ＩＰ網絡視頻監控系統組成設計研究

【摘要】數碼監控系統中視頻遠程監控是一個研究熱點，利用IP組播技術可以方便高效地實現視頻數據的遠程傳輸，很好地解決了監控系統中多監控點、多機監控的問題。本文提出并研究設計一種基于IP組播技術的數字化網絡視頻監控系統方案，整個系統的總體設計分為硬件和軟件系統兩部分。

【關鍵詞】IP;視頻監控;設計

【中圖號】TP311【文獻標示碼】A【文章編號】1005-1074(2008)11-0220-02

視頻監控系統是日常生產生活中和公安網絡監控的重要輔助設備，應用十分廣泛。當前視頻監控系統正逐步由模擬化走向數字化。隨著視頻壓縮技術和網絡技術的發展，開發新一代的基于計算機網絡和多媒體MPEG－4壓縮算法的視頻監控系統已成為整個行業技術發展的主要方向之一。本文設計一種基于IP組播技術的數字化網絡視頻監控系統，安慶鐵通在一個縣城公安監控工程采用此設計方案并得以實施。

1系統的硬件方案

本系統所涉及的硬件分為監控前端部分、網絡通訊部分、監控服務器和遠程監控端部分。其中監控前端主要有負責獲取視頻圖像的攝像機、安裝在攝像機前方的可變焦鏡頭、帶動攝像機和鏡頭轉動的云臺、云鏡解碼器、煙感、紅外等報警輸入裝置、報警解碼器、負責獲取音頻信號的拾音器以及RS485轉換器等；網絡通訊部分主要有光纖、光收發器、光交換機、路由器等；監控服務器和遠程監控端均為高級配置的PC機，監控服務器內嵌MPEG－4方式的視音頻壓縮卡，主要負責視音頻數據的壓縮、存儲以及響應遠程監控端的要求等，是系統的核心組成部分。整個系統的工作原理如下：①前端攝像機將采集到的視頻信號通過視頻電纜線送入監控服務器，拾音器將采集到的音頻信號通過音頻線纜也送入到監控服務器。②服務器內嵌的MPEG－4視頻壓縮卡對視音頻數據進行壓縮編碼，并交由計算機做進一步處理(主要由監控軟件完成)。③云鏡解碼器通過控制線同云臺和攝像機相連。用戶可以通過監控軟件對解碼器發送指令，控制云臺及其上的設攝像機的轉動，以調整攝像機的取景范圍和鏡頭的變焦等。④紅外探測器、煙感探測器放在自制的面板上，并通過控制線同報警解碼器相連。報警解碼器將接收到的報警信號傳到服務器中，交由監控軟件處理。⑤云鏡解碼器和報警解碼器都是通過RS485串口轉換器與服務器上的RS232串口相連，以達到和服務器通信的目的。⑥監控服務器可以通過監控軟件進行視音頻數據的處理、發送、播放、回放以及云鏡等設備的控制。⑦局域網內的遠程監控端可以通過集線器或交換機與監控服務器相互通信，以獲得監控現場的視音頻數據，并進行一定權限下的控制。⑧廣域網內的遠程監控端可以經路由器和交換機等與監控服務器相連，以不同的形式對現場進行監視和一定權限下的設備控制。

2系統的軟件方案

2.1開發平臺及工具的選擇對于整個網絡視頻監控系統來說，軟件設計的工作是主要的。它要完成的功能多而復雜。面對如此龐大的一個軟件工程，采用正確而又有效的軟件設計方法，對整個軟件結構進行規劃是系統成功實現的關鍵。對于監控系統軟件的開發來說選擇一種友好的圖形用戶界面，且操作簡單，穩定、可靠，安全性較高的操作系統是很重要的。Windows2000操作系統具有友好的圖形用戶界面，操作簡單易用，可利用的資源也極其豐富，這些優勢決定了如果選擇Windows2000的操作系統將會為監控系統軟件的開發提供一個相對堅實、穩定的平臺。軟件開發工具選擇的原則是：能為我們提供一個健壯、高速、高效、兼容性好的開發環境?？紤]到開發的效率和通用性等因素，經過仔細衡量考慮，我們選擇了VisualC++6.0作為系統的開發工具。首先C++語言比其他語言功能更豐富，應用的也更廣泛。其次VisualC+十使用很靈活，實現的功能也更強大，利用它可以最方便的調用Windows底層功能。最后，VisualC一是真正面向對象的開發工具，且具有強大的MFC類庫。

2.2多線程技術由于視頻流在網絡中傳輸時有著較大的數據吞吐量，因此接收時常常會出現阻塞現象。為了在實際的視頻傳輸應用中避免出現這種情形，提高傳輸的效率，在本課題設計中，我們采用了多線程技術來進行網絡編程。線程是進程內部的一個獨立的執行單元(可以是一個函數、一個活躍的類對象)。每個進程至少有一線程就是主線程，它是由系統啟動應用程序后自動創建的，用戶根據需要可以在應用程序中創建其他線程。Windows2000通過引入線程和進程來實現占先任務。處理器根據其優先級別的不同不斷地切換執行系統中的各個線程，這種處理的高速度使人產生多個線程在同時執行的錯覺，操作系統不必等待某一個線程結束，可主動將處理器讓給其他線程。線程轉讓CPU處理時間是被迫的，對于多線程的調度程序而言，可防止某一個線程過多地占用CPU時間導致系統效率降低。這些特點正好可以很好地解決視頻監控系統實時性方面要求較高的問題。MFC應用程序都有一個CWinApp派生類，而CWinApp則是線程基類CWinThread的派生類，它的對象就是啟動應用程序系統創建進程的主執行線程。MFC類庫支持兩種線程類型：用戶界面線程(user-interface thread)和工作線程(workerthread)。前者有一個消息泵，一般用于處理用戶的輸入和對用戶生成

