郑中业，韩一鸣，马维华 (南京航空航天大学 信息科学与技术学院, 江苏 南京 210016)

摘要：煤矿企业对井下作业的安全性要求很高，安装视频监控系统可以将井下的生产状况以视频的形式直观地展现在管理人员面前，便于及时发现事故隐患，防范于未然。通过将传统的视频监控系统数字化、网络化，同时加入优先权和可扩展的特性，提高了系统的可靠性，实现了分布式、远程视频监控。
关键词: 优先权；视频监控；煤矿；硬盘录像机
中图法分类号: TP393，TP29　　　　　　　　 文献标识码: A

引言
对煤矿企业来说，日常生产中存在着一定的危险性，尤其是井下作业的危险系数更高。鉴于此，煤矿企业在获得良好经济效益的同时，必须充分考虑安全因素。为了确保井下作业矿工的生命安全，除了要保证井下设备的质量、规范操作流程和提高矿工安全意识外，安装视频监控系统[1]，实施对井下作业现场的实时监控也是必不可少的重要安全措施。 本文以河南某煤矿的视频监控项目为背景，设计并实现了一种数字网络视频监控系统，该系统引入优先权的概念，将系统的用户分为不同等级，赋予相应的优先权，同时，系统具有良好的扩展性，增加删除监控节点的成本可以忽略不计。

1总体方案
1.1 方案概述

整个系统主要由以下几个模块组成：摄像头、硬盘录像机、视频监控服务器和浏览器。摄像头是本系统中最底层的设备，负责视频图像的采集，根据不同的应用需求，可以配备不同分辨率的摄像头；硬盘录像机和摄像头之间用标准的BNC视频接口（75Ω）连接，把摄像头采集来的视频数据进行数字化处理、压缩，并把处理过的数据发布到网络上，同时存储在本地硬盘，以便提供历史回放功能；视频监控服务器承担视频中转的任务，一方面与硬盘录像机通信，获取视频数据，另一方面向用户提供在浏览器中直接浏览视频的功能；浏览器是整个系统的最上层，浏览器可以位于本地局域网，也可以在远程通过Internet连接到本地网络。系统结构如图1所示：
图1 系统结构
1.2 摄像头
在本方案中，已经存在传统的模拟闭路电视监控系统，为了不影响原有系统的正常运行，同时考虑到成本方面的因素，沿用现有的摄像头资源，直接将原来连接到闭路电视上的视频信号接入硬盘录像机，再将硬盘录像机的环通输出接口与原有监视器连接，保证原有系统的正常运行，增强了系统的兼容性。
1.3 硬盘录像机
硬盘录像机是整个系统的核心之一，其处理能力的快慢、压缩效率的高低及存储容量的大小直接影响到系统的速度、可靠性、图像质量等。本方案采用海康威视[2]DS-8016系列网络硬盘录像机[3]，这是一款专为安防领域设计的优秀数字监控产品，采用了嵌入式处理器和嵌入式操作系统，结合了IT领域各项最新技术，如视音频压缩/解压缩、大容量硬盘记录、TCP/IP网络等技术，代码固化在FLASH中，使得系统运行更稳定。DS-8016网络硬盘录像机既可本地独立工作，也可连网组成一个强大的安全监控网。可应用于银行、电信、电力、司法、交通、小区、工厂、仓库、资源、水利设施等各领域、各部门的安全防范[4]。
1.4 视频监控服务器
视频监控服务器采用IBM xSeries[5] 226 8488服务器，该服务器配置有Xeon3.0G的CPU， 512M*2的内存，73.4GB*2的SCSI硬盘，两块千兆网卡，性能优越。
在服务器上部署Web服务器，最终用户都通过此Web服务器访问视频监控系统。Web服务器软件采用当前流行的企业级开发平台 .NET，并结合SQL Server 2000数据库存储相关数据。此外，采用COM技术，结合VC++ 6.0开发平台，将与视频处理相关的功能封装为一个ActiveX控件[6]，使得系统模块划分更加清晰，降低了系统的耦合性，易于升级和维护。
1.5 浏览器
浏览器是系统和用户的接口，要求使用Microsoft IE系列浏览器，版本在5.0以上。由于采用了ActiveX控件实现视频处理的功能，所以在初次使用浏览器进入视频监控系统时，需根据系统提示，下载并安装ActiveX控件，方可正常浏览视频。
1.6 与传统方案的比较
本方案实现了视频监控的数字化和网络化，与传统的模拟视频监控相比，有着明显的优势。
首先，传统的模拟视频监控对距离十分敏感，随着传输距离的增加（例如大于1000m 时），信号很容易产生衰耗（特别是高频衰耗）、畸变、群延时失真等，并且，在漫长的信号传输过程中很容易受到外来电磁信号的干扰，导致监视画面的杂波增大，并可能由于寄生调幅而使图像被叠加了脉动的或网状的幅度干扰成分，使图像质量严重劣化；而将视频信号数字化处理以后，传输距离得到很大的扩展，不会由于距离的增加导致信号的衰减，并且，数字信号具有很强的抗干扰性，从而提高了系统的可靠性。
其次，传统模拟视频信号的存储会耗费大量的存储介质（如录像带），而且视频录像带容易遭破坏或磨损；数字视频监控系统将视频图像记录在视频服务器中的计算机硬盘上，其寿命远大于普通的录像带，并且其最大的优点是既能保证存储图像的清晰度不受多次复制而遭劣化的影响，又能够快速检索到所存储的图像。
第三，将先进的计算机网络技术引入视频监控系统中，极大的扩展了视频监控的地理范围，使得异地远程监控成为可能，并且易于统一集中管理，这是传统模拟视频监控所不能比拟的。
第四，在传统的模拟视频监控系统中，记录在录像带上的模拟视频信号不易进行检索，当需要查寻历史图像时，必须反复回放录像带中记录的图像，往往要花费大量时间观看录像带才能找到需要的图像资料；而在数字视频监控系统中，视频图像是以数字化方式存储，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在硬盘、光盘中，用户可以完全自动地对监控对象进行永不间断的全程监控，并可以利用计算机建立的索引，非常方便地查询任一时间、任一地点的现场资料，在几分钟内就能找到相应的现场记录，方便快捷。

