無線Mesh網絡視頻監控系統客戶端軟件設計*

孟燕偉 ，趙 利 ，莫金旺

（桂林電子科技大學，a.信息與通信學院；b.信息科技學院，廣西 桂林 541004）

1 無線Mesh網絡的特性及優勢

無線Mesh網絡（WMN）是一種基于多跳路由和對等網絡技術的寬帶無線網絡，具有自組網、自修復、自配置和多跳級聯等特性[1]。因此，視頻監控系統中引入WMN技術后，將具有如下特點：

1）施工容易，節約成本。WMN僅需少量的網絡布線，基本不用建設新的網絡基礎設施，結合整體規劃可最大限度降低建設成本。

2）部署快捷，擴展靈活。WMN具有自組網和自管理能力，視頻監控點接入監控網絡后，能自動與監控中心建立最佳的傳輸路由，并且視頻監控點可隨時插入和刪除。

3）具有鏈路故障自愈能力，傳輸可靠性高。由于采用無線網狀網（Mesh）結構和多跳路由方式，可以利用迂回路由，避開故障節點，不會影響整個網絡的性能[1-2]。

4）具有較低的功耗以及網絡功耗可控能力，成本低，投資風險較小。

2 基于WMN的視頻監控系統

2.1 系統整體方案

基于無線Mesh網絡的視頻監控系統方案如圖1所示。在監控現場，多個具有路由轉發功能的終端節點互聯構成無線Mesh網絡骨干網，視頻監控終端負責完成監控現場視頻采集、壓縮、無線路由及收發數據等功能，并將視頻流傳輸到與監控中心相連的Mesh網關；監控中心接收來自監控終端的視頻數據流，并進行解壓、播放等處理，同時也可實現本地存儲。

圖1 基于無線Mesh網絡的視頻監控系統方案

2.2 系統硬件方案（見圖2）

圖2 系統硬件方案結構圖

視頻終端硬件平臺圍繞三星公司的S3C2440A-40處理器搭建，通過處理器的接口把所需外設集成到系統中。從功能角度來看，系統硬件平臺包括微處理器、存儲器、以太網接口、CCD攝像機以及電源等單元組成。S3C2440A-40處理器是一款為移動設備和各種多用途應用設計的，內核為ARM920T。考慮到節約成本，系統采用開源的XVID軟件對視頻數據進行壓縮，SAA7113負責把CCD攝像機傳來的信號進行A/D轉換，視頻壓縮程序將圖像數據壓縮為MPEG-4格式后，經USB接口傳至S3C2440A-40，數據流經USB接口輸出至RT73無線網卡，以IEEE 802.11b/g標準實現無線傳輸。在監控中心，客戶端利用RTP/RTCP協議接收視頻數據，對終端的控制則采用面向連接的TCP/IP協議發送控制命令到服務器，實現對終端的控制。

3 網絡傳輸部分

網絡傳輸部分由無線傳輸和有線傳輸組成。無線傳輸為Mesh網絡終端之間的傳輸，視頻監控終端將壓縮的視頻流經USB控制器擴展的USB接口輸出到RT73無線傳輸模塊，完成無線發射，有線傳輸為視頻服務器與Internet之間的傳輸。

為了保證網絡的實時可靠傳輸，系統綜合利用了TCP協議和實時傳輸協議RTP分別完成不同的功能，保證了視頻的質量和傳輸速度。TCP協議負責客戶端和服務器之間建立連接、傳輸控制命令和數據收發相關命令，從而確保控制命令的準確傳送。RTP是一種獨立于應用程序的網絡協議標準，由實時傳輸協議RTP和實時傳輸控制協議RTCP組成[3]，保證系統提供流媒體數據高效率傳輸，網絡傳輸程序完成數據包的封裝，經RT73無線網卡傳送到視頻服務器，視頻服務器經Internet傳送到客戶端監控中心。

