船舶視頻監(jiān)控方案

1、.船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現0. 引言近幾年，我國海上運力、運量直線上升，但由于海上環(huán)境特殊，缺乏有效的監(jiān)管技術手段， 目前海上安全生產問題已成為制約海運業(yè)（特別是滾裝船） 發(fā)展的突出因素 1 。借助高科技手段對船舶動態(tài)與視頻進行全位的監(jiān)控，建立高效的船舶管理與預警系統(tǒng)，是保證船舶航行安全的必然選擇。傳統(tǒng)的船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是利用船載GPS 和通信設備（大多是海事衛(wèi)星C站）把船舶航行的動態(tài)信息（船位、航速、航向）傳回陸地指揮中心，指揮中心能在大屏幕電子海圖上觀察到船舶的分布情況、運動軌跡，能夠查詢相關信息，對船舶進行調度管理等等2 ，3 。目前，國外海上船舶管理是以船舶報告系統(tǒng)和VTS

2、為代表，以雷達、高頻和 AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）技術為手段 4,5 ，存在顯示不直觀（只能將船舶作為一個質點來管理），系統(tǒng)擴展性不強等缺點， 在遠海則只能以衛(wèi)星通信來補充，運行費用昂貴。國外現有的船舶視頻傳輸系統(tǒng)基本上是針對遠洋航行的船舶， 采用衛(wèi)星通信式，通過船載 F 站實現船舶靜態(tài)圖像傳輸， 但由于其費用高而較少被采用。 隨著我國公眾移動通信技術的發(fā)展， 本文提出用 CDMA1X 無線網絡傳輸船舶視頻圖像與船舶動態(tài)信息。由于涉及動態(tài)信息和視頻信息的傳輸， 岸船之間的信息傳輸問題便成了船舶動態(tài)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)所要解決的主要問題。 對于海上移動通信來說， 目前主要有以下幾種式：（1）海事衛(wèi)星

3、C 站或 F 站，其優(yōu)點是信號覆蓋全球，缺點是帶寬專業(yè)資料.窄，比如使用海事衛(wèi)星F 站傳輸視頻只能達到64K 的帶寬，而且設備昂貴（約2.5 萬美元 / 臺）和通信費用高（ 6.5 美元 / 分鐘），只有在緊急狀態(tài)下使用，很少用于日常的安全管理。（2）VHF （Very High Freqency）和 SSB（ Single SideBand ），主要用于話音通信。（ 3 ）GSM 、GPRS 和 CDMA 技術，這幾種技術都適合近岸航行的船舶進行岸船通信，但對于中國海域的海上業(yè)務來說，GSM 和GPRS 的信號覆蓋不如 CDMA 廣，傳輸帶寬也不如 CDMA 寬。比較上面幾種岸船通信技術，利

4、用 CDMA1X 無線傳輸技術實現近岸船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控是較理想的選擇。CDMA1X無線接入理論速率 153.6Kbps ，目前，有些地區(qū) 1 路 CDMA1X信道實際帶寬為80kbps ，而對于海上通信來說，由于環(huán)境特殊，實際上1 路CDMA1X 帶寬可能更窄。 這樣，采用 1 路 CDMA1X 信道來傳輸船舶視頻信息，實際監(jiān)控效果較差。 本文采用多路 CDMA1X 信道捆綁來增加帶寬技術傳輸視頻信息，達到了良好的監(jiān)控效果。 由于動態(tài)信息的傳輸對帶寬的要求不高，本文仍采用 1 路 CDMA1X 信道傳輸動態(tài)信息。 同時由于 CDMA1X 傳輸信道不穩(wěn)定以及海上環(huán)境的復雜性， 要在一定的傳輸率

5、限制的條件下取得最好的視頻質量，就必須采用相應的優(yōu)化策略。 本文先對 CDMA1X無線網絡進行帶寬預測， 再采用相應的控制策略， 對碼率自適應調整， 使視頻能正常地傳輸， 從而獲得較好的視頻質量。在以下各節(jié)中，首先對系統(tǒng)做一個大體介紹，然后在第2 節(jié)與第 3 節(jié)中，詳細地討論系統(tǒng)的設計與實現，最后指出進一步的發(fā)展向。專業(yè)資料.1 船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成結構如圖1 所示。該系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)組成：CDMA 無線視頻傳輸子系統(tǒng)、 船上監(jiān)控中心、動態(tài)定位與CDMA 通信子系統(tǒng)、岸上監(jiān)控中心以及監(jiān)控終端。船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)建立兩個監(jiān)控中心：船上監(jiān)控中心與岸上監(jiān)控中心。

