基于Web的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 莉，柳 松

(浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)信系，浙江 杭州310023)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將先進(jìn)的嵌入式技術(shù)與視頻傳輸技術(shù)有效地結(jié)合在一起，成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，利用嵌入式技術(shù)采用專用芯片和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，把視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能集成到一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)，可以直接連入以太網(wