關(guān)于醫(yī)院視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像抖動的深入探討

崔 賢，張福勇

(泰安市中心醫(yī)院，山東泰安271000)

關(guān)于醫(yī)院視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像抖動的深入探討

崔 賢，張福勇

(泰安市中心醫(yī)院，山東泰安271000)

本文從醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的實際出發(fā)，針對監(jiān)控視頻圖像抖動的問題，結(jié)合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)原理與技術(shù)，深入分析了圖像抖動控制與消除策略的可行性，總結(jié)了有效控制與消除抖動的幾種措施，為醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供必要的理論與實踐支持。

抖動;以太網(wǎng);擁塞;緩沖

0 引言

視屏監(jiān)控系統(tǒng)是三甲醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)化評審的重要指標(biāo)，是醫(yī)院安全生產(chǎn)和治安保衛(wèi)工作信息化管理的重要手段。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與數(shù)字化改造主要采用的體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)控視頻圖像質(zhì)量穩(wěn)定與否是衡量醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)性能優(yōu)劣最直接的評價標(biāo)準(zhǔn)，圖像抖動直接關(guān)系到監(jiān)控圖像質(zhì)量穩(wěn)定的程度，也是醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在和旨待解決的問題。本文針對圖像抖動的相關(guān)問題，總結(jié)了幾種控制與消除圖像抖動的有效措施。

1 醫(yī)院視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)大致經(jīng)歷了三個階段。最初階段主要采用模擬信號體系結(jié)構(gòu)，信號穩(wěn)定、無延遲，由于圖像分辨率不高，工程布線復(fù)雜，逐漸被數(shù)字信號體系結(jié)構(gòu)取代。數(shù)字信號體系結(jié)構(gòu)又分為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)和全數(shù)字體系結(jié)構(gòu)。由于全數(shù)字視頻監(jiān)控體系采用純數(shù)字視頻圖像采集、傳輸、存儲和控制，視頻圖像不經(jīng)過編解碼解壓縮直接在數(shù)字電路中傳輸，要求硬件設(shè)備成本很高，因此當(dāng)前醫(yī)院很少采用此種體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)圖像清晰度高，工程布線相對簡單，易于集中管理，要求硬件設(shè)備造價相對較低，系統(tǒng)整體性價比非常高，成為當(dāng)前醫(yī)院采用的主流體系結(jié)構(gòu)。

2 視頻圖像抖動相關(guān)問題分析

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)為前端視頻采集設(shè)備，將視音頻模擬信號采樣壓縮編碼成數(shù)字信號，通過光纖傳輸?shù)綌?shù)字存儲錄像機(jī)中。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信基于TCP/IP協(xié)議，視頻信號在網(wǎng)絡(luò)高層以分組為傳輸單位，完成存儲轉(zhuǎn)發(fā)分組交換過程。不同于電話系統(tǒng)的電路交換機(jī)制，分組交換過程不具備等時性，分組由發(fā)送方到接收方傳輸過程中，可以復(fù)制、延遲，容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致分組不按順序交付，相鄰分組到達(dá)接收方所需的時間不同，接收方重建還原得到的圖像質(zhì)量很不穩(wěn)定，這就產(chǎn)生了抖動。

為了減少或消除抖動的影響，在醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，起初考慮減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，采用高速網(wǎng)絡(luò)硬件交換技術(shù)，以面向連接的異步傳輸模式(ATM)作為底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于TCP/IP協(xié)議的ATM高速網(wǎng)絡(luò)。由于ATM網(wǎng)絡(luò)中以信元(固定長度的分組)為傳輸單位，信元轉(zhuǎn)發(fā)由高速硬件完成，而變長的分組轉(zhuǎn)發(fā)必須通過軟件完成，從這方面考慮，ATM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別適合傳輸監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。由于ATM網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是面向連接的，數(shù)據(jù)傳輸之前必須預(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)使用效率大大降低，造成很大的資源浪費，目前國內(nèi)?？低?、大華等監(jiān)控設(shè)備制造商都不支持底層ATM網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，因此不具備可行性。

3 基于TCP/IP協(xié)議的千兆以太網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下有效控制與消除抖動的措施

由于ATM技術(shù)存在以上局限性，目前醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)大都采用基于TCP/IP協(xié)議的千兆以太網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)。在這種環(huán)境結(jié)構(gòu)下，視頻數(shù)據(jù)流按照網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)順序逐層處理。TCP/IP協(xié)議負(fù)責(zé)處理高層任務(wù)，集成到相應(yīng)設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)適配器芯片組件負(fù)責(zé)處理底層任務(wù)。在實際系統(tǒng)建設(shè)中，基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通過雙絞線連接到以太網(wǎng)交換機(jī)上，經(jīng)過光纖傳輸?shù)娇刂浦行?。在?shù)據(jù)傳輸過程中，由于以太網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是分組交換，會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，相鄰視頻分組接收時刻間隔不穩(wěn)定，視頻抖動隨時都有可能發(fā)生。為了有效控制和消除抖動，從減少網(wǎng)絡(luò)擁塞入手，分別在網(wǎng)絡(luò)傳輸、視頻接收和視頻監(jiān)控集中工作客戶端等方面總結(jié)了相應(yīng)的措施。

