远程视频监控系统中时间同步的实现

赵栋栋，冯永浩，张 斌

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安710077)

责任编辑:任健男

对于导航设备的远程视频监控系统通过安装在导航台站内的摄像机对导航设备及台站内的人员活动情况进行监视，再通过连接的网络视频服务器，将监控信息通过Internet实时的传输到监控中心的控制主机[1]。在信息传输的过程中，如果信息的发送方和接收方的时间不同步将使得监控中心不能够准确地了解导航台站的实际情况，极大地削弱了视频监控系统的性能，为了实现视频监控系统内各个节点之间的时间同步，笔者利用现有视频监控系统的网络资源，结合当前网络上常用的对时协议设计了针对视频监控系统的时间同步方案，该方案能够顺利解决监控系统每个节点之间时间不同步的问题。

目前，因特网上使用的NTP3.0协议的同步精度已达到了毫秒级，足以满足导航设备的视频监控系统对于时间精度的要求，而正在测试的NTP4.0的同步精度还将达到微秒级。同时，NTP的应用创新也不断涌现，文献[2]和文献[3]探讨了如何将NTP应用于无线传感器网络。文献[4]探讨了NTP协议在变电站中的应用，而本文则将NTP协议引入了网络化远程视频监控系统。

1 监控系统基本结构

导航设备的视频监控系统通过设置网络视频服务器使得信息能通过网络进行传输，系统的基本结构如图1所示，主要由3个部分构成，包括采集现场、通信线路、监控中心[5]。采集前端将被监控的所有实时视频模拟信号经过网络视频服务器压缩编码后通过Internet网络传输到监控中心，在监控中心放置有大量的服务器，可以完成对视频图像信号的处理以及监控录像的存储，经过处理后的视频信息在监控屏幕上显示，供监控人员查看。此外，系统采用H.264高压缩技术，提高了网络传输效果，优化网络传输速度，提高播放画质，减少了网路延时。在监控系统中，还含有导航台站的基本信息，当监视到某个台站出现问题时，可以很快地联系到该台站的负责人，在很大程度上缩短了解决故障的时间，该视频监控系统还具有一定的可扩容性，若需要将新的导航台站纳入监控系统内，则在服务器端添加相应的导航台站的信息以及使用的监控设备的信息即可。

1.1 采集前端

图1 监控系统基本结构

采集前端安装在导航台站内，主要由摄像头、云台、网络视频服务器、录像服务器、电话线以及双绞线构成，还可以配备报警设备。负责对设备现场的视频信息采集、数模转换、编码以及传输等工作，网络视频服务器运用嵌入式技术，包含嵌入式操作系统和以太网口，将摄像头的视频控制线接入网络视频服务器便可通过以太网口接入以太网，原始视频信号传到网络视频服务器，经过编码之后，通过网络传输到监控中心。在采集前端还利用录像服务器保存一定时间段内的本地视频监控录像资料，能够方便地查询、取证，为事后调查提供依据。

1.2 通信线路

通信线路指监控信息传输的通道，同时，NTP协议也利用通信线路传输NTP数据包，实现采集前端的网络视频服务器和监控中心的服务器的时间同步，通信线路主要由电话线、双绞线、视频电缆等组成。为了保证传输的信息的安全性，在通信线路中传输的数据全部经过加密。

1.3 监控中心

监控中心负责整个视频监控系统的指挥和控制，是整个系统的核心所在[6]，硬件设备包括电视墙、监控终端、控制计算机、路由器、交换机、打印机等，监控终端包括固定监控终端和移动监控终端。在监控中心内，远程视频监控人员可远程任意调取导航台站的服务器存储的监控图像，并可远程发出控制指令，对录像资料进行检索、回放，以及调整摄像机镜头的焦距、控制云台进行巡视等操作，既可对整个台站的内部环境进行巡视，也可拉近镜头对设备的细节部分进行观察。

2 NTP协议

网络时间协议是一种通过因特网服务于计算机时钟的同步时间协议，它提供了一种同步时间机制，使用的是可返回时间设计方案，其特点是:时间服务器是一种分布式子网，能自我组织操作，分层管理配置，经过有线或无线方式同步逻辑时钟达到国家标准时间[7]。

2.1 NTP的拓扑图

NTP的同步拓扑图如图2所示，每个时间服务器都有一个变量用于指示其在拓扑图中的层次，其中，A1和A2为顶层时间服务器，通过广播、卫星等手段与UTC时间进行同步。B1和B2为第二层的时间服务器，可选择某个顶层服务器作为时间源，并通过NTP协议与选定的时间源进行同步。其他则为客户机，客户机可选定一个或多个的上层服务器进行同步。NTP的可靠性就在于时间获取路径的多样性。但是，随着离顶层服务器距离的增加，同步精度也会随之增大[8]。

图2 NTP协议的拓扑结构

2.2 NTP协议工作原理

NTP协议采用客户、服务器模式，客户机和服务器的通信采用UDP协议，端口为123，服务器A向客户机B授时的原理如图3所示。

图3 NTP工作原理示意图

时间同步过程包括以下5个步骤:

