網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)性能測(cè)試及優(yōu)化

1、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的組成部分， 它是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)。 視頻監(jiān)控以 其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及圖像 處理、 傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控制技術(shù)也有長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 多媒體技 術(shù)、數(shù)字壓縮技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)范圍實(shí)時(shí)監(jiān)控、 錄入回放， 被捕捉的圖像存儲(chǔ)在硬盤上， 還可以根據(jù)報(bào)警信號(hào)的發(fā)生自動(dòng)的實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)情 況，事后， 從系統(tǒng)數(shù)據(jù)中查詢相應(yīng)的資料，并通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)視頻系 統(tǒng)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 底層通訊協(xié)議，即可在局域網(wǎng)也可在廣域網(wǎng)上進(jìn)行通訊

2、，充分發(fā)揮 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，利用 IP 技術(shù)、數(shù)字化傳輸、數(shù)字化存儲(chǔ)及圖像處理等計(jì)算機(jī)技 術(shù)通過(guò)LAN/WAN實(shí)現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。本文著重點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控客戶端軟件設(shè)計(jì)。 首先， 介紹了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展、 特 點(diǎn)及其應(yīng)用。 然后，主要介紹網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控客戶端軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程和系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與功能。 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)主要包括：1. 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成部分及原理。2. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能： 攝像機(jī)畫面顯示與管理功能； 系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)容顯示及聲音控制功能； 云臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制功能；鏡頭控制功能。3. 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展4. 家庭遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控案例最后，對(duì)全文做出工作總結(jié)和展望， 總結(jié)出該客戶端

3、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得的成果和需要改進(jìn)的 地方。、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求三部分1.1 視頻模擬處理部分視頻模擬處理部分包括攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、解碼器、畫面分割器、視頻切換矩陣、鍵盤、 監(jiān)視器、長(zhǎng)延時(shí)錄象機(jī)等傳統(tǒng)閉路電視監(jiān)控設(shè)備。視頻鏡頭包括帶云臺(tái)控制的鏡頭和不帶云臺(tái)的固定鏡頭。鏡頭的伸縮、 拉長(zhǎng)和云臺(tái)的移動(dòng)由解碼器控制。 畫面分割器主要起著視頻轉(zhuǎn)換作用， 它可以將對(duì)多個(gè)攝象機(jī)送來(lái)的視頻信號(hào)進(jìn) 行特定形式的組合，重新形成一路視頻信號(hào)送出去。當(dāng)然也可以將錄象機(jī)的視頻信號(hào)回放。 視頻切換矩陣主要實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的分配與全矩陣切換功能 . 采用差分放大使得視頻干擾降低到 最小程度 .另外 ,它還通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)云

4、臺(tái)和鏡頭的控制。也可以直接采用計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行控制 ,其控制的速度達(dá)到毫秒級(jí) .切換板提供了 16*5 視頻切換矩陣和擴(kuò)展的接口。通過(guò)切 換板之間簡(jiǎn)單的并聯(lián)就可以很方便的擴(kuò)展輸入輸出路數(shù) , 擴(kuò)展后也不影響開關(guān)的控制速度。 切換矩陣的輸入也可以直接與攝像機(jī)的輸出相連 , 切換板的輸出可以直接與監(jiān)視器相連。視 頻信號(hào)不經(jīng)調(diào)制 , 直接進(jìn)行切換 , 使得工程安裝更加快捷方便。 視頻切換矩陣是采用可以進(jìn)行 二次開發(fā)功能的矩陣。1.2 通信部分模擬部分提供了 RS-485 的通信接口 ,這是與解碼器的接口 ,它具有通信速度高 , 抗干擾能力 強(qiáng)的特點(diǎn)。通信板上設(shè)有硬件發(fā)送和接收緩沖區(qū)可以保證通信線路

5、上數(shù)據(jù)的可靠性 , 不會(huì)因 為擁擠而丟失數(shù)據(jù) .高速的通信速度 ,合理的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)及高效率的編碼方式 , 使得單一一條 總線上可以并入多個(gè)系統(tǒng) , 而不至于通信線路顯得過(guò)分擁擠。由于總線上只限于控制指令的 傳輸，所以對(duì)線路的要求不高。因此 , 采用這種簡(jiǎn)便易行的串行總線結(jié)構(gòu)是最為現(xiàn)實(shí)可行的 方法。視頻切換矩陣內(nèi)帶一個(gè)轉(zhuǎn)換卡，它將RS-485轉(zhuǎn)換為RS-232，從而為計(jì)算機(jī)進(jìn)一步通過(guò)切換矩陣控制解碼器創(chuàng)造條件。、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件特點(diǎn)（一）、部件和設(shè)備的穩(wěn)定性成像、編碼、傳輸、存儲(chǔ)的核心設(shè)備，防護(hù)和供電等輔助部件，是IP 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。部件的設(shè)計(jì)思路，很大程度上體現(xiàn)了系統(tǒng)的市場(chǎng)

