網絡視頻監控系統管理平臺的設計

摘 要：提出了完整的視頻監控系統管理平臺的設計方案。該方案實現了業務與呼叫控制分離、呼叫控制與承載分離，從而能夠更加靈活、有效地實現業務的提供和擴展。分別詳細介紹了對應的數據處理、信令控制和業務服務模塊的設計。目前這套系統已經研制成功并在社區寬帶實驗網上應用，運行狀況良好。

關鍵詞：視頻監控；管理平臺；業務

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0312-03

視頻監控系統的發展經歷了從模擬到數字、從分散定點到網絡監控、從簡單錄像顯示到智能化預警、從有線到無線、從近距離操作到遠程控制的過程。其處理能力不斷增強、功能越來越豐富。近年來，隨著社會不斷進步，經濟快速發展和技術突飛猛進，公共秩序安全、生產安全、財產安全等越來越受到人們的重視，使以視頻信息為特征的視頻監控系統更為廣泛地被應用在各行業領域。視頻監控管理平臺是整個視頻監控系統的核心。它集計算機網絡、通信、視頻處理、流媒體和自動化技術于一身，是視頻、音頻、數據和圖示一體化的解決方案，是支持多種傳輸方式的綜合多媒體業務管理平臺。因此建立高效、開放、可擴展的視頻監控管理平臺是構建網絡視頻監控系統的關鍵。不同于一般的小范圍專用視頻監控系統，功能完整強大的綜合性視頻監控管理平臺涉及的技術廣泛、系統的復雜性高，對設計和實現都提出了更高的要求。本文結合實驗室設計和實現該系統的經驗，提出了完整的視頻監控管理平臺的設計模型。

1 視頻監控管理平臺的功能

1.1 視頻監控系統的結構模型

視頻監控系統發展到今天，已經進入了網絡視頻監控的階段［1］。它主要是由視頻監控前端和視頻監控管理平臺兩大部分組成。網絡視頻監控系統的總體框架如圖 1所示。

視頻監控前端是系統的前端音頻和視頻信息的采集系統，由模擬監控設備和網絡視頻編碼器組成。一個攝像頭加一個網絡視頻編碼器就可以組成最簡單的配置。其他模擬監控設備還包括視頻切換矩陣主機、云臺鏡頭控制器、燈光控制器、云臺、攝像機及報警采集器等。視頻監控前端系統的主要功能是對監控現場的音/視頻采集以及對監控設備的控制和維護。

1.2 視頻監控管理平臺的功能

(1)視頻監控服務器的功能

視頻監控服務器是連接監控前端和網絡用戶的紐帶。它的主要功能包括：與用戶進行消息通信；用戶的接入認證、鑒權與計費；為監控前端和用戶之間建立端到端的連接；提供實時監控、錄像、報警等基本業務服務；控制監控前端的各項屬性，維護與它們的連接；提供前端故障、配置等管理。結合這些特點，可以把視頻服務器的功能分為功能相對獨立的四個部分，即用戶管理、運營支撐、業務管理和前端管理。

(2)網絡監控客戶端的功能

網絡監控客戶端是網絡用戶訪問視頻監控系統的接口。它提供給用戶可視化的友好界面，以便用戶可以通過客戶端軟件訪問系統，獲得系統提供的各種服務。這其中包括用戶登錄、對監控前端視頻圖像的查看、對監控前端節點和服務器的配置等。另外也負責把服務器發送過來的信息反饋給用戶，如報警聯動信息等?？偟膩碚f，網絡監控客戶端主要包括參數設置、實時監控、電子地圖和視頻播放器等主要功能。

2 視頻監控管理平臺的設計

在視頻監控管理平臺的設計中，主要借鑒了軟交換技術中的業務與呼叫控制分離、呼叫控制與承載分離的思想［2］。如圖 2所示，信令處理模塊對應呼叫控制的功能；數據轉發/接收模塊對應承載功能；服務器的功能模塊和客戶端的界面對應業務功能。

采用業務、控制和承載分離的思想，簡化并且優化了系統的結構，使每一部分實體都可以單獨演進升級。尤其針對業務服務，實現了上層業務與底層異構網絡無關，使業務真正獨立于網絡，從而能夠更加靈活、有效地實現業務的提供。這樣用戶可以自行配置和定義自己的業務特征，使系統具有非常好的業務可擴展性。下面說明具體模塊的功能實現。

2.1 視頻監控服務器設計

視頻監控服務器是監控前端系統與監控客戶端之間的橋梁。它實現數據的轉發和控制信令的解析；在此基礎上實現視頻監控服務器功能，如用戶管理、業務管理等。其中數據轉發和信令處理模塊直接負責與監控客戶端和監控前端的通信，邏輯上是下層的通信模塊。對應的上層功能模塊就是包括用戶管理、前端管理、業務管理和運營支撐模塊的部分。它是系統的業務功能模塊。這樣，在設計上實現了業務服務、呼叫控制和數據承載的分離。

