基于IP的遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的研究

摘要:為了滿足各行業(yè)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，提出基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用H.264編碼，提高了視頻編碼的效果和壓縮比，降低視頻流，即可達(dá)到理想的是實(shí)時(shí)性。同時(shí)利用現(xiàn)有的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的RTP/RTCP的傳輸協(xié)議實(shí)行實(shí)時(shí)性保證，采用IP組播滿足視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的不足的瓶頸。解決了傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，遠(yuǎn)程傳輸效率低，實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。其中本文重點(diǎn)介紹了IP組播通信和實(shí)時(shí)性保證的技術(shù)。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控;H.264;IP組播;RTP/RTCP;實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)33-9196-02

IP-based Remote Digital Monitoring System

HONG Feng， NIU Qin-zhou

(Guilin University of Technology College of Mechanical Control Engineering，Guilin 541001， China)

Abstract: In order to meet the needs of remote monitoring ofvarious industries， IP network-based remote digital monitoring system is introduced， sysyem uses H.264 encoding， improve the effectiveness of the video encoding and compression ratio， reducing the video stream， you can achieve the desired real-time are. At the same time using the existing TCP / IP network RTP / RTCP transport protocol to ensure the implementation of real-time， using multicast IP video surveillance network to meet the shortage of communications bandwidth bottleneck. Solve the traditional analog system data volume is very large， long-distance transmission is inefficient and bad real-time problems. This article focuses on one of IP multicast communications and real-time to ensure that technology.

Key words: remote digital monitoring; H.264; IP Multicast; RTP/RTCP; real-time

傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)主要是傳輸基帶信號(hào)，而其主要缺點(diǎn)是傳輸距離很短，抗干擾能力差，信號(hào)存儲(chǔ)或檢索極不方便，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化數(shù)字化的發(fā)展要求。現(xiàn)在在大型購(gòu)物中心，大學(xué)校園，工廠，銀行等地方都采用了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案，這種需求使數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，網(wǎng)絡(luò)有其自身的瓶頸，由于這些監(jiān)控信號(hào)的數(shù)據(jù)量大，因此如何解決視音頻業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)利用率高，傳輸速度快，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題我們采用IP組播技術(shù)，它有其獨(dú)特的優(yōu)越性—即使用戶數(shù)量成倍增長(zhǎng)，在組播網(wǎng)絡(luò)中主干帶寬也不會(huì)隨之增加。

1 系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1所示)，總體方案及所實(shí)現(xiàn)功能分為三部分:前段監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)控中心，后端設(shè)備組成。

1.1 前段監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主要有監(jiān)控主機(jī)及外圍設(shè)備組成，其中外圍設(shè)備包括攝像機(jī)，電動(dòng)鏡頭，云臺(tái)，防護(hù)罩，監(jiān)視器，多功能解碼器及可能有報(bào)警器。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)根據(jù)客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳給編碼器，編碼器采用H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)將碼流傳送監(jiān)控中心，同時(shí)接受來(lái)自分控中心的控制指令對(duì)云臺(tái)動(dòng)作(上、下、左、右及自動(dòng))電動(dòng)鏡頭的三可變(光圈、焦距和聚焦)。

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心將通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的碼流數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上或者通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程解碼終端。

1.3 后端設(shè)備

由若干分控中心計(jì)算機(jī)組成。各分控計(jì)算機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端軟件，接受來(lái)自前端的壓縮信號(hào)、解壓、顯示(播放)。采用IP組播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式視頻信號(hào)的接入和共享，通過(guò)軟件授權(quán)可設(shè)置優(yōu)先級(jí)別的監(jiān)控系統(tǒng);同時(shí)通過(guò)授權(quán)的IE用戶可以通過(guò)Internet實(shí)行隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)訪問(wèn)視頻圖像，對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。

2 IP組播和實(shí)時(shí)性保證關(guān)鍵技術(shù)

2.1 IP組播技術(shù)

2.1.1 概述

組播技術(shù)是可以由一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包(Datebag)到多個(gè)接收者的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播源只把數(shù)據(jù)發(fā)送到特定組播組中，只有具有該組播組的地址才能接到數(shù)據(jù)包。組播中的成員是動(dòng)態(tài)的，主機(jī)可以隨時(shí)加入或者退出一個(gè)群組。

IP組播技術(shù)解決了無(wú)論有多少接收者，無(wú)論有多少目標(biāo)地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上任何一條鏈路上只傳送單一數(shù)據(jù)包，最大限度地節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