6、定位，以及應(yīng)用場(chǎng)合。1.1.1 IPC （網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）的硬件架構(gòu)IPC 的硬件構(gòu)成一般包括鏡頭、圖像傳感器、聲音傳感器、信號(hào)處理器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、編碼芯片、主控芯片、 網(wǎng)絡(luò)及控制接口等部分組成。 光線通過(guò)鏡頭進(jìn)入傳感器，然后轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)由內(nèi)置的信號(hào)處理器進(jìn)行處理， 處理后的數(shù)字信號(hào)由編碼壓縮芯片進(jìn)行編碼壓縮， 最 后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。目前有不少 IP 攝像機(jī)是采用模擬攝像機(jī) +網(wǎng)絡(luò)視頻編碼模塊的形式來(lái)完成 IP 傳輸?shù)葢?yīng)用， 原因就是模擬攝像機(jī)足夠成熟， 外加便宜的網(wǎng)絡(luò)視頻編解模塊或者直接外接網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼 器（DVS，可以得到同原有模擬信號(hào)差不多的畫質(zhì)，也能夠?qū)崿F(xiàn)全I(xiàn)P

7、的傳輸和管理模式。下圖為一 IPC 攝像機(jī)特性圖 :11 舊OPLuxBLCHLCS SNR 111日應(yīng)轉(zhuǎn)換(ICR)SSDR隱私進(jìn)檔$«a&示玖電壓««« «&«jn RS-485 DIS1.1.2 直接數(shù)字處理在這些IP產(chǎn)品中，有的采用了 CCDSensor +圖像DS卉編碼板的方式，直接輸出IP數(shù)據(jù)包， 其中傳統(tǒng)的模擬輸出信號(hào)不再是重點(diǎn)，只是一個(gè)兼容目前模擬系統(tǒng)的權(quán)宜之計(jì)。或者，采用參數(shù)水平日益提高、成本更低廉的CMOSe nsor +編碼板方式，以更簡(jiǎn)潔的方式得到數(shù)字視頻信號(hào)，進(jìn)行壓縮和傳輸。長(zhǎng)遠(yuǎn)的看，直接進(jìn)行

8、全程數(shù)字信號(hào)處理傳輸?shù)姆绞侥軌虻玫絺鹘y(tǒng)模擬系統(tǒng)無(wú)法企及的圖像分辨率水平。同軸電纜是 IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)中圖像清晰度提高的瓶頸，最多支持到500線電視分辨率，而 CCD和CMOSTE開始達(dá)到1 5百萬(wàn)像素級(jí)別。1.1.3精簡(jiǎn)，減少連接環(huán)節(jié)另外，從模擬攝像機(jī)到網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，從網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器到模擬監(jiān)視器電視墻，轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)越多，系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)健性越差。所以，采用數(shù)字圖像傳感器直接輸出數(shù)字圖像信號(hào)到編碼器主板，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送，是一個(gè)比較穩(wěn)妥和先進(jìn)方式。（二）、硬件功耗和軟件能效攝像機(jī)加編碼器的方案， 前端系統(tǒng)功耗一般在 815W網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)則可以控制在 38瓦。 更低的功耗，不管對(duì)用戶還是對(duì)集成商都是好事

9、。輔助電源供應(yīng)，系統(tǒng)散熱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的耗電量，除了環(huán)保，也更多是成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮。對(duì)于主要依靠空氣傳導(dǎo)散熱方式的IP 網(wǎng)絡(luò)視頻前端設(shè)備，可降低功耗，減少器件發(fā)熱量，是保障長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并減少器 件老化的最主要手段。2.2.1 功耗設(shè)計(jì)和核心器件選擇對(duì)于圖像傳感器，究竟采用CCD還是CMOS這個(gè)問(wèn)題的考慮可以用簡(jiǎn)單的辦法來(lái)分析：成本，圖像品質(zhì)，功耗。當(dāng)然，CMOS的功耗更低，也能夠在足夠便宜的價(jià)格上實(shí)現(xiàn)更高像素的圖像采集，如果配合足夠好的圖像處理算法，也能夠得到不比CCD差的圖像效果，但是，也有大廠堅(jiān)持在自己的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)中采用CCD這對(duì)掌握了核心CCD生產(chǎn)技術(shù)的大廠商來(lái)說(shuō)不是一個(gè)問(wèn)題

