Multicast"中的定义我们可以得知：IP组播的核心思想是-通过一个IP地址向一组主机发送数据UDP包。发送者仅仅向一个组地址发

29、送信息，接收者只需参加到这个分组就可以接收信息，所有的接收者接收的是同一个数据流，组中成员是动态的，可以根据自己的意愿随时随意参加或退出。每一台主机都可以同时参加到多个组中，每一个组播地址可以在不同的端口或者不同的套接字Socket上有多个数据流，同时许多实际应用可以共享一个组地址。IP组播技术可以有效地防止重复发送可能引起的播送风暴，并且能够突破路由器的限制，将数据包传送到其它网段。2.远程视频网络技术方案分析常规的点对点通信方式下，N个视频站点的视频传输至少要重复发送N-1次相同的数据包，发送时延大，而且随着监控站点数量增长，时延就会迅速增长。所以点对点的通信方式，不适于要求规模化、短时延

30、的多点视频监控的网络传输。另一方面，播送通信在局域网上要消耗所有机器上的资源，而在广域网上，全网播送耗用网络带宽大，定向播送的通信范围那么受限于某一局域网，所以播送技术只适用于不跨越物理网段的视频监控网络传输。一些物理网络及其软件实现技术支持有限范围内的多点投递方式，即组播。局域网组播利用物理网络保存的用于组播的地址进行多点通信。当一组机器要通信时，它们选择一个特殊的组播地址用于通信。在配置好网络接口硬件后，就能识别该组播地址，而组中的所有机器就会收到送到该组播地址上的每个分组的拷贝。由于组播在网络硬件局部如以太网网卡就能区分多个不同组的通信，无须软件区分，所以比播送方式更能节省主机资源。目前

31、IP几乎成为数据通信和网络互连的最低一致协议，IP协议中的IP组播IP Muticasting对互连网络中的不同硬件组播地址进行了抽象，形成了一个可以跨越局域网的一致的组播接口，在物理网络上，能充分利用硬件的组播特性。在广域网通信上，它可以利用DVMRP、MOSPF、CBT或PIM的路由协议，能保证在一条物理链路上始终只有一个数据拷贝，从而大大节约带宽。所以无论从局域网络和广域网络的通信方式看，还是从通信应用的开发一致性上看，利用IP组播来实现规模化的视频监控具有很大的优势。 3.IP组播技术在多点视频数据传输方面的优势由于数字视频在网络传输时有着很大的数据吞吐量，如果使用端对端的IP单播技术

32、进行数字视频的多点传送，首先，视频效劳器必须始终保持在侦听状态，以了解每一个动态参加的客户端的效劳请求，而套接字的侦听非常消耗系统的CPU资源，过于频繁的侦听容易造成系统的不稳定，同时还会影响视频传输的实时性，造成视频在网络中传输时出现频繁抖动，最终影响视频传输的效劳质量QoS；其次，视频效劳器面对不同的客户端的同一视频效劳请求，需要进行重复发送，N个客户端需要占用N倍的网络带宽资源，极大地浪费了网络带宽资源，如果控制不力，还会引起网络阻塞，造成系统全面崩溃。因此，在网络带宽环境能够无限满足视频传输需要的前提下，点对点传送和组播在性能上无本质差异，但是，这种理想状态根本上不会出现，否那么除了研

33、究网络带宽以外，其它的网络技术就失去了研究的根底和意义。我们设想在10BASE-T的局域网环境下，当只有2个或单个客户机提出视频效劳请求时，二者无明显性能差异；当有3个至5个客户机提出视频效劳请求时，二者之间的差异就比拟显著，采用点对点传送方式的视频效劳器明显已经力不从心，网络丢包和延迟比拟严重，接收端视频明显滞后、不连续；当有5个以上的客户机提出视频效劳请求时，就造成了网络阻塞，系统处于崩溃的边缘。由此可见，IP组播技术在多点视频数据传输方面具有很大的优势，当某个IP站点向网络中的多个IP站点发送同一视频数据时，IP组播技术可以减少不必要的重叠发送，与屡次点对点的单播Unicast相比，减轻

