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案例頻道

一種遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:運(yùn)動(dòng)控制與伺服系統(tǒng)     行業(yè):建筑樓宇    
  • 點(diǎn)擊數(shù):1079     發(fā)布時(shí)間:2007-08-10 10:54:54
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介紹了一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、功能完善、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。文章詳細(xì)討論了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、視頻服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文對(duì)軟件設(shè)計(jì)中所采用的關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了闡述。



1  引言

    視頻監(jiān)控技術(shù)在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化設(shè)施的安全防范中有著舉足輕重的作用,隨著多媒體和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控的發(fā)展階段,目前已到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控階段。本文介紹的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),可利用現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制攝像頭的調(diào)焦、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)等,可滿足無(wú)人值守的要求,實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大、易于操作的監(jiān)控解決方案。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
 



圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)


   
本網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程客戶端構(gòu)成。前端將各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)所有視頻、音頻、報(bào)警等信號(hào)直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入到監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)顯示前端視頻圖像、錄像存儲(chǔ)、回放、云臺(tái)控制等功能。本監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)論在本地還是網(wǎng)絡(luò)控制端都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像。所有的操作和功能都是在管理計(jì)算機(jī)上安裝監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),如顯示、錄像、各種控制等。任一被授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)客戶端能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本地端的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)看、錄像存儲(chǔ)、云臺(tái)控制等操作,可實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理。采用目前國(guó)際領(lǐng)先的H.264高壓縮技術(shù),大大提高壓縮比及網(wǎng)絡(luò)傳輸效果,每路均可達(dá)到全實(shí)時(shí)顯示/錄像;自動(dòng)適應(yīng)帶寬并配置資源,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快,提高播放畫質(zhì),減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí);系統(tǒng)支持多個(gè)分控端對(duì)一個(gè)主控端的同時(shí)遠(yuǎn)程訪問(wèn),或多個(gè)分控端對(duì)多個(gè)主控端同時(shí)遠(yuǎn)程訪問(wèn),各點(diǎn)之間相互獨(dú)立,互不干擾;可設(shè)置分控權(quán)限,通過(guò)不同密碼使分控端享有不同操作權(quán)限,以區(qū)分管理層次,加強(qiáng)管理的安全性;

3 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器結(jié)構(gòu)
 



圖2  網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的結(jié)構(gòu)


   
在本系統(tǒng)中選用的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器采用H.264硬件壓縮技術(shù),它集1路或4路音、視頻采集、實(shí)時(shí)壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸、聯(lián)動(dòng)報(bào)警等功能為一體,即插即看,用戶可以利用客戶端軟件或IE瀏覽器直接通過(guò)Internet或局域網(wǎng)實(shí)時(shí)觀看視頻服務(wù)器傳送的圖像。

    每臺(tái)視頻服務(wù)器均有獨(dú)立的IP地址,可同時(shí)接入4路視頻信號(hào)和音頻信號(hào),經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)換為IP包,利用寬帶局域網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議把這些數(shù)據(jù)包發(fā)送給監(jiān)控中心的視頻主機(jī)(PC機(jī))或網(wǎng)上授權(quán)用戶。視頻主機(jī)上運(yùn)行Client端監(jiān)控軟件,可實(shí)現(xiàn)1/4/9/16畫面的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控,也可驅(qū)動(dòng)顯示器陣列進(jìn)行大屏幕顯示。其他授權(quán)用戶可通過(guò)IE瀏覽器進(jìn)行一般性的監(jiān)看。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)及客戶/服務(wù)器模式設(shè)計(jì),模塊間通過(guò)接口(函數(shù)調(diào)用)傳遞數(shù)據(jù)。

    4.1服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)

    服務(wù)器端軟件主要由主控模塊、視頻采集模塊、監(jiān)視控制模塊、系統(tǒng)設(shè)置/用戶設(shè)置模塊、信息查詢模塊、視頻信息處理模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊構(gòu)成。它主要實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的采集、壓縮、回放、存儲(chǔ)、發(fā)送、信息的處理和查詢等功能。它的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 