10、。對(duì)于編碼器壓縮芯片，ASIC的特點(diǎn)是可以將標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法和系統(tǒng)集成在一個(gè)專用IC chip上，而不需要集成商花費(fèi)過(guò)多的研發(fā)精力。 對(duì)于高清 H.264 這樣的高負(fù)荷運(yùn)算時(shí)， 可靠性和 運(yùn)算效能（速度）會(huì)比較高，但是同時(shí)存在芯片研發(fā)周期較長(zhǎng)，集成商自主發(fā)揮的余地小等 缺點(diǎn)，如果要實(shí)現(xiàn)一些自己的算法，可能需要增加一個(gè) CPU富有靈活性是DSP的主要特點(diǎn)，功能改進(jìn)和產(chǎn)品換代都可以做得比較容易。已經(jīng)有一些廠商借助TI 的 Davinci 方案定制出支持車牌識(shí)別、 面部識(shí)別、 人體跟蹤快球等特殊功能的編碼器或者網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)， 單從硬件上 講，芯片廠商提供的單芯片系統(tǒng)解決方案和技術(shù)支持確實(shí)有助于幫助終端設(shè)備

11、廠商提高硬件 的穩(wěn)定性。圖 1： Stretch IP 攝像機(jī)參考設(shè)計(jì)套件 S6105除了核心壓縮芯片的選擇， 電路設(shè)計(jì)和周邊器件的考慮， 也是硬件穩(wěn)定性的關(guān)鍵， Advantech 的DVS采用了 X86架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)計(jì)算機(jī)配件加上Conexant壓縮芯片的緊密布局，采用了10層PCB板的精致設(shè)計(jì)。因此，合適的核心芯片選擇，出色的電路板設(shè)計(jì)，可靠的工藝， 所有的工作都是為了保證硬件的運(yùn)算效能和抗干擾能力。 以往小批量、 作坊式的生產(chǎn)和測(cè)試 方式終將被淘汰。 IT 行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化模式非常值得借鑒。最后， 還要在功能要求和硬件穩(wěn)定性之間做好平衡。 越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)開始整合音頻、 人體探測(cè)器甚至

12、溫度傳感器。因此，如何在DSP和 CPU夠用的情況下，穩(wěn)定的發(fā)揮外圍硬件的功能，以便 IP 視頻安防系統(tǒng)部分取代，或者更好的融和如門禁、報(bào)警、應(yīng)急廣播等其他 類型的安防系統(tǒng)，是硬件廠商需要著重考慮的問(wèn)題。2.2.1 軟件效率純數(shù)字 IP 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)安防廠商，最主要的門檻就是軟件。編碼器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，更 像一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)， 需要完全獨(dú)立的操作系統(tǒng)， 以及編碼壓縮的軟件算法， 甚至要能夠?qū)?原始的數(shù)字圖像進(jìn)行加工和后處理，比如數(shù)字曝光、背光補(bǔ)償、寬動(dòng)態(tài)、低照及強(qiáng)光抑制、 數(shù)字白平衡調(diào)節(jié)等，但目前市場(chǎng)上容易買到的便宜的模擬攝像機(jī)用的DSP解決方案，是難以對(duì)超過(guò) 600 線以上的圖像進(jìn)行及時(shí)有

13、效處理的。由于許多傳統(tǒng)安防廠商缺乏 IT 的行業(yè)背景， 也沒(méi)有儲(chǔ)備足夠的軟件技術(shù)， 他們沒(méi)有能力自 己來(lái)定制一個(gè)編碼器或者網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)用的操作系統(tǒng)， 或者花費(fèi)精力研發(fā)自己的硬件， 因此有 些廠商選擇自有監(jiān)控軟件整合第三方SDK或者OEM的方式，借助成熟的軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)IP視頻功能。 因此，許多專業(yè)的軟件平臺(tái)廠商應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)知名的有杭州天視等，國(guó)外則有Milestone Systems、 Unreal Streaming Technologies 、 ControlByNet 、 IPCamEYE、 IPVisionSoftware、ONSS、NICE, NUUC等一大群相關(guān)業(yè)務(wù)的軟件供應(yīng)商，其

