萬雪音，姜玲霞，王 萍，欒銀霞

（1.東南大學儀器科學與工程學院，南京210096；2.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022）

基于網(wǎng)絡技術的競賽圖像采集與回放系統(tǒng)設計?

萬雪音1，姜玲霞2，王 萍2，欒銀霞2

（1.東南大學儀器科學與工程學院，南京210096；2.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022）

根據(jù)大型賽事信息系統(tǒng)需求，研究基于網(wǎng)絡技術的競賽圖像采集與回放系統(tǒng)設計，構建競賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場局域網(wǎng)，采用網(wǎng)絡通信技術進行系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)，實現(xiàn)競賽圖像采集與回放。該設計方案已應用于廣州第16屆亞運會體操項目競賽信息系統(tǒng)，滿足競賽實際應用需求。

網(wǎng)絡技術；圖像；采集；回放

1 引 言

針對目前國內(nèi)外大型賽事的需要［1］，亟待采用先進的技術手段，以獲取準確和公正的競賽信息。提出了一種基于網(wǎng)絡技術的競賽圖像采集與回放系統(tǒng)設計方案，構建了競賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場局域網(wǎng)，采用.Net軟件開發(fā)技術，實現(xiàn)了競賽圖像的采集與回放。該設計方案已應用于廣州第16屆亞運會體操項目競賽信息系統(tǒng)，提供了準確公正的賽事信息，滿足競賽實際需求。該設計方案具有通用性，適用于其它競賽項目信息系統(tǒng)的需求，同時也可為其它圖像監(jiān)控應用領域提供借鑒。

2 競賽圖像采集與回放系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

競賽圖像采集與回放系統(tǒng)完成競賽圖像的實時采集、傳輸、存儲與回放功能，為裁判提供運動員動作視頻回放服務，同時也為運動員賽后申訴提供視頻依據(jù)。系統(tǒng)包括圖像采集終端、視頻存儲服務器與回放系統(tǒng)三個部分，如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡技術

（1）組網(wǎng)方式

競賽信息系統(tǒng)一般采用三層網(wǎng)絡結構方式建立通信系統(tǒng)，內(nèi)層為場館網(wǎng)，在內(nèi)部場館搭建現(xiàn)場以太網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的連接；中間層是競賽專網(wǎng)，場館現(xiàn)場網(wǎng)通過交換機可連接到競賽專用網(wǎng)絡，用于信息技術人員進行賽事信息的處理；外層為公網(wǎng)，競賽專網(wǎng)通過競賽數(shù)據(jù)中心相聯(lián)到外部公共網(wǎng)絡，與外部進行信息系統(tǒng)發(fā)布。構建合理、穩(wěn)定的網(wǎng)絡是保障競賽信息系統(tǒng)可靠運行的關鍵。

競賽圖像采集與回放系統(tǒng)現(xiàn)場網(wǎng)絡是內(nèi)層場館網(wǎng)，如圖1所示，根據(jù)競賽項目、場地的需要，搭建現(xiàn)場局域網(wǎng)，在場地安裝若干網(wǎng)絡采集終端，通過視頻存儲服務器存放競賽圖像，再根據(jù)需求進行實時回放和下載回放。

圖1 競賽圖像采集與回放系統(tǒng)總體結構圖

（2）編碼標準與傳輸協(xié)議

競賽圖像采集與回放系統(tǒng)研究的具體圖像信息對象為運動圖像即視頻，對視頻處理的手段包括采集、壓縮編碼、傳輸與解碼，設計的理論基礎包括圖像信息的編碼標準、傳輸協(xié)議等技術［2］。

設計中競賽圖像采集與壓縮采用H.264視頻編碼標準，它針對流媒體應用，具有良好的網(wǎng)絡適應性，具有高效的壓縮性能。

實時回放的關鍵技術是視頻流傳輸協(xié)議，設計中采用實時流協(xié)議RTSP（Real Time Streaming Protocol），控制實時數(shù)據(jù)的發(fā)送。使用時可以是雙向的，客戶機與服務器都可以發(fā)出請求。圖像流媒體的播放、暫停、快進、快退、停止等都依靠RTSP提供協(xié)議支持。

3 競賽圖像采集與回放工作流程

競賽系統(tǒng)圖像采集與回放系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 競賽圖像采集與回放系統(tǒng)工作流程圖