圖3  服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)圖

    主控模塊主要是控制各個(gè)模塊的正常運(yùn)行,對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行有效的管理,進(jìn)行一些如初始化系統(tǒng)等必要的工作。

    為了減輕CPU負(fù)擔(dān),我們采用了硬件方式實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集和壓縮。視頻卡以每秒30幀來(lái)捕獲動(dòng)態(tài)圖像。采集后的視頻數(shù)據(jù)分為兩路,一路直接送到顯示緩沖區(qū)中進(jìn)行本地顯示,另一路則由硬件壓縮后存儲(chǔ)在本地硬盤上,或同時(shí)傳輸?shù)娇蛻舳耍瑥亩鴮?shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示。

    監(jiān)視控制模塊的主要功能就是將各種前端的動(dòng)作進(jìn)行編碼然后發(fā)送到前端,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端攝像頭的云臺(tái)控制和鏡頭控制。

    在系統(tǒng)設(shè)置/用戶設(shè)置模塊中允許超級(jí)用戶修改任意用戶的密碼,還可以增加用戶、刪除用戶和給其他用戶分配權(quán)限。系統(tǒng)共有三種權(quán)限級(jí)別可供選擇:“系統(tǒng)管理員”、“普通管理員”、“普通操作員”。每一種級(jí)別都己經(jīng)分配了默認(rèn)的權(quán)限。

    視頻信息處理模塊包括視頻文件的播放、存儲(chǔ)、刪除、抓圖等子功能。

    信息查詢模塊主要包括視頻文件、圖片和日志的查詢等功能。系統(tǒng)在保存視頻文件時(shí),以文件創(chuàng)建的時(shí)間作為文件名的一部分,并且不同的攝像機(jī)所攝的視頻文件保存在不同的目錄中。這樣在文件列表中可以方便的實(shí)現(xiàn)按年、月、日、時(shí)間段及攝像機(jī)來(lái)查詢視頻文件。

    網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊可以使客戶端軟件能通過(guò)LAN或Internet共享主控服務(wù)器的信息,它是利用Socket為客戶機(jī)和服務(wù)器程序提供不同的Socket系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息共享的。

    4.2 客戶端軟件結(jié)構(gòu)

    通過(guò)客戶端軟件分布在LAN或Internet上的遠(yuǎn)程客戶機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)視頻信息共享和遠(yuǎn)程控制等操作。該部分采用C/S(客戶/服務(wù)器)模式設(shè)計(jì),其實(shí)現(xiàn)功能由客戶端軟件和服務(wù)器端軟件中的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊兩部分共同完成。
客戶端軟件主要包括主控模塊、登錄模塊、播放模塊、遠(yuǎn)程下載模塊、實(shí)時(shí)傳輸模塊、遠(yuǎn)程控制模塊等。它的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 



圖4  客戶端軟件結(jié)構(gòu)圖

    主控模塊主要是控制各個(gè)模塊的正常運(yùn)行,對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行有效的管理,進(jìn)行一些如初始化系統(tǒng)等必要的工作。

    登錄模塊主要是使用用戶名和密碼等方式使不同級(jí)別的用戶擁有不同的權(quán)限,從而有效的實(shí)現(xiàn)安全控制,使非法用戶不能進(jìn)入系統(tǒng)。

    播放模塊包括本地播放和遠(yuǎn)程播放等功能。視頻文件的播放是采用DirectShow實(shí)現(xiàn)的,由過(guò)濾器表管理器自動(dòng)生成過(guò)濾器表來(lái)播放視頻文件。我們可以設(shè)計(jì)封裝一個(gè)類CMediaPlay,在該類中封裝許多函數(shù),比如播放視頻文件的PlayFromFile()函數(shù),控制播放的PausePlay()、ResumePlay()、StopPlay()等函數(shù)。

