多媒体视频监控系统

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1、第5章 多媒体视频监控系统 本章将对多媒体视频监控系统的架构、 原理及其维护方法进行分析，并介绍其 维护与日常故障的处理方法。5.1 数字视频编码标准 图像压缩编码标准主要有ITU R601, MJPEG, MPEG, H.263, H.264等几种。 1ITUR601标准 ITUR601国际电传视讯联盟标准在视频信号 的数字化进程中起重要作用该标准采用分量编码，其中，亮度信号Y的采 样频率为13.5 MHz，为525/60和625/50两系列 三大现行电视制式行频公倍数（2.25 MHz）的 6倍，而色度信号的采样频率则是亮度信号采样 频率的一半，即RY和BY的采样频率都取 为6.75 MH

2、z（因人类视觉对彩色分辨率不敏感 ）。无论对哪种制式，每行的样值数都为720个 ，两个色差信号的样值数则各为360个，由 此形成了720360360的采样结构，简记 作422格式。由于图像处理技术的发展 ，对数字视频存储的需求越小越好，因而在 近几年中，某些新型录像机又提出了采用 420与411两种采样格式，用以进一 步降低数字视频码率。v由于420的采样结构是对色差信号进行 轮换采样，相当于降低了信号的时间分辨率 ，因此虽在水平方向上每两个亮度样点对应 一个Cr/Cb 样点，但在垂直方向上则是每两 个Y样点含一行Cr/Cb 样点。而411的采 样格式，是将对色差信号的采样频率进一步 降低到亮

3、度信号采样频率的1/4，相当于进 一步降低了色度信号的空间分辨率。在每个 有效行内有720个亮度样点，只有180个色 差样点。2MJPEG标准 作为运动静止图像压缩技术，MJPEG是较 早使用的一种图像压缩编码标准，它将运动 的视频序列作为连续的静止图像来处理，可 单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随 机存储每一帧，进行精确到帧的编辑。但M JPEG只对帧内空间冗余进行压缩，不对 帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高 。 3MPEG标准 vMPEG标准是指由ISO的活动图像专家组制定的一 系列关于音/视频信号及多媒体信号的压缩与解压 缩技术的标准。MP4作为目前最新的数字视频标 准之一（另

4、外一种是H.264标准），也逐渐成为多 媒体视频监控系统采用的主流数字视频标准。 MPEG1MPEG2MPEG4标准确定时间/年199219951999最大图像输出35228819201152720576默认图像输（PAL ）352288720576720576最大音频取样/kHz489696最大音频声道288最大数据率/Mbps380510常用数据率1.38 Mb/s6.5 Mb/s880 kbps图像质量满意度一般非常好好编码硬件要求低高非常高解码硬件要求非常低一般高4H.263标准 vH.263是ITUT提出的作为H.324终端使 用的视频编/解码建议。H.263经过不断 的完善和多次的

5、升级已经日臻成熟，如 今已经大部分代替了H.261，而且由于 其能在低带宽上传输高质量的视频流而 日益受到欢迎。5H.264标准 vH.264是ITUT的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组 开发的一个新的数字视频编码标准，实际上是ISO/IEC 的MPEG4的第十部分。v在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50% 左右的码率，在性能方面比目前根据MPEG4实现的视 频格式提高33%左右，即H.264拥有更快的码速，其压 缩速度与传输图像、声音及数据的速度更快，更适应 多媒体视频监控系统对多媒体信息进行快速、高效处 理的需要。v作为最新的图像视频压缩标准，H.264

6、拥有 高压缩效率、高质量的编码效果，还具有自 适应延时约束与容错功能。vH.264支持分层设计，支持高精度、多模式 运动估计，支持基于44块的整数变换；支 持统一的视频编码层（VCL），支持帧内预 测，支持面向IP和无线环境。vH.264从设计上把视频的编码与传输分开， 采用网络友好的结构和语法，形成视频编码 层（VCL）与网络提取层（NAL）。其中， 前者提供核心的高质量视频压缩，后者针对 具体的网络传输环境把压缩数据进行环境封 装，这样更利于封装打包和信息优先级控制 ，提高了其对不同网络的适应能力，这也是 基于网络的视频监控系统将H.264标准作为 其视频压缩标准的首选原因。 5.2 多媒

