数字化网络安防系统在楼宇自控中的设计与实现
数字化网络安防系统在楼宇自控中的设计与实
现
摘要:传统模拟技术的日趋淘汰和先进数字设备的高成本成了许多领域亟需解决的一大难题。为了充分利用已有的楼宇控制系统中的模拟控制设备，文章介绍了一种基于MPEG一的数字化网络安防系统应用在楼宇自控(BA)领域中的解决方案，井给出了具体设计实现及其关键技术，实现了低成本、低带宽条件下楼宇的智能化管理，具有较5h的实用性和通用性。
关健字:MPEG-4; 楼宇自控; 数字化网络安防; 远程监控 1 概述
目前，楼宇控制领域的模拟信号监控系统是将现场采集到的音/视频信息采用模拟信号的形式进行传输监控，这种方式存在着很大的弊端:
(])音/视频的模拟信号数据量比较大，对带宽要求比较高;
(2)音/视频的模拟信号传输距离很短，很难实现远程监控，不便于楼宇的自动化控制; (3)模拟信号的传输容易受到干扰，影响音舰频的质量; (4)录像不能采用数字化的设备，而且存储量比较大。
新一代的基于数字处理的数字化网络安防系统，是数字化音视频压缩编码技术、流媒体技术、计算机网结技术和传统的安防系统理念的综合。从技术的角度上，它己经全面领先于传统的模拟监控技术，从而促使楼宇自控系统向数字化、智能化、网络化方向发展。 智能化的楼宇自控系统中，从传统的模拟监控系统到数字化网络监控是大势所趋。数字监控系统设计开发的目的是为智能化楼宇提供一个实时的、通用的组态化的远程数字视频监控系统，实现实时过程监视、多功能自动报警、多媒体数据传输、多媒体数据检索、多画面高清晰显示。其中涉及到的关键问题有视频数据的采集、视频数据的压缩和网络传输等。
考虑到要充分利用己有的楼宇控制系统中的模拟监控设备，在低成本、低带宽条件下实现楼宇的自动化统一控制，本系统采用了基干MPEG-4标准的设计思想，给传统的监控系统用以新的运作模式，克服了模拟监控系统的缺陷，实现了将远程数字监控系统应用到楼宇自控领域中。
2系统的基本组成
本系统由服务器端、客户端和多媒体信息传输网络组成。视频采集压缩卡可以完成对音/视频的实时采集、数模转换、压缩存储，然后由计算机直接处理。这样通过软件就可以实现对视频的多路显示、动态储存、实时捕捉等功能。其中的视频采集压缩卡支持一机多卡、一卡四路，支持PAL/NTSC， 每路视频带一路音频，各通道同时工作互不干扰，而且支持采用MPEG4 的软件压缩，适合多路硬盘录像和网络视频图像传输。每一路连接一个摄像头、云台、解码器。
3系统的设计方案
该系统设计开发的目的是为智能化楼宇提供一个实时的、通用的、组态化的远程数字视频监控系统。
这个系统的设计涉及到实时音/视频监控、联动报警、多媒体数据的存储、检索和传输等多方面内容，主要实现的功能有:视频图像的实时捕获，对原始音/视频的实时压缩，多路画面监控，自动报警，定时音/视频数据的存储，音/视频图像的控制和交互，服务器端和客户端的通信，视频数据的传送，云台和摄像头动作的控制等。
4系统的实现
该系统采用典型的套接字C/S结构，在Win NT Server环境下，由VC++开发实现。 (1) 服务器端实现的功能
1)实时音/视频监控:单机单屏幕I-16画面分割组合监视。首先硬件检测，确定通道数，动态分割窗口大小，实现多路画面实时监控。用户可以自定义显示的通道数，接收某一路或者多路音/视频信息，对每一通道都可以实现视频大窗体显示模式和视频小窗体显示模式
2) 循环定时录制:把音/视频数据信息存储到大容量的数字化存储设备上，如硬盘，便于日后查询和回放，用户可以自定义录制时间，或直接控制录制的起始和结束，该系统将其保存成.avi文件，可以用Microsoft的Media Player 8直接播放
3) 实时抓图:对现场视频的图像信息进行实时抓图，存储到数字化设备上，存为jpg格式。 4) 对视频图像的控制和交互:选定某路视频，编辑视频的传输率、比特率和缓冲数，调节视频画面质量，控制图像的制式等。
5) 自动报警:这个功能由硬件来实现
