基于IP 网络的舞台视频监督与调度系统研究

李毅华 张晓栋 栾振辉

摘 要：针对目前国内舞台数字视频监控系统数据存储调用不灵活、可靠性差以及难以与其他系统兼容等问题，提出了以网络摄像机、流媒体服务器和IP存储区域网络（IP SAN）为基础的网络化的舞台视频监督与调度系统，并对系统进行了结构设计。分析了系统的主要功能以及各主要单元的性能，结果表明，基于IP网络的舞台视频监督与调度系统能够满足现代舞台演出效果呈现与监控的要求，可显著提高整个舞台监督调度的效率。

关键词：IP 网络；舞台；视频监督；调度系统

中图分类号：TP393.03 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）02-0009-04

目前，我国各类演出场馆视频监督调度系统大部分采用的是基于PC（personal computer）的简单数字视频监控系统，其视频信号处理较为复杂且可靠性不高，难以与其他系统集成，而且整个系统的成本较高。网络摄像机内部具有的视频编码器，使得视频信号采集变得极为便捷。而作为系统核心服务器的流媒体服务器，在视频监督系统中充当了良好的介质，不仅使系统各部分更好地结合，还让整个系统更易于与其他系统（有线内部通讯、无线内部通讯、灯光提示、呼叫等系统）高度集成，采用的IP SAN存储系统使数据存储和调用更加灵活。采用基于IP网络的多媒体调度系统以及WiFi网络部署调度平台，通过多媒体调度系统实现舞台总监、舞美、导演、音响师、灯光师、演员以及相关业务岗位等之间的点对点、一点对多点以及多点对多点的实时音频和视频通讯，通过先进的数字化及计算机网络技术、视频技术、多媒体技术，建立起网络化的视频监督与调度系统，为舞台视频监督监控、安全保障、预案实施提供更加简便、专业、智能和人性化的集成方案。

1 系统的组成

系统由网络摄像机、流媒体服务器和存储系统三大部分组成，可以实现视频高清晰度、高分辨率显示，能方便快捷地存储和调用视频数据，三大系统通过局域网连接，为舞台调度提供良好的技术保障。

1.1 前端摄像机

前端摄像机处于系统的最前端，是系统的初始成像设备（包括云台和摄像机）。在本系统中采用的是网络摄像机[1]（IP camera），网络摄像机是基于网络传输的数字化设备，作为摄像机家族中的新成员，除了具有视频信号输出接口外，它还具有网络输出接口，摄像机可通过此接口直接接入本地局域网。其最主要功能就是模拟视频信号的转换：IP摄像机内部存在的芯片（如DSP芯片）可将模拟视频数字化处理，然后再把数字化的视频信号转换为符合网络传输协议（如TCP/IP协议）的数据流，传输到网上，访问者即可通过浏览器进行实时地查看影像。从结构上，网络摄像机主要由CCD/CMOS摄像头、图像获取编码模块、网络处理模块和控制监控终端四个模块构成（见图1）。内部自带数字处理芯片能够对视频数据进行压缩编码，高清视频压缩编码采用H.264[2]或者MPEG-4。

1. 2 流媒体服务器

流媒体服务器[3-4]有三个组件：播放器（Player）—播放流媒体的软件；服务器（Server）—向用户发送流媒体的软件；编码器（Encoder）—将原始的音频、视频转化为流媒体格式的软件。这些组件在流媒体系统的各个不同层面上互相通信。

在系统中，流媒体服务器是提供视频流分发和协议网关的模块。作为系统中的核心服务器，在实际应用中提供流数据的存储和转发功能：以流式协议（RTP/RTSP[5]、MMS、RTMP等）将视频文件传输到客户端，供用户在线观看；也可从视频采集、压缩软件接收实时视频流，再以流式协议直播给客户端。从前端节点设备获取视频流，然后分发给不同的用户，这样无论多少用户同时访问该节点视频源，都只占用前端设备一路视频流的带宽，同时还提供不同协议的节点设备（云台等）的控制协议解析转换功能。流媒体服务器的核心作用如图2所示。

1.3 存储服务器

存储服务器是系统中用于记录视频数据的设备，采用的存储服务器（IP SAN）具有标准的网络接口，可以直接接入网络从而存储到硬盘中。

作为连接存储外围设备和服务器的网络—SAN（Storage Area Network，存储区域网络），它通常由服务器、 外部存储设备、 服务器适配器、 集线器以及网络存储管理工具等组成。 根据传输介质的不同， 可把SAN分为FC SAN（采用光纤传输）、IP SAN（采用以太网传输）。

由于光纤网络昂贵的价格加上人员培训技术较高等因素，本系统选择采用架构于IP网络上的存储网络IP SAN，它采用iSCSI[6]（internet Small Computer Systems Interface）协议，利用IP协议封装SCSI命令，从而实现在IP网络上传输SCSI命令和数据（见图3）。作为一种独立的存储系统，采用集中存储技术，有效的提升了系统资源的使用效率，并且合理平衡工作量。IP SAN不仅综合了网络的灵活性、可管理性及可扩展性，同时提高了网络的带宽和存储I/O的可靠性。另外，作为基于吉比特以太网络构成的区域存储网络，能够实现快速的数据分享，再加上低速SATA硬盘和普通控制器，使得整个存储系统成本较低[7]。

