视频监控系统的设计与实现.docx

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视频监控系统的设计与实现

视频监控系统的设计与实现

摘要

视频监控系统是一门集计算机技术、通信技术和数字视频技术于一体的综合系统，一直是人们关注的应用技术热点之一.它以其直观方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合,主要应用领域包括教育系统、电力系统、公检法系统、部队系统、银行系统、铁路系统、税务系统以及医疗系统等，几乎每个行业都有多种需求.其特点有：

标准化、可扩展性、可用性和可靠性、易用性、开放式结构、完善性等.

本文以实验室为背景，设计了一个实验室视频监控系统—-本地监控系统,针对其视频采集、存储回放等功能的要求，讨论软件系统的主要任务及解决方案。

视频采集部分使用OpenCV库函数实现,监控采集到的视频图像经过预定义的编码方式进行压缩,采用当今流行的MPEG4文件格式，存储借助于人机交流界面的录像功能实现,回放采用现有的本地播放软件实现。

系统软件实现基于MicrosoftVisualstudio2008环境，利用Qt开发.MicrosoftVisualstudio2008作为一个可视的集成开发工具，提供了软件代码自动生成和可视化的资源编辑功能，与传统的一些编程平台相比，它能够使系统具有较高的效率和可用性.本系统可以实现本地图像信息采集、录像、存储、回放等功能。

初步的实验结果表明,系统在主要功能上已接近实用化，且操作简便、工作可靠,具有很好的应用前景。

关键词：

视频监控，OpenCV，图像采集，存储

DesignandImplementationofvideomonitorsystem

ABSTRACT

Videomonitorsystemissetofcomputertechnology，communicationtechnologyanddigitalvideotechnologyintheintegrationofIntegratedSystem。

Ithasalwaysbeenoneofthehottestapplicationthatpeopleconcernedabout。

Withitsintuitive,thesystemiswidelyusedinmanyoccasions.Themainapplicationfieldsincludeeducationsystem，powersystem，publicsecuritysystem，theunitsystem，thebankingsystem，therailwaysystem,thetaxsystemandthemedicalsystem,almosteveryindustryhastheneeds。

Features:

standardization,scalability，availabilityandreliability,easeofuse，openarchitecture，integrity，andsoon.

Thissystemissetinlaboratoryanddesignedofalaboratoryvideomonitor–localmonitorsystem，foritsvideocaptureandstoreplaybackfunctionrequirements,discussingmajortasksandsolutionsofsoftwaresystem。

VideocapturefunctionsachievedbyOpenCVlibrary,monitoringcollectionofvideoiscodedbycompressionofthefollowingpredefined,oneoftoday’spopularfileformatMPEG4,VideoStoreachievedbyman—machinecommunicationinterfaceimplementation,playbackusingpartachievedbylocalplayersoftware.SystemsoftwarebasedonMicrosoftVisualStudio2008environment，usingQtDevelopment.MicrosoftVisualStudio2008asavisualintegrateddevelopmenttoolprovidedresourcesofsoftwareAutomaticCodeGenerationandvisualeditingcapabilities。

Comparedwiththetraditionalprogrammingplatform，itenablessystemwithhighefficiencyandavailability。

Thesystemenableslocalimageinformationcollection，recording,storageandplaybackfunction.Preliminaryexperimentalresultsshowthatthesystemonmainfunctionisapproachingthepracticalandeasytooperate,reliableandgoodprospect。

KEYWORDS:

videomonitor，OpenCV，imagecapture，storage

目　录

前　言

在社会信息化日益发展的今天,计算机技术、网络技术、通信技术以及多媒体技术己经渗透到人类生存活动的各个领域中。

随着社会经济的快速发展，社会公共安全也受到人们越来越多的关注，安防产业作为一个新型的产业发展非常迅速，也有好多IT公司转型到安防产业,使安防产业在技术上、可持续发展上有了坚实的基础.视频监控系统应运而生.

视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分,其信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使智能网络视频监控系统与安防系统中的各个子系统间实现无缝连接如：

防盗报警系统、门禁系统。

前端设备输出的数字信号也可由多网合一的方式，通过网络复用进行传输并在同一平台上进行管理与控制。

近年来，随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展,而且也受到人们越来越多关注。

它正从传统的安防监控向管理、生产监控发展,并逐步与管理信息系统相结合，达到资源共享，为管理者提供更直观、更有效的决策信息，视频监控不仅符合社会信息化的发展趋势,而且代表了监控行业的发展方向。

视频监控系统的一般过程是：

在一些重要的被监控场所安放一个或若干个摄像机拍摄监控现场，然后将视频信号通过传输网络（线缆、无线、光纤或以太网），传到指定的视频监控中心，监控中心可以远程监控现场图像，并可通过存储介质保存现场视频数据供日后查询取证，同时还可以根据不同需要和途径在现场安装其它的探测装置，作为视频监控系统的辅助设备。

