引言

按照“福建及台湾海峡三维地壳结构陆海联合探测实验( 2016 —2018)”的总体规划方案,分三期在三个区域开展探测工作,予以查明福建及台湾海峡主要断裂带的深部构造背景。2016、2017年分别完成了第Ⅰ、Ⅱ区块的探测工作(张艺峰等,2017金震等,2018),2018年继续在福建及台湾海峡北部地区完成第Ⅲ区块的三维陆海联测探测工作,陆上利用移动式水库气枪震源系统在泉州龙门滩水库、南平沙溪口水库进行主动源激发;海上震源船在福州、莆田、泉州外海沿测线进行走航式和定点式气枪主动源激发探测(见图 1)。陆海均布置地震仪,实现陆海双向激发和双向观测。


图 1 2016 - 2018 年陆海联测工作区示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the Land-sea joint survey work area in 2016 — 2018

2016、2017年陆海联测实验期间,在厦门设立现场指挥部,搭建气枪震源运动监控系统(陈超贤等,2017王青平等,2019)、信号自动处理(林彬华等,2017黄艳丹等,2017)、信号人工分析(陈惠芳等,2017)等多套技术系统,对陆域水库定点激发、海域定点激发和走航式激发的激发效果进行评估,同时搭建2套视频会议系统,保障陆域水库和海域震源船与指挥部音视频互联互通(林岩钊等,2016)。经过多年努力,现场指挥部技术系统的信息化和自动化水平得到显著提升(肖健等,2017张树君等,2018)。但技术人员需到现场指挥部才能看到系统的运行状态;陆域水库和海域震源船的科技人员无法快速掌握气枪激发效果;行业专家需莅临现场指挥部才能对气枪激发效果进行综合评估。亟需一套能在移动终端上对现有指挥部技术系统进行远程监控的系统。

本文以实际需求为导向,在原有指挥调度系统的基础上,通过多套IP视频流转换器和一套网络硬盘录像机,利用视频编码器将指挥部技术系统的输出视频信号转换为ONVIF协议的标准视频流,通过局域网接入硬盘录像机,最终在移动终端上安装硬盘录像机客户端,进而实现对指挥部技术系统的可移动监控。

1 视频监控系统
1.1 视频信号

视频信号的组成和存储方式可分为模拟视频和数字视频,模拟视频即由连续的模拟信号组成视频图像,传统电视、录像带上的画面通常以模拟视频的形式出现,计算机输出的VGA视频为典型的模拟视频信号。模拟视频监控以其技术的成熟性与系统的稳定性,在国内外监控领域占据一席之地,但因其在视频清晰度、视频传输距离等方面存在限制,影响其应用范围与发展(张海燕,2013)。随着数字视频处理与计算机技术的发展,数字视频信号的发展如火如荼,以高清画质、方便性、易扩展性等优势已成为未来发展趋势。计算机输出的DVI、HDMI视频为典型的数字视频信号。

1.2 视频监控

视频监控通常由前端视频采集设备、传输系统、控制设备、监控显示和数据存储等组成(王金等,2015)。视频采集设备通常为红外高速球机、红外一体机、激光夜视仪、高清网络摄像机等;传输系统由同轴电缆、网线或视频光端机与光缆等组成;控制设备主要由视频矩阵切换器、视频拼接器和控制键盘等组成;显示单元主要为监视器或电视墙等,负责显示控制设备调度的视频信号;数据存储主要为硬盘录像机,常见的有录制模拟视频的模拟硬盘录像机(Digital Video Recorder,简称DVR)、录制数字视频的网络硬盘录像机(Network Video Recorder,简称NVR)及DVR与NVR的混合体XVR。

1.3 陆海联测指挥部视频信号

陆海联测指挥部监控包括技术系统输出的VGA视频、HDMI视频及指挥部现场监控视频,涉及模拟视频和数字视频,信号种类多样,如表 1所示。

表 1 陆海联测指挥部技术系统视频信号 Table 1 Video signal of land-sea joint survey command

传统的DVR硬盘录像机只能录制指挥部现场监控BNC视频,而其他技术系统输出的VGA和HDMI视频无法直接录制,虽可利用VGA转BNC转换器或HDMI转BNC转换器将视频信号统一转成BNC,但转换后的BNC模拟视频较原始信号的清晰度差距较大(见图 2)。因此,传统DVR硬盘录像机无法满足地震波波形等精细化显示的实际需求。


