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        軌道交通視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

        2017-05-18 15:20:36趙軍鋒李上高曉軍杜慶偉
        科技視界 2016年19期
        關(guān)鍵詞:視頻監(jiān)控模塊化軌道交通

        趙軍鋒 李上 高曉軍 杜慶偉

        [摘要]軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控子系統(tǒng)(CCTV)對于軌道交通的安全運(yùn)行具有非常重要的作用,首先介紹了視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的總體架構(gòu)和軟、硬件體系結(jié)構(gòu),然后重點(diǎn)介紹了其實(shí)時監(jiān)控模塊的工作原理,特別是訂閱,發(fā)布機(jī)制,該機(jī)制可以有效地避免重復(fù)訂閱所導(dǎo)致的冗余視頻流?;谟嗛?,發(fā)布機(jī)制,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了序列監(jiān)控的功能。最后,針對性能的不足,系統(tǒng)分別對視頻頭處理、視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)葯C(jī)制進(jìn)行了分析和優(yōu)化,取得了良好的效果。

        [關(guān)鍵詞]軌道交通;視頻監(jiān)控;訂閱發(fā)布;模塊化;序列監(jiān)控

        城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)是行車組織和客運(yùn)組織重要的輔助設(shè)備,是保證運(yùn)輸安全、應(yīng)對緊急事態(tài)的重要手段,是軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。對此,研究開發(fā)了不少的視頻監(jiān)控系統(tǒng)或解決方案,如文獻(xiàn)等。本司正在開發(fā)有軌電車綜合調(diào)度與控制系統(tǒng)(TICC),因為應(yīng)用背景和要求不同,所以對視頻監(jiān)控進(jìn)行了重點(diǎn)投入,實(shí)現(xiàn)了一套適應(yīng)于大規(guī)模攝像頭環(huán)境下的高性能視頻監(jiān)控系統(tǒng),并對系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)加以闡述,

        1軌道交通的總體架構(gòu)

        文獻(xiàn)指出,數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)中的重要網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,應(yīng)以數(shù)字化、綜合化和智能化為基礎(chǔ)。為此,CCTV子系統(tǒng)采用了有軌電車綜合調(diào)度與控制系統(tǒng)的布局,分為三級控制,如圖l所示。其中實(shí)線是主要的控制,數(shù)據(jù)通路,而虛線是輔助通路。

        這種架構(gòu)考慮了整個結(jié)構(gòu)的清晰性,三級層次分明:但是考慮到部分操作如果通過控制中心端系統(tǒng)來進(jìn)行中轉(zhuǎn),則降低了系統(tǒng)的效率,所以部分控制命令是由客戶端直接對車站端系統(tǒng)進(jìn)行操縱的。

        1.1系統(tǒng)的硬件體系架構(gòu)

        根據(jù)總體架構(gòu)的思想,系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

        在車站監(jiān)控一級,設(shè)置一臺工控機(jī),通過高性能交換機(jī)與車站各設(shè)備相連,包括數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、NVR等。其中攝像頭具有字符疊加功能,能將攝像機(jī)的日期和時間等信息進(jìn)行疊加。不同于文獻(xiàn),本系統(tǒng)全部采用了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的傳輸,即采用了網(wǎng)絡(luò)攝像頭,通過TCP/IP協(xié)議直接進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。NVR負(fù)責(zé)讀取攝像頭的視頻數(shù)據(jù)形成歷史視頻,在規(guī)定的時間,備份到控制中心。

        在控制中心,設(shè)置高性能服務(wù)器若干,進(jìn)行整個監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理(包括事件數(shù)據(jù)接收、事件分析和處理等)??刂浦行男枰哂写笕萘看疟P控制器保存歷史視頻文件信息(稱為視頻數(shù)據(jù)庫服務(wù)器),需要有實(shí)時數(shù)據(jù)庫支持關(guān)鍵數(shù)據(jù)的處理,還要有歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行事件等的備份。以上數(shù)據(jù)庫服務(wù)器下文統(tǒng)一稱為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

        其中實(shí)時數(shù)據(jù)庫又稱為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,是開發(fā)實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時采集等功能的支撐軟件,可以獲取企業(yè)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)化為對各類業(yè)務(wù)有效的公共信息,滿足對實(shí)時信息完整性、一致性、安全共享的需求,可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和優(yōu)化控制。實(shí)時數(shù)據(jù)庫在CCTV子系統(tǒng)中同樣起著重要的作用,例如,將部分運(yùn)行參數(shù)、攝像頭的訂閱情況等信息備份在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)系統(tǒng)啟動,恢復(fù)時,可以及時快速地獲取相關(guān)參數(shù),加快啟動/恢復(fù)過程。