现在人们能够很容易地实现视频信号的传送和处理，得益于数字压缩技术的日益成熟.没有经过压缩的数字图象信号有二百多兆的带宽，模拟信号数字化以后，再经过压缩，可以将其带宽压缩到几十、几百Kbps的范围内。

虽然它们不能提供像电视那样的高帧率视频图象，但在人们可以接受的情况下,占用较小的传输带宽,提供实时的高质量图象，足以满足一般监控场合的要求。

第1章绪论

视频监控系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，它通过摄像机及其辅助设备将监视场所监控到的图像、声音等信息传送到监控中心,实现对特定区域的监控,具有强烈的安全防范能力

1.1视频监控系统的现状

在2000年以前，主要是以模拟设备为主，含摄像机和磁带录像机的全模拟电视监控系统,称为第一代模拟监控系统，这一阶段监控系统中基本不使用视频监控软件.

2000年以后到现在，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和压缩处理,利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示,大大提高了图像质量,由于传输依旧采用传统的模拟视频电缆，所以就叫第二代半模拟半数字本地视频监控系统，这一阶段使用的监控软件基本上都是PC单机DVR软件。

从2004年开始，随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低,以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，由于它从摄像机或网络视频服务器下来就直接进入网络，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为基础,依靠强大的平台软件实施管理，所以称之为第三代全网络视频监控管理系统。

在第三代视频监控系统中，视频监控软件是必不可缺的，普通用户需要使用视频监控软件进行日常的监控功能应用，系统管理员更需要使用视频监控软件对监控系统中所有的硬件软件资源进行全面的管理和维护，可以毫不夸张的说，视频监控软件是第三代视频监控系统的核心。

在国内外市场上,主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。

前者技术发展已经非常成熟、性能稳定,并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。

1。

2视频监控系统的发展方向

前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大特点就是数字化、网络化、智能化、系统化。

1.数字化

视频监控系统的数字化是系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转为数字状态，改变了“传统闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。

信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议,使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。

2.网络化

视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡，集散式系统采用多层分级的结构形式,具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。

组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计,系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能.

系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。

系统网络化将实现整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享,这也是系统集成的一个重要概念。

3。

智能化

采用计算机为控制中心,通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多媒体化，可以方便地实现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警输入、行动输出录像的智能化控制，进而达到对事件的分析、统计、处理，实现视频监控的智能管理.

4.系统化

智能视频综合管理是客户的真正需求,根据不同行业、客户的不同，需求大致应包含视频监控、数据采集、办公信息、地理信息、告警联动、数据图像保存、网络安全、数据安全及授权认证等管理模块，集成了通信技术、计算机网络技术、图像处理技术、自动化技术、模拟安防技术和系统管理软件技术.

1.3技术背景

一般监控系统是由前端设备、传输设备、多路视频分配器、网络视频服务器、本地显示器、终端客户机等部分组成。

前端包括：

摄像机、镜头、云台、防护罩等设备。

传输部分由视频线缆、电源线缆、控制线缆和传输线缆等组成。

web嵌入式视频服务器连接多路视频输入，集监视、录像、多种画面分割、画面切换、回放检索、打印、等功能于一体.终端客户机实现远程视频回放和对云台的监控.下面针对系统中用到的主要技术做简要叙述。

1。

3。

1VisualStudio2008简介

VisualStudio是微软公司推出的开发环境.是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。

目前已经开发到9。

0版本，也就是VisualStudio2008。

它使开发人员能够快速创建高质量、用户体验丰富而又紧密联系的应用程序,充分展示了Microsoft开发智能客户端应用程序的构想。

借助VisualStudio2008，采集和分析信息将变得更为简单便捷，业务决策也会因此变得更为有效.任何规模的组织都可以使用VisualStudio2008快速创建更安全、更易于管理并且更可靠的应用程序。

VisualStudio2008提供了高级开发工具、调试功能、数据库功能和创新功能，帮助在各种平台上快速创建当前最先进的应用程序。

VisualStudio2008包括各种增强功能，例如可视化设计器、对Web开发工具的大量改进,以及能够加速开发和处理所有类型数据的语言增强功能。

同时为开发人员提供了所有相关的工具和框架支持。

为了帮助开发人员迅速创建先进的软件,VisualStudio2008提供了改进的语言和数据功能，例如语言集成的查询（LINQ），各个编程人员可以利用这些功能更轻松地构建解决方案以分析和处理信息。

1.3.2Qt介绍

Qt是一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架,它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。

Qt是完全面向对象的很容易扩展，并且允许真正地组件编程。

Qt是挪威QtSoftware的产品，2008年6月17日被芬兰的诺基亚公司收购。

Qt4。

6对全新平台提供支持，具有强大的全新图形处理能力并支持多点触摸和手势输入,让高级应用程序和设备的开发过程变得更加轻松和快乐。

自从1996年早些时候Qt进入商业领域,它已经成为全世界范围内数千种成功的应用程序的基础。

具有以下优点:

1。

优良的跨平台特性

Qt支持下列操作系统：

MicrosoftWindows95/98，MicrosoftWindowsNT，linux,Solaris，SunOS，HP-UX等等.