2 软件设计与实现
本系统由基础硬件和相关软件构成，上述的摄像头、硬盘录像机、服务器及相关的网络连接设备构成了系统的硬件环境，这些硬件完成视频数据的采集、压缩、编码和传输等；系统的管理和配置等功能由视频监控管理平台软件实现，下面讨论管理平台软件的设计与实现技术。
管理平台软件分为两个部分，一是与前端视频设备直接交换数据的视频ActiveX控件；一是为系统管理员提供的管理界面和一般用户提供的浏览界面。
2.1 视频ActiveX控件
本系统要实现通过浏览器查看视频图像。众所周知，浏览器本质上是HTTP协议的客户端，将用户的浏览网页的请求封装成HTTP请求报文发送给服务器，并接收来自服务器的响应报文，解析其中的HTML内容，以适当的格式展现给用户。可以看出，浏览器本身是没有视频处理能力的，要实现在Web页面上显示视频，必须通过一种机制，将视频插入到标准的HTML文件中，ActiveX控件正是这样一种机制，它可以作为一个对象插入HTML文件中，在HTML中为其定义一个对象标签，有关视频处理部分就完全交给ActiveX控件来完成。视频ActiveX控件向外界提供三个调用接口：
BOOL Login(char *User, char *Password);
BOOL Play(char *DVRIP, int Channel, int Port);
BOOL PlayHistory(char *DVRIP, int Channel, int Port, char *StartTime, char *EndTime)。
其中，Login提供登录功能，验证用户的身份，只让合法用户登录，保证系统的安全性，两个参数User和Password分别为用户名和密码；Play提供视频的播放功能，其参数有三个，DVRIP表示硬盘录像机的IP地址，此处用IP地址来惟一标识一台硬盘录像机，Channel表示硬盘录像机的通道号（每个硬盘录像机最多有16个通道，因此Channel的取值范围为1~16），Port表示通信的端口号；PlayHistory提供视频回放功能，和Play相比，它多了两个参数StartTime和EndTime，分别表示回放开始时间和结束时间。三个函数的返回值都为BOOL型，调用成功返回TRUE，调用失败返回FALSE。
视频ActiveX控件采用COM技术，在功能强大的VC++ 6.0环境下开发，同时使用了海康威视提供的客户端软件开发包[7]，实现了同时和多台硬盘录像机、多个视频摄像头的通信，使得用户根据需要同时查看多路视频。
2.2 管理与浏览界面
管理平台软件在.NET环境下实现，采用数据库技术实现优先级、可扩展等先进特性。
系统中的硬盘录像机和摄像头的相关参数信息都存放在数据库中，管理平台软件维护着一张映射表，如表1所示。
表1 管理映射表
工作组 地点 DVRIP Channel Port
排水系统 负130大泵房 172.16.65.2 1 8000
负240大泵房 172.16.65.3 2 8000
供电系统 斜井变电所 172.16.65.4 1 8000
庚三变电所 172.16.65.50 2 8000
已二变电所 172.16.65.61 3 8000