14、中很多軟件整合了多家 知名編碼器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的SDK可以在一個(gè)平臺(tái)上方便的管理多個(gè)終端設(shè)備的圖像。同時(shí)，?？低?、AXIS、Arecont、Lumenera這些前端硬件設(shè)備廠商，則樂(lè)于提供自己的SDK "我們專注于提供便宜的高清晰度網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)相關(guān)硬件和SDK因此，市場(chǎng)上有足夠多的（IP視頻監(jiān)控） 管理軟件供大家選擇” ，Arecont 總裁 Vladimir Berezin 先生在安防科技 （中國(guó)） 有限公司的會(huì)議室里攤開雙手這樣說(shuō)道。連PELCO這樣的廠商也已經(jīng)在其新的數(shù)字系統(tǒng)中，可以直接存儲(chǔ)、管理 Axis 、松下等知名品牌的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)了。雖然現(xiàn)在的硬件已經(jīng)提供了寬裕的工作環(huán)境,

15、但出于系統(tǒng)優(yōu)化的考慮, 工程師們還是要想盡辦法，讓自己的語(yǔ)句更精簡(jiǎn)，算法更高效，以便釋放出更多的CPU和內(nèi)存資源，讓位給越來(lái)越受到用戶青睞的其他附加功能的軟件運(yùn)算。比如事件前預(yù)錄像、 圖像優(yōu)化處理, 特別是能夠檢測(cè)人群、 車輛的活動(dòng)模式的智能視頻分析算法, 或者各種硬件軟件事件之間的邏輯關(guān)系 處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認(rèn)的發(fā)展方向, 而數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提, 網(wǎng)絡(luò)化又是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ), 所以, 視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個(gè) 特點(diǎn)就是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。3.1.1 數(shù)字化數(shù)字化是 21 世紀(jì)的特征,是以信息技術(shù)為核

16、心的電子技術(shù)發(fā)展的必然,數(shù)字化是邁向 成長(zhǎng)的通行證,隨著時(shí)代的發(fā)展,我們的生存環(huán)境將變得越來(lái)越數(shù)字化。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化首先應(yīng)該是系統(tǒng)中信息流（包括視頻、音頻、控制等 ）從模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)字狀態(tài), 這將徹底打破“經(jīng)典閉路電視系統(tǒng)是以攝像機(jī)成像技術(shù)為中心”的結(jié)構(gòu),根 本上改變視頻監(jiān)控系統(tǒng)從信息采集、 數(shù)據(jù)處理、傳輸、系統(tǒng)控制等的方式和結(jié)構(gòu)形式。 信息 流的數(shù)字化、 編碼壓縮、 開放式的協(xié)議, 使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安防系統(tǒng)中其它各子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn) 無(wú)縫連接,并在統(tǒng)一的操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)管理和控制,這也是系統(tǒng)集成化的含義。3.1.2 網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化將意味著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將由集總式向集散式系統(tǒng)過(guò)渡。集散式

17、系統(tǒng)采用多層分級(jí)的結(jié)構(gòu)形式， 具有微內(nèi)核技術(shù)的實(shí)時(shí)多任務(wù)、 多用戶、 分布式 操作系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)搶先任務(wù)調(diào)度算法的快速響應(yīng)。 組成集散式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件采用標(biāo)準(zhǔn) 化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)備的配置具有通用性強(qiáng)、開放性好、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控 制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、人機(jī)界面友好以及系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡(jiǎn)單化，系統(tǒng)運(yùn)行互 為熱備份，容錯(cuò)可靠等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化在某種程度上打破了布控區(qū)域和設(shè)備擴(kuò)展的地域和數(shù)量界限。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化 將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件和軟件資源的共享以及任務(wù)和負(fù)載的共享， 這也是系統(tǒng)集成的一個(gè)重 要概念。參考文獻(xiàn)1 羊飛帆，多視點(diǎn)視頻編碼方案及其差錯(cuò)控制技術(shù)的研究，科技傳播，20122 周曉亮，基于感知的多視點(diǎn)彩色深度視頻聯(lián)合編碼方案，寧波大學(xué)，20123 占濤，基于 MPEG-2 的多視點(diǎn)編碼及對(duì)象分割技術(shù)研究，安徽工業(yè)大學(xué)， 20114 袁振，多視點(diǎn)立體視頻編解碼算法的研究與應(yīng)用，天津大學(xué)， 20105 嚴(yán)愷，多視角立體視頻編解碼的關(guān)鍵技術(shù)研究，上海交通大學(xué)， 20106 陳芳民，立體視頻編解碼及流式傳輸研究，北京郵電大學(xué)， 20137 陳海棠，多視點(diǎn)視頻編碼和虛擬視點(diǎn)合成技術(shù)的研究，南京郵電大學(xué)， 20108