基于寬帶接入網(wǎng)的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

    一、前言

    在人類社會即將進入信息化社會的今天，電信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的發(fā)展極大地改變著全社會人們的生活方式，而人們生活方式的改變又反過來對計算機網(wǎng)絡和電信網(wǎng)絡的服務能力提出了更高的要求。

    自九十年代起，隨著Internet的興起和個人計算機的普及，Internet用戶數(shù)量及以IP為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務呈爆炸性增長，同時出現(xiàn)了大量新型的業(yè)務需求，如：視頻會議、電子商務、VOD視頻點播等。這些新的業(yè)務需求對網(wǎng)絡帶寬提出了新的要求。由于OA和DWDM技術的進步，及ATM技術、MPLS技術、Tbps級路由器的出現(xiàn)，為傳輸網(wǎng)和交換網(wǎng)的升級換代提供了及時的手段，帶寬的瓶頸落在了接入網(wǎng)上。

    隨著基于不同傳輸媒介的不同系統(tǒng)及其多種方案的出現(xiàn)和發(fā)展，如基于雙絞線(xDSL，HomePNA)、基于數(shù)字電力線、基于無線(WLL)、基于同軸電纜(HFC、CableModem)和基于光纖(OAN)的系統(tǒng)，接入網(wǎng)寬帶化得到了空前的發(fā)展。

    接入網(wǎng)寬帶化的發(fā)展，反過來又推動了新業(yè)務需求的產(chǎn)生和發(fā)展。遠程監(jiān)控就是其中之一。

    二、遠程監(jiān)控及其圖像壓縮方式

    遠程監(jiān)控過去只有銀行金融機構、文博等企事業(yè)單位才會有此業(yè)務需求，多為基于傳統(tǒng)接入方式，采用DDN，V.90Modem，ISDN等接入方式，在銀行金融機構及電信營運商的通信機房進行機房的遠程集中監(jiān)控等。

    而現(xiàn)在隨著接入網(wǎng)的寬帶化，遠程監(jiān)控對于家庭而言不再是可望不可及的一項業(yè)務，它將隨著寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展而作為接入網(wǎng)的新業(yè)務蓬勃地發(fā)展起來，給人們帶來新的家庭感受。

    作為遠程監(jiān)控的主要監(jiān)控內(nèi)容，圖像因其數(shù)據(jù)量大而需重點考慮解決方案，若圖像問題解決了，則其它數(shù)據(jù)如家庭防盜、出入人員記錄等的問題也將迎刃而解。

    1、圖像壓縮方式

    目前，圖像壓縮編碼方法繁多，發(fā)展也相當迅速，經(jīng)典編碼方法如Huffman編碼、算術編碼、預測編碼、變換域編碼等。考慮到人的視覺感知特點與統(tǒng)計意義上的信息分布并不一致，引出了所謂“感知熵”理論，同時伴隨著數(shù)學理論，如小波變換等以及相關學科的深入發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代編碼方式，又稱分析與綜合方法�；�于以上兩種編碼方法，根據(jù)不同應用目的而制定的各種圖像壓縮編碼的國際標準相繼被推出。

    歸納起來，主要有H.261、H.263、H.264建議，JPEG標準以及MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標準等。MPEG標準尚有MPEG－7、MPEG－21等。MPEG-1/2/4是系統(tǒng)級的標準，它們不僅有視頻編碼，也有音頻編碼和系統(tǒng)層的協(xié)議內(nèi)容，包含復用和同步時基等。而H.261，H.263只是一個視頻編碼標準，必須與其它相關的國際標準和建議相配套。

    H.261主要應用于可視電話/會議電視，H.263主要用于模擬電話線上的可視電話/電視會議，而JPEG主要針對高解析度靜止圖像傳輸和低分辨率圖像的傳輸。與H.261/3同系列的H.262與MPEG共同作為ISO/IEC13818標準草案。該標準草案主要用于數(shù)字存儲、視頻廣播和通信。存儲媒介既可直接連至解碼器，也可通過總線、局域網(wǎng)(LAN)或電信鏈路等通信手段相連接。

    MPEG-1標準用于數(shù)字存儲體上活動圖像及其伴音的編碼，其數(shù)碼率為1.5Mbps。MPEG-1在H.261基礎上做了重大改進，以滿足隨機存取和高壓縮比的要求，其圖像掃描格式為SIF(SourceInputFormat)格式，并作為了VCD光盤的標準。

    MPEG-2的標題名為“活動圖像及相關聲音信息的通用編碼”，可理解為在MPEG-1基礎上的進一步擴展和改進。目前，MPEG-2已經(jīng)為世界所承認，它是聲音和圖像信號數(shù)字化的基礎標準得到廣泛的應用。引入了“可分級性(Scalability)”概念實現(xiàn)分級視頻壓縮編碼。包括主級ITU－RBT.601/D1格式,HDTV級高級寬屏/窄屏格式等。

