船舶視頻監(jiān)控方案

1、船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)0. 引言近幾年，我國(guó)海上運(yùn)力、運(yùn)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(shù)手段，目前海上安全生產(chǎn)問(wèn)題已成為制約海運(yùn)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(duì)船舶動(dòng)態(tài)與視頻進(jìn)行全方位的監(jiān)控， 建立高效的船舶管理與預(yù)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(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是利用船載 GPSffi通信設(shè)備（大多是海事衛(wèi)星 C站）把船 舶航行的動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡，能夠查詢相關(guān)信息，對(duì)船舶進(jìn)行調(diào)度管理等 等2， 3 。目前，國(guó)內(nèi)外海上船舶管理是以船舶報(bào)告系

2、統(tǒng)和 VTS為代表，以雷達(dá)、高頻電話和 AIS （船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）技術(shù)為手段4,5 ,存在顯示不直觀（只能將船舶作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái) 管理） ，系統(tǒng)擴(kuò)展性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，在遠(yuǎn)海則只能以衛(wèi)星通信來(lái)補(bǔ)充，運(yùn)行費(fèi)用昂貴。國(guó)外現(xiàn)有的船舶視頻傳輸系統(tǒng)基本上是針對(duì)遠(yuǎn)洋航行的船舶，采用衛(wèi)星通信方式，通過(guò)船載 F 站實(shí)現(xiàn)船舶靜態(tài)圖像傳輸，但由于其費(fèi)用高而較少被采用。隨著我國(guó)公眾移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，本文提出用 CDMA1X線網(wǎng)絡(luò)傳輸船舶視頻圖像與船舶動(dòng)態(tài)信息。由于涉及動(dòng)態(tài)信息和視頻信息的傳輸，岸船之間的信息傳輸問(wèn)題便成了船舶動(dòng)態(tài)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)所要解決的主要問(wèn)題。對(duì)于海上移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，目前主要有以下幾種方式：（ 1）海事

3、衛(wèi)星C 站或F 站，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)覆蓋全球，缺點(diǎn)是帶寬窄，比如使用海事衛(wèi)星F站傳輸視頻只能達(dá)到64K的帶寬，而且設(shè)備昂貴（約2.5萬(wàn)美元/臺(tái)）和通信費(fèi)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 HighFreqency）和 SSB（Single Side Band ）,主要用于話音通信。（3） GSIM GPRSD CDMAfc 術(shù)，這幾種技術(shù)都適合近岸航行的船舶進(jìn)行岸船通信，但對(duì)于中國(guó)海域的海上業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，GSMF口 GPRS勺信號(hào)覆蓋不如CDMAT,傳輸帶寬也不如 CDMA?。比較上面幾種岸船通信 技術(shù)，利用CDMA1X線傳輸技術(shù)實(shí)

4、現(xiàn)近岸船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控是較理想的選擇。CDMA1無(wú)線接入理論速率153.6Kbps,目前，有些地區(qū)1路CDMA1X道實(shí)際帶寬為 80kbps,而對(duì)于海上通信來(lái)說(shuō)，由于環(huán)境特殊，實(shí)際上1路CDMA1X寬可能更窄。這樣， 采用1路CDMA1XF道來(lái)傳輸船舶視頻信息，實(shí)際監(jiān)控效果較差。本文采用多路 CDMA1X 信道捆綁來(lái)增加帶寬技術(shù)傳輸視頻信息，達(dá)到了良好的監(jiān)控效果。由于動(dòng)態(tài)信息的傳輸對(duì)帶寬的要求不高,本文仍采用1路CDMA1信道傳輸動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)由于 CDMA1X輸信道不穩(wěn)定以及海上環(huán)境的復(fù)雜性，要在一定的傳輸率限制的條件下取得最好的視頻質(zhì)量，就必須采用相應(yīng)的優(yōu)化策略。本文先對(duì)CDMA1雙線網(wǎng)

5、絡(luò)進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)，再采用相應(yīng)的控制策略，對(duì)碼率自適應(yīng)調(diào)整，使視頻能正常地傳輸，從而獲得較好的視頻質(zhì)量。在以下各節(jié)中，首先對(duì)系統(tǒng)做一個(gè)大體介紹，然后在第 2 節(jié)與第 3 節(jié)中，詳細(xì)地討論系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后指出進(jìn)一步的發(fā)展方向。1 船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該系統(tǒng)由五個(gè)子系統(tǒng)組成： CDMA無(wú)線視頻傳輸子系統(tǒng)、船上監(jiān)控中心、動(dòng)態(tài)定位與CDMA1信子系統(tǒng)、岸上監(jiān)控中心以及監(jiān)控終端。船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)建立兩個(gè)監(jiān)控中心：船上監(jiān)控中心與岸上監(jiān)控中心。船上監(jiān)控中心由于與視頻編碼器同處在船舶局域網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)線相互連接，帶寬充足，采用高分辨率的視頻圖像，滿足