34、了系统和网络的负担，提高了CPU资源和网络带宽的利用率，极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不管是源站点还是目的站点均使用同一程序，无客户机和效劳器之分，从而具有对等性。 4.IP组播地址格式IP地址方案专门为组播划出一个地址范围，在IPv4中为D类地址，范围是到55，并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址如下：局部链接地址：55，用于局域网，路由器不转发属于此范围的IP包。预留组播地址：55，用于全球范围或网络协议。管理权限地址

35、：55，组织内部使用，用于限制组播范围。综上所述，IP组播技术比拟符合多点、多网络平台和可扩展性的视频监控要求，而且可以实现跨楼宇范围的远程视频监控。由此可见，IP组播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义。第二章 系统组成结构2.1系统组成系统总体设计上应该充分考虑既要满足各相关部门的使用要求、注重实效，又要做到稳定、可靠，操作简单，维护方便。为此，我们根据系统网络的现实情况，构成五级组织结构黄委、省、地市、县、闸管所、三个管理层次黄委、省、地市的系统，其组成如图2.1所示。 图2.1 系统组成结构图3.1 系统组

36、网结构图黄委监控总中心设置在黄委水调局，系统主要由主视频效劳器、图像主控台、监控业务台、网络视频接出终端视频解码器和大屏幕显示系统等组成。监控总中心主视频效劳器，是整个系统视频调配和管理的中枢，主要实现整个系统配置管理和总监控中心的视频调配管理。主视频效劳器视频访问的工作模式分为以下几种：三级转发模式 三级转发模式，是指本级用户对前端视频的访问要经过地市级、省级和黄委中心各级视频效劳器进行逐级转发来实现视频的传输。当总监控中心图像控制台或图像客户端分控终端有图像访问请求时，首先通过主视频效劳器查找该路视频是否已接入中心网络，如果已经接入，那么将该路视频组播号发送给请求者，后者参加该组播即可实现

37、对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上，中心视频效劳器查找系统相关配置信息，向指定下级省监控分中心视频效劳器发送图像访问请求信息，省监控分中心视频效劳器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，那么将该路视频直接传送到总中心主视频效劳器，由中心主视频效劳器完成用户的视频访问效劳；如果该路视频没有接入省级网络，那么向下级地市分监控中心视频效劳器发送访问请求信息，地市监控分中心视频效劳器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，那么将该路视频直接传送到省监控分中心视频效劳器，再将该路视频传送至总中心主视频效劳器，由中心主视频效劳器完成用户的视频访问效劳；如果该路视频没有接入地市网络，那么由

38、地市分监控中心视频效劳器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频逐级上传至总中心主视频效劳器，由中心主视频效劳器完成用户的视频访问效劳。在特殊情况下，如果下级某一分中心视频效劳器出现故障，系统可跨级实现视频的传输。二级转发模式二级转发模式是指本级用户对前端视频的访问要经过地市级和黄委中心两级视频效劳器进行逐级转发来实现视频的传输。当总监控中心图像控制台或图像客户端分控终端有图像访问请求时，首先通过主视频效劳器查找该路视频是否已接入中心网络，如果已经接入，那么将该路视频组播号发送给请求者，后者参加该组播即可实现对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上，中心

39、视频效劳器查找系统相关配置信息，向该监控点所属的地市分监控中心视频效劳器发送访问请求信息，地市监控分中心视频效劳器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，那么将该路视频直接传送至总中心主视频效劳器，由中心主视频效劳器完成用户的视频访问效劳；如果该路视频没有接入地市网络，那么由地市分监控中心视频效劳器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至总中心主视频效劳器，由中心主视频效劳器完成用户的视频访问效劳。一级转发模式该方式是指中心主视频效劳器直接从涵闸现地闸管所网络视频接入终端视频编码器获得视频信息，即由主视频效劳器直接向涵闸现地视频编码器发送视频接入指令，

40、由主视频效劳器完成对用户的视频转发。该种方式，由于视频只经过一级转发，视频延迟小。但是由于系统存在多级用户访问，很难实现全系统用户的优先权控制，对前端云台及摄像机镜头的控制不能保证控制的一致性。一般情况下，只有当省级和市级视频效劳器都出现故障时，才采用该种方式。直接传输模式该方式是指用户直接从涵闸现地视频编码器直接获得视频信息。只有当中心系统管理员对前端视频编码器进行远程诊断时，才采用该种方式。网络视频接出终端视频解码器实现1路网络视频信号的解码输出，并将视频信号送大屏幕显示系统显示。网络视频接出终端可以随时接收网络视频效劳器发送来的连接指令，实现指定视频信号的解码输出。图像控制台实现总监控中