6) 本系统只有当客户端发出请求连接后，才与服务器端通信，避免了较窄带宽条件传输实时动态图像。因此;服务器端要实时监听客户机的连接请求，并发送视频数据，或删除与某一客户机的连接
7) 实时统计各路奋视频流量
8) 单线遥控(RS4R5方式)云台和摄像头的动作:单线在1km内不需要中继，可遥控远程解码器控制云台的向上、向下、向左和向右转动等动作，从而更好地监控现场。
(2) 客户端实现的功能
1) 连接或断开与服务器端某通道的连接:可同时建立多个连接实现多路通道的视频数据同步传输
2) 多路同时播放显示从服务器端接收来的音视频数据。
3) 储音/视频流信息到数字化设备上:用户可以自定义要存放的位置
5系统的关键技术
(1) 音/视频编码方案的比较和选取
目前，用于远程数字视频监控系统的压缩技术主要是H.261, H.263, MPEG-I, MPEG-2, MPEG-4等。它们的核心技术主要是通过离散余弦变换及运动补偿算法，主要思想是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关性信息来减少数据量。
H. 26 3适 于低带宽下传输实时活动视频图像，但是，图像质量不理想。MPEG-1用户交互性和适应性较差，不能调节帧率、分辨率、实现码流控制、实现对网络带宽的自适应性。MPEG-I通常只支持定码流压缩，在场景活动加剧情况下，存储容量不变，而且运动部分图像清晰度下降，而且压缩率也不高。MPEG-4较其它的儿种压缩编码技术，更注重于多媒体系统的交互性、适应性、灵活性和可扩履，更适合于数字网络多媒体监控系统。MPEG-4标准的优势如下:
1) 基于对象的概念。数据的接收者不再是被动的，可以对不同的对象进行跳除、添加、移动、改变尺寸等操作。
2) 基于场景的概念。用户通过场景描述可以操作对象的显示状态，实现交互操作
3) MPEG -4对传输速率要求较低，在4800-000bit/s之间，具有差错鲁棒性和差错回避的特征
4) M PEG-4码流能对各种不同带宽实现通路，克服了数字信号的悬崖效应
MPEG4在数字监控领域中较MPEG-I, H.263, H.261具有明显的优势，实现了基于内容的较强的用户交互性、更好的清晰度、可调节的传输率和录像帧率、差错鲁棒性和差错回避的功能、更高的压缩率和更好的传输速率。
(2) 视频捕获技术
视频捕获有多种方式，常用的有VFW(video for Windows)利用硬件开发包提供的SDK。后者更简捷、方便，因此，本系统主要利用了视频捕捉卡提供的API函数。
(3) 网络传输
本系统采用TCP/IP协议，使用户通过网络对监控点进行监控。
服务器与客户的通信是利用MFC提供的Csockets类来实现的。服务器端和客户端通过IP地址通信， 服务器端必须处理多个来自客户端的直接请求。因此， 服务器运行期间保持一个套接字以监听来自客户端的连接请求，当有新的客户请求连接时，创建一个新的套接字与该客户保持连接。
(4) 线程同步和通信
远程监控系统中，无论是服务器还是客户端，都需要解决线程同步和通信问题。视频压缩、视频显示、视频数据发送需要访问相同的缓冲区，串口多种数据的发送和串口接收也需要访问相同的缓冲区。当两个以上的线程同时访问同一个缓冲区时，就可能产生读写数据错误问题，所以必须实现线程处理的读写同步问题。系统利用一些全局变量和事件来解决现成的通信与同步问题。
6小结
目前，数字化网络安防系统正在以前所未有的速度向前发展。当然，楼宇自控领域中的数字化安防系统的理想解决方案是直接将音/视频的采集压缩功能集成在摄像机中，这样，从摄像机出来的数据直接就是数字数据，可以实现更远距离、更简单方便的多媒体数据处理和数据传输。但是，这样集成的代价比较高，目前还不具有普遍的适用性。
本系统在楼宇控制系统原有设备的基础上，充分利用了MPEG-4的技术优势，实现了在低成本、低带宽条件下，获得较好的图像监控质量和用户交互性，因此，具有较强的实用性和通用性。随着计算机技术、音/视频技术、控制技术、通信技术的发展，数字化网络安防技术在楼宇自控系统中的应用前景将越来越广阔。
