多媒体监控网络视频多画面全动态显示的设计与实现.doc

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1、文 章 编 号: 100021220 (2000) 0920962204多媒体监控网络视频多画面全动态显示的设计与实现卢选民史浩山张原( 西北工业大学电子工程系 西安 710072)摘 要: 本文详细讨论了基于计算机网络的多媒体视频监控系统视频多画面全动态显示的设计原理和实现方法, 通过多画面处理器和视频切换卡的设计与应用, 最终实现了基于分时机制和消息映射模式的视频多画面全动态显示, 并在实 际系统中得到了成功应用.关 键 词:分 类 号:视频监控; 多画面处理器; 视频切换卡; 分时机制; 消息映射文献标识码: AT P 391路 CCD 摄像头图像信号, 以便对多个地点同时进行观测. 一

2、般有三种实现方法:第一种是通过多块视频叠加卡实现多路图像信号同时显 示, 即每块视频卡接一路图像信号. 这种方法效果好, 多路图 像信号在监视器不同区域上各自独立地同步显示, 彼此不受 影响. 缺点是实现代价太高, 多一路图像信号就要多一块视频 叠加卡, 而且还受计算机扩展槽个数的限制.第二种方法是采用多画面处理器实现多路图像信号同时 显 示, 即 通 过 在 多 画 面 处 理 器 的 输 入 端 加 入 多 路 ( 一 般 为 4 路, 9 路或 16 路) 视频源信号, 然后把它们转换成一路图像信 号进行显示. 这样, 在一个窗口的不同区域上就有多个活动的 全动态图像同步显示. 这种方法

3、的效果也比较好, 因为多路信 号现在可以看作是一路信号对待. 缺点是灵活性不够, 输入端 信号一经连接就固定下来了, 不易进行变更, 而且输入的信号 路数也受硬件的限制, 固定为 4 路, 9 路或 16 路.第三种方法是采用一块视频叠加卡实现多路信号分时显 示, 即在一块视频叠加卡的图像来源上接入视频切换卡, 通过 视频切换卡接入多个视频源信号. 这种方法的优点是成本低, 可以直切到某个视频源上单幅画面动态显示, 也可以通过轮 切的方式实现多幅画面的同时显示, 最多可达 16 画面, 并且 各个图像视窗的尺寸可根据需要用鼠标拖动随意缩放; 缺点 是多画面显示时, 各个图像信号是在 V GA

4、监视器不同区域上 分时显示, 因而图像有跳动感, 每一时刻也只 有 一 个 画 面 激 活. 其工作原理如图 1 所示.1引言九十年代以来, 随着多媒体技术和计算机技术的迅速发展, 其在各行各业中的应用更加广泛, 把多媒体技术应用到闭 路电视监控系统上, 使多媒体计算机系统与闭路电视监控系 统有机地结合起来, 对模拟视频、音频信号进行采集、分析、处 理、储存, 使闭路电视监控、报 警 系 统, 既 能 完 成 监 控 系 统 功 能, 又能进行信息处理, 使其向多用户、多用途、智能化、数字 化、网络化方向发展. 数字化监控不仅可以利用计算机网络和 先进的视音频压缩解压缩技术实现远程视频监控,

5、还具备根 据报警功能需求设置灵活多样的报警联动, 生成详细的报警 记录和操作记录数据库, 设计完善的系统用户权限管理等功 能.在充分考虑数字化监控系统所应具有特点的前提下, 我 们设计了基于 C S 模式的多媒体监控网络系统. 本系统的多 媒体软件的设计以 M ic ro so f t W indow s 98 为操作控制平台, 设计的显示图像和图形界面规范、友好. 对视频、音频多媒体 信息的编程采用了W indow s 下的 V FW 多媒体开发制作平台 和 V isua l C + + 语言编写而成, 采用先进的窗口技术和计算 机管理控制技术, 实现了多媒体监控网络系统的功能要求. 系 统