41、心网络视频的输出切换控制和指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。黄委直属各级部门领导以及各业务科室人员，经过授权，通过网络工作站，安装网络图像客户端控制软件，通过中心主视频效劳器皆可实现对指定涵闸现地监控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台摄像机的控制和视频的录象控制。省监控分中心有两个：河南局监控分中心和山东局监控分中心，分别设在省水调处。省级分监控中心主要由视频效劳器、网络视频接出终端视频解码器、监控业务台等组成。省级分监控中心视频效劳器主要实现本省监控区域内监控视频的调度管理。省监控分中心视频的访问其工作方式主要包括以下几种：二级转发模式 二级转发模式是指

42、本级用户对前端视频的访问要经过地市级和省级两级视频效劳器进行逐级转发来实现视频的传输。当省监控中心图像控制台或图像客户端分控终端有图像访问请求时，首先通过省视频效劳器查找该路视频是否已接入中心网络，如果已经接入，那么将该路视频组播号发送给请求者，后者参加该组播即可实现对视频的访问。如果目前该监控点视频没有接入网上，中心视频效劳器查找系统相关配置信息，向该监控点所属的地市分监控中心视频效劳器发送访问请求信息，地市监控分中心视频效劳器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，那么将该路视频直接传送至省视频效劳器，由省视频效劳器完成用户的视频访问效劳；如果该路视频没有接入地市网络，那么由地市分监控中

43、心视频效劳器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至省视频效劳器，由省视频效劳器完成用户的视频访问效劳。一级转发模式该方式是指省视频效劳器直接从涵闸现地网络视频接入终端视频编码器获得视频信息，即由省视频效劳器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送视频接入指令，由省视频效劳器完成对用户的视频转发。该种方式，由于视频只经过一级转发，视频延迟小。但是由于系统存在多级用户访问，很难实现全系统用户的优先权控制，对前端云台及摄像机镜头的控制不能保证控制的一致性。一般情况下，只有当市级视频效劳器出现故障时，才采用该种方式。 直接传输模式该方式是指本级用户直接从涵闸现地网络

44、视频接入终端直接获得视频信息。只有当中心系统管理员对前端网络视频接入终端进行远程诊断时，才采用该种方式。网络视频接出终端视频解码器实现1路网络视频信号的解码输出，并将视频信号送大屏幕显示系统显示。网络视频接出终端可以随时接收网络视频效劳器发送来的连接指令，实现指定视频信号的解码输出。监控业务台实现本级监控中心管辖区域指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。省局各级领导及业务科室人员，经过授权，通过网络终端，安装网络图像客户端控制软件，通过省级视频效劳器实现对指定涵闸现地监控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台摄像机的控制和视频的录象控制。地市监控分中心分别设在两个

45、省局下辖的13个地市水调部门。地市监控分中心主要由视频效劳器、监控业务台等组成。地市分监控中心视频效劳器主要实现本地市所辖区域内涵闸现地监控视频的调配管理。地市监控分中心视频的访问其工作方式主要包括以下几种：一级转发模式该方式是指地市视频效劳器从涵闸现地网络视频接入终端视频编码器获得视频信息，由地市视频效劳器直接向涵闸现地网络视频接入终端发送视频接入指令，并完成对用户的视频转发。当本级监控业务台或图像客户端分控终端有图像访问请求时，首先向视频调配效劳器发送图像访问请求信息，视频调配效劳器收到该请求后，如果该路视频已接入本级网络，那么将该路视频组播号发送给请求者，后者参加该组播即可实现对视频的访

46、问；如果该路视频没有接入地市级网络，那么向指定涵闸现地网络视频接入终端发送接入命令实现该路视频的接入，并将该路视频上传至地市视频效劳器，由地市视频效劳器完成用户的视频访问效劳。直接传输模式该方式是指用户直接从涵闸现地视频接入终端视频编码器直接获得视频信息。只有当中心系统管理员对前端网络视频接入终端进行远程诊断时，才采用该种方式。分中心监控业务台实现本级监控中心管辖区域指定监控点图像的切换、云台及摄像机镜头控制和系统录象控制。地市局各级领导及业务科室人员，经过授权，通过网络工作站，安装网络图像客户端控制软件，通过地市视频效劳器实现对指定涵闸现地监控视频的软解播放。并可实现对监控点的切换选择及云台

