□任傳遠(yuǎn) □孫中勝

(黃河水利委員會(huì)信息中心)

在水利方面，目前我們面臨著洪澇災(zāi)害頻繁、水資源短缺突出、水土流失嚴(yán)重、水污染尚未得到有效控制等四大水問題，其中洪澇災(zāi)害一直是中華民族的心腹之患。所以防汛工作是河流治理工作的重中之重，特別是重點(diǎn)防洪河段和重要大中型水利工程一旦出事，將會(huì)造成極其嚴(yán)重的影響，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。

對(duì)河流進(jìn)行視頻監(jiān)控是一種預(yù)防洪水危害的直接手段，傳統(tǒng)的監(jiān)控手段分為有線和無線兩種。有線方式的視頻監(jiān)控受到地域的限制和傳輸線纜距離的限制，不能隨意設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)。無線方式的視頻監(jiān)控雖可以擺脫地域的限制，卻由于通信技術(shù)、設(shè)備及通信成本等因素也受到制約。傳統(tǒng)監(jiān)控手段由于通信技術(shù)、靈活性差、實(shí)時(shí)性差等因素的限制，已經(jīng)不能滿足防汛的要求。而本文研究的3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)河流進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，并且監(jiān)控地點(diǎn)可以根據(jù)需要布置，也可以在移動(dòng)中進(jìn)行監(jiān)控，不受地域、時(shí)間的限制，是一種有效靈活的防汛方式。

3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻采集端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控端組成。視頻采集端包括：視頻采集單元、視頻編碼器、無線傳輸單元、云臺(tái)控制單元組成。監(jiān)控端包括：視頻服務(wù)器、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端。

圖1 3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

視頻采集端把現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像采集后再通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控；控制端的各種指令經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)至視頻采集端，遠(yuǎn)程操控。

圖2 網(wǎng)絡(luò)示意圖

一、系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)具有包括汛情視頻監(jiān)視、防護(hù)監(jiān)視和告警、錄像和畫面捕捉以及監(jiān)視系統(tǒng)管理等功能。監(jiān)視內(nèi)容包括河道汛情圖像、監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。

（一）汛情視頻監(jiān)視

采用網(wǎng)絡(luò)視頻壓縮傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)汛情的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視是本系統(tǒng)的主要功能。為了能夠準(zhǔn)確甄別河道的水流狀況，系統(tǒng)需要配置高清晰度的攝像終端，畫質(zhì)達(dá)到DVD效果。用戶能夠靈活地控制云臺(tái)，使攝像終端能水平、垂直地拍攝畫面；還能夠控制攝像機(jī)變焦、聚焦、光圈，達(dá)到需要的拍攝效果。

（二）錄像和畫面捕捉

錄像功能可以對(duì)視頻監(jiān)視信息進(jìn)行錄像存儲(chǔ)，作為歷史資料保存。錄像功能的啟動(dòng)可以采用人工、定時(shí)、自動(dòng)（事件觸發(fā)）等方式。

畫面捕捉功能可以在視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視時(shí)，根據(jù)需要隨時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的畫面捕捉下來，便于細(xì)致觀察和保存。

（三）監(jiān)視系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是指整個(gè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的管理、控制和維護(hù)。包括：視頻管理、監(jiān)視站點(diǎn)管理、設(shè)備管理、用戶管理、多級(jí)權(quán)限控制、圖像參數(shù)控制、錄像控制、系統(tǒng)維護(hù)等。

二、系統(tǒng)組成

3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻采集單元、無線傳輸單元、視頻編碼單元、云臺(tái)控制部分、視頻服務(wù)器、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端等部分組成。

圖3 視頻采集端組成示意圖

（一）視頻采集單元

視頻采集單元即彩色監(jiān)視攝像機(jī)，采用CCD成像原理，將現(xiàn)場(chǎng)畫面轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)。

（二）視頻信號(hào)傳輸單元

視頻信號(hào)傳輸單元用于把攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)傳送到視頻編碼模塊，對(duì)原視頻流進(jìn)行壓縮編碼，而后通過3G無線傳輸模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送至視頻監(jiān)控中心服務(wù)器。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中必須提供穩(wěn)定可靠的TCP/IP連接，使得視頻流通過互聯(lián)網(wǎng)時(shí)的各項(xiàng)傳輸指標(biāo)滿足要求；前端設(shè)備和管理平臺(tái)采用雙向連接技術(shù)，任何一端都可以主動(dòng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接；采用CHAP認(rèn)證和DES加密技術(shù)，保證各種數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳輸?shù)陌踩浴?/p>

（三）視頻編碼單元

視頻編碼單元即視頻編碼器，用來把模擬視頻信號(hào)變換成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以傳輸?shù)臄?shù)字壓縮視頻流。視頻編碼器還接受遠(yuǎn)程監(jiān)視終端發(fā)送的云臺(tái)控制數(shù)據(jù)，并根據(jù)云臺(tái)控制數(shù)據(jù)，按所用的云臺(tái)控制協(xié)議轉(zhuǎn)換成云臺(tái)控制指令，采用串行通信方式，將云臺(tái)控制指令發(fā)送到云臺(tái)解碼器。