6、不仅具有数字监控系统所必备的特点, 还具有动态视频路 由选择、视频桥和远程视频代理功能. 并具有 1216 多窗口视频 显示和动、静态视频捕捉功能, 灵活的报警信息过滤功能, 外 接电视墙、监视器功能, 图形化的报警布防信息设置和显示功 能, 以及完善的系统和外设异常处理功能, 在实际应用中取得 了比较满意的效果.其中, 系统图像监视功能包括计算机屏幕上实时显示多 幅动态图像; 实现多画面与单画面的相互切换; 视频图像信号 的输入输出以 8X 8 为基本单元, 并可根据需要随意扩展; 循环 显示多路视频图像画面和音频声音等. 所谓在 V GA 监视器上 实现多画面的显示, 就是在 V GA 监

7、视器的不同区域上显示多图 1 视频多画面显示工作原理为了实现视频多画面的全动态显示, 同时又不丧失灵活 性, 在现有硬件条件的基础上, 我们最终决定采用一种综合的收稿日期: 1999209210 收稿日期: 2000201204 作者简介: 卢选民, 博士研究生, 主要研究方向为多媒体技术、数据库技术和图形图像处理.史浩山, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为计算机网络与多媒体通信、G IS 系统和图形图像处理. 张原, 博士研究生, 主要研究方向为多媒体技术和网络安全.方法, 那就是把多画面处理器和视频切换卡二者的优点结合起来. 在系统的具体应用中, 我们把多路视频信号接到视频切 换卡的输

8、入端, 然后把其输出端接到多画面处理器的输入端, 最后把多画面处理器的输出端再接到切换卡的一个输入端口 上. 之所以把多画面处理器的输出端再接到切换卡的一个输 入端口上, 而不是直接接到视频叠加卡的输入端口上, 是因为 我们除了对必须时刻进行全动态显示画面的监视之外, 还想 继续保留第三种方法里所述的对其它视频源的直切显示, 一 方面降低成本, 另一方面可以满足网络用户对某些场景的监 视要求. 这样, 要进行全动态显示的画面就不 会 是 始 终 固 定 的, 而是可以通过软件对视频切换卡的控制来进行选择, 以满 足用户不同时刻的具体要求.2视频多画面显示的硬件结构2. 1 系统硬件结构根据系统

9、的具体要求和我们最终决定采用的实施方案,我们构架了系统的硬件结构 ( 如图 2 所示) , 视频主机作为本地局网上的一个结点,可以通过 L A N 与本地其他视频主机以 10100M bp s 速 率 交 换 信 息, 并 可 通 过 DDN 、 P STN 、A TM 等广域网或园区网与远程视频主机相连. 系统中每台 视频主机视具体情况可分别接 8、16、32、64、128 路视频输入, 系统以定时轮切和手动切换方式在 1216 多窗口中动态实时显示一路视频输入, 或把要求时刻全动态显示的视频源信 号切换至多画面处理器的输入端. 系统对接入视频的监控是 通过视频矩阵切换卡实现的, 矩阵切换卡

10、可实现输入输出图 2系统硬件结构应一个信号, 每个信号都是活动的, 也可单个 显 示 或 切 换 显 示. 在某些情况下, 当对画面连续性的要求不高时, 我么可采端的全连通性.2. 2 数字视频卡和多画面处理器F lyV ideo 系列视卡是目前市面上比 较 流 行 的 数 字 视 频卡, 它可以显示全活动的数字化图像, 可播放、冻结、存储和处 理来自录像机、视盘机和广播电视信号, 支持多种制式, 可调 节色度、饱和度、亮度和对比度, 可进行画面调节, 有多个信号 输入端, 可从中任选一个与 V GA 信号叠加显示, 并将视频信 号数字化后存入帧缓冲区, 也可切换轮流显示. F lyV ide

11、o 先把 接收的视频信号进行 A D 变换, 然后送到多制式数字解码器 解 码, 得到 YU V 数据 (Y 为亮度, U 、V 为色差信号) , 然后在 视频窗口控制器的控制下进行剪裁、缩放、定格等操作后, 送 到 D A 转换器和模拟彩色空间变换矩阵, 实现 YU V 到 R GB 的转换, 以及亮度、饱和度、对 比 度 的 调 整; 再 将 视 频 信 号 与 V GA 信 号 叠 加 后, 送 到 视 频 编 码 器 进 行 编 码, 最 后 输 出 到 V GA 监视器. 每种型号的视卡的存储方式都各不相同, 有些 卡存放 YU V 格式数据, 有些卡 R GB 转换后存放 R GB

