趙棟棟，馮永浩，張 斌

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710077)

責(zé)任編輯:任健男

對(duì)于導(dǎo)航設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)安裝在導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)的攝像機(jī)對(duì)導(dǎo)航設(shè)備及臺(tái)站內(nèi)的人員活動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)視，再通過(guò)連接的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，將監(jiān)控信息通過(guò)Internet實(shí)時(shí)的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的控制主機(jī)[1]。在信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果信息的發(fā)送方和接收方的時(shí)間不同步將使得監(jiān)控中心不能夠準(zhǔn)確地了解導(dǎo)航臺(tái)站的實(shí)際情況，極大地削弱了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能，為了實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步，筆者利用現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上常用的對(duì)時(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)了針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間同步方案，該方案能夠順利解決監(jiān)控系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間不同步的問(wèn)題。

目前，因特網(wǎng)上使用的NTP3.0協(xié)議的同步精度已達(dá)到了毫秒級(jí)，足以滿足導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間精度的要求，而正在測(cè)試的NTP4.0的同步精度還將達(dá)到微秒級(jí)。同時(shí)，NTP的應(yīng)用創(chuàng)新也不斷涌現(xiàn)，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]探討了如何將NTP應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[4]探討了NTP協(xié)議在變電站中的應(yīng)用，而本文則將NTP協(xié)議引入了網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器使得信息能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由3個(gè)部分構(gòu)成，包括采集現(xiàn)場(chǎng)、通信線路、監(jiān)控中心[5]。采集前端將被監(jiān)控的所有實(shí)時(shí)視頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器壓縮編碼后通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在監(jiān)控中心放置有大量的服務(wù)器，可以完成對(duì)視頻圖像信號(hào)的處理以及監(jiān)控錄像的存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)處理后的視頻信息在監(jiān)控屏幕上顯示，供監(jiān)控人員查看。此外，系統(tǒng)采用H.264高壓縮技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效果，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，提高播放畫(huà)質(zhì)，減少了網(wǎng)路延時(shí)。在監(jiān)控系統(tǒng)中，還含有導(dǎo)航臺(tái)站的基本信息，當(dāng)監(jiān)視到某個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以很快地聯(lián)系到該臺(tái)站的負(fù)責(zé)人，在很大程度上縮短了解決故障的時(shí)間，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)還具有一定的可擴(kuò)容性，若需要將新的導(dǎo)航臺(tái)站納入監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，則在服務(wù)器端添加相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)站的信息以及使用的監(jiān)控設(shè)備的信息即可。

1.1 采集前端

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

采集前端安裝在導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)，主要由攝像頭、云臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、錄像服務(wù)器、電話線以及雙絞線構(gòu)成，還可以配備報(bào)警設(shè)備。負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、編碼以及傳輸?shù)裙ぷ?，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器運(yùn)用嵌入式技術(shù)，包含嵌入式操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)口，將攝像頭的視頻控制線接入網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器便可通過(guò)以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng)，原始視頻信號(hào)傳到網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，經(jīng)過(guò)編碼之后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在采集前端還利用錄像服務(wù)器保存一定時(shí)間段內(nèi)的本地視頻監(jiān)控錄像資料，能夠方便地查詢、取證，為事后調(diào)查提供依據(jù)。

1.2 通信線路

通信線路指監(jiān)控信息傳輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)，NTP協(xié)議也利用通信線路傳輸NTP數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)采集前端的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和監(jiān)控中心的服務(wù)器的時(shí)間同步，通信線路主要由電話線、雙絞線、視頻電纜等組成。為了保證傳輸?shù)男畔⒌陌踩?，在通信線路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部經(jīng)過(guò)加密。

1.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的指揮和控制，是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在[6]，硬件設(shè)備包括電視墻、監(jiān)控終端、控制計(jì)算機(jī)、路由器、交換機(jī)、打印機(jī)等，監(jiān)控終端包括固定監(jiān)控終端和移動(dòng)監(jiān)控終端。在監(jiān)控中心內(nèi)，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控人員可遠(yuǎn)程任意調(diào)取導(dǎo)航臺(tái)站的服務(wù)器存儲(chǔ)的監(jiān)控圖像，并可遠(yuǎn)程發(fā)出控制指令，對(duì)錄像資料進(jìn)行檢索、回放，以及調(diào)整攝像機(jī)鏡頭的焦距、控制云臺(tái)進(jìn)行巡視等操作，既可對(duì)整個(gè)臺(tái)站的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行巡視，也可拉近鏡頭對(duì)設(shè)備的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行觀察。

2 NTP協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議是一種通過(guò)因特網(wǎng)服務(wù)于計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的同步時(shí)間協(xié)議，它提供了一種同步時(shí)間機(jī)制，使用的是可返回時(shí)間設(shè)計(jì)方案，其特點(diǎn)是:時(shí)間服務(wù)器是一種分布式子網(wǎng)，能自我組織操作，分層管理配置，經(jīng)過(guò)有線或無(wú)線方式同步邏輯時(shí)鐘達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[7]。

2.1 NTP的拓?fù)鋱D

NTP的同步拓?fù)鋱D如圖2所示，每個(gè)時(shí)間服務(wù)器都有一個(gè)變量用于指示其在拓?fù)鋱D中的層次，其中，A1和A2為頂層時(shí)間服務(wù)器，通過(guò)廣播、衛(wèi)星等手段與UTC時(shí)間進(jìn)行同步。B1和B2為第二層的時(shí)間服務(wù)器，可選擇某個(gè)頂層服務(wù)器作為時(shí)間源，并通過(guò)NTP協(xié)議與選定的時(shí)間源進(jìn)行同步。其他則為客戶機(jī)，客戶機(jī)可選定一個(gè)或多個(gè)的上層服務(wù)器進(jìn)行同步。NTP的可靠性就在于時(shí)間獲取路徑的多樣性。但是，隨著離頂層服務(wù)器距離的增加，同步精度也會(huì)隨之增大[8]。