        客戶端由普通的PC組成,可以和控制中心,甚至車站端進(jìn)行交互。

        由于本系統(tǒng)采用專網(wǎng),所以暫不考慮安全問題,沒有設(shè)置網(wǎng)絡(luò)防火墻等安全設(shè)備。

        1.2系統(tǒng)的軟件體系架構(gòu)

        系統(tǒng)采用分層、模塊化設(shè)計思想,采用C/S架構(gòu),遵循以下原則:

        1)兩層控制:客戶端、控制中心層協(xié)調(diào)運(yùn)作,為操作員提供高性能的視頻監(jiān)控功能。

        2)標(biāo)準(zhǔn)l生原則:平臺采用TCP/IP、NTP等通用協(xié)議。

        3)控制信令與媒體數(shù)據(jù)分離原則:便于提高控制信令和媒體的處理能力。

        4)低耦合性的設(shè)計原則,各個模塊獨(dú)立性盡可能高,可以有效提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

        其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示:

        1)基礎(chǔ)/硬件平臺:提供最基礎(chǔ)的軟件平臺/硬件驅(qū)動程序,是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

        2)接口A:系統(tǒng)通過接口A為軟件平臺服務(wù)組件提供網(wǎng)絡(luò),硬件等的接入服務(wù)。

        3)軟件支撐平臺:將自主開發(fā)的基礎(chǔ)性軟件模塊進(jìn)行歸納,形成軟件支撐平臺,包括數(shù)據(jù)庫、通信平臺等底層軟件平臺,以及文件傳送、權(quán)限管理、告警管理等應(yīng)用支撐軟件平臺。

        4)接口B:通過接口B為上層業(yè)務(wù)提供支持,實(shí)現(xiàn)性軟件模塊與系統(tǒng)應(yīng)用的有機(jī)整合。

        5)系統(tǒng)應(yīng)用:由多個處理具體應(yīng)用邏輯的模塊組成,之間保持相互獨(dú)立。

        6)人機(jī)界面:所有的應(yīng)用通過人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層次上的集成,形成一個完整的系統(tǒng)。

        2實(shí)時視頻數(shù)據(jù)采集的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

        2.1訂閱,分發(fā)模型的定義

        實(shí)時視頻監(jiān)控是CCTV子系統(tǒng)的核心。軌道交通環(huán)境下,視頻監(jiān)控有著不同的特點(diǎn):

        1)攝像頭密度大,數(shù)量眾多。這對整個視頻監(jiān)控提出了很高的性能要求。

        2)視頻數(shù)據(jù)與其它監(jiān)控數(shù)據(jù)通過同一個城域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,如果視頻流數(shù)據(jù)太多,很容易對其他監(jiān)控數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響。

        以上特點(diǎn)要求系統(tǒng)必須精心設(shè)計。

        實(shí)時性的聯(lián)機(jī)服務(wù)要求,實(shí)時視頻監(jiān)控必須以信息流的方式把實(shí)時采集的視頻數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇蛻舳说牟シ沤缑?。?dāng)前攝像頭廠商提供的例程往往采用直連模式,即將播放屏幕和攝像頭進(jìn)行關(guān)聯(lián),直接播放視頻。但是這種方式極易造成信息流的冗余,浪費(fèi)帶寬。假設(shè)n個用戶同時監(jiān)控相同的m個攝像頭,那么就需要m×n個視頻信息流同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸,冗余度為n,極大的浪費(fèi)了帶寬。為此系統(tǒng)采用了訂閱/分發(fā)模型,形成視頻分發(fā)矩陣,來降低視頻數(shù)據(jù)的冗余度。

        定義1:視頻分發(fā)矩陣,是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),保存了視頻流與客戶播放屏幕的對應(yīng)關(guān)系。

        定義2:訂閱,分發(fā)模型定義了一種一對多的依賴關(guān)系,基于中介讓多個訂閱者同時監(jiān)聽某一個實(shí)時視頻對象。當(dāng)視頻對象產(chǎn)生新數(shù)據(jù),介會通知所有訂閱者對象接收新的視頻數(shù)據(jù)。