的事件和消息的響應，它由類CWinThread派生而來。而后者一般用于完成不需要用戶輸入的后臺任務。如計算、調度等工作，它和用戶界面線程不同，它不是從類中派生來創建，而是一個實現工作線程任務的運行控制函數。在本軟件開發中，根據需要創建了多個工作線程，它們各自完成不同的后臺任務。

2.3系統軟件結構隨著計算機和網絡技術的發展，很多數據處理系統都采用開放系統結構的客戶機一服務器(Clieni/Server)模型，即客戶機向服務器提出請求，服務器對請求做相應的處理并執行被請求的任務，然后將結果返回給客戶機?？蛻魴C一服務器模式最重要的特點是非對等作用，即客戶機相對于服務器處于不平等的地位，服務器擁有客戶機所不具有的硬件/軟件資源和運算能力，服務器提供服務，客戶機提供請求。同時，客戶一服務器模式完美地解決通信進程之間同步信息交換的問題，每次通信均由隨機啟動的客戶進程發起，服務器進程從開機就處于等待狀態，這樣可以保證服務器隨時對客戶請求作出響應，而且這種請求應答模式為相互通信進程數據傳輸同步提供了有力支持。基于以上的分析，監控軟件的設計采用了客戶機一服務器模型。如圖1所示，在服務器端對請求做出響應并執行相應的任務，如給客戶端發送組播地址、視音頻圖像、控制指令等?？蛻魴C向服務器發送請求，并接收視音頻圖像，解碼播放及一定權限下的控制指令。服務器則根據要求向當前設備狀態發出控制指令，從而實現遠程監控。

2.4系統軟件模塊本系統主要由視音頻數據處理模塊、視音頻錄像播放模塊、云鏡控制模塊、系統參數設置模塊、視音頻數據發送模塊、視音頻數據接收模塊六個部分組成。其中，前五個模塊運行于監控服務器端，視音頻數據接收模塊運行于遠程客戶端，另外，遠程客戶端也有負責視音頻播放的模塊，但同服務器端的視音頻數據處理模塊實現方式差不多，所以不再贅述。各模塊的主要功能如下：①視音頻數據處理模塊該模塊主要通過視音頻壓縮卡廠商提供的SDK開發包，完成對視音頻信號進行實時采集、動態存儲、實時播放等處理工作。②視音頻錄像播放模塊該模塊主要對存儲在硬盤上的視音頻文件進行按條件查詢播放。③云鏡控制模塊該模塊負責根據解碼器協議及命令碼，通過串口通信控制云臺的轉動、鏡頭的焦距和光圈的調整等。④系統參數設置模塊該模塊主要對系統的一些參數進行設置，如增加用戶、刪除用戶、存儲設置、視頻采集參數設置等。⑤視音頻數據發送模塊該模塊負責將視音頻數據流實時的以組播的方式發送給遠程監控端。⑥視音頻數據接收模塊該模塊運行于遠程客戶端，負責接收監控服務器發送來的視音頻數據流。

3網絡通信方案

3.1通信流程在服務器端，先要對視音頻壓縮卡及網絡進行初始化，然后創建采集壓縮線程，并等待客戶端呼叫，當服務器端接收到客戶端發過來的數據請求后，響應請求，向客戶端發送數據。并可根據自身或客戶端的指令請求控制云臺、鏡頭等設備。當通信完畢，服務器端可主動也可響應客戶端的請求斷開連接。

3.2通信協議的選擇在系統網絡傳輸的設計中，我們重點考慮了以下幾點情況：遠程監控端要加入不同的組播組，以獲得不同監控現場的情況；視音頻數據傳輸的實時性；監控服務器和客戶端之間請求信息、確認以及控制指令的準確性。為此，我們建立了兩個通信通道：一個是控制通道，一個是數據通道。控制通道用來在發送端和接收端之間建立會話，包括發送一些數據請求、確認控制、組播地址及端口等信息。數據通道用來在服務器和客戶端之間傳送視音頻數據，要求實時性較高。

對于控制通道，我們選用需要建立連接、拆除連接、確認和超時重傳等有很多保證可靠性的措施的TCP協議，以保證連接和控制命令的準確傳輸。對于數據通道，考慮到視頻圖像傳輸的數據量很大且實時性要求很高，我們選用高效率的UDP及其上的RTP/RTCP等協議，雖然也許會出現少量的丟幀現象，但對數據量很大的視頻圖像的影響并不是很大，用戶可以接受。對于網絡傳送方式，我們選擇IP組播，并且用Winsock網絡編程具體實現組播組的加入、離開以及組播數據的傳輸。

4參考文獻

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3王剛，趙躍龍.基于嵌入式網絡視頻監控系統的設計[J].湘南學院學報，2006，(05)