网络视频监控系统毕业论文

网络视频监控系统前言视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。随着计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术以及计算机网络技术的发展，网络视频监控系统对目标范围实时监控、录入回放，被捕捉的图像存储在硬盘上，还可以根据报警信号的发生自动的实时记录现场情况，事后，从系统数据中查询相应的资料，并通过计算机网络传输到监控中心。网络视频系统采用国际标准TCP/IP底层通讯协议，即可在局域网也可在广域网上进行通讯，充分发挥网络视频监控系统的优势，利用IP技术、数字化传输、数字化存储及图像处理等计算机技术通过LAN/WAN，实现高性能网络视频监控。本文着重点在于网络视频监控客户端软件设计。首先，介绍了网络视频监控系统的发展、特点及其应用。然后，主要介绍网络视频监控客户端软件设计的过程和系统的整体结构与功能。系统详细设计主要包括：1.网络视频监控系统组成部分及原理。2.系统实现的主要功能：摄像机画面显示与管理功能；系统时间内容显示及声音控制功能；云台旋转控制功能；镜头控制功能。3.网络视频监控系统的发展4.家庭远程视频监控案例最后，对全文做出工作总结和展望，总结出该客户端软件系统设计取得的成果和需要改进的地方。一、网络视频监控系统设计需求三部分1.1视频模拟处理部分视频模拟处理部分包括摄像机、镜头、云台、解码器、画面分割器、视频切换矩阵、键盘、监视器、长延时录象机等传统闭路电视监控设备。视频镜头包括带云台控制的镜头和不带云台的固定镜头。镜头的伸缩、拉长和云台的移动由解码器控制。画面分割器主要起着视频转换作用，它可以将对多个摄象机送来的视频信号进行特定形式的组合，重新形成一路视频信号送出去。当然也可以将录象机的视频信号回放。视频切换矩阵主要实现对视频的分配与全矩阵切换功能.采用差分放大使得视频干扰降低到最小程度.另外,它还通过键盘实现对云台和镜头的控制。也可以直接采用计算机通过串口进行控制,其控制的速度达到毫秒级.切换板提供了16*5视频切换矩阵和扩展的接口。通过切换板之间简单的并联就可以很方便的扩展输入输出路数,扩展后也不影响开关的控制速度。切换矩阵的输入也可以直接与摄像机的输出相连,切换板的输出可以直接与监视器相连。视频信号不经调制,直接进行切换,使得工程安装更加快捷方便。视频切换矩阵是采用可以进行二次开发功能的矩阵。1.2通信部分模拟部分提供了RS-485的通信接口,这是与解码器的接口,它具有通信速度高,抗干扰能力强的特点。通信板上设有硬件发送和接收缓冲区可以保证通信线路上数据的可靠性,不会因为拥挤而丢失数据.高速的通信速度,合理的缓冲区结构及高效率的编码方式,使得单一一条总线上可以并入多个系统,而不至于通信线路显得过分拥挤。由于总线上只限于控制指令的传输，所以对线路的要求不高。因此,采用这种简便易行的串行总线结构是最为现实可行的方法。视频切换矩阵内带一个转换卡，它将RS-485转换为RS-232，从而为计算机进一步通过切换矩阵控制解码器创造条件。1.3视频数字处理部分1．运行平台：硬件：主控计算机（兼服务器）为赛扬466以上CPU、64M以上内存、16M以上显存、10G以上硬盘。软件：操作系统软件：主控计算机为WINDOWSNTSERVER4.0;接收工作站为Windows95/98。数字视频软件：视频监控软件（包括图像切换、云台/镜头控制）；视频服务和接收软件（包括视频控制和局域网传输）。2．视频采集压缩卡视频采集压缩卡可以完成对视频的实时采集、数模转换、压缩存储,然后由计算机直接处理.这样通过软件就可以实现对视频的分屏显示,动态储存,实时捕捉,资料查询等功能。本系统中把数字化处理单元的视频压缩等交由视频采集压缩卡处理,即由硬件处理。我们采用市面上比较流行且适合网络传输同时性能价格比较高的AV-8MPEG-1实时采集压缩卡。