(1)在系統(tǒng)建設(shè)初期，前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接百兆以太網(wǎng)交換機(jī)，相應(yīng)部位的百兆交換機(jī)通過光纖收發(fā)器(單個接口光纖交換機(jī))接入光纖主干網(wǎng)絡(luò)中。實踐證明，這種情況形成交換機(jī)多層次級聯(lián)，加之監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)量大，并發(fā)性要求高，極易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。為了改善網(wǎng)絡(luò)總體性能，數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程采用光纖交換設(shè)備完成，即前端監(jiān)控點攝像機(jī)直接連接到光纖交換機(jī)上。交換機(jī)是網(wǎng)絡(luò)底層存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，其數(shù)據(jù)處理是以幀為單位，網(wǎng)絡(luò)高層TCP/IP協(xié)議處理后的視頻分組加上特定的頭部形成幀。在配置交換機(jī)時，將數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式設(shè)置為直通轉(zhuǎn)發(fā)模式，即當(dāng)某一數(shù)據(jù)幀的頭部到達(dá)交換機(jī)時，就根據(jù)頭部計算出目的地址便將幀快速轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不是將數(shù)據(jù)幀全部存儲后再轉(zhuǎn)發(fā)，直通轉(zhuǎn)發(fā)過程完全由硬件處理實現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)流的傳輸速度，使得網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生概率最小化。

(2)由于抖動是分組交換網(wǎng)絡(luò)的必然結(jié)果，是不能避免的，但是可以消除抖動造成的影響，使用戶感覺不到視頻圖像質(zhì)量的不穩(wěn)定。視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，先將其緩存在一起，然后再按照相同的時序輸出到顯示器上，而不是實時從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)。在控制中心采用抖動緩沖服務(wù)器，設(shè)置合適的閾值，當(dāng)服務(wù)器中緩存的數(shù)據(jù)空間達(dá)到閾值時，就開始輸出到顯示器上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流傳入的速率與輸出速率相同，由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)不是人與人交互性非常高的應(yīng)用，將抖動緩沖服務(wù)器中緩存閾值設(shè)置合適，即可消除抖動產(chǎn)生的影響。

(3)視頻監(jiān)控集中工作客戶端主要完成圖像預(yù)覽、回放和云臺控制等集中管理功能，工作量大，集中管理程序多線程執(zhí)行，并發(fā)程度高，視頻數(shù)據(jù)存儲空間大，對客戶端主機(jī)軟硬件要求非常高。選用多處理器提高系統(tǒng)的并發(fā)性能，擴(kuò)展主機(jī)中央處理器寄存器、片內(nèi)片外緩寸器、主內(nèi)寸等存儲層次上的空間，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量。配置光纖網(wǎng)絡(luò)適配器，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存取速度。

4 結(jié)語

視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)是醫(yī)院安全生產(chǎn)和治安保衛(wèi)工作科學(xué)化、信息化管理的重要內(nèi)容，基于TCP/ IP協(xié)議的千兆以太網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前醫(yī)院采用的基本架構(gòu)。通過對監(jiān)控系統(tǒng)實施過程中所遇到的視頻圖像抖動方面相關(guān)話題的探討，為醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供必要的理論與實踐支持。

［1］Douglas E.Comer.Internetworking With TCP/IP Vol I: Principles，Protocols，and Architectures［M］.USA: Prentice－Hall，Inc，2001:379(科默.用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互聯(lián)第一卷:原理、協(xié)議與結(jié)構(gòu).林瑤，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2001:379)

［2］Kai Hwang.Advanced Computer Architecture［M］.USA: The McGraw－Hill Companies，Inc，1999.3:166.(黃凱.高級計算機(jī)體系結(jié)構(gòu).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999，3:166)

［3］ Silberschatz.Operating System Concepts，Sixth Edition［M］.USA:John Wiley＆Sons，Inc，2003:78.(西爾伯斯查茲.操作系統(tǒng)概念.鄭扣根，譯.北京:高等教育出版社，2004，1:273)

［4］楊磊.電視監(jiān)控實用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002，4:113

TP393.41

A

1002－2376(2015)04－0019－02

2015－01－12

FIF－IMRT)，在保證靶區(qū)劑量分布有較好的適形度及均勻性的同時，使肺、心臟及肋骨的受照體積和劑量顯著減少，表現(xiàn)出明顯的劑量學(xué)優(yōu)勢，尤其是左側(cè)乳腺癌患者受益更為顯著，與傳統(tǒng)的逆向調(diào)強(qiáng)方式比較，采用切線半束“野中野”正向調(diào)強(qiáng)技術(shù)，使計劃設(shè)計時間，子野數(shù)目及治療時間都顯著減少，提高了治療效率。在質(zhì)量保證與質(zhì)量控制中，由于子野數(shù)明顯下降，劑量驗證的通過率也顯著提高，病人的劑量也更可靠，有效的提高了病人的腫瘤靶區(qū)劑量，大幅度降低了靶區(qū)周圍正常組織及危及器官的受照劑量，顯著提高了治療增益比，使調(diào)強(qiáng)放療在乳腺癌的治療中發(fā)揮了更大的優(yōu)勢。本技術(shù)參考國內(nèi)外一些單位開展的正向調(diào)強(qiáng)放療方法，并結(jié)合本單位的臨床實踐，在省內(nèi)率先開展了切線半束“野中野”正向調(diào)強(qiáng)技術(shù)在乳腺癌放射治療中的應(yīng)用，很好的滿足了臨床的需要。