图 2 原始计算机VGA信号和转换后的BNC信号 Fig. 2 Comparison of original computer VGA and converted BNC signal

而主流的NVR硬盘录像机无法直接接入VGA、HDMI和BNC信号。若使VGA、HDMI视频信号接入NVR硬盘录像机,需通过统一的协议将VGA或HDMI视频信号转成可接入NVR硬盘录像机的转换设备。

1.4 ONVIF协议

2008年5月,由安讯士联合博世及索尼公司宣布携手共同成立国际开放型网络视频产品标准网络接口开发论坛,取名为ONVIF(Open Network Video Interface Forum),并以公开、开放的原则共同制定开放性行业标准,目标是在世界范围内推动不同厂商视频监控产品的相互兼容(邓凯等,2016)。ONVIF标准为网络视频设备之间的信息交换定义通用协议,包括装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息等。目前,ONVIF已拥有近500家会员,主要来自基于IP的监控产品市场,涵盖制造商、软件开发商、系统集成商、终端用户和咨询公司等,国内摄像头厂商海康威视和大华也已加入,作为ONVIF成员,其产品完全支持ONVIF协议。

ONVIF基于互联网思想,设备管理和控制部分所定义的接口均以Web services的形式提供,采用基于XML的WSDL描述。服务端与客户端的数据交互采用SOAP协议,ONVIF中的其他部分如音视频流则通过RTP/RTSP协议进行。其优势在于为网络视频设备之间的信息交换定义通用协议,遵循ONVIF标准的产品间兼容性更强,其协议族完备,支持厂商数量多,市场成熟度和占有率高(张园等,2018)。

传统的视频监控系统包括中心管理单元(Center Manager Unit,CMU)、监控前端单元(Prefocus Unit,PU)和客户端单元(Client Unit,CU)。其中PU负责在CMU控制下使用摄像机采集视频流、使用麦克风采集音频流、使用控制口采集报警信息、对摄像机云台镜头进行控制等;CU负责将PU采集到的视频流、音频流、报警信息提交给监控用户,并根据用户要求操作PU设备的云台等。

传统视频监控系统流程如图 3所示。PU设备上线后向CMU注册,建立连接后,CMU与PU进行指令交互,获取相应的配置参数;CU设备上线后,也向CMU注册,建立连接后,CMU与CU进行指令交互,传输设备列表;最后CU向PU请求实时数据流。


图 3 传统视频监控系统流程 Fig. 3 Process of traditional video surveillance system

使用ONVIF协议后,视频监控系统流程为(见图 4):PU上线后,向CMU发送Hello消息,CMU需要搜寻设备时,向PU发送Probe消息,CMU与PU进行指令交互,获取相应的配置参数;CU上线向CMU注册,建立连接后,CMU与CU进行指令交互,传输设备列表;最后在CMU的协调下,CU向PU请求实时数据流。使用ONVIF协议PU与CMU的交互方式发生了变化,CMU不再与PU保持长连接。


图 4 使用ONVIF协议的视频监控系统流程 Fig. 4 Process of video surveillance system with ONVIF

由于采用WSDL+XML模式,使ONVIF规范的后续扩展较顺利。不同厂商提供的产品均可通过统一的“语言”进行交流,方便了系统的集成;终端用户和集成用户不被某些设备的固有解决方案所束缚,大大降低了开发成本。

2 系统设计
2.1 系统框架

图 5所示为指挥部技术系统可移动监控系统架构。


图 5 指挥部技术系统可移动监控系统架构 Fig. 5 Architecture diagram of mobile monitoring system of Command technical system

系统由硬件支撑层、信息资源层、服务产品层和用户应用层组成。其中硬件支撑层主要由视频分配器、视频编码器、硬盘录像机及网络设备等组成,为系统提供运行支撑的基础平台;信息资源层是指挥部技术系统产出的各类信号源,包括VGA视频源、HDMI视频源和监控视频源;服务产品层是系统的核心,主要包括视频录制、现场监控和可移动监控服务;用户应用层是系统功能的集中体现,为指挥部技术系统提供实时视频录制服务,为现场指挥人员提供现场监控服务,为不在指挥部的技术人员和行业专家提供可移动监控。

