項(xiàng) 威，李富年，余興勝，閆俊鋒，林俊平

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3.華中科技大學(xué) 土木與水利學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

橋梁在我國的交通事業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，近年來，隨著橋梁的數(shù)量不斷增加，使用年限增長，越來越多的橋梁開始進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段。隨著傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段由于方式單一、實(shí)時性差等缺點(diǎn)正面臨被淘汰，現(xiàn)代化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控是很重要的輔助監(jiān)測手段。一個良好的視頻監(jiān)測系統(tǒng)不僅能有效反映橋梁的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，還可以為圖像處理、智能監(jiān)測等提供有效素材。由于現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在兼容性差、需要安裝特定的插件、不方便用戶操作等問題，所以本文通過研究國標(biāo)GB28181 協(xié)議，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套全平臺無插件的橋梁視頻監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)圖像清晰、延遲低、性能良好，符合橋梁監(jiān)測的需求。

1 贛江特大橋監(jiān)測系統(tǒng)視頻監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)

1.1 視頻監(jiān)測功能需求

贛州贛江特大橋位于贛江支流章江、貢江兩江匯合口下游1.9 km 處，全長2.156 km，主跨長300 m，主跨塔底以上索塔全高120.6 m，是國內(nèi)首座時速350 km 的大跨度高速鐵路斜拉橋。為了保證贛江特大橋的安全運(yùn)行，需要搭建一個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，主要體現(xiàn)在：一是可使管理員直觀地查看橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，方便管理員視頻監(jiān)控處理；二是能夠采集視頻圖像數(shù)據(jù)，通過圖像智能算法來計(jì)算軌道位移，從而推斷橋梁的安全狀況。

1.2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁視頻監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 橋梁視頻監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要包含5 大組件：IPC（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）、NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)）、流媒體服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及Web 服務(wù)器，主要功能如下：

1）網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，又叫IP 攝像機(jī)，即支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的攝像機(jī)。安裝在橋梁相應(yīng)的監(jiān)控位置上，對橋梁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，是視頻信息采集的主要部件。

2）網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)，簡稱NVR，是監(jiān)控系統(tǒng)視頻信息的存儲轉(zhuǎn)發(fā)部分。由IPC 采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼壓縮后存儲在NVR 上，NVR 對這些視頻進(jìn)行統(tǒng)一存儲和管理。

3）流媒體服務(wù)器，通過GB28181 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)協(xié)議與IPC 和NVR 進(jìn)行交互，獲得其中的視頻、音頻等數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行解碼、編碼、打包，并以RTP/RTSP 協(xié)議將媒體文件推送給Web 服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要用于提供數(shù)據(jù)訪問的服務(wù)，以及存儲人員、設(shè)備、報警等信息。

5）Web 服務(wù)器，主要用來人機(jī)交互。用戶通過瀏覽器和手機(jī)APP 訪問Web 服務(wù)器，可以對橋梁監(jiān)控實(shí)時視頻和歷史視頻進(jìn)行查看，同時還可以對攝像頭等設(shè)備信息進(jìn)行管理。

2 基于GB28181 的流媒體服務(wù)器

2.1 GB28181 標(biāo)準(zhǔn)

GB28181 標(biāo)準(zhǔn)是由公安部科技信息化局提出，由全國安全防范報警系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC100）歸口，公安部一所等多家單位共同起草的一部國家標(biāo)準(zhǔn)。與國際上流行的ONVIF 等協(xié)議相比，GB28181 協(xié)議更安全、覆蓋面更廣。GB28181 發(fā)布后得到了國內(nèi)諸多廠商如?？低?、大華等公司的響應(yīng)。國內(nèi)的廠商基本都支持GB28181 協(xié)議，因此開發(fā)GB28181 協(xié)議的視頻流服務(wù)器有明顯優(yōu)勢。

2.2 基于GB28181 協(xié)議的流媒體服務(wù)器架構(gòu)

基于GB28181 協(xié)議的流媒體服務(wù)器整體架構(gòu)圖如圖2 所示。該流媒體服務(wù)器主要包含信令服務(wù)器、媒體解析器、媒體播放器、媒體編碼器、會話管理器以及播放管理器。

圖2 流媒體服務(wù)器整體架構(gòu)圖

1）信令服務(wù)器。信令服務(wù)器主要通過SIP 協(xié)議提供信令服務(wù)，主要功能包括注冊、心跳?；?、目錄查詢、實(shí)時視頻點(diǎn)播、錄像回放/下載、報警事件上報、網(wǎng)絡(luò)校時、事件訂閱等。

2）媒體解析器。由于SIP 信令中攜帶著重要的SDP 消息體，媒體解析器的主要功能就是對SIP 信令進(jìn)行解析，獲得SDP 消息體中的信息。

3）媒體播放器。其主要是根據(jù)媒體解析器中解析出來的信息確定編解碼方式，然后根據(jù)編解碼方式打包媒體數(shù)據(jù)，放入播放隊(duì)列。

4）媒體編碼器。GB28181 協(xié)議所規(guī)定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有H.264、SVAC 和MPEG?4 三種標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用的是H.264。H.264 編碼效率突出，可節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a率，滿足低帶寬等復(fù)雜條件下音視頻傳輸?shù)男枨蟆?/p>