6、 4CIF 格式。船上監(jiān)控中心一方面保障船舶安全，另一方面為安全事故提供取證。岸上監(jiān)控中心通過(guò)CDMA1X線網(wǎng)絡(luò)獲取船舶動(dòng)態(tài)與視頻信息，采用低分辨率的視頻質(zhì)量，滿足 CIF格式。岸上監(jiān)控中心采用 Webft術(shù)在因特網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布船舶動(dòng)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(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)（包括駕駛室、甲板、貨艙、車輛艙、機(jī)艙等）的視頻圖像?？紤]到船上監(jiān)控中心采取的是有線連接方式，易于實(shí)現(xiàn)，本文余下部分重點(diǎn)介紹CDMA1無(wú)線視頻傳輸子系統(tǒng)及岸上監(jiān)控中心的功能、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。圖 1 船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework

7、of ship dynamic and video monitoring system2 船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 CDMA無(wú)線視頻傳輸子系統(tǒng)根據(jù)船舶的實(shí)際情況，在客艙、駕駛室等監(jiān)控點(diǎn)安裝攝像機(jī)，外圍各配備一臺(tái)支撐攝像機(jī)的云臺(tái)及云臺(tái)控制器。 視頻編碼器負(fù)責(zé)把攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)采用MPEG-覦頻壓縮格式進(jìn)行壓縮，視頻編碼器內(nèi)置2個(gè)100M網(wǎng)絡(luò)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(guò)網(wǎng)線送到船上監(jiān)控中心，一路符合CIF格式的圖像通過(guò)CDMAE線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的實(shí)時(shí)狀況，監(jiān)控終端可通過(guò)岸上監(jiān)控中心局域網(wǎng)或Int

8、ernet 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽視頻圖像、遙控云臺(tái)，對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行水平360度，垂直 90度及變焦控制。2.2 動(dòng)態(tài)定位與CDMAI信子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位子系統(tǒng)由1臺(tái)船載GP或收機(jī)和1臺(tái)CDMA1X IP Modem成。GPSt位信息 通過(guò)CDMA1X IP Mode搔入CDMA1X絡(luò)。船載GPS寸船舶進(jìn)行定位獲得船舶動(dòng)態(tài)信息， 包括船舶航向、航速、船位經(jīng)度、船位緯度、報(bào)告時(shí)間等信息，通過(guò)CDMA1X絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控中心的岸船通信控制器。2.3 岸上監(jiān)控中心監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收各視頻監(jiān)控點(diǎn)和船載GPS!過(guò)CDMA1X絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的視頻和動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)也負(fù)責(zé)利用 Qos（ Quality of Service ）監(jiān)測(cè)

9、器模塊與反饋控制模塊將估算出 的包丟失率，傳輸時(shí)間等反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況的參數(shù)反饋給船上的傳輸控制器，由傳輸控制器根據(jù)這些信息動(dòng)態(tài)地調(diào)整信息傳輸速率。對(duì)于視頻信息來(lái)說(shuō)，視頻監(jiān)控服務(wù)器接收四路CDM熊回的船舶視頻數(shù)據(jù)包（UDPg（據(jù)包），并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序和整合，然后響應(yīng)監(jiān)控終端的視頻播放請(qǐng)求，將視頻發(fā)布 至監(jiān)控終端。船舶視頻數(shù)字信號(hào)可以經(jīng)視頻解碼器還原成模擬信號(hào)，在監(jiān)控中心的電視墻上播放。監(jiān)控終端可以通過(guò)視頻監(jiān)控服務(wù)器靈活地控制船上監(jiān)控點(diǎn)的云臺(tái)、鏡頭光圈、焦距等。視頻監(jiān)控服務(wù)器還具有自動(dòng)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(jù)。對(duì)于船舶動(dòng)態(tài)信息來(lái)說(shuō)， 岸上監(jiān)控中