2.2 系统流程

图 6所示为指挥部技术系统可移动监控系统流程。通过VGA或HDMI视频ONVIF转换器,将技术系统输出的VGA和HDMI视频信号转换成ONVIF标准视频流,与监控视频数据流一起汇入混合硬盘录像机,进行视频录制,同时在现场的PC和不在现场的可移动终端上提供监控服务。


图 6 指挥部技术系统可移动监控系统数据流程 Fig. 6 Data flow chart of mobile monitoring system of Command technical system

本文提出的指挥部技术系统移动监控具有如下特点:

(1)输入信号兼容性强:系统输入的视频信号为指挥部技术系统输出的计算机视频信号,主要为HDMI或VGA信号,均可通过相应的HDMI或VGA视频编码器转换成标准ONVIF协议的视频流接入混合硬盘录像机,这些输入的计算机HDMI或VGA信号均可在移动监控终端上进行监控显示,输入信号兼容性强。

(2)快速部署扩展性好:只需将视频编码器接入硬盘录像机所在局域网的交换机,即可实现信号的接入,无需复杂布线,安装简单。指挥部新增技术系统时,只需将新增的视频编码器接入局域网即可,可扩展性好。

(3)移动终端通用性好:使用者无需二次开发,直接使用硬盘录像机自带的移动客户端软件即可实时查看指挥部技术系统输出的计算机视频信号。移动客户端软件既支持Windows平台,又支持Android平台,还支持iOS平台,通用性好。

(4)多维度视频查看:移动客户端软件既可实现单个技术系统画面的查看,也可实现多个技术系统画面的分屏查看;既可实现技术系统实时画面的查看,又可对历史画面进行查看。

3 系统实现
3.1 重要组成部件

指挥部技术系统可移动监控系统重要组成部件如表 2所示。

表 2 指挥部技术系统可移动监控系统重要组成部件 Table 2 Important components of mobile monitoring system of command technical system
3.2 设备连接

指挥部技术系统设备连接如图 7所示。各技术系统的计算机输出视频信号经视频分配器一分为二,一路信号送到视频矩阵,经调度后在指挥部显示幕上进行显示,并利用监控摄像机对显示幕进行拍摄;另一路信号通过ONVIR转换器转成ONVIF标准视频流,与现场监控摄像机实时视频流一起接入混合硬盘录像机。指挥部的技术人员可通过局域网,利用浏览器登录硬盘录像机管理界面,实时查看各技术系统;在外的技术人员、行业专家可通过互联网,利用移动终端客户端软件,实时查看各技术系统运行界面。


图 7 指挥部技术系统设备连接 Fig. 7 Device connection diagram of command technical system
3.3 系统实现与应用

2018年福建及台湾海峡地壳深部构造陆海联测实验中,华为M5平板上显示的各指挥部技术系统截图如图 8所示,此次共接入8路视频信号:1路模拟信号(监控摄像头拍摄的指挥部全景画面)、1路HDMI高清信号(图 8右上角第2个信号源,数据自动处理系统)和6路VGA视频信号。


图 8 在华为终端上显示的指挥部技术系统 Fig. 8 Command technology system displayed on Huawei terminal
4 结语

本文提出一种基于ONVIF协议的指挥部技术系统可移动监控解决方案,利用视频编码器将指挥部技术系统的输出信号转换成ONVIF协议的标准视频流,通过局域网接入硬盘录像机,最终在移动终端上安装硬盘录像机客户端,进而实现对指挥部技术系统的可移动监控,提升指挥部技术系统监控和管理水平,在2018年福建及台湾海峡地壳深部构造陆海联测实验中得到应用,获得良好的效果。

在实际灾害应急救援过程中,指挥部技术系统可移动监控方法可为应急指挥与辅助决策人员,特别是前方决策人员提供各类技术系统信息,便于采取高效准确的救援措施,提高灾害处置能力,最大限度地减轻灾害造成的人员伤亡和经济损失。

致谢: 审稿专家提出了宝贵意见,编辑部老师在成文过程中给予了一定的帮助,在此一并表示感谢!
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