（四）云臺(tái)控制部分

云臺(tái)控制部分由云臺(tái)控制解碼器、云臺(tái)組成。云臺(tái)控制解碼器通過串行接口同視頻編碼器通信，接受云臺(tái)控制指令。根據(jù)收到的云臺(tái)控制指令，云臺(tái)解碼器采取相應(yīng)的控制動(dòng)作，通過云臺(tái)控制接口控制云臺(tái)做出相應(yīng)動(dòng)作。云臺(tái)解碼器通過控制電路接口控制云臺(tái)和攝像機(jī)及攝像鏡頭。

（五）視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器完成整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的管理、控制、維護(hù)?？梢詫?shí)現(xiàn)用戶管理、站點(diǎn)管理、攝像機(jī)管理、參數(shù)配置、權(quán)限控制、系統(tǒng)維護(hù)等功能。視頻服務(wù)器支持分布式管理并具有視頻轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（六）視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端

視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端是用來實(shí)現(xiàn)視頻回放。視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳送的是壓縮視頻流，為了實(shí)現(xiàn)視頻回放，視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端必須具有視頻解碼功能。視頻解碼可以采用軟件和硬件解碼兩種方式，推薦采用硬件解碼方式。

視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視終端軟件是監(jiān)視人員與視頻監(jiān)視系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，操作人員可以利用監(jiān)視終端選擇監(jiān)視點(diǎn)、控制云臺(tái)和攝像機(jī)等。

三、技術(shù)方案

（一）圖像壓縮技術(shù)方案

圖像壓縮編碼技術(shù)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像信號(hào)的數(shù)字化在制作、復(fù)制、存儲(chǔ)、傳輸、發(fā)射等方面具有一系列優(yōu)點(diǎn)。然而數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)量卻相當(dāng)龐大，所以就必須對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮。常用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)有MPEG1、MPEG2、H.261、H.263、MPEG4、H.264。

H.264是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在國(guó)際電信聯(lián)盟ITU組織集合H.263+和Mpeg4的優(yōu)點(diǎn)聯(lián)合推出的最新標(biāo)準(zhǔn)，最具價(jià)值的部分無疑是更高的數(shù)據(jù)壓縮比。在近幾年的視頻應(yīng)用中，H.264協(xié)議的壓縮技術(shù)也得到越來越多的應(yīng)用。在同等的圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比能比當(dāng)前DVD系統(tǒng)中使用的MPEG-2高2~3倍，比MPEG-4高1.5~2倍。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264比H.263節(jié)約50%左右的碼率。正因?yàn)槿绱耍?jīng)過H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì)。在MPEG-4需要6Mbps的傳輸速率匹配時(shí)，H.264只需要3Mbps~4Mbps的傳輸速率。因其更高的壓縮比、更好的IP和無線網(wǎng)絡(luò)信道的適應(yīng)性，在數(shù)字視頻通信和存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

H.264具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道中的視頻傳輸，所以系統(tǒng)選定采用H.264編碼壓縮格式的產(chǎn)品。

（二）系統(tǒng)管理方案

采用視頻服務(wù)器集中管理的模式，可以管理多路視頻采集點(diǎn)的設(shè)備及視頻信息。在控制中心安裝了監(jiān)控軟件的工作站上，用戶可以隨意選擇瀏覽、切換各個(gè)采集點(diǎn)的圖像；并可以遠(yuǎn)程對(duì)采集點(diǎn)視頻進(jìn)行鏡頭控制（焦距、光圈），對(duì)云臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（上、下、左、右）。在工作站上可以進(jìn)行用戶管理、畫面控制、視頻的存儲(chǔ)、檢索及回放、畫面捕捉等操作。

（三）通信傳輸方案

無線通信有多種接入方式，除了LMDS(本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)系統(tǒng))和3.5GHZ固定無線接入外，傳統(tǒng)的接入方式還有2.4GHZ、5.8GHZ的無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)商用的最先進(jìn)的無線接入技術(shù)就是3G移動(dòng)通信技術(shù)，相比傳統(tǒng)的無線接入方式，具有覆蓋范圍廣、高帶寬、高保密性、非視距傳輸、支持高速移動(dòng)、支持終端漫游切換等優(yōu)勢(shì)。廣泛應(yīng)用于電力、水利、油田、煤等行業(yè)。國(guó)內(nèi)的3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋也日益全面，技術(shù)也逐漸成熟。

（四）供電方案

由于監(jiān)控點(diǎn)都在戶外，并且會(huì)在移動(dòng)中進(jìn)行圖像采集，所以本系統(tǒng)采用UPS電源，在無市電的情況下為視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，保證設(shè)備正常運(yùn)行48h以上；在有市電時(shí)，通過UPS電源對(duì)監(jiān)控設(shè)備供電，并對(duì)蓄電池組充電。