1)B生成一个NTP数据包，并将数据包发送至A，包中记录了发送数据包的时刻T1;

2)A收到该数据包后，记录当前收到包的时刻T2，其中θ是A和B的时间偏移

3)A产生一个回复的NTP包，包中包含有T1，T2，T3共3个时间戳，其中T3是服务器B产生并发送NTP包的时刻;

4)B接收到A返回的NTP包，记录收到包的时刻T4

5)主机B计算NTP消息来回一个周期的时延M=(T4-T1)-(T3-T2)，M=M1+M2，M1即为请求信息在网上传播的时间，M2为回复信息在网上传播的时间，并计算NTP时间偏移θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，在经过和多个服务器时间同步过程后，便可通过统计平均筛选出最合理的，并以这个最合理的时间偏移来修正客户机的时间。

2.3 NTP体系结构

NTP的硬件实现过程见图4，多个不同的时间服务器从不同路径提供时间服务，鉴相器则对本机时间和来自时间服务器的时间进行比较，得出偏移数据，将其送入时间过滤算法，通过时间过滤算法选择其中最优的一组数据，之后，再由时间组合算法对选定的时间偏移数据进行加权平均，所得的结果可认为是本地时间与顶层服务器时间的偏移。而相位/频率偏移则可计算出相位偏移和频率偏移，并对时间和振荡器的控制电压进行调整。通过反复执行上述过程，使得本地时间和选定的时间源达到同步[9]。

图4 NTP协议的体系结构

2.4 NTP协议的应用

当采集前端的网络视频服务器想要通过NTP协议与机场监控中心的主服务器进行时间对准时，选择以监控中心的服务器作为时间源，监控中心的时间既可通过卫星授时得到国家标准时间，也可继续向上层服务器进行时间同步。进行时间对准的时候要根据实际的应用环境以及所要求的时间同步的精度等指标来确定进行时间对准的周期是多少，视频监控系统对于时间精度要求比较高[10]，可以每日进行一次时间对准。

3 实验测试

笔者选用了Microsoft Visual C++6.0软件运行C程序来对本设计中的NTP协议的实现过程进行实验测试。实验结果如图5和图6所示，图5模拟的是作为请求同步的客户机，图6模拟的是作为时间源的服务器。

图5中第一行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”，表示客户端已经成功发送了申请时间同步的NTP数据包，并在该数据包中加上了当前发送数据包的时刻，而图6的第一行显示的是“接收到数据”，表示服务器已经成功接收来自客户机的数据包。服务器再对数据包进行处理，图6中第三行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”表示服务器已经成功发送给客户机一个经过处理的数据包，图5中第二行“接收到数据”表示客户机已经成功接收到服务器发送的数据包，客户机对数据包上的时间戳进行计算处理后便可得出时间差，即时间偏移数据，在经过多次的时间同步过程后，便可通过统计平均选出最优的一组数据来对客户机的当前时间进行修正。

4 结论

对于导航设备的远程监控系统弥补了单纯的信号监控的不足，能够从外部对台站的整体情况进行监视，有利于在导航设备出现故障时，迅速全面地了解故障原因，将监控系统连接Internet进行信息的传输，增加了信息传输的距离以及安全性。此外，在解决时间同步的问题时，还可利用网络资源，结合NTP协议设计了时间同步方案，该方案经济有效，设计合理。实验测试证明，现有NTP3.0的毫秒级的精度已满足导航设备的视频监控系统对于时间精度的要求。

[1]乔晖.导航台站设备远程监控系统的研究与实现[D].成都:电子科技大学，2010.

[2]ELSON J，ROMER K.Wireless sensor networks:A new regime for time synchronization[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2003，33(1):149-154.

[3]ROMER K，BLUM P，MEIER L.Time synchronization and calibration in wireless sensor networks[EB/OL].[2013-03-02].http://www.researchgate.net/publication/227622503_Time_Synchronization_and_Calibration_in_Wireless_Sensor_Networks.

[4]易娜，贺鹏，易亚文，等.优化的网络时间协议算法及其在变电站自动化中的应用[J].电力系统自动化，2007，31(13):93-96.

[5]熊炼，范朴方.无线视频监控系统QoS的研究与实现[J].电视技术，2011，35(21):116-119.

[6]郭静，褚晶辉，邱润东，等.网络视频监控系统动态目标跟踪与识别的实现[J].电视技术，2011，35(21):110-113.

[7]MILLS D L.Improved algorithms for synchronizing computer network clocks[J].Computer Communications Review，1994，24(4):317-327.

[8]徐朝农，赵磊，徐勇军，等.无线传感器网络时间同步协议的改进策略[J].计算机学报，2007，30(4):514-517.

[9]朱畅华，斐昌信，李建东，等.基于线性规划的Internet端到端线性规划[J].电子与信息学报，2004，26(3):446-448.

[10]郑锦，刘万军.实时分布式系统的时间同步化策略[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23(1):92-94.