基於寬頻接入網的遠程視頻監控系統 [zt]

　隨著接入網的寬頻化和人們對居住環境要求的提高，遠程監控將作為接入網新業務而迅速發展起來。
　　一、前言

　　在人類社會即將進入信息化社會的今天，電信網路和計算機網路的發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路和電信網路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用戶數量及以IP為代表的數據業務呈爆炸性增長，同時出現了大量新型的業務需求，如：視頻會議、電子商務、VOD視頻點播等。這些新的業務需求對網路帶寬提出了新的要求。由於OA和DWDM技術的進步，及ATM技術、MPLS技術、Tbps級路由器的出現，為傳輸網和交換網的升級換代提供了及時的手段，帶寬的瓶頸落在了接入網上。

　　隨著基於不同傳輸媒介的不同系統及其多種方案的出現和發展，如基於雙絞線(xDSL，HomePNA)、基於數字電力線、基於無線(WLL)、基於同軸電纜(HFC、CableModem)和基於光纖(OAN)的系統，接入網寬頻化得到了空前的發展。

　　接入網寬頻化的發展，反過來又推動了新業務需求的產生和發展。遠程監控就是其中之一。

　　二、遠程監控及其圖像壓縮方式

　　遠程監控過去只有銀行金融機構、文博等企事業單位才會有此業務需求，多為基於傳統接入方式，採用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控等。

　　而現在隨著接入網的寬頻化，遠程監控對於家庭而言不再是可望不可及的一項業務，它將隨著寬頻接入網的發展而作為接入網的新業務蓬勃地發展起來，給人們帶來新的家庭感受。

　　作為遠程監控的主要監控內容，圖像因其數據量大而需重點考慮解決方案，若圖像問題解決了，則其它數據如家庭防盜、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，發展也相當迅速，經典編碼方法如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計意義上的信息分佈並不一致，引出了所謂「感知熵」理論，同時伴隨著數學理論，如小波變換等以及相關學科的深入發展，產生了現代編碼方式，又稱分析與綜合方法。基於以上兩種編碼方法，根據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是系統級的標準，它們不僅有視頻編碼，也有音頻編碼和系統層的協議內容，包含復用和同步時基等。而H.261，H.263隻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主要應用於可視電話/會議電視，H.263主要用於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解析度圖像的傳輸。與H.261/3同系列的H.262與MPEG共同作為ISO/IEC13818標準草案。該標準草案主要用於數字存儲、視頻廣播和通信。存儲媒介既可直接連至解碼器，也可通過匯流排、區域網(LAN)或電信鏈路等通信手段相連接。

　　MPEG-1標準用於數字存儲體上活動圖像及其伴音的編碼，其數碼率為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，並作為了VCD光碟的標準。

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已經為世界所承認，它是聲音和圖像信號數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)標準並非MPEG-2的替代品。它著眼於不同的應用領域，非常低的數碼率(可小於64kbps)的活動圖像編碼技術，其編碼方法基於模型的方法、形態學方法和分形方法等，有別於MPEG-1/2，容錯性極好。在數字監控系統(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的後繼者。

　　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)的聯合視頻組(JVT：jointvideoteam)開發的一個新的數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份開始草案徵集，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。但它採用「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;加強了對各種通道的適應能力，採用「網路友好」的結構和語法，有利於對誤碼和丟包的處理;應用目標範圍較寬，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，如統一的符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基於4×4塊的整數變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264演演算法具有很的高編碼效率，在相同的重建圖像質量下，能夠比H.263節約50%左右的碼率。H.264的碼流結構網路適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網路。可以說，H.264是目前壓縮率最高的視頻壓縮標準。並已在數字監控系統得到應用。


　　2.圖像壓縮的實現

　　儘管不同的廠家採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，因此圖像遠程監控採用MPEG標準具有先天的優勢。實用系統中，當網路應用環境變化比較大時，多選用容錯性最強、自適應性強的MPEG-4標準(MEPG-4Part2,MPEG-4Part10=H.264)，既可用於壓縮高畫質的圖像，又可用於壓縮低畫質的圖像。而在網路應用環境良好時(大於2Mbps)，則可用MPEG-2標準，以達到傳送高畫質圖像的目的。

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伺服器(IPEncoder)的視頻捕獲卡，進行視頻採樣、A/D轉換，將模擬視頻信號轉成數字信號。之後送入計算處理單元進行MPEG壓縮，最後將壓縮后的數字視頻信號送入網路介面，經網路傳送至遠端。詳見圖1。