7、体监控系统 v 1物理结构v v多媒体监控系统是多媒体计算机与视频监控系统相结 合的产物。按多媒体计算机与监控系统的融合程度的 高低，分为简单的多媒体监控系统和标准的多媒体监 控系统。此分法也间接地反映了多媒体监控系统的发 展过程：由早期简单的、传统监控系统主机外挂多媒 体计算机到将多媒体计算机融入监控系统，使其形成 一个统一的系统。2多媒体技术应用v多媒体监控系统的应用有两种形式。v（1）第一种形式v视频监控系统经过与多媒体计算机配合，由计算 机操作平台开发出图形用户界面（GUI）。该系统 为用户提供一个形象化的人机交互界面，还可在 计算机操作平台上将视频监控与其他技术系统的 各种不同的数据

8、处理和控制功能进行集成。其结 构为网络化分布式，即所谓前端控制功能（主要 是图像信号的分配、切换和前端设备的控制）。v（2）第二种形式v直接输入模拟视频信号，数字化后进行图像 压缩，然后进行存储、传输及相关的处理， 即所谓中心端处理。其实质为数字视频记录 （DVR）和远程监控设备。DVR具有图像识别 与特征提取能力，通过图像分析实现运动物 体的探测和报警；控制相关的机构，使视频 监控更智能化。这种形式是以图像的中心端 处理为主的形式。v以上形式正在逐渐融合，将成为未来视频监 控系统控制器的主要工作模式。 5.2.1 外挂多媒体监控系统 v计算机中增加一块图像采集卡和声卡，图像采 集卡和声卡可分

9、别接受由视、音频矩阵切换主 机第一路输出端口传来的视/音频信号，采用画 中画形式在屏幕上显示视频画面，并通过与声 卡连接的外接式音箱放出监听的声音。这样， 通过操作鼠标，就可以在计算机屏幕上打开视 频窗口，通过选择摄像机通道号再单击控制按 钮，就可以对照视频窗口，对远端摄像机的云 台及电动镜头进行全方位控制。但整个系统的 前端解码器仍是通过RS485总线与系统主控 制器直接连接。 5.2.2 标准多媒体监控系统 v1标准多媒体监控系统的结构v标准多媒体监控系统采用模块式结构，包括 主机和前端解码器。其主机部分由视频矩阵 切换卡、音频矩阵切换卡、通信控制卡、图 像采集卡、声卡、网络通信卡及内置式

10、调制 解调器（又称Modem卡）等构成，并统一 装置在工控机的机箱里。各功能模块间建立 了必要的内在联系，故各功能模块间的冲突 得以消除，所以系统的集成度、稳定性都有 很大的提高，功能也更加完善。现在的标准 多媒体监控系统，在控制方式上采用的是包 含数字压缩图像传输的TCP/IP网络分控（1）视频矩阵切换卡 v其基本功能与普通视频矩阵切 换器相同，也由多路模拟开关 集成电路构成，可将任一输入 端口的视频信号切到任一视频 输出端口，实现了视频的分配 及切换放大。由于该卡要实现 对多路信号的切换，而插卡后 面板的有限面积上不能提供过 多的视频输入/输出接口，因此 ，该插卡的后面板上只有一个 多针脚

11、的“female”型D型连接 器，并由外接的“male”型D型 连接器引出多根视频电缆并配 接视频BNC座。每个视频矩阵切 换卡各配有这种具有16个视频 输入/输出接口的视频BNC座。v与普通视频切换器不同的是，视频矩阵切换 卡具有计算机ISA总线接口并直接接受计算 机指令的控制，其控制速度达到了107 s。v此外，视频矩阵切换卡上的电路部分采用视 频差分放大，使视频干扰降低到一定程度。 标准视频矩阵切换卡含有1616视频矩阵和 扩展接口，小型系统也可选用44或88的 矩阵卡。切换卡之间简单的并联或跳线设置 ，可方便地扩展视频输入/输出路数，还不 会影响扩展后切换开关的控制速度。 （2）音频矩