2 系统的功能

视频监督与调度系统由剧场演出实时监控和存储系统组成。实时监控用于舞台调度技术人员指挥控制演出，而存储系统用来后期视频制作和其他后期辅助工作。

2.1 剧场演出监控

实时监控流程：IP网络摄像机通过交换机接入到以太网，为了保证通信过程中视频质量，尽量采用有线连接，如果摄像机距离交换机太远，可以布置无线路由器使其接入舞台局域网。这样，可以使所有视频信号接入到舞台局域网。舞台监督调度的指挥人员就可以通过计算机访问监督系统，如果不方便使用计算机也可以使用智能手机登陆监督系统查看演出现场视频。

指挥人员登录系统根据需要，通过流媒体服务器传达命令。将不同指定摄像机视频图像信号分配到舞台调度台大屏幕上，这样现场总负责人可以根据现场情况控制演出场面。而其他视频点的视频信号，需通过显示设备配备的视频解码器，然后把视频流解码后输送化妆间、候场区等位置。每个解码器可以解码多个视频服务器的图像，可以设置成单路或者四路模拟轮询切换显示。同时某些位置也需要布置监视器，供看不到指挥的演员演出时查看使用。另外，整个系统可以连接到互联网，舞台指挥人员就可以在异地登陆舞台监督系统，随时随地的发起实时监视请求，实现对舞台现场进行远程监控。现场监控的拓展如图4所示。

2.2 存储系统

存储系统包括视频存储流程和视频查询播放流程。

1） 视频的存储。管理员将自己的存储计划输入到视频数据管理服务器，数据库管理系统会定制相应终端存储计划，视频数据管理服务器然后再将计划传达给IP存储设备和视频管理服务器，视频管理服务器再向每一个视频终端压缩编码器发送iSCSI存储指令，编码器得知这一指令后直接将压缩视频流通过IP封装的iSCSI数据存储到IP存储上而不经过其他的任何设备，同时生成相应新索引。

2） 视频查询播放流程。当需要检索视频或查看历史视频片段时，PC客户端用户在操作界面上发出检索请求，视频管理服务器将这个操作指令发给数据库管理系统，数据库管理系统在IP存储设备上进行检索并找到相应的视频检索内容后，IP存储就会直接将检索到的视频检索数据发送给PC客户端，然后解码播放。存储系统的运行原理如图5所示。

3 系统技术性能分析

基于IP网络的舞台视频监督与调度系统充分整合了IP网络、视频、存储、信令等领域的先进技术，采用开放的架构，将信令控制与媒体流交换分离的先进理念引入视频监控系统。系统管理服务器只处理信令流，视频流通过流媒体服务器的处理交换以分布式的形式分发出去，避免了由于视频流处理的性能压力而造成的核心管理服务器瓶颈问题，从而使视频监控规模扩展成为可能。

根据网络监控中对实时流和存储流的需求差异，系统采用了实时流和存储流分别输出的双流设计，其中实时流支持单播和组播，存储流支持IP存储网络标准的TCP单播流。IP存储网络标准技术的支持，既满足实时流低延时、大收敛比的访问需求，又满足了存储流高可靠性、海量和分布式存储的需求，避免了传统方案流媒体服务器转发存储流的瓶颈问题，优化了系统的整体并发处理性能。另外，系统采用最新的专业图像技术，可提供完全高清晰图像分辨率，支持MPEG2、MPEG4、H.264编码格式，编码带宽最高可达4M（H.264）。在舞台演出过程中，完全可以为客户端提供高清图像质量。同时专网方案下通过组播优化等网络技术，使得系统具备低于300 ms的实时性能，满足舞台监督与调度要求。系统支持网络存储模式，网络存储模式下采用了IP封装存储流的模式作为监控数据存储设备，可以在分布式部署的同时实现集中管理、跨域共享、平滑扩容、兼容互通等，同时支持远程IP网络备份。系统采用的是H.264标准，其监控控制信号符合国际标准，H.264具备较强的支持能力，已经成为运营商推荐的控制信令标准，可以方便地和其它多媒体系统互通。图像编码也符合国际标准，包括H.264 Baseline profile和 H.264 Main profile，这些标准完全符合设备的兼容性[8-10]。

4 结束语

网络摄像机具有图像获取清晰，处理控制流畅的特点，流媒体服务器能保证视频流数据大量存储和转发，IP SAN具有网络的灵活性和扩展性；它们有机地结合能满足现代舞台调度和集成的要求，显著提高整个舞台监督调度的效率。

随着互联网和网络视频监控行业的发展，网络化视频监控必将获得广泛的应用，网络化舞台视频监督系统具有工作稳定可靠、调用灵活等特点，在各类舞台调度系统中有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 梁笃国，张艳霞，郑泽民，等. 网络视频监控技术及应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2009：83-84.

[2] 宋洪涛. H.264多路高清实时编转码帧间预测关键算法设计与实现[D].上海：上海交通大学，2013：28-29.

[3] 谢文. 基于流媒体的校园视频监控系统的设计与实现[D].长沙：中南大学，2010：8-14.

[4] 宋宇. 视频监控流媒体服务器的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2010：23-36.

[5] 李世银. 流媒体技术在电视监控系统中的应用[J] . 电视技术， 2002，26（ 11） ：86-88.

[6] 王爱英. 计算机的组成与结构[M].北京：清华大学出版社，2007：368-369.

[7] 张杰. 光网络新业务与支撑技术[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2010：139-157.

[8] 徐小云. 基于IP网络化视频监控技术研究[D]. 郑州：郑州大学，2009：36-37.

[9] 国家大剧院舞台技术部音响组. 国家大剧院舞台监督系统[J]. 艺术科技，2008（1）：45-49.

[10] 刘涛，吴谨. 基于IP的数字化网络视频监控系统设计与实现[J]. 网络安全技术与应用，2010，10 （3）：53-55.

（责任编辑：何学华 范君）