6、船上監(jiān)控中心由于與視頻編碼器同處在船舶局域網，通過網線相互連接， 帶寬充足，采用高分辨率的視頻圖像，滿足4CIF 格式。船上監(jiān)控中心一面保障船舶安全，另一面為安全事故提供取證。岸上監(jiān)控中心通過CDMA1X 無線網絡獲取船舶動態(tài)與視頻信息， 采用低分辨率的視頻質量， 滿足 CIF 格式。岸上監(jiān)控中心采用 Web 技術在因特網或局域網發(fā)布船舶動態(tài)與視頻信息。船舶公司、港口企業(yè)，特別是海事部門、 救助打撈部門可以在岸上監(jiān)控中心或辦公室看到船上重點監(jiān)控點（包括駕駛室、甲板、貨艙、車輛艙、機艙等）的視頻圖像?？紤]到船上監(jiān)控中心采取的是有線連接式，易于實現，本文余下部分重點介紹 CDMA1X無線視頻傳輸子

7、系統(tǒng)及岸上監(jiān)控中心的功能、設計與實現。專業(yè)資料.圖 1 船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成結構圖Fig.1 Framework of ship dynamic and video monitoring system2 船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計2.1 CDMA無線視頻傳輸子系統(tǒng)根據船舶的實際情況， 在客艙、駕駛室等監(jiān)控點安裝攝像機，外圍各配備一臺支撐攝像機的云臺及云臺控制器。視頻編碼器負責把攝像機的模擬視頻信號轉變成數字信號，同時采用MPEG-4 視頻壓縮格式進行壓縮，視頻編碼器置2 個100M 網絡接口，編碼壓縮處理后的監(jiān)控信息一路符合4CIF 格式的圖像通過網線送到船上監(jiān)控中心，一路符合CIF

8、格式的圖像通過CDMA 無線網絡傳送到岸上監(jiān)控中心，岸上監(jiān)控中心能看到各監(jiān)控點的實時狀況，監(jiān)控終端可通過岸上監(jiān)專業(yè)資料.控中心局域網或Internet遠程實時瀏覽視頻圖像、遙控云臺，對攝像機進行水平 360 度，垂直 90 度及變焦控制。2.2動態(tài)定位與 CDMA 通信子系統(tǒng)動態(tài)定位子系統(tǒng)由1 臺船載 GPS 接收機和 1 臺 CDMA1X IP Modem組成。GPS 定位信息通過 CDMA1X IP Modem接入 CDMA1X網絡。船載 GPS 對船舶進行定位獲得船舶動態(tài)信息，包括船舶航向、航速、船位經度、船位緯度、報告時間等信息，通過CDMA1X網絡實時傳送給監(jiān)控中心的岸船通信控制器。

9、2.3岸上監(jiān)控中心監(jiān)控中心負責接收各視頻監(jiān)控點和船載GPS 通過 CDMA1X 網絡傳輸過來的視頻和動態(tài)信息，同時也負責利用Qos （Quality of Service）監(jiān)測器模塊與反饋控制模塊將估算出的包丟失率， 傳輸時間等反映當前網絡狀況的參數反饋給船上的傳輸控制器，由傳輸控制器根據這些信息動態(tài)地調整信息傳輸速率。對于視頻信息來說，視頻監(jiān)控服務器接收四路CDMA傳回的船舶視頻數據包（ UDP 數據包），并對數據包進行排序和整合，然后響應監(jiān)控終端的視頻播放請求，將視頻發(fā)布至監(jiān)控終端。 船舶視頻數字信號可以經視頻解碼器還原成模擬信號，在監(jiān)控中心的電視墻上播放。 監(jiān)控終端可以通過視頻監(jiān)控服務器