2。

面向对象

Qt的良好封装机制使得Qt的模块化程度非常高,可重用性较好，对于用户开发来说是非常方便的，Qt提供了一种称为signals/slots的安全类型来替代callback，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单。

3。

丰富的API

Qt包括多达250个以上的C++类，还替供基于模板的collections，serialization,file,I/Odevice，directorymanagement，date/time类甚至还包括正则表达式的处理功能.

5.大量的开发文档

6.XML支持

1.3。

3OpenCV简介

OpenCV是Intel资助的开源计算机视觉库。

它由一系列C函数和少量C++类构成,实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

OpenCV拥有包括300多个C/C++函数的跨平台的中、高层API，它不依赖与其它的外部库，尽管也可以使用某些外部库。

OpenCV对非商业应用和商业应用都是免费的。

目前OpenCV库包括以下几个模块：

1.CxCore：

包括一些基本功能。

从“core核心”名字可以看出，该库提供了所有OpenCV运行时的一些最基本的数据结构，包括矩阵，数组的基本运算,包括出错处理的一些基本函数。

具体分为下面若干部分：

（1）基础结构

（2）数组操作

（3）动态结构

（4）绘图函数

（5）数据保存和运行时类型信息

（6）其它混合函数

（7）错误处理和系统函数

2.Cv：

图像处理和计算机视觉功能，这是主要的函数库，包括图像处理、结构分析、运动分析、物体跟踪、模式识别和摄像机标定等功能。

3.CvAux：

附加库函数，包括一些实验性的函数。

4。

HighGUI：

交互部分，HighHGUI只是用来建立快速软件原形或是试验用的.它的设计意图是为用户提供简单易用的图形用户接口。

通常,你需要读入源图像到你的程序或者输出结果图像到磁盘。

此外，需要简单的方法显示图像到监视器并且向允许（受限的）用户提供输入。

OpenCV的功能主要包括以下：

1.图像数据的操作包括分配、释放、复制、设置和转换.

2.图像和视频的输入输出I/O文包括件与摄像头的输入、图像和视频文件输出。

3。

矩阵和微量的操作以及线性代数的算法程序包括矩阵积、解议程、特征值以及奇异值等。

4。

各个动态数据结构包括列表、队列、集合、树、图等。

5。

数字图像处理包括滤波、边缘检测、角点检测、采样与差值、色彩转换、形态操作、直方图、图像金字塔等。

6.结构分析包括连接部件、轮廓处理、距离变换、各自距计算、模板匹配、Hough变换、多边形逼近、直线拟合、椭圆拟合等。

7。

摄像头定标包括发现与跟踪定标模式、定标、矩阵估计、齐次矩阵估计、立体对应。

8.运动分析包括光流、运动分割、跟踪。

9。

目标识别如特征法、隐马尔可夫模式.

10。

GUI实现图像与视频显示、键盘和鼠标事件处理、滚动条等和图像标注如线、二次曲线、多边形、文字。

1.3.4Xvid简介

Xvid（旧称为XviD）是一个开放原始码的MPEG—4视频编解码器，它是基于OpenDivX而编写的，性能得到极大的提高，被认为是目前世界上速度最快的mpeg4codec.

Xvid的特点：

1.多种编码模式

2。

单重固定码流压缩

3。

单重质量模式动态码流压缩

4.单重量化模式动态码流压缩

5。

双重动态码流压缩模式，使视频在占用空间及画面质量之间获得最佳的平衡

6。

量化方式和范围控制

7。

运动侦测和曲线平衡分配

8.多级运动侦测精度,半像素插值

9.动态关键帧距

10。

心理视觉亮度修正

xvid有两种编码方式：

singlepass和twopass分别实现mpeg4标准中simpleprofile和advancedsimpleprofile两种模式的要求。

1.3。

5流媒体技术

随着互联网的普及，利用网络传输声音与视频信号的需求也越来越大。

广播电视等媒体上网后,也都希望通过互联网来发布自己的音视频节目.但是，音视频在存贮时文件的体积一般都十分庞大。

在网络带宽还很有限的情况下,花几十分钟甚至更长的时间等待一个音视频文件的传输,不能不说是一件让人头疼的事。

流媒体技术的出现,在一定程度上使互联网传输音视频难的局面得到改善。

传统的网络传输音视频等多媒体信息的方式是完全下载后再播放，下载常常要花数分钟甚至数小时。

而采用流媒体技术，就可实现流式传输，将声音、影像或动画由服务器向用户计算机进行连续、不间断传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或十几秒的启动延时即可进行观看。