47、摄像机的控制和视频的录象控制。县局分控终端安装专用的视频客户端软件或在分控终端的涵闸设备监控系统中嵌入视频监控模块，通过系统授权，实现县局所辖闸管所的视频监视。县局用户通过登录上级地市局视频效劳器，实现视频的共享访问。其用户授权管理由地市系统管理员进行。其视频的访问有以下方式：直接访问模式：县局用户直接从涵闸现地视频接入终端视频编码器直接获得视频信息。转发模式：即县局用户通过上级地市视频效劳器实现视频的共享访问。2.6涵闸现地闸管所涵闸现地视频监控系统分布在沿黄各闸管所。主要由网络视频接入终端视频编码器，监控摄像机、云台及云台解码器、涵闸现地分控终端等组成。其系统组成结构如图2.2所示。每个闸

48、管所配置三个摄像机，分别实施对闸前、闸后、闸室环境及设备运行情况的监控。闸前监视点可以观察闸前、河道的状态；闸后监视点可以观察闸后引水情况；闸室监视点可以观察启闭机的工作状态和机房的状况。网络视频接入终端视频编码器是一个采用嵌入式系统设计，能够将1路模拟视频信号转换成MPEG4数字视频编码并接入网络的高性能视频接入设备。网络视频接入终端具有1个10/100M以太网接口RJ45、一个视频输入接口BNC、一个控制接口RS485/RS232和一路透明数据传输通道RS232。网络视频接入终端的以太网口可直接连接在闸管所网络交换机或网络集线器上；前端摄像机视频信号直接连接在网络视频接入终端的视频输入接口

49、；前端云台解码器连接在其控制接口上，可通过网络实现对摄像机镜头、云台和灯光、雨刷等的远程控制。涵闸现地分控终端安装专用的视频客户端软件或在分控终端的涵闸设备监控系统中嵌入视频监控模块，通过系统授权，实现本闸管所的视频监视。闸管所用户与县局用户相同。当涵闸与上级的通信中断时，可直接在视频编码器上获得监控视频。第三章 系统软件设计3.1系统视频流分析 根据远程视频监控系统的结构和功能需求，整个系统视频信息流和视频控制流程如图3.1所示。涵闸现地网络视频接入终端采集监控图像，并压缩成MPEG4数字视频接入网络地市级调配效劳器调度管理下属各现地视频，并管理本级用户省级调配效劳器调度管理下属各地市现地视

50、频，并管理本级用户黄委主调配效劳器管理所有现地视频通过省局中心视频效劳器，并管理本级用户地市、县级监控业务台共享访问省级监控业务台共享访问黄委监控业务台共享访问视频流视控流视频流视控流视控流视频流图3.1 系统视频信息流和视频控制流程3.2视频的分布式控制策略根据宽带IP网络系统的特点及视频监控业务方面的要求，我们采用网络化分布式视频接入、多级分布式客户机/效劳器架构、控制权限集中管理、分布式存储与共享的策略来实现。网络化分布式视频接入，是指采用专用的视频接入设备就近将监控视频接入网络。多级分布式客户机/效劳器架构，分别在黄委、省级、地市级设置多级视频视频效劳器，调度管理各级用户的请求。各级视

51、频监控终端只需通过网络连接到本级视频效劳器，通过本级视频调配效劳器获得所需视频流，既可以防止网络因视频流量的增加而造成整个网络系统拥塞发生，保证整个网络系统的运行平安；又便于各业务职能部门对监控视频的共享访问和分布式控制管理。控制权限集中管理，是指网络中各级用户统一接受权限管理，引入多用户优先级管理机制，防止控制冲突，保证各监控点控制的唯一性。分布式存储与共享，基于IP网络的分布式存储使得海量存储成为可能，并能够满足多用户的共享需求。视频流数据在各级视频效劳器的统一调度管理下，从视频接入终端逐级向上发送相应的视频流。本地的视频监控终端只需登录到本地的视频效劳器即可以申请到权限所允许的图像。如果