4 基于DirectShow的客戶端軟件

DirectShow是微軟公司推出的新一代基于COM技術[4]的流媒體處理的開發包，為流媒體的捕捉、回放等處理提供了強大的支持。本文利用DirectShow技術設計了基于無線Mesh網絡視頻監控客戶端軟件，軟件設計采用C/S模式，基于VC平臺的MFC框架[5]。客戶端和遠程終端通過Socket編程實現在整個網絡上通信。系統總體軟件結構如圖3所示。

圖3 系統總體軟件結構

4.1 開發工具與環境

開發工具和開發環境有：DirectX 9.0以上版本；Microsoft Visual Studio 2005；Windows XP操作系統。

4.2 軟件功能設計

客戶端軟件由視頻接收、視頻解碼播放及遠程控制命令發送模塊，模塊之間采用共享內存進行通信，其主要功能如下：

1） 視頻監控

用戶可實現對多個監控點的現場圖像進行實時監控，獲得與現場端相當幀速率的視頻圖像，可對每路視頻圖像的對比度、亮度、色飽和度以及視圖大小進行調節。

2） 視頻錄像

隨時可對視頻圖像連續或選擇性錄像存儲。錄像信息中應包括時間、監控點等信息；可進行視頻錄像回放、視頻輸出等操作。

3） 控制命令模塊

客戶端監控中心可以對管轄范圍內多個遠程監控前端進行實時監控，對于不同的管理用戶，分配不同的控制權限。根據權限的不同，管理者通過客戶端軟件，在權限允許的監控區域內和監控點，實現對監控現場的實時監控、對攝像機鏡頭和云臺進行控制和管理實現對前端監控設備進行遠程調控。

4） 系統安全

只有通過輸入授權且正確的用戶名和密碼登陸后方可進行遠程監控。

4.3 主要模塊設計與實現

4.3.1 視頻接收模塊

為了能同時接收來自終端的多路圖像，在程序中采用了Windows界面設計和多線程技術，每個線程創建一界面窗口，負責一路視頻流的接收和播放。客戶端的視頻數據接收流程如圖4所示。

圖4 視頻數據接收流程圖

具有相應權限的用戶通過口令登錄客戶端，并完成初始化，選定某一路視頻請求與相應終端連接，發送自己的用戶名和密碼給服務器驗證訪問用戶的合法性。驗證成功后，輸入服務器視頻終端的IP地址，向服務器發送視頻數據請求，當得到服務器返回的確認消息后，啟動接收數據接收線程，視頻數據就通過網絡傳給客戶端的視頻接收緩沖區內，客戶端開始接收視頻數據。

視頻接收模塊負責接收從網絡傳來的視頻數據，本文監控系統中視頻數據的格式是MPEG-4，由于Direct-Show沒有提供標準的從網絡接收MPEG-4數據的Source Filter，筆者設計了一個推模式的網絡源過濾器（其輸入Pin為推模式），當網絡有數據到達時，則主動發送給該Source Filter，它只有一個輸出引腳。其主要功能在類 CReceiver Filter實現，繼承于CSoure類，設定它的媒體類型為 majortype=MEDIATYPE_Video；mt.subtype=CLSID_XVID。Source Filter創建完成后，通過調用接口的方式將其加入到FilterGraph對象中。

主要程序實現描述為：

4.3.2 視頻播放模塊

視頻播放模塊實現視頻的實時播放，同時還可對存儲的視頻文件進行視頻回放，其實現流程如圖5所示。客戶端接收到的視頻數據信息后，經過解碼過濾器解碼即可進行視頻回放或視頻存儲實現客戶端對終端視頻監控圖像的訪問，客戶端可根據客戶需要選擇同時顯示多路視頻圖像。

