高清视频监控技术在舰船中的应用

摘　要：摘要：本文就如何在舰船IP承载专网上传输高清视频监控信息，对高清视频监控的监控前端设备、传输、存储、显示等若干环节进行分析，使高清视频监控以科学的方式在舰船中得到应用。

关键词：关键词：高清视频监控 ；智能视频分析 ；高清IP摄像机

中图分类号：TP39    文献标识码：A      文章编号：

    1.引言
    随着数字时代高清技术的迅猛发展，图像清晰度有了质的飞跃，将逐步解决目前监控系统中监控范围小、“细节”看不清的问题，高清视频监控已成为未来视频监控系统技术发展的重要方向。舰船视频监控系统作为监控系统的一个重要应用分支，肩负了舰船附近空域、海面、重要战位的安全常态监控管理和重大突发事件实时监控指挥的重要任务，目前舰船视频监控系统进行数字编码后最多只能达到4CIF或D1的分辨率，清晰度在300至500线之间，随着海军战略的推进，基于信息系统体系作战能力建设对舰船视频监控系统提出了更高的要求，监控功能要求从传统的事后查证向智能预警方式转变，这就需要舰船视频监控系统实现视频处理高清化、信号传输网络化、信息表现智能化。
    2．高清视频监控的关键技术
    与目前标清视频监控相比，高清视频监控的应用需要监控前端、传输、存储、显示、管理等众多环节的配套提高。
    2.1 监控前端设备
    监控前端设备实现高清视频信息的采集，主要有两种实现方案：高清IP摄像机、高清模拟摄像机+高清编码器的组合，它们之间的关键区别在于高清IP摄像机内置摄像机和编码器，而高清模拟摄像机与高清编码器相结合的方式，意味着可根据监控点的具体要求灵活选择各类高清模拟摄像机。
    监控前端设备集光学成像、编码压缩、视频缓存、网络传输等多种功能于一体，需要采用高清配套镜头及成像器件以实现高质量成像、采用更高效的编码算法实现低带宽占用、更高性能的编码芯片实现复杂算法的运行、更好的网络接口实现海量数据传输。在舰船应用环境中，监控前端设备一般还需采用激光、黑光等夜视技术。
   （1）图像传感器
    CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD集成在硅晶半导体的材料上，而CMOS是集成在金属氧化物半导体材料上。CCD技术在普通摄像机上有广泛的应用，而在百万像素高清摄像机应用上，  CMOS通过不断提升技术，逐渐赶上CCD的应用。CMOS传感器的主要问题在于灵敏度及信噪处理两个环节，但是CMOS与CCD的差距正在逐步缩小，另外一方面，CMOS的成本比CCD更有优势。在百万像素高清摄像机产品中这两种类型的传感器均有应用。
    （2）编码压缩算法
    数字化的视频监控，离不开视频信号的压缩编码，应用于视频监控的视频编码标准有MPEG-2、MPEG-4、H.264等，由于H.264的高压缩性能，目前作为主流的数字视频监控通常采用H.264标准，其压缩效率最高，有更高的数据压缩比，其实现复杂程度是MPEG-4的2倍左右，同时其同等质量的图像码流也仅仅是MPEG-4的一半左右。
    由于高清视频信号具有比D1格式高达多倍的数据量，具有更高压缩性能的视频编码标准H.265被提上议事日程，多项关键技术和算法如离散小波变换DWT、自适应环路滤波ALF、扩展的宏块尺寸EMS、自适应量化矩阵选择AQMS等将被应用在H.265中。可以相信，H.265将会是继H.264之后又一项在视频监控领域得到广泛关注的标准。
    （3）夜视技术
    在民用产品中，夜视主要采用主动红外技术，由摄像机自带的LED作为“照明源”发出红外线，摄像机CCD靠接收被照物体反射回来的红外线成像。这种方式由于主动发射红外线易于被敌军所发现，在军事上基本被淘汰。在舰船应用环境中，夜视功能实现需采用激光、黑光等技术。
    激光夜视采用激光发射器发射激光束，其最大优势就是光的可控性高，如照射距离远、穿透力，其光强度不会因距离长而衰减，可实现超远距离监控，能做到利用其随着镜头的变倍、聚焦从而和镜头同步调整的解码技术，随同镜头聚焦控制，与镜头聚焦同步，能够做到看什么就将聚焦对准什么。
    黑光夜视摄像技术不受环境光照的影响，能够在零照度、微光、强光等不同光照条件下摄取相同的视频图像，经过独特的光学和数字处理后视频图像，滤除了其他的干扰和噪声，在零照度下摄取的图像与有可见光时摄取的图像一样清晰。
    2.2 高清信号传输
    高清意味着高带宽，提高传输带宽是解决传输高清和网络带宽问题的必然途径，一般高清视频的码流在2M～8M之间。目前，大部分新建舰船内部配备光纤环网，该环网作为舰内信息基础设施，基于MSTP的传输体制，可向舰内各个业务系统提供可相互隔离的承载专网，对于诸如视频监控的业务系统一般可提供主干1000 Mbit/s，接入速率100 Mbit/s的IP承载专网，完全能够满足舰内各监控点的信息传输带宽需求。
    2.3 高清海量存储与检索
    高清视频监控了提供优秀的图像质量，需要大量的码流来支持其高分辨率，使得视频的存储变得更有价值，因而带来了高清海量存储与检索问题，这对于整个存储系统的容量和性能提出了很大的挑战。单路高清视频数据30天需要的存储容量为6Mbps(平均值)*60*60*24*30(天)/ (8*1024*1024)=1.9T，舰船监控点数一般在40～60个左右，其所需的存储容量是巨大的。在舰船应用环境下，监控管理平台采用集中存储分布式管理的方式，基于IP SAN架构实现。
    2.4 高清信号显示
    高清信号显示采用两种方式，一种基于客户端显示，视频显示的载体是客户端的显示器，另一种基于高清视频解码器输出到电视墙的大屏幕进行显示。大屏幕拼接屏中DLP最成熟，LCD拼接屏目前有个2cm左右的缝没有解决，厚度0.3mm的OLED高清屏、裸眼可视3D显示等技术也将会在高清监控显示领域得到应用。
    目前，标清监控系统显示设备大量采用BNC、VGA等模拟接口，而在高清视频监控领域显示设备将采用DVI、HDMI等数字多媒体接口，实现接口类型的匹配，以确保高清视频图像的画质。
    2.5 视频智能分析
    视频智能分析是高清视频监控系统中最为核心的关键技术，其研究目标是利用计算机视觉技术、图像视频处理技术和人工智能技术对监控视频的内容对象进行描述、分析和理解，并根据理解的结果对高清视频监控系统进行控制，从而使高清视频监控系统达到具有较高层次的智能化水平。这也是高清视频监控系统亟需在舰船中应用的原因。
    视频智能分析的研究内容涉及到视频监控对象的多种不同行为，如目标检测和分类、目标动态跟踪、目标识别和理解、统计计数，另外还包括非法入 侵、人物分离、逗留游荡、群体定向移动等异常行为，使管理人员提前感知异常行为并关注相应监控领域、尽可能提前发现潜在的威胁并做出应对策略。
    同时，视频智能分析还可以实现对视频监控系统自身的监控，如视频图像出现的雪花、滚屏、模糊、偏色、画面冻结、增益失衡和云台失控等常见摄像头故障做出准确判断并发出报警信息，对视频监控系统录像主机的网络状况、系统备份情况等各种信息进行监测。
    3．高清视频监控在舰船中的应用
 