10、靈活地控制船上監(jiān)控點的云臺、 鏡頭光圈、焦距等。視頻監(jiān)控服務器還具有自動錄像功能，供監(jiān)控終端檢索、 回放船舶視頻，為海上交通違章處理等執(zhí)法工作提供依據。對于船舶動態(tài)信息來說， 岸上監(jiān)控中心的岸船通信控制器實現船舶動態(tài)信息的自動接收，并通過Internet或部局域網實時發(fā)布至各個相關部門或人員的監(jiān)專業(yè)資料.控終端。同時，接收的信息被存入船舶動態(tài)監(jiān)控服務器中的船舶數據庫中，以便對船舶航行歷史信息進行查詢和回放。船舶數據庫除了存儲船舶動態(tài)信息外，還存儲船舶的靜態(tài)信息，包括船舶編號、名稱、呼號、國籍、長度、寬度、噸位、營運航速、船員代碼等信息。 岸上監(jiān)控中心可以在電子海圖上實時顯示船舶的航行動態(tài)（航速

11、、航向、位置等），實現對船舶的智能化管理，對船舶礙航、偏航、擱淺、違章航行、超規(guī)定區(qū)域航行實現自動報警、記錄，并能與船舶實時通信，實現岸船的實時信息互動6 。2.4監(jiān)控終端監(jiān)控終端通過Internet或部局域網與監(jiān)控中心的視頻監(jiān)控服務器和船舶動態(tài)監(jiān)控服務器相連。監(jiān)控終端可以采用兩種式進行動態(tài)和視頻監(jiān)控： （1 ）Internet式，從視頻監(jiān)控服務器下載視頻播放插件（ActiveX ）進行視頻監(jiān)控，在船舶動態(tài)監(jiān)控服務器上下載電子海圖插件進行動態(tài)監(jiān)控。例如，在J2EE 環(huán)境下，監(jiān)控終端可采用普通的Web 瀏覽器（例如InternetExplorer或 Netscape ） ,通過HTTP 協(xié)議向監(jiān)

12、控服務器發(fā)出請求，同時，使用 Java applet( 從服務器下載 )來顯示動態(tài)監(jiān)控信息。（ 2）局域網式，即通過在每個監(jiān)控終端上安裝視頻軟件客戶端和電子海圖平臺達到視頻和動態(tài)監(jiān)控的目的。3 船舶動態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現系統(tǒng)利用 CDMA1X網絡傳輸視頻流， 為了獲取最好的視頻質量，重點要解決 CDMA1X 信道不穩(wěn)定及帶寬較窄的問題。 針對信道不穩(wěn)定的問題，本文提出一種視頻分級傳輸框架， 先對 CDMA1X 無線網絡進行帶寬預測， 再采用相應的專業(yè)資料.控制策略，對碼率自適應調整，使視頻能正常地傳輸。利用多路CDMA1X捆綁拓寬帶寬技術解決單路CDMA1X帶寬較窄的問題，從而獲得較好的視頻

13、質量。3.1 視頻分級傳輸視頻分級傳輸有兩種有效的辦法， 一種是基于多路獨立編碼的視頻重構存儲轉發(fā)技術，另一種是視頻分級編碼技術。 MPEG-4 提出了一種有效的可分級視頻編碼法 FGS（ Fine Granularity Scalability ）7 ，8， Weiping Li 提出了基于 DCT 的 FGS 編碼算法 9 ，楓等人提出了 PFGS（Progressive FGS ）編碼算法 10 ， Mihaela van der Schaar 提出了空間精細分層編碼算法 11 等等，反映出 FGS 已成為視頻流分級傳輸的重要研究對象。本文針對該系統(tǒng)的實際應用， 考慮船上監(jiān)控中心需要看高

14、分辨率的視頻監(jiān)控圖像，而岸上監(jiān)控中心及Internet用戶只需看低分辨率視頻圖像，提出了一種視頻分級傳輸的框架。視頻分級傳輸框架我們在視頻編碼器設計一種視頻分級傳送框架，如圖2 。4CIF 視頻流編碼器船上監(jiān)控中心4CIF 視頻流CIF 視頻流傳輸編碼器多端口控制器路由器專業(yè)資料.圖 2 視頻分級傳輸框架Fig.2 Framework of video scalable delivery視頻編碼器將攝像機的模擬視頻信號按4CIF 格式進行編碼，分成兩路復用，一路保持原來的4CIF 格式，直接通過編碼器壓縮后，用UDP 包發(fā)送到船上監(jiān)控中心，一路由4CIF 圖像重采樣為 CIF 格式，通過編碼器