    遠(yuǎn)程下載模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是把遠(yuǎn)程服務(wù)器(主控機(jī))上的視頻文件等下載到本地客戶端。

    實(shí)時(shí)傳輸模塊主要功能就是把主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集的視頻信號(hào)在基本不失真的情況下實(shí)時(shí)的傳輸?shù)桨l(fā)出實(shí)時(shí)傳輸請(qǐng)求的客戶端,并由播放模塊顯示出來(lái)。

    遠(yuǎn)程控制模塊的主要功能是在客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)主控服務(wù)器的部分控制。例如可以在客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)和監(jiān)控效果的設(shè)置。其設(shè)計(jì)思想是對(duì)控制內(nèi)容進(jìn)行分類編碼,客戶端在編碼后邊加上控制參數(shù),然后把它傳輸?shù)椒?wù)器端;服務(wù)器進(jìn)程收到數(shù)據(jù)后,從中分解出編碼和參數(shù),然后調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制。在本模塊中由于傳輸?shù)氖强刂泼睿瑸楸WC傳輸?shù)目煽啃裕覀儾捎没赥CP協(xié)議的面向連接的通信方式。為了避免控制沖突,本模塊要求在任一時(shí)刻只允許一個(gè)用戶對(duì)云臺(tái)和監(jiān)控效果實(shí)施控制。因此在服務(wù)器端,對(duì)于這一端口只接受一個(gè)用戶的連接請(qǐng)求,一旦建立連接,則把在服務(wù)器端對(duì)這兩個(gè)部分的控制功能置為無(wú)效狀態(tài);當(dāng)斷開連接后,再把它們恢復(fù)為有效狀態(tài)。為避免客戶端長(zhǎng)時(shí)間處于控制狀態(tài)而導(dǎo)致其他用戶無(wú)法進(jìn)入控制狀態(tài),在本模塊中置有一個(gè)定時(shí)器。當(dāng)連接建立時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器,開始計(jì)時(shí);當(dāng)用戶按動(dòng)鍵盤或鼠標(biāo)任一鍵時(shí),計(jì)時(shí)器歸零,重新開始計(jì)時(shí);當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)到一定時(shí)間后,自動(dòng)斷開連接并關(guān)閉控制對(duì)話框。

5 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

    5.1 通信協(xié)議的選擇

    TCP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的流量控制,保證傳輸?shù)恼_性,具有數(shù)據(jù)重發(fā)功能,傳輸延遲造成抖動(dòng)將使實(shí)時(shí)通信的質(zhì)量嚴(yán)重下降,不適合實(shí)時(shí)通信。所以在INTERNET上傳送多媒體信息時(shí),采用的都是UDP/IP協(xié)議,而UDP和IP均不提供鏈接保證,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詻]有保障。所以這里采用了應(yīng)用比較廣泛的RTP/RTCP(實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議/實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議)。

    RTP提供端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,適合通過(guò)組播傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,RTP報(bào)文格式中包括固定的RTP報(bào)文頭、可選用的作用標(biāo)識(shí)(CSRC)和負(fù)載數(shù)據(jù)。RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制,也不提供流量控制和擁塞控制,它依靠RTCP提供這些服務(wù)。RTCP包的數(shù)量占所有傳輸量的百分之五。

    視音頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖:
 



圖5  視音頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸封裝實(shí)現(xiàn)

    在數(shù)據(jù)平面,服務(wù)器端將壓縮打包后的音頻、視頻數(shù)據(jù)按照RTP的報(bào)文格式裝入RTP報(bào)文的數(shù)據(jù)負(fù)載段,同時(shí)配置RTP報(bào)文頭部的時(shí)間戳、同步信息、序列號(hào)等重要參數(shù),此時(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)文已經(jīng)具有典型的時(shí)間特征,即被“流化”了。在UDP/TCP層,RTP報(bào)文作為負(fù)載數(shù)據(jù)裝入U(xiǎn)DP/TCP報(bào)文中,最后,由IP層負(fù)責(zé)最后的報(bào)文頭部配置,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。在客戶端,實(shí)現(xiàn)方式相反,各網(wǎng)絡(luò)層依次去除報(bào)文頭部,并讀取相關(guān)的控制參數(shù)和時(shí)間參數(shù),最終獲取可以實(shí)時(shí)播放的音頻,視頻數(shù)據(jù)。