賽前圖像采集終端啟動采集后分別向視頻存儲服務器＿1、視頻存儲服務器＿2、以及高級裁判監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送圖像信息。視頻存儲服務器＿1接收到圖像信息后進行視頻預覽并開始圖像信息的存儲，在整個比賽過程中，視頻存儲服務器＿1連續(xù)存儲競賽圖像信息，直到賽后圖像采集終端停止采集為止。視頻存儲服務器＿1完成整場比賽的全程錄像，該視頻文件起備份作用，在視頻存儲服務器＿2存儲失敗的情況下，可以根據(jù)時間從視頻存儲服務器＿1存儲的視頻文件中查看動作回放信息。實時回放終端收到圖像信息后也進行視頻預覽，在整個比賽過程中，它只進行視頻預覽但不存儲。比賽開始后，視頻存儲服務器＿2受控于采集控制端，運動員上場時，采集控制端發(fā)送Go消息命令視頻存儲服務器＿2開始存儲圖像信息，動作結束后發(fā)送Stop消息命令其結束存儲并生成運動員單套動作視頻文件，該文件的文件名必須與比賽信息相關，否則查找不到。下載回放終端可以在運動員動作結束后，根據(jù)需求從視頻存儲服務器＿2上下載視頻文件進行回放。

4 圖像采集終端設計

圖像采集終端硬件設計如圖3所示，采用以DSP微處理器TMS320DM642為核心的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺，包括前端采集模塊、中央處理器模塊、存儲模塊及網(wǎng)絡傳輸模塊。

圖像采集終端軟件設計主要包括視頻信號采集模塊、編碼壓縮模塊與網(wǎng)絡傳輸模塊等。

5 視頻存儲服務器設計

5.1 設計原理

競賽圖像采集與回放系統(tǒng)中設有兩個視頻存儲服務器［3］，如圖1所示。視頻存儲服務器＿1用于存儲整段視頻文件，即存儲從圖像采集終端開啟到關閉整個時段的圖像信息；視頻存儲服務器＿2則用于存儲運動員單套動作的視頻文件，即存儲從運動員上場到動作結束期間的圖像信息。

賽前，技術人員首先開啟圖像采集終端，然后啟動服務器＿1的配置管理軟件并開啟其存儲功能，開始全程視頻存儲，最后打開服務器＿2的配置管理軟件與視頻存儲服務軟件。

比賽開始后，當運動員上場時，采集控制端向服務器＿2的視頻存儲服務軟件發(fā)送上場運動員基礎信息，包括場次、賽段、輪次、號碼、姓名等基礎信息，收到消息后視頻存儲服務軟件向配置管理軟件發(fā)送存儲指令，命令其存儲當前運動員的動作視頻信息。運動員動作結束后，采集控制端向視頻存儲服務系統(tǒng)發(fā)送動作結束消息，收到消息后系統(tǒng)向配置管理軟件發(fā)送停止存儲的指令，命令其停止當前運動員動作視頻的存儲，配置管理軟件收到指令后停止視頻存儲并根據(jù)運動員基本信息對視頻文件進行命名。這樣就完成了運動員單套動作視頻文件的接收存儲工作。

賽后，首先關閉服務器＿1的存儲功能，服務器＿1完成全程視頻文件的存儲，然后關閉服務器＿2的視頻存儲服務軟件與兩個服務器的配置管理軟件，最后關閉圖像采集終端。

5.2 軟件設計

視頻存儲服務器軟件設計，結合圖像采集終端（網(wǎng)絡攝像機）配置管理軟件與自主開發(fā)的視頻存儲服務軟件，實現(xiàn)圖像信息的采集、存儲。

網(wǎng)絡攝像機配置管理軟件，實現(xiàn)在線網(wǎng)絡攝像機的搜索與發(fā)現(xiàn)，并可以進行單個設備IP的修改以及批量設備IP的修改。軟件還具備多個通道視頻信息實時預覽、單個通道視頻全屏預覽、云臺控制、帶寬與存儲計算等功能。應用配置管理軟件對采集終端進行IP地址統(tǒng)一配置，通過云臺控制功能調節(jié)好攝像頭對準場地位置。

仲裁錄像服務軟件主要用于視頻存儲服務器＿2進行運動員單套動作視頻文件的存儲。設計中基于.Net軟件開發(fā)技術，利用WIN32的兩個API函數(shù)SetCursorPos和mouse＿event實現(xiàn)了對鼠標的點擊操作。仲裁錄像服務軟件在收到采集控制端發(fā)送的運動員上場與動作結束消息時，模擬鼠標點擊相應通道的圖像存儲按鈕，實現(xiàn)單套動作視頻文件的存儲。

6 回放系統(tǒng)設計

6.1 設計原理

回放系統(tǒng)是圖像信息采集與回放系統(tǒng)的表示層系統(tǒng)［4］，如圖1所示。回放系統(tǒng)分為實時回放模塊與下載回放模塊，其中實時回放功能只面對高級裁判，它能夠實時接收圖像采集終端采集的圖像信息并進行解碼播放；下載回放功能面對的對象包括高級裁判、難度裁判、運動員、教練員、技術人員等，它主要在運動員動作結束后完成相關視頻文件的下載回放。