注：此表内容仅作示意，实际内容根据具体情况而定。
表中地点表示视频通道的逻辑名称，而一个工作组可以包含多个视频通道，DVRIP、Channel和Port在上文已经阐述过，此处不再描述。可以看出，引入此映射表，可以对最终用户屏蔽系统设备层的实现细节，用户只要指定特定的工作组中的特定视频通道就可以浏览视频，而不必关心摄像头与硬盘录像机的连接情况，极大的方便了用户的使用；同时映射表还为管理人员提供了方便，当系统做出调整，如增加、撤除硬盘录像机和摄像头，调整摄像头与硬盘录像机的连接关系时，管理人员只要根据具体情况，增加映射表项或修改映射表，即可快速地实现系统升级，而无需调整现有的软硬件设置，而这一切对最终用户都是透明的。
系统根据需要将用户划分成不同级别，最上层是超级管理员。不同级别的用户被赋予不同的权限。管理员可以创建用户，分配初始密码，也可以将用户划分为用户组进行管理。系统将权限分为多个等级，可根据需要灵活地分配给相应的用户。关于用户管理和优先级的问题将在下文详细阐述。
3 系统的先进特性
3.1 优先级
由于观看视频图像需要占用较大的网络带宽（本系统设计为每通道512kbps），当同时登录系统的用户过多时，会导致系统过载，无法顺畅的浏览视频。但在某些关键时间段（如：发生生产事故时），必须保证部分用户（如：煤矿领导）正常浏览视频，鉴于这种需求，将系统用户划分为三个等级：超级用户（1个）、高级用户（5个）和普通用户（20个）。超级用户是系统的管理员，具有最高权限，可以执行系统配置、日常维护等工作；高级用户比普通用户权限高，可以在系统满员时强行断开普通用户的视频连接。系统优先级的实施过程如图2所示，图中Super1、Super2、Super3为高级用户，User1、User2、……User3为普通用户。
Super1
图2 优先级实施示意图
从图2中可以看出，当登录系统的用户达到上限5时，某高级用户的登录将强行挤出一个普通用户，从而保证高级用户的正常使用。图3从视频监控服务器接受用户登录的处理流程的角度反应了系统优先级的处理过程。
图3用户登录流程图
3.2 可扩展
随着时间的推移和使用需求的改变，摄像头和硬盘录像机的数目和分布位置可能发生变化，为了应对这种不可预知的更改，系统在设计之初就充分考虑了可扩展性，将摄像头和硬盘录像机的相关信息存放在服务器的数据库中，当这些信息发生变化时，只需使用超级用户帐户登录系统，做相应的设置即可。对硬盘录像机的设置包括：IP地址、安装地点、录像策略等；对摄像头的设置包括：摄像头连接的硬盘录像机的IP地址和通道号、用于云台控制[8]的通信波特率等。这些特性使系统能够持续平滑升级和扩展，降低整体投资成本。
3.3 任意时间段回放
本系统除了具有实时视频监控功能外，还将监控到的视频流保存在服务器的硬盘上，为用户提供历史视频回放功能。由于视频经过了数字化处理，检索起来相当方便，用户只需指定需要回放的任意历史时间段，系统即可快速从硬盘中检索出准确的视频数据，供用户浏览。
3.4 设备的分级分组管理
强大的分级、分组功能可将摄像机、视频数字硬盘录像机等前端设备根据监控地点和管理需要编成不同区域和工作组。每个工作组可分配若干个前端设备，同一个前端设备可同时分配在不同的工作组中，形成多对多的关系，易于管理。
4 结束语
视频监控系统已经在各行各业获得非常广泛的应用，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，视频监控技术的数字化和网络化已成为未来的发展趋势。本文以实际项目为背景，综合嵌入式系统、COM技术[9]、.NET技术和数据库技术等，设计并实现了一套基于网络的远程数字视频监控系统，并已成功交付河南某煤矿使用。
参考文献:
[1]吴健新,李翠华,吴晓昶,曾楠,吴琦颖.数字视频监控系统开发平台的设计与实现[J].厦门大学学报(自然科学版),2006,(03).
[2]海康威视.2003第三届中国安防论坛深圳举行[J]. 中国安防产品信息, 2003,(06).
[3]郑鲁梅. Sony硬盘录像机MAV-555A的应用分析[J]. 现代电视技术, 2006,(04).
[4]海康威视.DS-8000系列网络硬盘录像机用户使用手册[R].2006.
[5]丁超.IBM xSeries服务器在网络管理中的应用[J]. 通信世界, 2004,(36).
[6]季超，蒲海威，何欣.ActiveX控件及其开发[J]. 河南大学学报(自然科学版) ,1999,(03).
[7]海康威视.DS_8000/6000HC 系列网络硬盘录像机客户端软件开发包编程手册(Build 060430)[R].2006.
[8]权立伟,石江宏,薛财锋.IP视频监控系统中云台控制模块的设计与实现[J].电子技术应用, 2006,(11).
[9]华泽. COM组件复用和实现[J]. 商丘师范学院学报, 2004,(05).
An Extensible Video Monitoring System of Digital Network with Priority
ZHENG Zhong-ye , HAN Yi-ming, MA Wei-hua
(College of Information Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,
Nanjing 210016, China)
Abstract: It has a high security requirement for the operation underground well in coal mining enterprises. Installing a video system can display the underground situation to managers in the form of video, which is helpful to discover possible accidents in advance and deal with them in time. This paper improves the traditional video monitoring system with techniques of computer and network, and at the same time adds features of priority and expandability to it, making the system more reliable, and the distributive and remote video monitoring has been achieved.
Key words: Priority; Video monitoring; Coal mine; Digital video recorder
作者简介: 郑中业(1984—)男,江苏南京人,在读硕士研究生,主要研究领域为嵌入式系统和多机系统。