12、 格式数 据, 视频信号在屏幕的显示位置可由窗口与色键两种方式控 制. 按颜色定义一种颜色为色键, 当 V GA 某一位置的颜色为 色键时, 则在该位置显示相应的视频信号; 按坐标定义一个显 示窗口, 窗口为显示视频信号的区域. F lyV ideo 无法接收多于 信号输入端个数的视频信号, 通常附加多画面处理器或视频用切换卡用软件控制切换 (多画面显示时, 只有当前窗口是活动的). 在本文中, 为了满足不同用户的具体需求, 我们把二者 结合起来来使用.2. 3 视频切换卡视频切换卡是专为视频信号切换而设计的. 它是由一组 视频开关矩阵组成的 16 路输入 8 路输出开关阵列. 在 16 路输

13、 入中, 每一路都可以根据不同的控制命令切换到 8 路输出中 的任何一路. 其原理框图如图 3 所示.列. 在行列交叉点上都有一个开关. 开关的接通与否由控制寄4. 负载跳线开关 L OA D 为内外负载跳线开关, 用来选择内外负载. 当单块卡独立使用时, L OA D 接“+ ”, 断开“2”.当扩展使用时, 如果几块卡输出相连 (即扩展输入时) , 只能有 一块卡 L OA D 接“+ ”, 其余卡均接“2”.每块视频切换卡都用一个 8 位 D IP 拨码开关来选择该卡 的地址码, 其对应关系为: D IP 开关的第一位对应 PC 机地址 总线的 A 2. 第八位对应 A 9. 用户可以根

14、据实际情况选择不同地址. 当用户要求输入大于 16 路, 输出大于 8 路时, 可用多块卡来扩展输入或输出的数目. 扩展连接示意如图 5 所示.该图是一扩展为 32 路输入, 16 路输出的示意图. 如图把 左半部或右半部取掉, 就是一个 32 路输入 8 路输出的扩展. 如果把上半部或下半部取掉, 就是一个 16 路输入 16 路输出图 4 视频切换卡引线插座示意图存器控制. 在输出所在的列上, 每次只能有一行接通. 这样, 每 路输出都可以与任何一路输入接通. 从而达到信号的切换.目前市面上有多种视频矩阵切换芯片可供选 择, 我 们 选 择 了 M A X IM 公 司 的 M A X 4

15、56 芯 片, 它不但具有串、并行数字接口, 还具有通道隔离度 高等特点,M A X 456 有 8 个输入端和 8 个输出端, 通过多 块 M A X 456 可 以 设 计 出 16X 8 ( 16 输 入, 8 输 出)、32X 16 等多种规格的视频矩阵切换卡, 为 达 到 输 入 输 出 的 全 连 通 性, 16X 8 需 要 2 片 M A X IM 456, 32X 16 需要 8 片M A X IM 456, 当需要 更多的输入输出时, 考虑到切换卡不能太大, 可以 采用多块 32X 16 级连的方式.最后, 我们设计实现的视频切换卡引线插座 位置可如图 4 所示.1. 输

16、出 输 入 引 线输 出 输 入 引 线 为 DB 251型插座, 其对应关系为: 引脚 1 8 对应输出第一 路到第八路; 引脚 11 26 对应输入第一路到第十六路. 其余引脚为地线.2. 扩展引线IN 1, IN 2, OU T 为 扩 展 插 座,用以扩展输入输出通道数使用.图 6 程序实现流程图的扩展. 用户也照此办法, 将其扩展到更大的组合.D IP 拨码开关本开关用以选择本卡地址编码, ON =3.= = 0, O F F = = = 1.3视频多画面显示的软件实现要实现视频多画面分时显示, 首先必须有分时的机制.在本系统中, 通过 Se tT im e r 函数建立定时器, 每

17、隔一定时间 发送一次WM _ T IM ER 消息.V o id TV ideoW indow : : WM C rea te (R TM e ssage) 接 收 WM _CR EA T E 消息Tw indow : : Se tupW indow ( ) ;if ( Se tT im e r ( Hw indow , V ID EO , T IM E GA P 1, N U L L ) = = N U L L )M e ssageBo x (N U L L ,“定时器建立不成功”,“错误信息提示”, M B _ O KCA N C EL ) ;当 消 息 处 理 函 数 接 收 到 WM