    5.2組播技術(shù)

    如果用單播傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻的多點(diǎn)傳輸,則需要在發(fā)送者和每個(gè)接受者之間占用單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)量巨大的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù),這將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞。而采用廣播又極易造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的大幅占用,影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率。IP組播技術(shù)是目前能夠最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的一種有效方法。

    組播指的是在INTERNET上對(duì)一組IP站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,所有加入該組的接收者都可以接收到該信息。這一組IP站點(diǎn)是動(dòng)態(tài)形成的,每一個(gè)IP站點(diǎn)都是可以動(dòng)態(tài)地加入或退出。 每臺(tái)主機(jī)可以同時(shí)加入到多個(gè)組中。IGMP是IP組播通信專用的INTERNET組管理協(xié)議,用于管理組成員加入或脫離組播組。

    5.3  Winsock對(duì)組播技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

    Winsock是一個(gè)基于socket模型的Windows API集, Windows Sockets API是Windows的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)接口,Windows Socket 規(guī)范定義并記錄了如何使用API與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇鏈接,支持流套接字和數(shù)據(jù)套接字。應(yīng)用程序調(diào)用Windows Sockets API實(shí)現(xiàn)相互之間的通信,Windows Sockets又利用下層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議功能和操作系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)實(shí)際的通信工作。

    Winsock包括Winsock1和Winsock2兩種類型,每一種類型都定義了一組應(yīng)用程序IP組播接口函數(shù),在實(shí)際的編程應(yīng)用中。可通過(guò)Winsock提供的一系列應(yīng)用程序接口來(lái)實(shí)現(xiàn)IP組播。本系統(tǒng)采用Winsock1實(shí)現(xiàn)IP組播通信,主要過(guò)程如下:

    (1) 用Socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)套接字;

    (2) 如果從組播組內(nèi)接收數(shù)據(jù),則利用Bind函數(shù)將套接字關(guān)聯(lián)到一個(gè)本地端口上;這里要注意的是:不要采用小于 1024的端口號(hào),因?yàn)樗行∮?024的端口號(hào)都被系統(tǒng)保留。在沒有被別的程序使用的情況下,可以選擇從1024 到65535的端口。如果只發(fā)送數(shù)據(jù),則不需要這一步;

    (3) 采用IP Multicast-TIL,調(diào)用setsocketopt函數(shù)設(shè)置TIL;

    (4) 設(shè)置IP Add Membership選項(xiàng)和要加入的組播組地址結(jié)構(gòu),調(diào)用setsocketopt函數(shù)加入指定的組播組;如打算只發(fā)送數(shù)據(jù),則不必加入一個(gè)播組;

    (5) 調(diào)用Sendto函數(shù)發(fā)送組播數(shù)據(jù),調(diào)用RecvFrom函數(shù)接收組播數(shù)據(jù);

    (6) 設(shè)置IP-Drop-Membership選項(xiàng)和要脫離的組播組地址結(jié)構(gòu),調(diào)用setsocketopt函數(shù)脫離指定的組播組;

6  結(jié)語(yǔ)

    隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的圖像和聲音質(zhì)量都提出了更高的要求,本系統(tǒng)不但能提供良好的畫面質(zhì)量,而且能提供音質(zhì)極佳的聲音,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、功能完善、運(yùn)行可靠等特點(diǎn),能夠廣泛應(yīng)用于銀行、倉(cāng)庫(kù)、居民小區(qū)等場(chǎng)合的安防監(jiān)控和電力電站、電信基站等無(wú)人值守場(chǎng)合。

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