52、在逐级的各级调配之间发生连接中断时，上一级的视频效劳器可以跳过断开连接的视频效劳器和下一级视频效劳器连接。视频流的传输如图3.2所示。图3.2 视频流传输图视频的控制采取统一的多优先级管理机制，系统设置全局统一的优先级别，各级视频效劳器自动判断当前用户的优先级别，从而保证某个摄像机在特定时刻只有一个用户能够拥有控制权。优先级的判断与控制权的转换均为自动方式，即当有更高级别用户申请时，会自动获得摄像机的控制权(如图3.3)；当前有控制权的用户退出时，系统自动选择下一个用户，并发生控制权的转移如图3.4。为防止某个级别高的用户长期占用系统的控制权，系统采用控制权锁定机制，即对具有控制权的用户系统自

53、动锁定一个特定的时间段缺省锁定时间为30分钟，锁定时间系统可设定，在该锁定时间内，该用户具有控制权，锁定时间到后或观察完成后，控制权锁定自动释放。图3.3 控制权获得流程系统软件组成黄委引黄涵闸远程视频监控系统，是一个基于黄委黄河计算机广域网络的分布式系统。整个系统依托于黄河计算机广域网络，由网络视频接入终端视频编码器、视频效劳器、网络视频接出终端视频解码器、网络视频客户端包括监控业务台和分控终端组成。其系统软件由以下四局部组成：l 系统配置维护管理系统l 网络视频效劳调度管理系统l 网络视频监视客户端系统l 网络视频接出控制管理系统系统配置维护管理系统是系统各级黄委、省、地市管理员对其管辖范

54、围内监控站点、摄像机、云台解码器、网络视频接入终端视频编码器、网络视频接出终端视频解码器、视频效劳器、用户等进行配置管理和维护，并可进行远程设备测试、故障诊断、参数配置修改等操作。系统配置维护管理系统运行于各级系统业务管理终端或效劳器上，运行环境为WIN98/Windows 2000/Windows NT/Windows XP/Windows me。系统配置管理分为三大功能：系统管理功能、配置管理功能、视频设备管理功能。管理功能² 口令更改：更改网络客户端用户口令；² 锁定：管理软件启动时，为防止非法用户更改系统设置，可进行系统锁定；² 授权数据更新：系统可以向多

55、级效劳器授权数据更新，更新内容包括：用户信息更新、站点信息更新、接入终端信息更新、摄像机信息更新等；² 数据日志查询：系统具有完备的操作日志查询和用户使用日志查询功能。日志查询内容包括用户的登录与退出、图像视频请求与关闭、图像视频切换、云台与镜头的控制、灯光与雨刷的控制、用户口令更改等。功能² 接入终端类型配置：设置多种类型的接入设备，视频编解码格式支持Mpeg4、Mpeg2、Mpeg1、H.261、H.263、H.264、Mjpeg等多种视频格式；² 云台控制器类型配置：设置多种类型的云台控制解码器，云台解码器协议支持PELCO、Derek、雪城GMS-I04、

56、LILIN、YAAN、VICON、PHILIPS、KALATEL、Panasonic、Sony、AB、ULTRAK等多种解码协议；² 视频矩阵配置：设置多种类型的视频矩阵，视频矩阵支持雪城Vfs、Derek、AB、红苹果、多画面分割器等多种视频切换矩阵；² 分组配置：实现了对摄像机的分组分部门管理。对于不同的用户只能观看所分配的摄像机。设置摄像机分组序号、摄像机ID等；² 用户配置：设置用户登录ID、用户名称、用户优先级、用户类型等；² 视频效劳器配置：分为委级视频效劳器、省级视频效劳器、地市级视频效劳器。设置视频效劳器ID、名称、类型级别、IP地址、端口号、最大视频流数量等；² 网络视频接出控制终端配置：网络视频接出控制终端实现对站点监控视频通过网络视频接出终端(视频解码器)传送至大屏幕或电视机显示，并可实现前端监控点摄像机的切换以及摄像机镜头和云台的控制。设置接出控制终端名称、接出控制终端IP等；² 电视墙配置：即大屏幕配置。设置电视机ID、电视机名称、网络视频接出控制终端名称、接出终端IP、接出终端端口等；² 局站(闸管所)配置：设置局站(闸管所)编码、局站(闸管所)名称、局站(闸管所)类型、局站(闸管所)坐标等；² 接入终端配置：设置