2.1.2 IP組播中關(guān)鍵技術(shù)

在視頻媒體中，為保證傳輸?shù)馁|(zhì)量控制，在應(yīng)用層質(zhì)量控制上，采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN。通過(guò)在應(yīng)用層的內(nèi)容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡(luò)的流媒體流量，由分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的流媒體服務(wù)器，避免了擁塞鏈路，提高了流媒體傳輸?shù)男阅芎晚憫?yīng)時(shí)間。CDN最初用于分發(fā)web內(nèi)容，即主要實(shí)現(xiàn)web、cache的功能，隨著寬帶接入的普及以及基于流媒體技術(shù)發(fā)展，CDN被發(fā)現(xiàn)是一種能有效緩解流媒體傳輸吞吐量對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力。

為了克服傳統(tǒng)的視頻傳輸，基于單一的流媒體服務(wù)器，而且在性能上不可擴(kuò)展，傳輸質(zhì)量受低層網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的制約，通過(guò)采用連續(xù)媒體分布服務(wù)提高質(zhì)量和高效的媒體傳輸，有網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。

同時(shí)為確保數(shù)據(jù)不被篡改，未經(jīng)授權(quán)的播放和復(fù)制。數(shù)字版權(quán)管理(DRM)通過(guò)對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行加密和附加使用規(guī)則，對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。其中Microsoft有完整的DRM解決方案，也可采用數(shù)字水印加密和解密。由于篇幅有限，這里就不再贅述。

2.2 實(shí)時(shí)性保證關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 RTP/RTCP協(xié)議

RTP(Realtime Transport Protocol實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議)是主要針對(duì)Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個(gè)傳輸協(xié)議，由IEIF(Internet工作任務(wù)組)作為RFC1889發(fā)布。RTP被定義為在一對(duì)一或一對(duì)多的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。RTP的典型應(yīng)用建立在UDP上，但也可以在TCP或者ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。作為應(yīng)用層媒體協(xié)議棧，RTCP根據(jù)其機(jī)制，提供質(zhì)量服務(wù)QoS，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)情況提供參數(shù)。

RTCP(Realtime Transport Control Portocol實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議)負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。在RTP連結(jié)會(huì)話期間，各參與者周期性地傳RTCP包，包中含有已經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等資料，所以，服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速度，有效載荷類型。RTSP是一個(gè)多媒體流化表示控制協(xié)議，用于在客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server，簡(jiǎn)稱C/S)之間建立和控制具有實(shí)時(shí)特性的數(shù)據(jù)傳輸。以最優(yōu)的情況傳輸，節(jié)省大量時(shí)間，也減少了容錯(cuò)性。RTP和RTCP配合使用，能以有效地反饋和最優(yōu)開(kāi)銷(xiāo)是傳輸效率達(dá)到最理想，特別適合傳送網(wǎng)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中流媒體棧協(xié)議實(shí)現(xiàn)如右圖2。

2.2 壓縮算法H.264

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用較多的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-4、H.263、H.264等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，本文中主要采用H.264標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镠.264標(biāo)準(zhǔn)與其它的視頻標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同的帶寬下提供更加完美的圖像質(zhì)量。H.264的主要優(yōu)點(diǎn)有低碼流，高質(zhì)量的圖像壓縮技術(shù)，容錯(cuò)能力好，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)決定遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用將越來(lái)越普遍。

2.3 基于流媒體的實(shí)時(shí)瀏覽

対上面幾點(diǎn)的實(shí)時(shí)性可以說(shuō)是將各種視頻信息給傳輸出來(lái)是對(duì)數(shù)據(jù)本身而言，然而實(shí)時(shí)性對(duì)用戶來(lái)說(shuō)我們?cè)贚AN上通過(guò)流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，對(duì)在INTERNET上的IE瀏覽，使具有權(quán)限的管理員能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。我們可以采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，簡(jiǎn)稱B/S)和C/S模式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，在該模式下只需安裝企業(yè)內(nèi)容網(wǎng)中央服務(wù)器終端不論在什么地方，都可以用普通web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

3 結(jié)論

本文主要概述了一種基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控端對(duì)視頻圖像的控制與交互，圖像信號(hào)無(wú)衰減，嵌入式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)采用IP組播技術(shù)，保證發(fā)送帶寬的限制。視頻壓縮方面采用H.264對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)利用RTP/RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻流的實(shí)時(shí)傳輸，具有帶寬占用小、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。今后，視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)向著前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成智能化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1] Andrew S.Tanenbaum，V rile Universiteit， Amsterdam，The Netherlands.Computer Networks，F(xiàn)ourth Edition[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[2] BeauWilliamson. DevelopingIPMulticast.Networks，volumel[M].顧金星，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2000.

[3] 劉富強(qiáng).數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 王琳，解沖鋒，楊明川.IP組播的關(guān)鍵技術(shù)[J].信息網(wǎng)絡(luò)，2003.

[5] 何小梅，滕奇志.圖像通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[6] 李金伴，王善斌.電視監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.