圖5 視頻播放模塊實現流程圖

系統中視頻壓縮格式為MPEG-4，所以筆者選用了Xvid Codec作為MPEG-4的核心解碼庫，其解碼器源代碼是開放的。通過調用Xvid的MPEG-4解碼核心代碼來完成視頻數據解壓縮。過濾器中設計了一個CXvidDecoder類，繼承于CVideoTransformFilter，作為解碼過濾器框架。在CXvidDecoder類包含了Xvid核心解碼庫。解碼過濾器收到數據包后，激活Xvid解碼器，然后檢查是否指定了輸出媒體類型。 如果是，則根據指定的媒體類型調用相應的色彩空間轉化表，設置解碼后媒體類型；解碼時，先獲得輸入視頻數據包的指針和長度，將其拷貝到MPEG-4解碼器的緩存中。由于MPEG-4采用面向對象的編碼，其數據包的長度可根據監控現場變化自動調整。MPEG-4解碼器能自動識別每幀圖像的數據量；緩沖區中多于一幀的數據量作為下次解碼的開始數據，如果緩沖區不夠一幀圖像解碼數據，則返回等待下一個數據包讀入后再解碼，然后將解碼的數據包打上時間戳，按順序進行回放。

4.3.3 創建Filter Graph

當解碼過濾器開發完成后，在系統中注冊，以供應用程序調用。創建Filter Graph時，只需調用接口的方式將Source Filter加入到FilterGraph對象中，根據MPEG-4 Video Decoder的CLSID創建它的實例，使用IflterGt aph::AddFilter接口方法將其加入到Filter Graph中[6]。通過IGraphBuilder::Connect接口方法將其連接起來，然后運行Filter Graph即可實現播放。

4.3.4 遠程控制模塊

實現遠程控制就是在監控中心通過客戶端軟件，利用計算機鼠標或鍵盤相應操作來向終端服務器發送命令來實現對監控點的攝像機的參數及云臺進行控制。當服務器接收到來自客戶端的命令后，調用云臺控制程序，對串口進行相應的讀寫操作，經云臺解碼器解碼后直接對攝像頭或云臺電平變化來實現對云臺控制。由于控制命令準確性要求較高，數據量較小，所以采用了提供可靠連接傳輸協議TCP/IP進行傳輸，用戶可以根據監控場合、用途和功能的不同對串口采取不同的配置，在程序運行后也可隨時對串口的參數設置進行更改。

5 系統測試

系統測試在某社區路口進行，設置了5臺視頻監控終端安置于監控點，各監控點之間的距離約為200 m，監控主機通過IEEE802.11b/g標準的無線網卡接入Mesh網絡，從任一監控終端獲取Xvid-MPEG-4格式的視頻流，采用所開發的客戶端軟件完成終端設置、視頻接收、解碼播放等。測試結果表明，畫面播放流暢，實時性較好，視覺效果令人滿意。在進行主動丟包測試時，當丟包率達到10%時，圖像會出現少量的馬賽克，但播放依然流暢，完全可以滿足當前視頻監控市場的要求。

6 小結

基于無線Mesh網的視頻監控系統由于其獨特優勢，與其他無線視頻監控系統相比具有較高的性價比，且安裝使用方便。由于MPEG-4的差錯恢復能力強，對各種網絡有較強的適應能力。在網絡帶寬更小的情況下，通過降低監控畫面質量，得到更小的碼率，以節約帶寬。隨著無線Mesh技術的進一步發展和完善，其必將在多種領域有著廣闊的應用前景。

：

[1]AKYILDIZ I F，WANG Xudong.A survey on wireless Mesh networks[J].IEEE Communications Magazine， 2005，43（9）:23-30.

[2]BRUNO R，CONTI M，GREGORI E.Mesh networks:commodity multi-hop Ad Hoc networks[J].IEEE Communication Magazine， 2005，43（3）：123-131.

[3]潘鵬，杜旭，葉婷，等.RTP／RTCP實時傳輸協議的研究與Linux實現[J].計算機工程與應用，2005（24）：105-108.

[4]POGERSON D.COM技術內幕——微軟組件對象模型[M].楊秀章，譯.北京：清華大學出版社，1998.

[5]郭曉鵬，李存斌.Visual C++高級編程及其項目應用開發[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6]陸其明.DirectShow開發指南[M].北京：清華大學出版社，2003.