它是基于功能强大的VideoFLOW技术，高性能的图象压缩处理器（ICC）和运动补偿处理器（MEC）作为核心部件，压缩处理能力高达每秒70亿次操作，即使对快速运动的画面也能达到理想的效果。更重要的是这种卡提供了相应的API函数，从而为我们进行二次开发提供了基础和方便。二、网络视频监控系统软硬件特点（一）、部件和设备的稳定性成像、编码、传输、存储的核心设备，防护和供电等辅助部件，是IP视频监控系统的有机组成部分。部件的设计思路，很大程度上体现了系统的市场定位，以及应用场合。2.2.2软件效率纯数字IP监控系统对于传统安防厂商，最主要的门槛就是软件。编码器和网络摄像机，更像一台嵌入式计算机，需要完全独立的操作系统，以及编码压缩的软件算法，甚至要能够对原始的数字图像进行加工和后处理，比如数字曝光、背光补偿、宽动态、低照及强光抑制、数字白平衡调节等，但目前市场上容易买到的便宜的模拟摄像机用的DSP解决方案，是难以对超过600线以上的图像进行及时有效处理的。由于许多传统安防厂商缺乏IT的行业背景，也没有储备足够的软件技术，他们没有能力自己来定制一个编码器或者网络摄像机用的操作系统，或者花费精力研发自己的硬件，因此有些厂商选择自有监控软件整合第三方SDK，或者OEM的方式，借助成熟的软件平台来实现IP视频功能。因此，许多专业的软件平台厂商应运而生，国内知名的有杭州天视等，国外则有MilestoneSystems、UnrealStreamingTechnologies、ControlByNet、IPCamEYE、IPVisionSoftware、ONSSI、NICE，NUUO等一大群相关业务的软件供应商，其中很多软件整合了多家知名编码器和网络摄像机的SDK，可以在一个平台上方便的管理多个终端设备的图像。同时，海康威视、AXIS、Arecont、Lumenera这些前端硬件设备厂商，则乐于提供自己的SDK。“我们专注于提供便宜的高清晰度网络摄像机相关硬件和SDK，因此，市场上有足够多的（IP视频监控）管理软件供大家选择”，Arecont总裁VladimirBerezin先生在安防科技（中国）有限公司的会议室里摊开双手这样说道。连PELCO这样的厂商也已经在其新的数字系统中，可以直接存储、管理Axis、松下等知名品牌的网络摄像机了。虽然现在的硬件已经提供了宽裕的工作环境，但出于系统优化的考虑，工程师们还是要想尽办法，让自己的语句更精简，算法更高效，以便释放出更多的CPU和内存资源，让位给越来越受到用户青睐的其他附加功能的软件运算。比如事件前预录像、图像优化处理，特别是能够检测人群、车辆的活动模式的智能视频分析算法，或者各种硬件软件事件之间的逻辑关系处理。(三)、硬件结构的挑战2.3.1不断增加的功能也带来了系统结构的复杂度，这对设计厂商不能不说是一个挑战。早期的视频编码器和网络摄像机由于硬件条件局限，板卡体积都较大，从标准17英寸机架式安装到miniPCI接口的板卡堆叠，研发人员作了各种尝试来缩小设备体积。现在即使能够将编码器主板压缩到香烟盒大小，对于网络摄像机来讲，考虑到图像传感器和图像处理DSP，以及附加的硬件接口，我们仍旧觉得不够小。现在人们已经意识到单板设计更为稳定，因为它几乎不会出现板卡堆叠遇到的接口之间接触不良引起的故障。sensor和主板之间则可以用软线路和插针连接器进行紧密连接，或者直接将sensor牢固焊接在主板上。图2：早期结构复杂的网络摄像机图3：牢固的单板设计2.3.2图4：网络快球的内部设计紧凑而且精细伴随着百万像素图像传感器进入安防市场，人们发现在这样的分辨率下，使用广角镜头可以得到良好的图像，在这样的图像中去做数字PTZ，仍可以获得比QVGA分辨率DVR更好的分辨率。比如一个采用90度广角镜头的2048×1536（3百万像素）分辨率网络摄像机，可以通过软件操作在画面中实现水平约70度，俯仰约50度的352×288像素的数字图像PTZ，而这一切操作都脱离了机械传动系统。