船舶视频监控方案

船舶视频监控方案 Modified by JEEP on December 26th, 2020.

船舶动态与视频监控系统的设计与实现

0. 引言

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[1]。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GPS和通信设备（大多是海事卫星C站）把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[2，3]。

目前，国内外海上船舶管理是以船舶报告系统和VTS为代表，以雷达、高频电话和AIS（船舶自动识别系统）技术为手段[4,5]，存在显示不直观（只能将船舶作为一个质点来管理），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F站实现船舶静态图像传输，但由于其费用高而较少被采用。随着我国公众移动通信技术的发展，本文提出用CDMA1X无线网络传输船舶视频图像与船舶动态信息。

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：（1）海事卫星C站或F站，其优点是信号覆盖全球，缺点是带宽窄，比如使用海事卫星F站传输视频只能达到64K的带宽，而且设备昂贵（约万美元/台）和通信费用高（美元/分钟），只有在紧急状态下使用，很少用于日常的安全管理。（2）VHF （Very High Freqency）和SSB（Single Side Band），主要用于话音通信。（3）

GSM、GPRS和CDMA技术，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，GSM和GPRS的信号覆盖不如CDMA广，传输带宽也不如CDMA宽。比较上面几种岸船通信技术，利用CDMA1X无线传输技术实现近岸船舶动态与视频监控是较理想的选择。

CDMA1X无线接入理论速率，目前，有些地区1路CDMA1X信道实际带宽为80kbps，而对于海上通信来说，由于环境特殊，实际上1路CDMA1X带宽可能更窄。这样，采用1路CDMA1X信道来传输船舶视频信息，实际监控效果较差。本文采用多路CDMA1X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。由于动态信息的传输对带宽的要求不高，本文仍采用1路CDMA1X信道传输动态信息。同时由于CDMA1X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CDMA1X 无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2节与第3节中，详细地讨论系统的设计与实现，最后指出进一步的发展方向。

1 船舶动态与视频监控系统简介

船舶动态与视频监控系统的组成结构如图1所示。该系统由五个子系统组成：CDMA 无线视频传输子系统、船上监控中心、动态定位与CDMA通信子系统、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4CIF格式。船上监控中心一方面保障船舶安全，另一方面为安全事故提供取证。岸上监控中心通过CDMA1X无线网络获取船舶动态与视频信息，

采用低分辨率的视频质量，满足CIF格式。岸上监控中心采用Web技术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CDMA1X无线视频传输子系统及岸上监控中心的功能、设计与实现。

图1 船舶动态与视频监控系统组成结构图

Framework of ship dynamic and video monitoring system

2 船舶动态与视频监控系统的设计

CDMA无线视频传输子系统

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MPEG-4视频压缩格式进行压缩，视频编码器内置2个100M网络接口，编码压缩处理后的监控信息一路符合4CIF格式的图像通过网线送到船上监控中心，一路符合CIF格式的图像通过CDMA无线网络传送到岸上监控中心，岸上监控中心能看到各监控点的实时状况，监控终端可通过岸上监控中心局域网或Internet远程实时浏览视频图像、遥控云台，对摄像机进行水平360度，垂直90度及变焦控制。

动态定位与CDMA通信子系统

动态定位子系统由1台船载GPS接收机和1台CDMA1X IP Modem组成。GPS定位信息通过CDMA1X IP Modem接入CDMA1X网络。船载GPS对船舶进行定位获得船舶动态信息，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CDMA1X网络实时传送给监控中心的岸船通信控制器。

岸上监控中心

监控中心负责接收各视频监控点和船载GPS通过CDMA1X网络传输过来的视频和动态信息，同时也负责利用Qos（Quality of Service）监测器模块与反馈控制模块将估算出的包丢失率，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CDMA传回的船舶视频数据包（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Internet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，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[6]。

监控终端

监控终端通过Internet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：（1）Internet方

式，从视频监控服务器下载视频播放插件（ActiveX）进行视频监控，在船舶动态监控服务器上下载电子海图插件进行动态监控。例如，在J2EE环境下，监控终端可采用普通的Web浏览器（例如Internet Explorer或Netscape）,通过HTTP协议向监控服务器发出请求，同时，使用Java applet(从服务器下载)来显示动态监控信息。（2）局域网方式，即通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。