        系統(tǒng)中,由服務(wù)器承擔(dān)中介的角色,對客戶端的訂閱請求進(jìn)行監(jiān)聽,實(shí)時更改訂閱信息。流程見圖4。

        通過訂閱,分發(fā)模型可以將這視頻產(chǎn)生者和視頻消費(fèi)者封裝在獨(dú)立的對象中,它們可以各自獨(dú)立地改變和復(fù)用。訂閱/分發(fā)模型所做的工作其實(shí)就是解耦合。這樣,通過中介的一次中轉(zhuǎn),使得長距離視頻數(shù)據(jù)的傳輸只需要一個副本,可以大大降低視頻數(shù)據(jù)的冗余度,降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的負(fù)載。

        在內(nèi)存以及實(shí)時數(shù)據(jù)庫中,保存了所有視頻攝像頭的信息(classgc_DataLIst),作為全局信息,提供服務(wù)。其中包括了相關(guān)的訂閱者信息,以及對應(yīng)的視頻頭信息。

        2.2訂閱,分發(fā)模型的實(shí)現(xiàn)

        圖3中,如果要登錄攝像頭,需要將一個回調(diào)函數(shù)注冊給指定的攝像頭,一旦登錄完成,攝像頭便利用此函數(shù)向系統(tǒng)返回視頻頭,視頻,系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行相關(guān)的處理。

        void CALLBACK PsDataCallBack(LONG 1RealHandle,DWORDdwDataType,BYTE*pPacketBuffer,DWORD nPacketSize,void*pUser)

        其中,1RealHandle是登錄攝像頭后給出的句柄,用于判斷是哪一個攝像頭發(fā)過來的數(shù)據(jù)。

        dwDataType是攝像頭給出的數(shù)據(jù)類型,分為兩類信息,第一類是關(guān)鍵的視頻頭信息(dwDataType==NET DVR SYSHEAD),第二類是視頻本身數(shù)據(jù)。

        由于視頻頭對于播放視頻來說至關(guān)重要,不能丟失,因此把視頻頭作為控制命令,利用TCP協(xié)議返回給訂閱者。特別的,對于第一個訂閱用戶,系統(tǒng)還無法在登錄攝像頭時立即獲得視頻頭,必須等待攝像頭返回其視頻頭。此后才能發(fā)給客戶端。一般來說,只有第一個訂閱者請求訂閱的時候才需要,但是考慮到并發(fā)性,必須對分發(fā)矩陣中所有訂閱該攝像頭的訂閱者進(jìn)行返回。

        視頻本身數(shù)據(jù),丟掉若干幀,影響不大,所以可以采用效率高的UDP協(xié)議??紤]到不同子系統(tǒng)(如環(huán)控、電力子系統(tǒng)等)和本子系統(tǒng)是獨(dú)立的,以及實(shí)現(xiàn)的簡單性,所以沒有采用RTP協(xié)議。

        在刪除用戶的時候,必須進(jìn)行上鎖,否則會導(dǎo)致視頻分發(fā)過程中,訪問已經(jīng)銷毀、不存在的用戶節(jié)點(diǎn),進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

        服務(wù)器端在處理完畢視頻訂閱(包括相應(yīng)的登錄過程)后,就可以接收到攝像頭發(fā)送的視頻數(shù)據(jù),并進(jìn)行后續(xù)的視頻分發(fā)過程,如圖5所示。

        3序列監(jiān)控

        有了訂閱和發(fā)布機(jī)制,序列監(jiān)控就很容易實(shí)現(xiàn)了,系統(tǒng)在客戶端定義了一個線程進(jìn)行序列監(jiān)控,每秒鐘執(zhí)行下面算法一次。for(每個播放屏幕)

        {

        當(dāng)前攝像頭的播放時間++:

        if(當(dāng)前攝像頭的播放時間==當(dāng)前攝像頭的規(guī)定播放時間),//這個攝像頭播放時間已結(jié)束

        {

        Cancel_order(當(dāng)前攝像頭);

        當(dāng)前攝像頭的播放時間=0:

        if(當(dāng)前攝像頭是序列中的最后一個攝像頭)

        當(dāng)前攝像頭=序列中的第一個攝像頭:

        else

        當(dāng)前攝像頭=序列中的下一個攝像頭:

        Order(當(dāng)前攝像頭):