                                 图1  舰船高清视频监控系统组成图
    舰船高清视频监控系统主要由监控管理平台、监控中心、监控前端设备、访问客户端和舰内IP承载专网组成，其系统组成如图1所示。
    监控管理平台主要由管理服务器、流媒体服务器、应用服务器和磁盘阵列组成，其中管理服务器负责对系统中所有硬件设备和用户进行集中管理，包括用户权限管理、设备管理、目录信息管理、视频传输码率设置、WEB服务、PTZ控制服务、告警服务等功能，在舰船应用环境一般需采用双机热备机制。
    监控中心主要由系统控制台、高清视频编码器和监控数字显示屏组成，其中系统控制台是系统的管理者，具有最高的管理权限，可对系统进行统一的管理、维护、授权和传输码率设置等。高清视频编码器与监控数字显示屏结合完成高清视频图像的灵活调度显示。
    访问客户端实现授权用户对所管辖监控前端设备的控制、图像实时显示和录像信息查询及播放等功能；IP承载专网可与舰内其它系统实现互通，实现信息共享与报警联动。
    舰船高清视频监控系统不仅能进行准确的目标识别、生物识别，还能海上移动目标的行为行监控。比如在弹药库等关键部位进行人脸识别，在海上或港口对舷号进行识别，对附件舰船及海上漂浮物的异常行为进行智能分析。
    4．小结
    高清视频监控系统应用在舰船中，不仅能让舰艇指挥员看得更清楚，还让舰艇指挥员看得更智能，大大提高视频监控的有效性，具体表现在以下几个方面：（1）快速的反应能力，将传统的被动监控变为主动监控，根据检测到的现场数据及时、快速地实施预案；（2）高效的行为识别能力，有效识别潜在的危险行为，预防安全事件的发生；（3）智能录像搜索能力，可快速查询在所有录像中符合一定特征的人或物；（4）系统的辅助决策能力，有效提高舰船的综合管理水平。
参考文献：
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