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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)
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)
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。
參考文獻(xiàn)：
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)