    1998年通過的MPEG-4(ISO/IEC14496)標準并非MPEG-2的替代品。它著眼于不同的應用領域，非常低的數(shù)碼率(可小于64kbps)的活動圖像編碼技術，其編碼方法基于模型的方法、形態(tài)學方法和分形方法等，有別于MPEG-1/2，容錯性極好。在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)（DVR等）中得到了大量的應用。

    作為新一代多媒體編碼技術的H.264，是MPEG4/H.263的后繼者。

    H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（JVT：jointvideoteam）開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份開始草案征集，1999年9月，完成第一個草案，2001年5月制定了其測試模式TML-8，2002年6月的JVT第5次會議通過了H.264的FCD板,2003年3月正式定稿。

    H.264和以前的標準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設計，不用眾多的選項，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適應能力，采用“網(wǎng)絡友好”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應用目標范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲）場合的需求；它的基本系統(tǒng)是開放的，使用無需版權。

    在技術上，H.264標準中有多個閃光之處，如統(tǒng)一的符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很的高編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50％左右的碼率。H.264的碼流結構網(wǎng)絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網(wǎng)絡。可以說，H.264是目前壓縮率最高的視頻壓縮標準。并已在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)得到應用。

    2、圖像壓縮的實現(xiàn)

    盡管不同的廠家采用了不同的圖像壓縮編碼方式，但從以上的分析可知，MPEG標準是針對活動圖像的專用通用編碼，因此圖像遠程監(jiān)控采用MPEG標準具有先天的優(yōu)勢。實用系統(tǒng)中，當網(wǎng)絡應用環(huán)境變化比較大時，多選用容錯性最強、自適應性強的MPEG－4標準（MEPG-4Part2,MPEG-4Part10=H.264），既可用于壓縮高畫質(zhì)的圖像，又可用于壓縮低畫質(zhì)的圖像。而在網(wǎng)絡應用環(huán)境良好時（大于2Mbps），則可用MPEG－2標準，以達到傳送高畫質(zhì)圖像的目的。

    具體作為圖像壓縮的解決方案，CCD攝像機輸出的模擬視頻信號送入視頻服務器(IPEncoder)的視頻捕獲卡，進行視頻采樣、A/D轉(zhuǎn)換，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。之后送入計算處理單元進行MPEG壓縮，最后將壓縮后的數(shù)字視頻信號送入網(wǎng)絡接口，經(jīng)網(wǎng)絡傳送至遠端。詳見圖1。

圖1 視頻服務器/IP Encoder功能框圖

　三、遠程監(jiān)控基于寬帶接入網(wǎng)的實現(xiàn)

    1、基于ADSL/CableModem的點對點實現(xiàn)方式

    基于ADSL/CableModem點對點方式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。住戶家庭若有PC機，則在PC上增加一視頻捕獲卡，可接入1-4路模擬攝像信號。而ADSL用戶傳輸單元ATU-R可充當視頻處理的網(wǎng)絡接口，經(jīng)雙絞線與ISP機房內(nèi)DSLAM數(shù)字用戶線訪問多路復用器中的ATU-C（機房端ADSL收發(fā)單元）相聯(lián)。住戶家庭若無PC機，則可采用將視頻捕獲卡與MPEG壓縮部分集成在一起，構成一視頻服務器的方法。遠端用戶采用ADSL/CM/LAN/Modem等接入方法，接入Internet，再根據(jù)住戶ADSL下的IP地址找到家庭內(nèi)的PC或視頻服務器，提取經(jīng)MPEG壓縮的圖像信號，對家中老人、小孩、病人進行圖像觀察和語言交流。只是住戶處需將數(shù)字圖像上行至Internet，故速率將受限于ADSL的上行速率（64k-640kbps）。通過CableModem工作時，情況基本相同，只是ATU-R換成CableModem，DSLAM換為CMTS，而且HFC圖像上行速率最大可達1.5Mbps，速率將高于ADSL的最大上行速率，但HFC存在帶寬共享的問題。

圖2 ADSL方式家庭遠程控制構圖

    由于ADSL與CableModem根據(jù)服務提供商的不同，所提供的IP地址可能是動態(tài)的，但每次開機后IP地址將是不變的。因此遠端用戶根據(jù)這一IP地址可以找到住戶家庭內(nèi)的視頻服務器，也可由住戶家庭PC開機后固定地向遠端用戶發(fā)送告知IP地址的方法來實現(xiàn)互聯(lián)。若住戶PC內(nèi)安裝專用安防控制軟件，通過串行口接收家庭報警主機的RS232上傳信號，可同時實現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和控制(設防/撤防等)。