圖1 視頻伺服器/IPEncoder功能框

三、遠程監控基於寬頻接入網的實現

　　1.基於ADSL/CableModem的點對點實現方式

　　基於ADSL/CableModem點對點方式的遠程監控系統結構如圖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路介面，經雙絞線與ISP機房內DSLAM數字用戶線訪問多路復用器中的ATU-C(機房端ADSL收發單元)相聯。住戶家庭若無PC機，則可採用將視頻捕獲卡與MPEG壓縮部分集成在一起，構成一視頻伺服器的方法。遠端用戶採用ADSL/CM/LAN/Modem等接入方法，接入Internet，再根據住戶ADSL下的IP地址找到家庭內的PC或視頻伺服器，提取經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。只是住戶處需將數字圖像上行至Internet，故速率將受限於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，速率將高於ADSL的最大上行速率，但HFC存在帶寬共享的問題。






圖2 ADSL方式家庭遠程控制結構

由於ADSL與CableModem根據服務提供商的不同，所提供的IP地址可能是動態的，但每次開機后IP地址將是不變的。因此遠端用戶根據這一IP地址可以找到住戶家庭內的視頻伺服器，也可由住戶家庭PC開機后固定地向遠端用戶發送告知IP地址的方法來實現互聯。若住戶PC內安裝專用安防控制軟體，通過串列口接收家庭報警主機的RS232上傳信號，可同時實現家庭安防系統的遠程監視和控制(設防/撤防等)。

　　2.基於寬頻智能小區的區域網實現方式

　　寬頻智能小區的發展，利用FTTX+LAN的方式向住戶提供了多種服務，同樣藉助於小區區域網亦可向住戶提供遠程監控的新業務。基於寬頻智能小區的區域網方式的遠程監控系統結構如圖4所示。可在小區區域網上根據用戶圖像數量設置多台視頻伺服器，與視頻矩陣經RS232介面相聯，利用CCTV控制軟體可經視頻伺服器對視頻矩陣的1000路攝像機輸入進行視頻切換，即可由視頻伺服器4個視頻輸入通路調用1000路攝像機輸入中的任意一個圖像。這樣大大擴展了可監視的圖像數量。而家庭安防系統的監控則可由區域網上的安防系統伺服器來完成。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 基於寬頻小區區域網方式的遠程監控構成

遠端用戶經Internet找到小區區域網的外部IP地址，經許可權驗證後由接入服務[器的IP內部地址綁定，找到相應的視頻伺服器，經CCTV控制軟體對視頻矩陣的1000個視頻輸入進行調用切換。

　　鑒於大多數小區視頻監控系統仍沿用傳統模擬攝像機加視頻矩陣方式，以上遠程監控系統結構也基於此系統構架。若小區使用數字視頻系統，外圍使用IPCAMERA或模擬CAMERA加IPSERVER，核心使用NVR(網路視頻錄像機)或直接使用中心控制軟體調用外圍圖象，可更方便地實現遠程監控功能。

　　3.基於企業區域網VPN的實現方式-Tyco/Video工程方案實例

　　隨著視頻技術數字的發展，企業視頻監控系統也經歷了從傳統模擬攝像機加視頻矩陣，模擬攝像機加數字視頻錄像機DVR，網路攝像機IPCAMERA(或模擬攝像機/視頻伺服器IPENCODER)加NVR網路視頻錄像機，以及最新中心管理軟體/遠程客戶端軟體直接調用控制外圍IP攝像機。具體參見下表：

              

                                                                           表


遠程監控基於企業區域網方式的實現為企業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)品牌的產品，TYCO/VIDEO能夠提供從傳統系統到最新網路視頻/遠程監控的全面解決方案。此方案使用了基於IP的網路視頻/遠程監控系統，系統框圖如圖4所示。



圖4 基於IP的網路視頻/遠程監控系統

鑒於IP攝像機在鏡頭選擇性，環境適應性，性價比等方面的問題，多數數字系統仍會選擇傳統模擬攝像機/快球與IPENCODER(單路，迴路，八路等)相配合使用。該系統中使用TYCO470固定攝像機和ULTLAVII917快球作為外圍監控設備，包括防水/防爆等不同配置以適應不同環境的要求，中心機房使用中心控制軟體，客戶端軟體，存儲管理軟體對外圍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體經WAN登錄實現遠程監控，調用圖象，快球PTZ控制。

　　四、結束語

　　相信隨著接入網的寬頻化和人們對居住環境要求的提高，遠程監控將作為接入網新業務而迅速發展起來。人們可以通過網際網路經寬頻接入網對自己家庭內的老人、小孩進行圖像情況觀察和對話，對家庭的安全防範系統進行設防、撤防等控制，極大地改變全社會人們的生活方式，使人們居住生活質量通過寬頻接入網的這一新業務得到又一次提升。

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