10、心的岸船通信控制器實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)信息的自動(dòng)接收，并通過(guò)Internet 或內(nèi)部局域網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)布至各個(gè)相關(guān)部門或人員的監(jiān)控終端。同時(shí)，接收的信息被存入船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)器中的船舶數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便對(duì)船舶航行歷史信息進(jìn)行查詢和回放。船舶數(shù)據(jù)庫(kù)除了存儲(chǔ)船舶動(dòng)態(tài)信息外，還存儲(chǔ)船舶的靜態(tài)信息，包括船舶編號(hào)、名稱、呼號(hào)、國(guó)籍、長(zhǎng)度、寬度、噸位、營(yíng)運(yùn)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(shí)時(shí)顯示船舶的航行動(dòng)態(tài)（航速、航向、位置等），實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的智能化管理，對(duì)船舶礙航、偏航、擱淺、違章航行、超規(guī)定區(qū)域航行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、記錄，并能與船舶實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)岸船的實(shí)時(shí)信息互動(dòng) 6 。2.4 監(jiān)控終端監(jiān)控終端通過(guò)Int

11、ernet或內(nèi)部局域網(wǎng)與監(jiān)控中心的視頻監(jiān)控服務(wù)器和船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控 服務(wù)器相連。監(jiān)控終端可以采用兩種方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)和視頻監(jiān)控：（1） Internet方式，從視頻監(jiān)控服務(wù)器下載視頻播放插件（ActiveX ）進(jìn)行視頻監(jiān)控，在船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)器上 下載電子海圖插件進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。例如，在 J2EE環(huán)境下，監(jiān)控終端可采用普通的 WebM 覽器（例如Internet Explorer 或Netscape）,通過(guò)HTT陰議向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求， 同時(shí)，使用Java applet（從服務(wù)器下載）來(lái)顯示動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息。（2）局域網(wǎng)方式，即通 過(guò)在每個(gè)監(jiān)控終端上安裝視頻軟件客戶端和電子海圖平臺(tái)達(dá)到視頻和動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的

12、。3船舶動(dòng)態(tài)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)利用CDMA1X絡(luò)傳輸視頻流，為了獲取最好的視頻質(zhì)量，重點(diǎn)要解決CDMA1X信道不穩(wěn)定及帶寬較窄的問(wèn)題。針對(duì)信道不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文提出一種視頻分級(jí)傳輸框 架，先對(duì)CDMA1XE線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)，再采用相應(yīng)的控制策略，對(duì)碼率自適應(yīng)調(diào)整， 使視頻能正常地傳輸。利用多路 CDMA1XS綁拓寬帶寬技術(shù)解決單路CDMA1粕寬較窄的 問(wèn)題，從而獲得較好的視頻質(zhì)量。3.1 視頻分級(jí)傳輸視頻分級(jí)傳輸有兩種有效的辦法，一種是基于多路獨(dú)立編碼的視頻重構(gòu)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，另一種是視頻分級(jí)編碼技術(shù)。MPEG-提出了一種有效的可分級(jí)視頻編碼方法 FG SFine Granularity

13、 Scalability ） 7 8, Weiping Li 提出了基于 DCT勺 FGS®碼算法 9,吳楓 等人提出了 PFGS（Progressive FGS ）編碼算法 10 , Mihaela van der Schaar 提出了空 間精細(xì)分層編碼算法11等等，反映出FGS已成為視頻流分級(jí)傳輸?shù)闹匾芯繉?duì)象。本文 針對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，考慮船上監(jiān)控中心需要看高分辨率的視頻監(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(jí)傳輸?shù)目蚣堋?.1.1 視頻分級(jí)傳輸框架我們?cè)谝曨l編碼器內(nèi)設(shè)計(jì)一種視頻分級(jí)傳送框架，如圖2Fig.2 Framework

14、 of video scalable delivery視頻編碼器將攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)按 4CIF格式進(jìn)行編碼，分成兩路復(fù)用，一路保 持原來(lái)的4CIF格式，直接通過(guò)編碼器壓縮后，用UD也發(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(guò)編碼器壓縮，送到傳輸控制器，在傳輸控制器中帶有帶寬 預(yù)測(cè)模塊與自適應(yīng)速率調(diào)整模塊。傳輸控制器根據(jù)岸上監(jiān)控中心反饋回來(lái)的網(wǎng)絡(luò)帶寬情 況，按一定的策略自適應(yīng)發(fā)送，以適應(yīng)海上CDMA1X線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的要求。3.1.2帶寬預(yù)測(cè)模塊框架采用MSTFP真型12預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)有效帶寬，以調(diào)整視頻流實(shí)際的輸出速 率。為了使用 MSTFP真型，需要獲得包丟失率

15、Poss、傳輸時(shí)間RTT(Round Trip Time ) 與傳輸超時(shí)TO (Time Out)等參數(shù)。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸過(guò)程可以通過(guò)兩個(gè)具有狀態(tài)的Markov鏈來(lái)描述，這便是Gilbert 模型13，如圖 3。圖3 Gilbert 模型Fig.3 Gilbert model圖3中Markov鏈存在兩種狀態(tài)，其中R、L分別表示數(shù)據(jù)包傳輸成功(狀態(tài) R)和 傳輸失敗(狀態(tài)L) , p、q為狀態(tài)R與狀態(tài)L之間的相互轉(zhuǎn)換概率。系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)包傳 輸失敗的概率為PlossTLTL TR(1)其中：TR TL分別為系統(tǒng)處于狀態(tài) R L的時(shí)間，參數(shù)p、q由岸上監(jiān)控中心的Qos 監(jiān)測(cè)器模塊通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)包中