2.1.1 數據轉發模塊

數據轉發模塊主要完成音/視頻數據的轉發工作。從監控前端接收數據信息，并以最有效的方式轉發到網絡監控客戶端。

音/視頻是連續媒體，數據量大，對實時性要求很高，允許傳輸中存在一定的數據錯誤率及數據丟失率。此外，在監控系統中，要實現音/視頻的分布式接入和數據共享，必須進行音/視頻的多點傳輸。因此在數據轉發模塊的設計中，需要考慮如下兩個方面：

（1）傳輸協議的選擇。傳輸層包含兩個協議，即傳輸控制協議（TCP）和用戶數據包協議（UDP）。由于TCP需要較多的開銷，重傳機制會帶來延遲，不太適合傳輸實時數據。系統采用實時傳輸協議/用戶數據包協議(RTP/UDP)來傳輸實時數據。RTP為實時數據提供端到端的傳遞服務，并向接收端傳送恢復實時信號必需的定時和順序信息，實現流同步。RTP本身并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制。它依靠RTCP提供這些服務。RTCP是與RTP協同工作的控制協議。在會話期間，各參與者周期性地發送RTCP包。RTCP包中含有已發送的數據包數量、丟失的數據包數量等統計資料。因此服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型以適應網絡的帶寬。RTP與RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。

（2）傳輸方式的選擇。網絡層IP協議定義了三種IP數據包的傳輸方式，即單播、廣播和組播。要在系統中實現音/視頻數據的多點傳輸，若采用單播，則同樣的音/視頻數據要發送多次，這將導致發送者負擔重、延遲長、網絡擁塞；若用廣播，網絡中的每個站點都將接收到數據，不管該節點是否需要數據，增加了非接收者的開銷。組播［3］是一種允許一個或多個發送者發送單一數據包到多個接收者的網絡技術。組播源把數據包發送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數據包。由于無論有多少個目的地址，在整個網絡的任何一條鏈路上都只傳送單一的數據包。采用組播提高了網絡傳輸的效率，極大地節省了網絡帶寬。

由于系統中會經常涉及對多路音/視頻數據的操作，整個數據轉發模塊采用多線程的Socket技術實現［4］。

2.1.2 信令處理模塊

監控系統中控制信息的交互通過信令處理模塊來完成。它負責控制信令的解析、轉發等。這些控制信令可能包括請求查看前端監控節點的視頻圖像、控制云臺或攝像機的動作等。由于控制信息是監控系統中重要的指令信息，要求控制信號的傳輸準確無誤。為此選擇可靠性高的TCP進行傳輸。

信令處理模塊采用SIP［5］（Session Initiation Protocol ，會話初始協議）來實現信令控制。采用SIP實現模塊間通信是系統可擴展性的重要保證。SIP是由IETF提出來的一個應用控制（信令）協議。它是基于純文本的信令協議；用于發起會話，可用來創建、修改以及終結多個參與者參加的多媒體會話進程。參與會話的成員可以通過組播方式、單播連網或者兩者結合的形式進行通信。SIP不會定義或限制可使用的業務，并且傳輸、服務質量、計費、安全性等問題都由基本核心網絡和其他協議處理，因此給應用層的實現帶來了很大的靈活性。進行SIP格式消息的封裝和解析時，采用了oSIP2［6］開發庫。

2.1.3 業務功能模塊設計

在下層的模塊實現通信的基礎上，上層的業務功能模塊實現具體的視頻服務器功能。

(1)用戶管理

①用戶訪問控制負責接收用戶的登錄、監控圖像請求、網絡服務質量反饋等信息，是服務器與用戶通信的橋梁。

②用戶服務策略負責記錄用戶的服務質量策略設置，并通過用戶的服務反饋，及時調整用戶的服務策略，保證用戶的正常使用。

(2)運營支撐

①連接服務負責建立網絡監控客戶端到監控前端的媒體會話業務。它能控制多個參與者參加多媒體會話的建立和終結，并能動態調整和修改會話屬性，如會話帶寬要求、傳輸的媒體類型(語音、視頻和數據等)、媒體的編/解碼格式、對組播的支持等；另外還提供域名解析的服務。

②認證/授權/計費（AAA）服務主要負責對用戶的合法性認證、認證后的授權以及基于時間或流量的計費管理。鑒別是至關重要的，只有確認了用戶的身份才能知道所提供的服務應該向誰收費，同時也能防止非法用戶對網絡進行破壞。在確認用戶身份后，根據用戶開戶時所申請的服務類別，系統可以授予客戶相應的權限。在用戶使用系統資源時，需要有相應的設備來統計用戶對資源的占用情況，并據此向客戶收取相應的費用。在實現AAA認證時使用Diameter系列協議。它是新一代的AAA技術，提供可擴展性和安全保證。 

(3)業務管理

①監控服務提供實時監視、控制服務；實現圖像切換、多畫面觀看、云臺及鏡頭控制、圖像清晰度（速度）等調整。

②報警服務支持報警輸入、防火、防盜、環境溫濕度、設備運行故障、事故等多種報警源。一旦發生報警，系統將產生聯動，即自動錄像、發警報、開燈、遠程傳輸至網絡監控客戶端、語音提示等一系列報警聯動；并對前端產生的報警信號以及用戶的處理情況進行記錄；與監控錄像記錄相關聯，以便用戶日后查詢檢索。