加上数字图像曝光处理、数字防抖、数字图像平滑放大技术，我们可以减少自动光圈和变焦镜头的使用；如果采用黑白＋彩色传感器、广角＋长焦镜头搭配，我们还可以得到一些出乎意料的应用，比如低照度下自动切换图像传感器，通过长焦观察细节时，广角部分仍旧记录了全景，避免以前一体化摄像机的观察死角。通过多个传感器拼接使用，我们还能够得到水平180度和360度的全景摄像机，当然可以只对其中感兴趣的区域进行记录，也可以全景无遗漏的监看。并且无机械转动部分的结构，更利于我们对前端设备进行的防护设计和外观设计，因此能够更好的适应特殊环境、更牢固或者更加美观。图5：ARECONT公司的360度全景摄像机AV8360图6：可以同时得到两个监控区域或者拼接180度全景图像的室外网络半球D-122.3.3安防产品的工作环境不断得到拓展，森林防火、交通、无人值守基站对设备的适应性提出了更高的要求，编码压缩和存储设备也不一定能够安置在条件舒适的机房中，而且越是人员难以经常到达的地方，视频监控系统越能够起到延伸人类视野的作用。其他要求严格的环境还有军工、金属冶炼车间、化学品生产和存储、易燃液体和气体、矿井、粉尘、潮湿地带。除了一些一直致力于特殊领域的外围防护设备厂商，其他生产商的产品只能满足商业应用，难以达到军工等级的防护要求。在潮湿和多腐蚀性空气的南方海岛、在青藏高原铁路沿线、在极地考察站这些类型的极端自然条件下，普通防护规格的产品已经暴露了一些问题。以往的系统，基本上是依靠外部防护设备。生产厂商为摄像机提供专门的防护和保障设备，包括护罩、加热和除湿、防雨水保护，专门防爆和防冲击的外壳。机架式编码器可以安装在机房中，但是同时也缺失了IP系统特有的优势。现在多数视频编码器都不能顺利安装在符合IP65等级的摄像机防护外罩中，如何进行设备保护完全取决于系统集成商的施工水平；网络摄像机是最有条件获得良好保护的设备，它本身就只是一台摄像机！图7：全密封一体化成型，同时提供了保护线缆的全向支架图8：防爆、隔热的额外附件（四）、系统的稳定性2.4.1同模拟视频监控系统独占通讯信道进行传输不同，IP视频监控系统的数据都是共享网络信道，图像数据包经过多次交换和路由之后，所有数据包能否全部可靠的到达管理终端，总是存在不可预见性。2.4.2模拟系统习惯了有一个中心，这个中心往往位于用户的安全监控中心，由矩阵系统和电视墙构成。如果是一个跨地区的多层级管理模式，就会出现监控现场、智能管理终端、一级管理中心、二级管理中心......等复杂的系统结构。在网络的世界里，每个前端设备和终端设备，从物理上讲都是平等的，除非人为划分访问权限，否则所有监控点的设备都是即插即用的。系统变得扁平化，远程管理中间环节的消除，意味着系统故障率的降低。图9：简单的系统结构2.4.3现在仍旧有大量的IP监控系统在使用“中心”的概念，往往是由一个大型管理软件平台担负所有重要任务的分配智能，对前端图像浏览，存储分配，数据转发，控制视频解码器到电视墙，都是由某个计算机终端完成。于是带来了两个问题：首先，由于大型管理软件的复杂程度和成本，用户不可能购置多个高配置的终端和多套软件进行管理的冗余备份，系统显得较为脆弱。另外，更主要的，中心管理软件的运算量较大，在图像浏览和存储数据分配时，视频管理服务器的硬件承担着繁重的负担，加上操作系统本身的可靠性问题，以及用户对计算机网络安全知识的缺乏，整个系统的监控和存储都建立在悬崖边上。服务器散热风扇的损坏，电源故障，计算机病毒的攻击，任何一个微小的问题都会诱发整个系统的瘫痪。具备研发实力的厂商已经意识到，将监控浏览终端和存储系统分离开来，是一个比较明智的选择。监控终端承担着越来越高压缩比和更高分辨率的图像解码，存储设备则24小时不间断接受历史数据的输入以及回放和查询的输出，两者分离，不管是网络带宽占用还是硬件负荷都可以互相不受影响。