圖2 NTP協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 NTP協(xié)議工作原理

NTP協(xié)議采用客戶、服務(wù)器模式，客戶機(jī)和服務(wù)器的通信采用UDP協(xié)議，端口為123，服務(wù)器A向客戶機(jī)B授時(shí)的原理如圖3所示。

圖3 NTP工作原理示意圖

時(shí)間同步過(guò)程包括以下5個(gè)步驟:

1)B生成一個(gè)NTP數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至A，包中記錄了發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)刻T1;

2)A收到該數(shù)據(jù)包后，記錄當(dāng)前收到包的時(shí)刻T2，其中θ是A和B的時(shí)間偏移

3)A產(chǎn)生一個(gè)回復(fù)的NTP包，包中包含有T1，T2，T3共3個(gè)時(shí)間戳，其中T3是服務(wù)器B產(chǎn)生并發(fā)送NTP包的時(shí)刻;

4)B接收到A返回的NTP包，記錄收到包的時(shí)刻T4

5)主機(jī)B計(jì)算NTP消息來(lái)回一個(gè)周期的時(shí)延M=(T4-T1)-(T3-T2)，M=M1+M2，M1即為請(qǐng)求信息在網(wǎng)上傳播的時(shí)間，M2為回復(fù)信息在網(wǎng)上傳播的時(shí)間，并計(jì)算NTP時(shí)間偏移θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，在經(jīng)過(guò)和多個(gè)服務(wù)器時(shí)間同步過(guò)程后，便可通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均篩選出最合理的，并以這個(gè)最合理的時(shí)間偏移來(lái)修正客戶機(jī)的時(shí)間。

2.3 NTP體系結(jié)構(gòu)

NTP的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖4，多個(gè)不同的時(shí)間服務(wù)器從不同路徑提供時(shí)間服務(wù)，鑒相器則對(duì)本機(jī)時(shí)間和來(lái)自時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間進(jìn)行比較，得出偏移數(shù)據(jù)，將其送入時(shí)間過(guò)濾算法，通過(guò)時(shí)間過(guò)濾算法選擇其中最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)，之后，再由時(shí)間組合算法對(duì)選定的時(shí)間偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，所得的結(jié)果可認(rèn)為是本地時(shí)間與頂層服務(wù)器時(shí)間的偏移。而相位/頻率偏移則可計(jì)算出相位偏移和頻率偏移，并對(duì)時(shí)間和振蕩器的控制電壓進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)反復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程，使得本地時(shí)間和選定的時(shí)間源達(dá)到同步[9]。

圖4 NTP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

2.4 NTP協(xié)議的應(yīng)用

當(dāng)采集前端的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器想要通過(guò)NTP協(xié)議與機(jī)場(chǎng)監(jiān)控中心的主服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)時(shí)，選擇以監(jiān)控中心的服務(wù)器作為時(shí)間源，監(jiān)控中心的時(shí)間既可通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)得到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，也可繼續(xù)向上層服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境以及所要求的時(shí)間同步的精度等指標(biāo)來(lái)確定進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的周期是多少，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間精度要求比較高[10]，可以每日進(jìn)行一次時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

筆者選用了Microsoft Visual C++6.0軟件運(yùn)行C程序來(lái)對(duì)本設(shè)計(jì)中的NTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5模擬的是作為請(qǐng)求同步的客戶機(jī)，圖6模擬的是作為時(shí)間源的服務(wù)器。

圖5中第一行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”，表示客戶端已經(jīng)成功發(fā)送了申請(qǐng)時(shí)間同步的NTP數(shù)據(jù)包，并在該數(shù)據(jù)包中加上了當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)刻，而圖6的第一行顯示的是“接收到數(shù)據(jù)”，表示服務(wù)器已經(jīng)成功接收來(lái)自客戶機(jī)的數(shù)據(jù)包。服務(wù)器再對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，圖6中第三行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”表示服務(wù)器已經(jīng)成功發(fā)送給客戶機(jī)一個(gè)經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)包，圖5中第二行“接收到數(shù)據(jù)”表示客戶機(jī)已經(jīng)成功接收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，客戶機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包上的時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算處理后便可得出時(shí)間差，即時(shí)間偏移數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)多次的時(shí)間同步過(guò)程后，便可通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均選出最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)客戶機(jī)的當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行修正。

4 結(jié)論

對(duì)于導(dǎo)航設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)彌補(bǔ)了單純的信號(hào)監(jiān)控的不足，能夠從外部對(duì)臺(tái)站的整體情況進(jìn)行監(jiān)視，有利于在導(dǎo)航設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，迅速全面地了解故障原因，將監(jiān)控系統(tǒng)連接Internet進(jìn)行信息的傳輸，增加了信息傳輸?shù)木嚯x以及安全性。此外，在解決時(shí)間同步的問(wèn)題時(shí)，還可利用網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合NTP協(xié)議設(shè)計(jì)了時(shí)間同步方案，該方案經(jīng)濟(jì)有效，設(shè)計(jì)合理。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，現(xiàn)有NTP3.0的毫秒級(jí)的精度已滿足導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間精度的要求。

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