船舶视频监控方案1

船舶动态与视频监控系统的设计与实现引言

0.近几年，我国海上运力、运量直线上升，但由于海上环境特殊，缺乏有效的监管技术手段，目前海上安全生产问题已成为制约海运业（特别是滚装船）发展的突出因素纥借助高科技手段对船舶动态与视频进行全方位的监控，建立高效的船舶管理与预警系统，是保证船舶航行安全的必然选择传统的船舶动态监控系统是利用船载和通信设备（大多是海事卫星站）把GPS C船舶航行的动态信息（船位、航速、航向）传回陆地指挥中心，指挥中心能在大屏幕电子海图上观察到船舶的分布情况、运动轨迹，能够查询相关信息，对船舶进行调度管理等等区同目前，国内外海上船舶管理是以船舶报告系统和为代表，以雷达、高频电VTS话和（船舶自动识别系统）技术为手段吗存在显示不直观（只能将船舶作为一AIS个质点来管理），系统扩展性不强等缺点，在远海则只能以卫星通信来补充，运行费用昂贵国外现有的船舶视频传输系统基本上是针对远洋航行的船舶，采用卫星通信方式，通过船载站实现船舶静态图像传输，但由于其费用高而较少被采用随着我国公众F移动通信技术的发展，本文提出用无线网络传输船舶视频图像与船舶动态CDMA1X信息由于涉及动态信息和视频信息的传输，岸船之间的信息传输问题便成了船舶动态和视频监控系统所要解决的主要问题对于海上移动通信来说，目前主要有以下几种方式（）海事卫星站或站，其优点是信号覆盖全球，缺点是带1C F从而达到速率控制的目的多路捆绑拓宽带宽

3.2CDMA1X根据实际需要，我们选择五端口路由器，通过连接四台路由器，实CDMA1XIP现了四路信道捆绑拓宽带宽的目的，捆绑四条信道，相当于将总CDMA1X CDMA1X出口带宽拓宽到原来的四倍，即可以达到路带宽的倍，完全可以满足采用14MPEG-4视频压缩格式的船舶视频信息实时传输的要求，将船舶视频信息实时传送到监控中心多端口路由器采用流量方式进行负载均衡，即按流量自动分配负载当某一路CDMA信号中断或出现故障时，所有数据均自动从其它路发送出去具体实现过程如下四台路由器分别设置不同的地址，依据设定的路由规则，同时将CDMA1X IPIP视频数据包发送给岸上监控中心的拥有固定的视频监控服务器视频监控服务器接IP收四路传回的船舶视频数据包后，对数据包进行排序和整合视频监控服务器CDMA对四台路由器发送过来的数据包分别单独统计，若某一段时间内某台CDMA1X IP路由器过来的数据包为零或严重地少于其它路由器发过来的CDMA1X IPCDMA1X IP包，则认为该路由器工作不正常发送控制信息给五端口路由器，重新调CDMA1XIP整每台路由器的负载流量宽窄，比如使用海事卫星站传输视频只能CDMA1XIP F达到的带宽，而且设备昂贵（约万美元/台）和通信费用高（美元/分钟），64K

2.

56.5只有在紧急状态下使用，很少用于日常的安全管理（）（）2VHF VeryHigh Freqency和（）主要用于话音通信（）、和技术，SSB SingleSide Band,3GSM GPRSCDMA这几种技术都适合近岸航行的船舶进行岸船通信，但对于中国海域的海上业务来说，和的信号覆盖不如广，传输带宽也不如宽比较上面几GSM GPRSCDMA CDMA种岸船通信技术,利用无线传输技术实现近岸船舶动态与视频监控是较理想CDMA1X的选择无线接入理论速率目前，有些地区路信道实际CDMA1X