5）會話管理器。其主要作用是管理媒體會話組和信令會話組。它會對媒體會話組和信令會話組定期進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)存在已完成的會話，則對已完成的會話進(jìn)行刪除。

6）媒體服務(wù)控制器。媒體服務(wù)控制器的主要功能是在項(xiàng)目的初始化階段根據(jù)配置文件對信令服務(wù)器、媒體解析器、媒體播放器、媒體解析器進(jìn)行初始化。

2.3 GB28181 流媒體實(shí)時點(diǎn)播流程分析

根據(jù)GB28181 規(guī)定，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息傳輸、交換、控制時，應(yīng)遵循所規(guī)定的通信協(xié)議，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在進(jìn)行視音頻傳輸及控制時應(yīng)建立兩個傳輸通道：會話通道和媒體流通道。會話通道主要通過會話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）在設(shè)備之間建立會話并傳輸系統(tǒng)控制命令；媒體流通道用于傳輸視音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮編碼的視音頻流流媒體協(xié)議RTP/RTCP 傳輸。GB28181 標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了視頻流播放的具體流程，如圖3 所示。

圖3 GB28181 中實(shí)時媒體流點(diǎn)播流程

在點(diǎn)播流程中應(yīng)包含四方會話，即媒體流接收者、SIP 服務(wù)器、媒體服務(wù)器和媒體流發(fā)送者。媒體流接收者是指客戶端發(fā)送Invite 請求給SIP 服務(wù)器，SIP 服務(wù)器將該請求轉(zhuǎn)發(fā)給媒體服務(wù)器，媒體服務(wù)器收到請求后給SIP 服務(wù)器回復(fù)200 OK，同時將該請求發(fā)送給媒體流發(fā)送者即IPC。IPC 在通知媒體服務(wù)器準(zhǔn)備接收實(shí)時媒體流后，通過Invite 請求中的地址開始將實(shí)時媒體流發(fā)送給體服務(wù)器，媒體服務(wù)器在通知客戶端后開始發(fā)送，客戶端就可以接收實(shí)時的流媒體數(shù)據(jù)。

2.4 GB28181 流媒體實(shí)時點(diǎn)播具體實(shí)現(xiàn)

GB28181 中流媒體實(shí)時點(diǎn)播具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

1）客戶端發(fā)送Invite 請求

客戶端向SIP 服務(wù)器發(fā)送Invite 請求，請求流媒體服務(wù)器返回攜帶SDP 消息體，消息體中描述了媒體服務(wù)器接受媒體流的IP、端口、媒體格式等內(nèi)容。

至此，流媒體服務(wù)器從IPC 獲取實(shí)時媒體流已完成。

2.5 使用FFmpeg 進(jìn)行推流

FFmpeg 是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻和視頻，并能通過采用LGPL 或GPL 許可證將其轉(zhuǎn)化為流的開源計(jì)算機(jī)程序。它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案。流媒體服務(wù)器通過上述方法獲得流媒體數(shù)據(jù)后，需要通過FFmpeg 工具推送出去。其推流命令為：

實(shí)時媒體流通過VLC 播放器進(jìn)行測試，效果如圖4所示。

圖4 GB28181 中實(shí)時媒體流點(diǎn)播效果圖

3 贛江特大橋監(jiān)測系統(tǒng)效果演示

3.1 實(shí)時視頻流

為了更好地展示橋梁的視頻監(jiān)控信息，本系統(tǒng)使用SVG 技術(shù)繪制橋梁的二維模型圖，并在對應(yīng)位置標(biāo)注橋梁網(wǎng)絡(luò)攝像頭的位置，通過點(diǎn)擊攝像頭，即可查看對應(yīng)攝像頭實(shí)時監(jiān)控視頻。在視頻畫面的右方有攝像頭的云臺控制按鈕，在下方還有各個攝像頭的預(yù)警信息。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控頁面如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控頁面

3.2 圖像處理部分

通過本系統(tǒng)采集到的圖像可以利用相關(guān)圖像處理算法來計(jì)算軌道位移。采集到的圖像如圖6 所示。

圖6 監(jiān)控現(xiàn)場采集圖像

將采集到的圖像灰度化處理后，再進(jìn)行二值化處理，最后進(jìn)行邊緣檢測，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 形態(tài)學(xué)濾波邊緣檢測

利用Matlab 對采集到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，如圖8所示。圖中可以清楚地看到軌道位移數(shù)據(jù)。

圖8 橫向位移和縱向位移仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文研究GB28181 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于視頻監(jiān)控相關(guān)的協(xié)議和要求，通過詳細(xì)了解流媒體相關(guān)技術(shù)，結(jié)合用戶的具體需求，研究并設(shè)計(jì)了一套基于GB28181 標(biāo)準(zhǔn)的無插件、跨平臺的橋梁視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對橋梁進(jìn)行有效的視頻監(jiān)控，并采用相關(guān)的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)軌道位移檢測。目前文中系統(tǒng)已投入使用，效果良好，為橋梁的安全運(yùn)行提供了有效保障。