3 船舶动态与视频监控系统的实现

系统利用CDMA1X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，本文提出一种视频分级传输框架，先对CDMA1X 无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。利用多路CDMA1X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。

视频分级传输

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。MPEG-4提出了一种有效的可分级视频编码方法FGS （Fine Granularity Scalability）[7，8]，Weiping Li 提出了基于DCT的FGS编码算法[9]，吴枫等人提出了PFGS（Progressive FGS）编码算法[10]，Mihaela van der Schaar 提出了空间精细分层编码算法[11]等等，反映出FGS已成为视频流分级传输的重要研究对象。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Internet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。

3.1.1 视频分级传输框架

我们在视频编码器内设计一种视频分级传送框架，如图2。

保持原来的4CIF 格式，直接通过编码器压缩后，用UDP 包发送到船上监控中心，一路由4CIF 图像重采样为CIF 格式，通过编码器压缩，送到传输控制器，在传输控制器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CDMA1X 无线网络不稳定的要求。

3.1.2 带宽预测模块

框架采用MSTFP 模型[12]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。为了使用MSTFP 模型，需要获得包丢失率P loss 、传输时间RTT （Round Trip Time ）与传输超时TO （Time Out ）等参数。

数据包在网络上传输过程可以通过两个具有状态的Markov 链来描述，这便是Gilbert 模型[13]，如图3。

图 3 Gilbert 模型

Gilbert model

图3中Markov 链存在两种状态，其中R 、L 分别表示数据包传输成功（状态R ）和传输失败（状态L ），p 、q 为状态R 与状态L 之间的相互转换概率。系统处于数据包传输失败的概率为

loss TL q P TL TR p q

==++ （1）

其中：TR 、TL 分别为系统处于状态R 、L 的时间，参数p 、q 由岸上监控中心的Qos 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行分析求出。

传输时间RTT 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，公式如下：

'1*(1)*()RTT RTT now ST PT αα=+---? （2）

其中：now 为发送者接收数据包的时间戳；1ST 表示发送者发出数据包的时间戳；PT ?表示数据包在接收端停留的时间间隔；'RTT 为当前数据的往返传输时间；α为常数，通常取α=；TO 采用TCP 协议同样的算法来计算。

当传输控制器获得P loss 、RTT 、TO 等参数后，以MSTFP 模型为依据，使用以下公式来估算网络有效带宽。

B =

（3） 其中：s 为包大小。

3.1.3 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[14]。MPEG-4基本流中包含了形状信息、运动信息、 纹理信息，由I-VOP 、P-VOP 、B-VOP 三种类型的帧组成。I-VOP 是以帧内模式编码（不需要从其它已编码的VOP 做预测）的视频帧，P-VOP 是通过先前编码的I-VOP 或P-VOP （参考VOP ）做帧间预测来编码的视频帧，B-VOP 是使用双向I-VOP 或P-VOP 做帧间预测编码的视频帧。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[15]。所以在视频流细化打包时根据I-VOP、P-VOP、B-VOP三种帧的不同重要性，对不同类型的视频数据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I-VOP信息及P-VOP中的运动信息对应为最高优先级，P-VOP中的纹理信息为其次，最后是B-VOP信息。根据岸上监控中心反馈控制模块传回的反馈信息动态计算出一个优先级控制参数C，优先级低于C的数据包都将丢弃，从而达到速率控制的目的。

多路CDMA1X捆绑拓宽带宽

根据实际需要，我们选择五端口路由器，通过连接四台CDMA1X IP路由器，实现了四路CDMA1X信道捆绑拓宽带宽的目的，捆绑四条CDMA1X信道，相当于将总出口带宽拓宽到原来的四倍，即可以达到1路带宽的4倍，完全可以满足采用MPEG-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CDMA1X IP路由器分别设置不同的IP地址，依据设定的路由规则，同时将视频数据包发送给岸上监控中心的拥有固定IP的视频监控服务器。视频监控服务器接收四路CDMA传回的船舶视频数据包后，对数据包进行排序和整合。视频监控服务器对四台CDMA1X IP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CDMA1X IP路由器发过来的包，则认为该CDMA1X IP路由器工作不正常。发送控制信息给五端口路由器，重新调整每台CDMA1X IP路由器的负载流量。