18、_ T IM ER消 息 后, 用F reezeV ideo ( ) 冻结目前的活动图像, 然后用 Se tV ideo So u rce() 函数把视频来源切换到下一个, 并用 Se tV ideo Sca ling ( ) 设 置图像长宽的大小, 最后用 Se tC ap tu reA dd re ss ( ) 函数设置图 5 视频切换卡的扩展连接下一个活动图像的显示位置. 这样, 活动画面就由前一个转到后一个, 实现视频图像的分时显示. 程序逻辑如图 6 所示, 系 统的动态视频多画面显示主界面可如图 7 所示.Se tV ideo So u rce (wV ideo So u rce)

19、 ;Se tV ideo Sca ling (W id th 2sk ew , yW inH e igh t, T RU E ) ;if (wV ideo So u rce= = 0)Se tC ap tu reA dd re ss ( 0, 0) ;e lseSe tC ap tu reA dd re ss (W id th + sk ew , 0) ;i= wV ideo So u rce; U nF reezeV ideo ( ) ;W V ideo So u rce+ + ;V o id TV ideoW indow : : WM T im e r ( Tm e ssage&m sg

20、) WM _ T IM ER 消息if (m sg. W p a ram = = V ID EO )in t i;in t W id th = xW inW id th 2;in t sk ew = W id th 10;if (wV ideo So u rce= = 2)wV ideo So u rce= 0; F reezeV ideo ( ) ;接 收在本系统的研制与开发中, 我们最终是把视频矩阵切换图 7 系统的动态视频多画面显示主界面芯片和多画面处理器结合起来来实现视频切换和多画面全动态显示的. 这样, 把视频切换卡的灵活性和多画面处理器的全 动态性集中在了一起, 在实际应用中收到了

21、 良 好 的 效 果. 今 后, 一种可选的方案就是采用目前正在发展并不断成熟的新 型图像捕捉卡来代替视频切换卡, 这种图像捕捉卡在实现视 频多画面动态显示时的工作原理和多画面处理器基本类似, 只不过多画面处理器是模拟的, 而图像捕捉卡是数字的, 并且 采用总线结构, 它可以快速实现多路视频信号的输入和轮流 采集, 最后以时分复用方式输出一路数字信号. 这样, 通过软件编程分时, 就可直接实现多画面在监视器不同分区以 15 帧秒的速度显示, 从而较好地解决了画面的跳动问题. 但从软 件编程角度来讲, 和我们这里采用的方法是一致的.参 考 文 献A nd rew S. T anenbaum ,

22、Com p u te r N e tw o rk s ( T h ird E d it io n ).M P ren t ice2H a ll In te rna t io na l, Inc. , 1996M ic ro so f t Co rpo ra t io n , V isua l C + + 6. 0 o n line h e lp王 中 平、魏 云、王 毅. 计 算 机 M U L T IM ED IA 多 媒 体 实 用 技 术.M 西安. 陕西电子出版社. 1993123D ES IGN AND R EAL IZA T IO N O F V ID EO MUL T I2IMA

23、G E D YNAM IC D IS PLA YIN A MUL T IM ED IA MO N ITO R ING N ETW O R KL U X uan2m in SH I H ao 2sh an ZHA N G Yuan(E lectron ic E ng ineer ing D ep a r tm en t, N or thw est P oly tech n ic U n iv ersity X ian 710072)A bstrac t In th is p ap e r, th e de sign p r inc ip le and th e rea liza t io n m

24、 e tho d o f v ideo m u lt i2im age dynam ic d isp lay in a M u lt im ed ia M o n ito r ing Sy stem ba sed o n th e com p u te r ne tw o rk a re d iscu ssed in de ta il. B y tak ing advan tage o f th e m u lt i2im age p ro ce sso r and th e V ideo T ran sfe r C a rd, w e rea lize th e sy stem o f m u lt i2im age dynam ic d isp lay ba sed o n T im e2D iv ide M ech an ism and M e ssage R ef lec t ing , and ach ieve succe ss in app lica t io n.Key words V ideo m o n ito r ing; M u lt i2im age p ro ce sso r; V ideo t ran sfe r ca rd; T im e2D iv ide m ech an ism ; M e ssage ref lec t ing