        }}

        4性能的優(yōu)化

        4.1視頻頭的處理

        在上面的實(shí)現(xiàn)中,發(fā)現(xiàn)視頻經(jīng)常延遲很久才能播放,甚至產(chǎn)生卡住的現(xiàn)象,分析認(rèn)為,可能是因為采用TCP傳輸視頻頭,導(dǎo)致視頻頭到達(dá)客戶端遲緩過大所造成的。為此,系統(tǒng)進(jìn)行了針對視頻頭的優(yōu)化過程。

        優(yōu)化后的系統(tǒng)將視頻頭事先保存入歷史數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)系統(tǒng)啟動時,讀人每個攝像頭的視頻頭信息到實(shí)時數(shù)據(jù)庫,當(dāng)某個客戶的一個屏幕訂閱一個攝像頭時,先去實(shí)時數(shù)據(jù)庫中獲得視頻頭,放人播放屏幕,客戶端就可以不用接收從控制中心服務(wù)器發(fā)來的視頻頭信息了,然后再去進(jìn)行訂閱,

        這樣的處理,視頻頭的獲取模式,由控制中心查找視頻頭信息發(fā)給客戶端,轉(zhuǎn)變成為客戶端主動去拉取視頻頭信息,極大地減少了視頻頭的等待時間,同時改變了先有視頻數(shù)據(jù),后有視頻頭的不正常順序。運(yùn)行表明此項優(yōu)化取得了良好的效果,后續(xù)的視頻數(shù)據(jù)不再產(chǎn)生卡住的現(xiàn)象,播放也快多了。

        4.2播放性能的優(yōu)化

        實(shí)現(xiàn)后的系統(tǒng),每秒鐘只有幾幀圖片,視頻很不連貫。在客戶端改為多線程機(jī)制進(jìn)行處理依然效果不佳。為此,系統(tǒng)進(jìn)行了代碼的分析和優(yōu)化。

        未優(yōu)化的處理,每當(dāng)一個視頻數(shù)據(jù)到來,控制中心程序都是到gc DataLIst類中去遍歷一遍,查找到攝像頭后,再找到訂閱者列表,將該視頻數(shù)據(jù)列表中的各個客戶端。而客戶端則在自己的內(nèi)存中遍歷一個列表,找到播放屏幕號后,再把視頻數(shù)據(jù)填入該屏幕。兩邊的遍歷過程,降低了系統(tǒng)的處理性能,甚至導(dǎo)致UDP數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟失。

        為此,系統(tǒng)在客戶端和控制中心服務(wù)器端分別設(shè)置了—個Hash表,在控制中心以攝像頭句柄為Hash值,在客戶端以攝像頭編號為Hash值,省略了兩端的遍歷過程。該優(yōu)化取得了良好的效果,視頻非常流暢。

        4.3負(fù)載均衡

        未優(yōu)化前,在控制中心,只采用了一個UDP對象來進(jìn)行傳輸,考慮到控制中心擔(dān)負(fù)著很重的負(fù)載,如果只通過一個UDP對象發(fā)送,可能會導(dǎo)致該UDP對象的緩存很快消耗完,為此,在控制中心設(shè)置了n(可以設(shè)置)個UDP對象,根據(jù)(攝像頭編號mod n)來確定使用哪一個UDP對象進(jìn)行傳輸。實(shí)現(xiàn)了簡單的負(fù)載均衡。

        在大規(guī)模驗證環(huán)境下,系統(tǒng)沒有表現(xiàn)出視頻卡、頓的情況,表現(xiàn)依然流暢。

        5結(jié)束語

        介紹了視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的總體架構(gòu),分為三個層次,分別是車站端系統(tǒng)、監(jiān)控中心端系統(tǒng)和客戶端系統(tǒng)?;诳傮w架構(gòu),規(guī)劃了系統(tǒng)的軟、硬件體系架構(gòu),然后重點(diǎn)介紹了視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中重要的模塊——實(shí)時監(jiān)控模塊的工作原理,特別是其所采用的訂閱,分發(fā)機(jī)制,該機(jī)制可以有效地避免重復(fù)訂閱所導(dǎo)致的冗余視頻流?;谟嗛?架構(gòu)機(jī)制,視頻監(jiān)控子系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了序列監(jiān)控的功能。最后,針對初步實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)所表現(xiàn)出的性能不足,系統(tǒng)分別對視頻頭處理、視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)葯C(jī)制進(jìn)行了分析和優(yōu)化,取得了良好的效果。

        [責(zé)任編輯:王偉平]

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