153.6Kbps,1CDMA1X带宽为而对于海上通信来说，由于环境特殊,实际上路带宽可能更80kbps,1CDMA1X窄这样，采用路信道来传输船舶视频信息，实际监控效果较差本文1CDMA1X采用多路信道捆绑来增加带宽技术传输视频信息，达到了良好的监控效果CDMA1X由于动态信息的传输对带宽的要求不高，本文仍采用路信道传输动态信息1CDMA1X同时由于传输信道不稳定以及海上环境的复杂性，要在一定的传输率限制CDMA1X的条件下取得最好的视频质量，就必须采用相应的优化策略本文先对无CDMA1X线网络进行带宽预测，再采用相应的控制策略，对码率自适应调整，使视频能正常地传输，从而获得较好的视频质量在以下各节中，首先对系统做一个大体介绍，然后在第节与第节中，详细地23讨论系统的设计与实现，最后指出进一步的发展方向船舶动态与视频监控系统简介1船舶动态与视频监控系统的组成结构如图所示该系统由五个子系统组成1无线视频传输子系统、船上监控中心、动态定位与通信子系CDMA CDMA统、岸上监控中心以及监控终端船舶动态与视频监控系统建立两个监控中心船上监控中心与岸上监控中心船上监控中心由于与视频编码器同处在船舶局域网内，通过网线相互连接，带宽充足，采用高分辨率的视频图像，满足格式船上监控中心一方面保障船舶安全，另4CIF一方面为安全事故提供取证岸上监控中心通过无线网络获取船舶动态与CDMA1X视频信息，采用低分辨率的视频质量，满足格式岸上监控中心采用技术CIF Web在因特网或局域网内发布船舶动态与视频信息船舶公司、港口企业，特别是海事部门、救助打捞部门可以在岸上监控中心或办公室看到船上重点监控点（包括驾驶室、甲板、货舱、车辆舱、机舱等）的视频图像考虑到船上监控中心采取的是有线连接方式，易于实现，本文余下部分重点介绍无线视频传输子系统及岸上监控中心的功能、设计与实现CDMA1XCDMA无线视频传输子系统及动态定位与CDMA IP路由器CDMA通信子□CDMA1X网络系统CDMA IP路由器嘉€GCDMA IP路由器cCDMA IP路由器c□二CDMA IPModem专线客户端视频电视墙监控终端Internet/曾但I4N客户端动态视频监控终端视频监控服务器解码器监控岸船通信控制器终客户端动态与端岸上监控中心船舶动态监控服务器视频监控终端图船舶动态与视频监控系统组成结构图1Fig.l Framework of shipdynamic andvideo monitoringsystem船舶动态与视频监控系统的设计2无线视频传输子系统

2.1CDMA根据船舶的实际情况，在客舱、驾驶室等监控点安装摄像机，外围各配备一台支撑摄像机的云台及云台控制器视频编码器负责把摄像机的模拟视频信号转变成数字信号，同时采用视频压缩格式进行压缩，视频编码器内置个网络接口，编码MPEG-42100M压缩处理后的监控信息一路符合格式的图像通过网线送到船上监控中心，一路符4CIF合格式的图像通过无线网络传送到岸上监控中心，岸上监控中心能看到各CIF CDMA监控点的实时状况，监控终端可通过岸上监控中心局域网或远程实时浏览视频Internet图像、遥控云台，对摄像机进行水平度，垂直度及变焦控制36090动态定位与通信子系统

2.2CDMA动态定位子系统由台船载接收机和台组成1GPS1CDMA1X IPModem GPS定位信息通过接入网络船载对船舶进行定位获CDMA1X IPModem CDMA1X GPS得船舶动态信息，包括船舶航向、航速、船位经度、船位纬度、报告时间等信息，通过网络实时传送给监控中心的岸船通信控制器CDMA1X岸上监控中心

2.3监控中心负责接收各视频监控点和船载通过网络传输过来的视频和GPS CDMA1X动态信息，同时也负责利用监测器模块与反馈控制模块将估算Qos Qualityof Service出的包丢失率，传输时间等反映当前网络状况的参数反馈给船上的传输控制器，由传输控制器根据这些信息动态地调整信息传输速率对于视频信息来说,视频监控服务器接收四路传回的船舶视频数据包（CDMA UDP数据包），并对数据包进行排序和整合，然后响应监控终端的视频播放请求，将视频发布至监控终端船舶视频数字信号可以经视频解码器还原成模拟信号，在监控中心的电视墙上播放监控终端可以通过视频监控服务器灵活地控制船上监控点的云台、镜头光圈、焦距等视频监控服务器还具有自动录像功能,供监控终端检索、回放船舶视频，为海上交通违章处理等执法工作提供依据对于船舶动态信息来说，岸上监控中心的岸船通信控制器实现船舶动态信息的自动接收，并通过或内部局域网实时发布至各个相关部门或人员的监控终端同时，Internet接收的信息被存入船舶动态监控服务器中的船舶数据库中，以便对船舶航行历史信息进行查询和回放船舶数据库除了存储船舶动态信息外，还存储船舶的静态信息，包括船舶编号、名称、呼号、国籍、长度、宽度、吨位、营运航速、船员代码等信息岸上监控中心可以在电子海图上实时显示船舶的航行动态（航速、航向、位置等），实现对船舶的智能化管理，对船舶碍航、偏航、搁浅、违章航行、超规定区域航行实现自动报警、记录，并能与船舶实时通信,实现岸船的实时信息互动久监控终端

2.4监控终端通过或内部局域网与监控中心的视频监控服务器和船舶动态监控Inlemel服务器相连监控终端可以采用两种方式进行动态和视频监控（）方式，从视1Internet频监控服务器下载视频播放插件（）进行视频监控，在船舶动态监控服务器上下ActiveX载电子海图插件进行动态监控例如，在环境下，监控终端可采用普通的J2EE Web浏览器（例如或）通过协议向监控服务器发出请求，Internet ExplorerNetscape,HTTP同时，使用（从服务器下载）来显示动态监控信息（）局域网方式，即通Java applet2过在每个监控终端上安装视频软件客户端和电子海图平台达到视频和动态监控的目的船舶动态与视频监控系统的实现3系统利用网络传输视频流，为了获取最好的视频质量，重点要解决CDMA1X信道不稳定及带宽较窄的问题针对信道不稳定的问题，本文提出一种视频CDMA1X分级传输框架，先对无线网络进行带宽预测，再采用相应的控制策略，对码CDMA1X率自适应调整，使视频能正常地传输利用多路捆绑拓宽带宽技术解决单路CDMA1X带宽较窄的问题，从而获得较好的视频质量CDMA1X视频分级传输