16、的時(shí)序信息和數(shù)據(jù)包之間的傳輸情況的依賴性進(jìn)行分析 求出。傳輸時(shí)間RTT是根據(jù)岸上監(jiān)控中心反饋控制模塊傳回的反饋信息進(jìn)行估算求解，公 式如下：RTT * RTT (1)*( now ST PT) (2)其中：now為發(fā)送者接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳；STi表示發(fā)送者發(fā)出數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳；PT表示數(shù)據(jù)包在接收端停留的時(shí)間問(wèn)隔；RTT為當(dāng)前數(shù)據(jù)的往返傳輸時(shí)間；為常數(shù)，通 常取 =0.75 ; TO采用TCP協(xié)議同樣的算法來(lái)計(jì)算當(dāng)傳輸控制器獲得Poss、RTT TO等參數(shù)后，以MSTF校型為依據(jù)，使用以下公式來(lái) 估算網(wǎng)絡(luò)有效帶寬。sB p廣_： (3)RTT* J2* 3* TO *，3*8竺* Poss*(1

17、 32* Poss)其中：s為包大小。3.1.3自適應(yīng)速率調(diào)整模塊預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻的有效帶寬后，采用自適應(yīng)速率調(diào)整機(jī)制，根據(jù)目標(biāo)傳輸速率調(diào)整視 頻比特流的實(shí)際輸出速率，使之與帶寬相匹配。傳統(tǒng)的速率調(diào)整是通過(guò)幀丟棄的手段達(dá)到 控制輸出速率的目的，這種方法容易引起重建視頻幀的動(dòng)態(tài)變化，使得接收端的視頻明 顯不連貫14。MPEG-基本流中包含了形狀信息、運(yùn)動(dòng)信息、紋理信息，由I-VOP、P-VOP B-VOPE種類型的幀組成。I-VOP是以幀內(nèi)模式編碼(不需要從其它已編碼的 VO撇預(yù)測(cè)) 的視頻幀，P-VOP!通過(guò)先前編碼的I-VOP或P-VOP(參考VOP做幀間預(yù)測(cè)來(lái)編碼的視頻 幀，B-VOP1使用

18、雙向I-VOP或P-VO敝幀間預(yù)測(cè)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(shí)具有不同的重要性15。所以在視頻流細(xì)化打包時(shí)根據(jù)I-VOP、P-VOP B-VOPE種幀的不同重要性，對(duì)不同類型的視頻數(shù)據(jù)采取不同的包封裝優(yōu)先級(jí)。鑒于以往 渤海灣內(nèi)海事事故的發(fā)生通常都是由于滾裝船貨物捆綁不當(dāng)，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)貨物移位， 造成船舶傾斜釀成重大海事事故，本系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)控海上滾裝船貨艙內(nèi)貨物的綁扎情況， 要求傳輸具有實(shí)時(shí)性，對(duì)同步要求較高，同時(shí)畫面要盡可能清晰。我們將I-VOP信息及P-VO珅的運(yùn)動(dòng)信息對(duì)應(yīng)為最高優(yōu)先級(jí)，P-VOPH勺紋理信息為其次，最后是B-VOPt息。 根據(jù)岸上監(jiān)控中心反饋控制模塊傳回的反饋信息動(dòng)態(tài)計(jì)算出一個(gè)優(yōu)先級(jí)控制參數(shù)C,優(yōu)先級(jí)低于C的數(shù)據(jù)包都將丟棄，從而達(dá)到速率控制的目的。3.2多路CDMA1捆綁拓寬帶寬根據(jù)實(shí)際需要，我們選擇五端口路由器，通過(guò)連接四臺(tái)CDMA1用路由器，實(shí)現(xiàn)了四品&CDMA4X道捆綁拓寬帶寬的目的，捆綁四條 CDMA#XI,相當(dāng)于將總出口帶寬拓寬到 原來(lái)的四倍，即可以達(dá)到1路帶寬的4倍，完全可以滿足采用MPEG-視頻壓縮格式的船舶 視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?，將船舶視頻信息實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心。多端口路由器采用流 量方式進(jìn)行負(fù)載均衡，即按流量自動(dòng)分配負(fù)載。當(dāng)某一路