当声音视频等在用户的机器上播放时，文件的剩余部分还会从服务器上继续下载。

流式传输技术又分两种，一种是顺序流式传输，另一种是实时流式传输。

顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可以观看,但是，用户的观看与服务器上的传输并不是同步进行的，用户是在一段延时后才能看到服务器上传出来的信息，或者说用户看到的总是服务器在若干时间以前传出来的信息.在这过程中,用户只能观看已下载的那部分，而不能要求跳到还未下载的部分。

顺序流式传输比较适合高质量的短片段,因为它可以较好地保证节目播放的最终质量。

因为它可以较好地保证节目播放的最终质量。

它适合于在网站上发布的供用户点播的音视频节目.

在实时流式传输中,音视频信息可被实时观看到。

在观看过程中用户可快进或后退以观看前面或后面的内容，但是在这种传输方式中,如果网络传输状况不理想，则收到的信号效果比较差。

在运用流媒体技术时，音视频文件要采用相应的格式，不同格式的文件需要用不同的播放器软件来播放,所谓“一把钥匙开一把锁”。

第2章需求分析

视频监控系统是安防与信息技术相结合的高科技产物，在安全防范,案件侦破，校园监考,赛事督管方面作用突出。

科技的发展方向与水平是带动整个市场需求与建设进程的原动力，进而为社会的平安，和谐提供强有力的保障。

2.1项目概述

本视频监控系统是客户端软件部分，是整个网络视频监控系统的一部分，在VisualStudio2008以及Qt环境下编译，运行,通过OpenCV库函数实现视频的采集，显示，拍照功能,采用Xvid技术实现视频的压缩存放。

在Windows平台下,用户可通过主界面的菜单来执行操作，实现静态画面的捕捉、视频采集、存放以及回放等功能。

此部分也是最重要的，因为只有有效控制采集跟压缩，得到的信息才会有价值，传输起来方便,快捷。

2.1。

1项目目标

计算机操作系统，先进的开发平台上，利用现有的软件,配置一定的硬件,开发一个具有开放体系结构的、易扩充的、易维护的、具有良好人机交互界面的视频监控系统，实现视频静态画面的捕捉，视频的录制等功能。

2。

1.2功能描述

本系统从摄像头实时采集视频并显示,相片拍照，预览与管理。

可将采集到的视频文件压缩成MPEG4格式的文件保存，并可播放保存的MPEG4文件。

用户在主界面可直接看到采集窗口，显示当前捕捉到的画面,更有快捷按钮实现相片拍照，和视频录制的开始与结束,也可自行设置相片的存储路径，大小,质量等，录制结束后视频文件自动编码压缩存放在指定位置，在文件操作菜单中可以打开并预览照片和视频，在主界面下方显示拍摄的相片，也可方便的预览，同时删除变的可视化，更人性化的设计了退出系统操作菜单，避免因操作不当引起的崩溃。

2。

1。

3运行环境

首先硬环境方面计算机的配置主流的都可以满足需求,外置摄像头也很重要，性能要好，那样画面会更清晰。

软环境方面本系统是在VisualStudio2008以及Qt环境下编译运行.

2.2系统操作图

图2—1系统操作图

是否进入系统是本系统运行的首要条件,进入后出现系统主界面，这里用户可方便的实现所有的操作，包括静态画面的捕捉、视频采集、存放以及回放等功能。

2.3运行需求

运行需求包括硬件接口以及软件接口。

2.3。

1硬件接口

摄像头：

中星微ZC030XUSB摄像头，CMOSOV511。

嵌入式平台:

S3C2440ARM9开发板。

2。

3。

2软件接口

在Windows系统下使用了OpenCV的一些库函数（cvCreateFileCapture,cvCreateCameraCapture，cvGrabFrame，cvQueryFrame）以及封装类（VideoCaptureDevice，V4L1VideoCaptureDevice,CvVideoCaptureDevic）的功能实现摄像头的控制,使用XviD库函数（xvid_global（），xvid_decore（）和xvid_encore（））进行MPEG4视频的解压缩：

xvid_global（）实现全局初始化,获取XviD和硬件功能信息（全局信息），色场空间装换功能；xvid_decore（）为Xvid解码的核心函数,xvid_encore（）是对输入的原始图像进行编码，输出符合MPEG4标准规定的码流。

第3章概要设计

本章节是在系统需求分析的基础上，对视频监控系统做概要设计。

主要解决了实现该系统需求的程序模块设计问题。

包括