基于嵌入式技术的网络视频监控系统

 
清华同方视讯公司 袁野
一、视频监控系统的发展历程

　　视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统，基于PC插卡的数字监控系统，基于嵌入式技术的网络数字监控系统等发展过程。

1. 本地模拟信号监控系统

　　本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，利用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机；远距离图象传输采用模拟光纤，利用光端机进行视频的传输。

　　传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性：首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感；其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大; 另外，有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质（如录像带），查询取证时十分烦琐。

2. 基于PC插卡的数字监控系统

　　基于PC机的远程图像监控系统由PC机插视频卡构成，在监控现场，有若干个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到监控终端机上，该终端可以是一台PC机，也可以是专用的工业机箱。

　　基于PC的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性不好，视频前端(如CCD等视频信号的采集、压缩、通讯)较为复杂，可靠性不高，PC机也需专人治理，非凡是在环境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。

3. 基于嵌入式技术的网络数字监控系统

　　基于嵌入技术的监控系统不需处理模拟视频信号的PC，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成ip数字信号。嵌入式视频编码器具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络治理，使得监控范围达到前所未有的广度。除了编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像服务器等独立的硬件模块，它们可单独安装，不同厂家设备可实现互连。

　　数字化视频监控的优点是克服了模拟闭路电视监控的局限性：首先，数字化视频可以在计算机网络(局域网或广域网)上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性；其次，数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；另外，数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。

　　基于嵌入式设备的监控系统的优点是：由于这种系统的硬件是一个同处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于治理、维护。

二、基于嵌入式系统的监控应用

　　在基于嵌入式系统的监控应用结构中，前端采用模拟摄像机，通过网络视频编码器，将模拟视频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络协议的视频流或采用一体化的网络摄像机，在视频监控的前端完成网络化、数字化，视频流通过网络进行传输，发送到视频需求者。视频的使用者可利用软件进行解码，在PC机上进行显示和处理，也可通过硬件解码，解出模拟视频信号输出到监视器，利用键盘进行控制，利用分布在网络上的服务器或其他类型的网络存储设备根据需要进行录像，利用网管系统代替视频矩阵。由于没有监控中心的概念，任何授权的用户都可根据权限进行视频监控、录像。



三、新一代网络视频监控系统的核心技术

1. 视频压缩技术

　　a. 静止图像压缩技术：JPEG，M-JPEG，小波变换wavelet等其运用帧内处理技术，所以静止图像较清楚。小波变换是基于结构的压缩方法，处理较轻易，可获得比JPEG更大的压缩。但对连续运动图像，文件占用的带宽和硬盘都很大。

　　b. 运动图像压缩技术：MPEG-1，MPEG-2，H.263，MPEG-4

　　颁布于1993年的MPEG-1和1994年的MPEG-2是ISO的运动图像专家组（MPEG）的第一阶段解决方案，除了沿用帧内技术，首次采用了PB帧的帧间技术，从而获得了比静止图像压缩技术更大的压缩。但由于是基于结构的压缩技术，算法固定，采用专用硬件，随着软硬件技术的发展，不能扩展更多基于内容的算法。另外其网络传输码率要求较高，否则需要缓存，不能适应传输速率不等的各种网络的一致访问，容错性差。

　　基于以上原因，国际电联于1998年颁布H.263甚低比特率视频编解码标准，该标准除了沿用JPEG静止图像压缩标准的帧内技术、MPEG-1、MPEG-2动态图像压缩标准的帧间技术外，还采用了以下4种先进技术：1）无限制的运用运动矢量模式；2）基于语法的算术编码模式；3）先进的猜测模式；4）PB帧模式（猜测图，内插图）。它是一种可扩展的算法，针对网络传输速率处于变化的状态，解决了易错网络的容错性。


　　MPEG于1998年制定了第二阶段解码方案MPEG-4，其开放的编码系统，可随时扩展丰富的基于内容的编码算法，采用了包括小波变换等多种变换，可获得更小的硬盘空间，更高的清楚度。非凡是其对象分离的控制，交互性、重用性更强，基于内容的分级扩展，保证了同时在低高带宽下的最佳画面质量。

2. 嵌入式实时操作系统（RTOS）

　　目前很多监控系统采用 Windows操作系统，因为Windows提供大量的图形界面，有各种外部设备及应用程序，所以系统的开发就轻易很多。但Windows系统庞大复杂，占用CPU资源大，外围硬件较为复杂，稳定性、可靠性不如 RTOS系统。为监控专门设计的嵌入式实时操作系统的特点在于系统简单，去掉了与监控无关的功能，减少了出问题的几率。由于开发者把握源代码，可随时解决硬件冲突及优化系统。

四、小结

　　随着计算机技术及网络技术的迅猛发展，世界掀起一股强大的数字化、网络化浪潮，对于公安、安防行业的发展，必须经历模拟数字混合的阶段，但是最终的趋势必然是全面数字化，即视频在前端进行数字化、网络化，采用嵌入式网络摄像机，利用网络进行传输，采用分布式存储系统，模块化结构，完成视频监控任务。