 2、基于寬帶智能小區(qū)的局域網(wǎng)實現(xiàn)方式

    寬帶智能小區(qū)的發(fā)展，利用FTTX+LAN的方式向住戶提供了多種服務，同樣借助于小區(qū)局域網(wǎng)亦可向住戶提供遠程監(jiān)控的新業(yè)務�；�于寬帶智能小區(qū)的局域網(wǎng)方式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖4所示�？稍谛�區(qū)局域網(wǎng)上根據(jù)用戶圖像數(shù)量設置多臺視頻服務器，與視頻矩陣經(jīng)RS232接口相聯(lián)，利用CCTV控制軟件可經(jīng)視頻服務器對視頻矩陣的1000路攝像機輸入進行視頻切換，即可由視頻服務器4個視頻輸入通路調(diào)用1000路攝像機輸入中的任意一個圖像。這樣大大擴展了可監(jiān)視的圖像數(shù)量。而家庭安防系統(tǒng)的監(jiān)控則可由局域網(wǎng)上的安防系統(tǒng)服務器來完成。當然，同時亦允許通過住戶自身PC機來完成單獨的視頻圖像輸入和家庭安防情況的上傳。

圖3 基于寬帶小區(qū)局域網(wǎng)方式的遠程監(jiān)控構成

    遠端用戶經(jīng)Internet找到小區(qū)局域網(wǎng)的外部IP地址，經(jīng)權限驗證后由接入服務器的IP內(nèi)部地址綁定，找到相應的視頻服務器，經(jīng)CCTV控制軟件對視頻矩陣的1000個視頻輸入進行調(diào)用切換。

    鑒于大多數(shù)小區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)仍沿用傳統(tǒng)模擬攝像機加視頻矩陣方式，以上遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構也基于此系統(tǒng)構架。若小區(qū)使用數(shù)字視頻系統(tǒng)，外圍使用IPCAMERA或模擬CAMERA加IPSERVER，核心使用NVR（網(wǎng)絡視頻錄像機）或直接使用中心控制軟件調(diào)用外圍圖象，可更方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

    3、基于企業(yè)局域網(wǎng)VPN的實現(xiàn)方式－Tyco/Video工程方案實例

    隨著視頻技術數(shù)字的發(fā)展，企業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)模擬攝像機加視頻矩陣，模擬攝像機加數(shù)字視頻錄像機DVR，網(wǎng)絡攝像機IPCAMERA（或模擬攝像機/視頻服務器IPENCODER）加NVR網(wǎng)絡視頻錄像機，以及最新中心管理軟件/遠程客戶端軟件直接調(diào)用控制外圍IP攝像機。具體參見下表：

表1 參數(shù)表

    遠程監(jiān)控基于企業(yè)局域網(wǎng)方式的實現(xiàn)為企業(yè)的一些實際問題提供了解決方案。下面以某工程方案為例進行分析。

    此工程方案中使用了美國TYCO公司旗下TYCO/VIDEO（原美國動力AD,AMERICA,DYMATIC）品牌的產(chǎn)品，TYCO/VIDEO能夠提供從傳統(tǒng)系統(tǒng)到最新網(wǎng)絡視頻／遠程監(jiān)控的全面解決方案。此方案使用了基于IP的網(wǎng)絡視頻／遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 基于IP的網(wǎng)絡視頻／遠程監(jiān)控系統(tǒng)

    鑒于IP攝像機在鏡頭選擇性，環(huán)境適應性，性價比等方面的問題，多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)仍會選擇傳統(tǒng)模擬攝像機／快球與IPENCODER（單路，回路，八路等）相配合使用。該系統(tǒng)中使用TYCO470固定攝像機和ULTLAVII917快球作為外圍監(jiān)控設備，包括防水／防爆等不同配置以適應不同環(huán)境的要求，中心機房使用中心控制軟件，客戶端軟件，存儲管理軟件對外圍CAMERA圖象進行切換控制，存儲管理，而遠端用戶則使用客戶端軟件經(jīng)WAN登錄實現(xiàn)遠程監(jiān)控，調(diào)用圖象，快球PTZ控制。

    四、結束語

    相信隨著接入網(wǎng)的寬帶化和人們對居住環(huán)境要求的提高，遠程監(jiān)控將作為接入網(wǎng)新業(yè)務而迅速發(fā)展起來。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)寬帶接入網(wǎng)對自己家庭內(nèi)的老人、小孩進行圖像情況觀察和對話，對家庭的安全防范系統(tǒng)進行設防、撤防等控制，極大地改變?nèi)�社會人們的生活方式，使人們居住生活質(zhì)量通過寬帶接入網(wǎng)的這一新業(yè)務得到又一次提升。