在整個比賽過程中，實時回放終端只完成實時競賽圖像的接收與回放，并不進行存儲。該功能主要是為高級裁判設計的，方便其從在主席臺觀看各個場地的運動員表演情況。下載回放終端可以在運動員動作結束后從視頻存儲服務器＿2下載相應視頻文件并進行本地回放。這個功能服務的對象比較多，賽時評分有異議時，高級裁判與難度裁判可以通過相應監(jiān)控系統(tǒng)進行錄像回放，賽后運動員提出申訴時也可以通過下載回放終端查看錄像回放。

6.2 軟件設計

回放系統(tǒng)軟件設計包括實時回放模塊、下載回放模塊。

實時回放模塊軟件設計應用了配置管理軟件，利用其鏡頭預覽功能，實現(xiàn)了競賽現(xiàn)場各個場地圖像信息的接收與預覽，該軟件在被安裝在高級裁判監(jiān)控系統(tǒng)PC上時，高級裁判可以通過該軟件實時觀看到每個場地的比賽情況，若需要對某個場地加以關注，可以將相應窗口最大化。實時錄像回放系統(tǒng)主要應用于高級裁判監(jiān)控系統(tǒng)，賽時將配置管理軟件安裝在高級裁判監(jiān)控終端供裁判使用，為高級裁判提供良好的視角。

下載回放模塊軟件設計［5］，基于.Net軟件開發(fā)技術，應用Comm組件中的Windows Media Player控件進行設計。主要用在裁判評分遇到爭議的情況下，需要查看運動員動作回放錄像，另外在某一階段比賽結束后，如果運動員對裁判評分有異議提出申訴時，也需要通過查看錄像回放。

7 運行與實現(xiàn)

7.1 視頻存儲服務器運行與實現(xiàn)

視頻存儲服務器運行如圖4所示。當視頻存儲服務接收到來自第6通道對應攝像機所在場地的采集控制端發(fā)送的運動員上場信息后，模擬點擊第六通道對應的存儲按鈕，此時仲裁錄像服務軟件的錄制時間列被選中，表示正在錄制存儲。當視頻存儲服務軟件收到采集控制端發(fā)送的動作停止信息時，將模擬鼠標再次點擊存儲按鈕，停止視頻文件的存儲并根據(jù)該套動作基本信息生成視頻文件存儲到共享文件夾下。

7.2 回放系統(tǒng)運行與實現(xiàn)

回放系統(tǒng)下載回放運行界面如圖5所示，包括了比賽階段、比賽項目以及運動員號碼等競賽信息，運行界面上“303－6514.mpg”是視頻文件的名稱，303是運動員的號碼，65是項目代碼表示體操項目中的平衡木，4是賽段代碼，表示單項決賽，ACT指的是運動員的第幾套動作。

圖5 下載回放系統(tǒng)運行界面圖

8 結束語

該系統(tǒng)設計基于網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)在局域網(wǎng)環(huán)境下，競賽圖像的實時采集與回放，已應用于廣州第16屆亞運會體操項目信息系統(tǒng)，滿足競賽實際應用需求，驗證了系統(tǒng)設計方案的可行性。該方案具有通用性，適用于其他的競賽項目信息系統(tǒng)設計，同時該設計思路也可用于其他圖像監(jiān)控應用領域。

［1］趙黎.體育信息技術應用與發(fā)展［J］.北京體育大學學報，2008（2）：145－147.

［2］婁莉.圖像通信原理與技術［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［3］章民融，徐亞鋒.基于RTSP的流媒體視頻服務器的設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用與軟件，2006（7）：93－95.

［4］朱文博.流媒體傳輸技術［J］.計算機工程應用技術，2010（10）：146.

［5］楊芙清，梅宏.構件化軟件設計與實現(xiàn)［M］.北京：清華大學出版社，2008.

Design of Com petition Image Capture and Replay System Based on Network

WAN Xue－yin1，JIANG Ling－xia2，WANG Ping2，LUAN Yin－xia2
（1.College of Instrument and Meter Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

According to the demand of major games information system，the competition image capture and replay system based on network technology is researched.The local area network for the system is built，network communication technologies for system design and software development is used，and competition image capture and replay are achieved.The design scheme has been applied in the 16th Asian Games on gymnastics competition in Guangzhou and met the requirement of the competition in real applications.

Network；Image；Collection；Replay

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.025

TP31

：A

：1002－2279（2014）06－0088－05

國家體育總局體育信息中心委托項目—廣州第16屆亞運會體操競賽信息系統(tǒng)開發(fā)（2010－036）

萬雪音（1990－），女，江蘇省常州市人，碩士研究生，主研方向：圖像采集與處理技術。

2014－03－19