已经有一些能够和特定前端编码器或网络摄像机配套，具备专门文件管理软件的存储设备出现，Pelco、SONY都拥有自己的监控网络存储设备，毕竟市场上通用的存储设备（如SAN、NES、DAS等）不具备循环存储、优化检索等算法软件，更无法和前端监控点进行直接通讯。但是，更多的操作界面意味着工程集成商和用户的人员需要接受更多的培训。有一些智能视频分析算法可以在前端编码设备上实现，出于硬件成本和算法复杂度的要求，更高要求的模式识别目前一般在后端计算机平台上完成，这个趋势也要求将智能分析的平台同监控浏览、存储终端分离开来。中心概念淡化，是防止中心发生致命故障，提高防破坏能力，降低运行风险的一种有效途径。（五）、存储2.5.1由于网络传输信号的品质具有不可预见性，因此稳健的系统不能完全倚赖于将重要数据存放在机房或者监控中心，否则网络故障会使监控人员既看不到图像，又没有历史数据可供查询。网络视频监控设备在已经紧凑的空间里，正在整合硬盘接口、CF卡和SD卡读卡器、USB扩展存储接口等存储接口。这时的网络视频监控前端设备，越来越像一个整合了摄像头的小型硬盘录像机，而且能够和中心存储设备进行网络故障丢失数据的比对以及补充丢失数据的工作，网络引起的风险被降低到0。由于以前是多个设备组成的功能被整合到单个前端设备上，整个系统的风险也被分摊到单个前端设备上，系统的可靠性大大提高。图10：CoVi公司内置了标准硬盘的DMM-1100网络视频编码器图11：可以同时支持内部、外部多种固态存储器的网络摄像机2.5.2RIAD存储模式是非常保险的备份方式。在不间断运行的大型网络视频监控系统中，由于视频文件动则以TB海量计算，高昂的存储成本使用户被迫选择不安全的简单存储。如果前端设备具备一些智能事件逻辑判断能力，从而可以降低通过网络回传的数据，这样我们就有足够的预算对这些确实是事件触发的视频录像进行保险的RIAD备份了。比如PELCO的存储设备率先支持RAID6，允许一个硬件的两个阵列中，各自同时可以有2块硬盘损坏，系统不会发生数据丢失。现有监控系统24小时录像中，许多是没有车辆或者人员活动的无用数据，只有极少画面需要我们真正事后检索。将其他设备干结点输出，声音、温度、压力等物理量，网络和串口信号，数字图像运动检测等信息统一采集，并且采用配置不高的硬件也能够处理的精简算法，对这些事件之间的关系进行评估和统计判断，是我们能够按需获得关键数据的主要途径。AXIS、MOBOTIX、PELCO、NICE、SONY、OV等厂商的设备已经做了很有益的技术积累，使得我们可以对那些真正有价值的图像进行可靠存储，或者对保存较长时间以后的录像自动进行降帧处理，延长存储时间，同时节约存储成本。将不同类型数据分类存储也是一个稳妥的办法。在严重的大型社会治安事件和自然灾害中，可能出现前端设备和中心存储设备同时受损的情况，导致事件发生前的历史数据无法查询，这时我们需要依靠尽可能多的途径获得历史数据的备份。少数厂商的网络摄像机甚至能够将实时录像、报警抓拍录像、事件抓拍邮件，分别传送到不同的服务器和异地网络存储器，甚至执勤人员的手机上，这种三份以上的备份机制，可靠程度甚至已经远远超过了以前的模拟系统！三、视频监控系统的发展3.1视频监控系统的发展方向前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。3.1.1数字化数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。3.1.2网络化视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念。四、家庭远程视频监控无缝连接运营方案实现为众多家庭用户提供远程IP寻址，让家庭用户无需再关心IP地址或域名，随时随地的实现简单视频监控。一需求概述随着宽带网络的普及和发展，架设在宽带网络上的视频监控系统正以前所未有的速度在发展，尤其是近些年来的廉价宽带进入家庭，家庭视频监控正在成为监控行业的一个新领域。这一进程给视频监控发展带来了新的机遇，但同时宽带网络动态