3.1视频分级传输有两种有效的办法，一种是基于多路独立编码的视频重构存储转发技术，另一种是视频分级编码技术提出了一种有效的可分级视频编码方法MPEG-4FGS（）81提出了基于的编码算法”吴Fine GranularityScalability,Weiping LiDCT FGS枫等人提出了（）编码算法叱提出了空PFGS ProgressiveFGS Mihaelavan derSchaar间精细分层编码算法〃〃等等，反映出已成为视频流分级传输的重要研究对象FGS本文针对该系统的实际应用，考虑船上监控中心需要看高分辨率的视频监控图像，而岸上监控中心及用户只需看低分辨率视频图像，提出了一种视频分级传输的框架Internet视频分级传输框架

3.

1.1我们在视频编码器内设计一种视频分级传送框架，如图2图视频分级传输框架2Fig.2Frameworkofvideo scalabledelivery视频编码器将摄像机的模拟视频信号按格式进行编码，分成两路复用,一路4CIF保持原来的格式，直接通过编码器压缩后，用包发送到船上监控中心，一4CIF UDP路由图像重采样为格式，通过编码器压缩，送到传输控制器,在传输控制器4CIF CIF中带有带宽预测模块与自适应速率调整模块传输控制器根据岸上监控中心反馈回来的网络带宽情况，按一定的策略自适应发送，以适应海上无线网络不稳定的要CDMA1X求带宽预测模块框架采用模型/预测下一时刻的网络有效带宽，以调整视频流实际的输出速率MSTFP为了使用模型，需要获得包丢失率、传输时间MSTFP P/RTTRound与传输超时等参数Trip TimeTO TimeOut数据包在网络上传输过程可以通过两个具有状态的链来描述，这便Markov是模型如图Gilbert R3图模型3GilbertFig.3Gilbert model图中链存在两种状态，其中、分别表示数据包传输成功（状态）3Markov R L R和传输失败（状态、为状态与状态之间的相互转换概率系统处于数据包U,p qR L传输失败的概率为TL_qTL+TR p+q其中、分别为系统处于状态、的时间，参数、由岸上监控中心的TR TLRLp q监测器模块通过对视频数据包中的时序信息和数据包之间的传输情况的依赖性进Qos行分析求出传输时间是根据岸上监控中心反馈控制模块传回的反馈信息进行估算求解，RTT公式如下

（二）*（）（）RTT=a*R7T+1-now-ST-APT2}其中为发送者接收数据包的时间戳；；表示发送者发出数据包的时间戳；now ST表示数据包在接收端停留的时间间隔；为当前数据的往返传输时间；为常数，APT R7T’a通常取；采用协议同样的算法来计算=

0.75TO TCP当传输控制器获得公、、等参数后，以模型为依据，使用以下P/RTT TOMSTFP公式来估算网络有效带宽----------------------------------------------------------------（）B=j=^=3*/*%*七，（；RTT*+3*TO*l32*P Q+其中为包大小s自适应速率调整模块预测出下一时刻的有效带宽后，采用自适应速率调整机制，根据目标传输速率调整视频比特流的实际输出速率，使之与带宽相匹配传统的速率调整是通过帧丢弃的手段达到控制输出速率的目的，这种方法容易引起重建视频帧的动态变化，使得接收端的视频明显不连贯预基本流中包含了形状信息、运动信息、纹理信息，由、MPEG-4l-VOP三种类型的帧组成是以帧内模式编码（不需要从其它已编码的P-VOP B-VOP I-VOPS做预测）的视频帧，是通过先前编码的或（参考）做VOP P-VOP I-VOP P-VOP VOP帧间预测来编码的视频帧，是使用双向或做帧间预测编码的视频B-VOP I-VOP P-VOP帧显然上述三种类型的帧在接收端重建视频时具有不同的重要性画所以在视频流细化打包时根据、、三种帧的不同重要性，对不同类型的视频数据I-VOP P-VOP B-VOP采取不同的包封装优先级鉴于以往渤海湾内海事事故的发生通常都是由于滚装船货物捆绑不当，没有及时发现货物移位，造成船舶倾斜酿成重大海事事故，本系统重点监控海上滚装船货舱内货物的绑扎情况，要求传输具有实时性，对同步要求较高，同时画面要尽可能清晰我们将信息及中的运动信息对应为最高优先级，I-VOP P-VOP P-VOP中的纹理信息为其次，最后是信息根据岸上监控中心反馈控制模块传回的反B-VOP馈信息动态计算出一个优先级控制参数优先级低于的数据包都将丢弃，C,C。