15、壓縮，送到傳輸控制器，在傳輸控制器中帶有帶寬預測模塊與自適應速率調整模塊。傳輸控制器根據岸上監(jiān)控中心反饋回來的網絡帶寬情況，按一定的策略自適應發(fā)送， 以適應海上CDMA1X 無線網絡不穩(wěn)定的要求。帶寬預測模塊框架采用 MSTFP 模型 12 預測下一時刻的網絡有效帶寬， 以調整視頻流實際的輸出速率。為了使用MSTFP 模型，需要獲得包丟失率Ploss 、傳輸時間RTT（ Round Trip Time ）與傳輸超時 TO （Time Out ）等參數。數據包在網絡上傳輸過程可以通過兩個具有狀態(tài)的Markov鏈來描述，這便是 Gilbert模型 13 ，如圖 3 。圖 3 Gilbert 模型F

16、ig.3 Gilbert model圖 3 中 Markov 鏈存在兩種狀態(tài)，其中 R 、L 分別表示數據包傳輸成功 （狀態(tài) R）和傳輸失?。顟B(tài) L）， p 、q 為狀態(tài) R 與狀態(tài) L 之間的相互轉換概率。系統(tǒng)處于數據包傳輸失敗的概率為專業(yè)資料.TLq（ 1）Plossp qTL TR其中： TR、TL 分別為系統(tǒng)處于狀態(tài)R、L 的時間，參數 p 、q 由岸上監(jiān)控中心的 Qos 監(jiān)測器模塊通過對視頻數據包中的時序信息和數據包之間的傳輸情況的依賴性進行分析求出。傳輸時間 RTT 是根據岸上監(jiān)控中心反饋控制模塊傳回的反饋信息進行估算求解，公式如下：RTT* RTT '(1)*( now

17、ST1PT )（2 ）其中： now 為發(fā)送者接收數據包的時間戳；ST1 表示發(fā)送者發(fā)出數據包的時間戳；PT 表示數據包在接收端停留的時間間隔；RTT' 為當前數據的往返傳輸時間；為常數，通常取=0.75 ；TO 采用 TCP 協(xié)議同樣的算法來計算。當傳輸控制器獲得 Ploss 、 RTT、TO 等參數后，以 MSTFP 模型為依據，使用以下公式來估算網絡有效帶寬。Bs（3）2* Ploss3* Ploss * Ploss *(1 32* Ploss2 )RTT *3* TO*38其中： s為包大小。自適應速率調整模塊預測出下一時刻的有效帶寬后,采用自適應速率調整機制,根據目標傳輸速率

18、調整視頻比特流的實際輸出速率,使之與帶寬相匹配。傳統(tǒng)的速率調整是通過幀丟棄的手段達到控制輸出速率的目的，這種法容易引起重建視頻幀的動態(tài)變化，使得接收端的視頻明顯不連貫14 。MPEG-4 基本流中包含了形狀信息、運動信專業(yè)資料.息、 紋理信息，由 I-VOP 、P-VOP 、B-VOP 三種類型的幀組成。 I-VOP 是以幀模式編碼（不需要從其它已編碼的VOP 做預測）的視頻幀， P-VOP 是通過先前編碼的 I-VOP 或P-VOP （參考 VOP ）做幀間預測來編碼的視頻幀，B-VOP 是使用雙向 I-VOP 或P-VOP 做幀間預測編碼的視頻幀。 顯然上述三種類型的幀在接收端重建視頻時具有不同的重要性15 。所以在視頻流細化打包時根據I-VOP 、P-VOP 、 B-VOP 三種幀的不同重要性，對不同類型的視頻數據采取不同的包封裝優(yōu)先級。鑒于以往渤海灣海事事故的發(fā)生通常都是由于滾裝船貨物捆綁不當，沒有及時發(fā)現貨物移位， 造成船舶傾斜釀成重大海事事故，本系統(tǒng)重點監(jiān)控海上滾裝船貨艙貨物的綁扎情況，要求傳輸具有實時性， 對同步要求較高， 同時畫面要盡可能清晰。我們將 I-VOP 信息及 P-VOP 中的運動信息對應為最高優(yōu)先級，P-VOP 中的紋理信