12、阵切换卡 音频矩阵切换卡的结构和功能音频矩阵切换卡的结构与视频矩阵切换卡基本相同， 能完成音频信号的分配与切换放大，还能一直确保与 对应的视频图像进行同步切换。 音频矩阵切换卡的设置原则上，网络分控有多少路声音就需设置多少块声卡 ，也有的利用其左、右声道各传送一路音频信号，从 而使声卡的数量减少了50%。然而在实际工程中，有 的监视点只观察图像，有的监视点只监听声音，所以 系统中摄像机的数量与监听头的数量并不要求完全一 致，需结合实情相应设置。 （4）通信控制卡的功能 v通信控制卡提供RS485通信接口，同时也是ISA 总线插卡，主要用于与前端解码器进行半双工通 信。RS485通信的传输方式为

13、平衡差分输入/输 出，其通信速度与抗干扰性均较高。RS485在总 线上只用于控制指令的传输，所以其对线路没有 太高的要求。v此外，通信卡上还设有硬件发送和接收缓冲区， 提高了通信线路中数据的可靠性。 （5）图像采集卡的功能 v图像采集卡接收视频矩阵切换卡输出的视频 信号，并实时对其数字化处理，再交由计算 机后期处理。这样，通过软件就可以实现对 视频图像的显示、静态存储、实时捕捉和报 警等功能。在系统中，把切换卡的输出交由 视频卡处理，使其拥有对每路视频输入的图 像激活、显示、存储、捕捉和视频报警等能 力。v摄像机的图像可经视频采集卡在显示器上开 窗显示，还能省去传统的监视器。此外，一 台计算机

14、可以插入多块图像采集卡，因而可 以同时对多路图像进行采集处理，使系统拥 有多画面同屏实时显示的能力。 （6）声卡的功能与应用 v 声卡的功能v声卡的功能是指对声音信号的采集与输出。在 多媒体监控系统的主机上，声卡的采集功能与 图像采集卡的功能基本相同，即接受从音频矩 阵切换卡输出的音频信号，然而，它却多出一 个输出功能来。声卡用于接收音频矩阵切换器 输出的来自摄像机现场的声音信号，并经过外 接的扬声器发出音响。v 声卡的应用v实际应用时，声卡的线路输出信号可作为另 一块音频矩阵切换卡的输入源，以实现双向 对讲功能。由于新型多媒体系统主机支持多 块声卡并行工作，故可实现多路声音信号的 网上传输。

15、因此，利用声卡的线路输出并与 音频矩阵切换卡配合，即拥有主控与前端、 主控与分控、前端与分控的多路交叉、双向 对讲的功能。 （7）解码器 v解码器属于前端设备，但与多媒体系统主机连接的 解码器比传统矩阵解码器具有较多的功能，因此它 也是最小单元的系统。解码器主要包括8路报警、6 路无源触点、3路220 V有源触点可控开关、8选1控 制模拟数据通路和1路RS485通信接口及云台镜头 控制接口。实现这些功能的核心是单片机电路，用 单片机进行编、解码操作。解码器中还装有小型监 控程序，一旦发生报警，会自动产生相关动作，启 动本地报警连动装置，并将报警信息编码后经RS 485总线传回到控制中心。通过跳

16、线的不同接法，解 码器的6路无源触点可以选择接入12 V, 6 V, 3 V等 不同的电压或不接入电压。因此，解码器的6路输出 接口既可以输出不同的电压，又可以作为无源开关 使用。v解码器的报警接口为模拟接口，通过8位 A/D转换器接入单片机系统。因而单片机 可以辨别出接口的256种变化量。对于普 通的报警控头，采用三线制能够有效辨别 报警控头的电源线，地线，数据线的断路 、短路和数据线上的报警状态。对于温度 探测器、压力探测器等模拟量输出型探测 器，可以识别出各种温度、湿度、压力等 的变化，从而实现对环境因素的监视和控 制，为今后的功能扩展奠定坚实的物质基 础。 2基于网络的多媒体分控 v通过硬件接口及软件设置，多媒体视频监控系统可适 用于多种网络环境。在以太网环境下，通过TCP/IP通 信协议即可实现网络多级分控，网络上的任何授权客 户端都可以通过系统主机来调看任意监视现场的图像 ，并向前端解码器发布指令，对云台镜头进