③錄像和回放服務保存前端的錄像記錄信息，并與監控報警記錄相關聯，以便用戶日后查詢檢索。可根據圖像存儲時間、日期以及鏡頭號進行查找和回放，亦可將所需畫面以壓縮或非壓縮的形式存儲；定期自動或手動完成記錄的備份和更新。

(4)前端管理

①前端配置管理負責向監控前端發送控制信令，對前端的音/視頻傳輸質量、服務質量進行監控管理，管理前端的屬性配置，對出現故障的監控前端及時作出反應。

②電子地圖管理維護監控前端與地圖數據庫［7］中對應圖片的聯系屬性。

2.2 網絡監控客戶端設計

與視頻監控服務器類似，它也設計為包括對應數據承載的數據接收模塊、對應呼叫控制的信令處理模塊和對應業務功能的用戶界面模塊。

2.2.1 數據接收模塊

數據接收模塊對應于服務器的數據轉發模塊；主要負責流媒體數據的接收，提供給上層模塊一路或多路媒體數據。

2.2.2 信令處理模塊

對應于服務器的信令處理模塊；把用戶的請求封裝成符合要求的信令格式發送給服務器，同時接收服務器的響應，啟動相應模塊的功能，完成用戶請求。

2.2.3 用戶界面設計

客戶端界面主要為用戶提供訪問界面，主要包括參數配置、實時監控、電子地圖和播放器界面。這只是功能上的劃分，具體實現時要將它們結合成統一的界面提供給用戶。

(1)參數設置

參數設置是用戶對服務器和監控前端進行參數設置的用戶接口；用戶可以通過此界面進行遠程參數設置。

(2)實時監控

實時監控界面提供給用戶實時監視、控制、錄像、報警查看等功能。主要負責視頻多路顯示，從數據接收模塊緩沖中獲取媒體數據或從本地錄像資料取得媒體數據，進行解碼顯示；還負責對多個監控節點的音/視頻數據進行輪巡顯示。在實現上需要結合監控前端的具體解碼器。

實時監控中多路視頻的顯示主要采用DirectShow技術。它是建立在DirectX（包含DirectDraw、DirectSound、Direct3D）之上的媒體層。支持來自本地或網絡的各種視頻、音頻壓縮格式的媒體文件的解碼和回放，可以從設備上捕捉多媒體流，也可以處理各種壓縮算法處理的流媒體。DirectShow對媒體數據處理采用流媒體的方式，可以大大減少編程的復雜程度；同時又可以自動協商從數據源到應用的轉換。流接口提供了統一的、可以預測的數據存取的控制方法。這樣應用程序在播放媒體數據時不需要考慮它最初的來源和格式。

(3)電子地圖

電子地圖可以幫助用戶準確地把握和了解整個系統的總體情況；為用戶提供監控點周圍的環境和地理狀況信息，幫助用戶更好地把握監控目標的位置以及行動情況。它主要包括地圖編輯模塊和顯示模塊。編輯模塊為用戶提供將地圖錄入視頻服務器，并指定相關監控節點關聯的功能。顯示模塊從視頻服務器下載并顯示附著監控節點信息的地圖供用戶使用，用戶可以通過點擊電子地圖上的攝像機圖標觀察到監控點的實時視頻。

(4)播放器

播放器界面是回放錄像的界面。實時控制產生的錄像或圖片存儲后，可以通過播放器界面進行回放查看。它可以采用Media Player等播放器。

3 視頻監控管理平臺的實現與應用

視頻監控管理平臺中，視頻服務器的運行環境是Linux。網絡監控客戶端的運行平臺是Windows的PC機，采用了Visual C++技術實現［8］。目前，該系統結合北京神州龍芯公司的監控前端，組成了完整的視頻監控系統，在中國科學院軟件所的社區寬帶實驗網上運行良好。圖 3是客戶端運行時的主界面。

圖3 監控客戶端主界面圖

社區寬帶網絡系統是中國科學院軟件所研制開發的，在一個物理網絡上實現常規電話網、數字電視網、計算機網業務的三網融合系統。它可以大幅度降低社區信息化和城市信息化的建設成本及運營成本，特別適合我國居住密集型的居民小區、校園、企事業大院。

4 結束語

視頻監控管理平臺主要為適應目前監控網絡的不斷擴大及其日益復雜的功能需求而設計。其重點在于對視頻監控系統的有效管理。

本文結合視頻監控系統的特點和管理平臺的功能需求，提出了一套完整的視頻監控系統管理平臺的設計方案，較好地實現了這些要求。隨著網絡的發展，帶寬資源越來越豐富，通過網絡進行高清晰視頻已經成為可能。因此采用先進視頻編碼技術的高清晰視頻監控就成為未來監控系統的需求。但是對于基于Internet等低帶寬環境下的視頻監控需求，需要系統提供配套的低帶寬監控方式，以滿足不同帶寬的要求。將高清晰視頻和低帶寬的視頻監控相結合將是視頻監控管理平臺改進的一個方向。

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