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GPS 和通信設(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)外海上船舶管理是以船舶報(bào)告系統(tǒng)和VTS

2、為代表，以雷達(dá)、高頻和 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)星通信式，通過船載 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 無線網(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)所要解決的主要問題。 對(duì)于海上移動(dòng)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(diǎn)是信號(hào)覆蓋全球，缺點(diǎn)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(dá)到64K 的帶寬，而且設(shè)備昂貴（約2.5 萬美元 / 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 High Freqency）和 SSB（ Single SideBand ），主要用于話音通信。（ 3 ）GSM 、GPRS 和 CDMA 技術(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)來說，GSM 和GPRS 的信號(hào)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(shù)，利

4、用 CDMA1X 無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)近岸船舶動(dòng)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(shí)際帶寬為80kbps ，而對(duì)于海上通信來說，由于環(huán)境特殊，實(shí)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(shí)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(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 CDMA1X 信道傳輸動(dòng)態(tài)信息。 同時(shí)由于 CDMA1X 傳輸信道不穩(wěn)定以及海上環(huán)境的復(fù)雜性， 要在一定的傳輸率

5、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) CDMA1X無線網(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， 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)展向。專業(yè)資料.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 無線視頻傳輸子系統(tǒng)、 船上監(jiān)控中心、動(dòng)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(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。

6、船上監(jiān)控中心由于與視頻編碼器同處在船舶局域網(wǎng)，通過網(wǎng)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(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 Web 技術(shù)在因特網(wǎng)或局域網(wǎng)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式，易于實(shí)現(xiàn)，本文余下部分重點(diǎn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。專業(yè)資料.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 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-4 視頻壓縮格式進(jìn)行壓縮，視頻編碼器置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 格式的圖像通過網(wǎng)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(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)控終端可通過岸上監(jiān)專業(yè)資料.控中心局域網(wǎng)或Internet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 CDMA 通信子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位子系統(tǒng)由1 臺(tái)船載 GPS 接收機(jī)和 1 臺(tái) CDMA1X IP Modem組成。GPS 定位信息通過 CDMA1X IP Modem接入 CDMA1X網(wǎng)絡(luò)。船載 GPS 對(duì)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CDMA1X網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(fù)責(zé)接收各視頻監(jiān)控點(diǎn)和船載GPS 通過 CDMA1X 網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的視頻和動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)也負(fù)責(zé)利用Qos （Quality of Service）監(jiān)測(cè)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)于視頻信息來說，視頻監(jiān)控服務(wù)器接收四路CDMA傳回的船舶視頻數(shù)據(jù)包（ UDP 數(shù)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)控終端可以通過視頻監(jiān)控服務(wù)器

10、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)信息來說， 岸上監(jiān)控中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Internet或部局域網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)布至各個(gè)相關(guān)部門或人員的監(jiān)專業(yè)資料.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

11、、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Internet或部局域網(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式進(jìn)行動(dòng)態(tài)和視頻監(jiān)控： （1 ）Internet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Web 瀏覽器（例如InternetExplorer或 Netscape ） ,通過HTTP 協(xié)議向監(jiān)

12、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 )來顯示動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息。（ 2）局域網(wǎng)式，即通過在每個(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。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網(wǎng)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)定及帶寬較窄的問題。 針對(duì)信道不穩(wěn)定的問題，本文提出一種視頻分級(jí)傳輸框架， 先對(duì) CDMA1X 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)， 再采用相應(yīng)的專業(yè)資料.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CDMA1X捆綁拓寬帶寬技術(shù)解決單路CDMA1X帶寬較窄的問題，從而獲得較好的視頻

13、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-4 提出了一種有效的可分級(jí)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(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

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(jí)傳輸?shù)目蚣?。視頻分級(jí)傳輸框架我們?cè)谝曨l編碼器設(shè)計(jì)一種視頻分級(jí)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(jí)傳輸框架Fig.2 Framework 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(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 無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的要求。帶寬預(yù)測(cè)模塊框架采用 MSTFP 模型 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 模型，需要獲得包丟失率Ploss 、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)上傳輸過程可以通過兩個(gè)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換概率。系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)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(shí)間，參數(shù) p 、q 由岸上監(jiān)控中心的 Qos 監(jiān)測(cè)器模塊通過對(duì)視頻數(shù)據(jù)包中的時(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

17、ST1PT )（2 ）其中： now 為發(fā)送者接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳；ST1 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)間間隔；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)議同樣的算法來計(jì)算。當(dāng)傳輸控制器獲得 Ploss 、 RTT、TO 等參數(shù)后，以 MSTFP 模型為依據(jù)，使用以下公式來估算網(wǎng)絡(luò)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(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

18、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)整是通過幀丟棄的手段達(dá)到控制輸出速率的目的，這種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-4 基本流中包含了形狀信息、運(yùn)動(dòng)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(yù)測(cè)）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(yù)測(cè)來編碼的視頻幀，B-VOP 是使用雙向 I-VOP 或P-VOP 做幀間預(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-VOP 三種幀的不同重要性，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-VOP 中的運(yùn)動(dòng)信息對(duì)應(yīng)為最高優(yōu)先級(jí)，P-VOP 中的紋理信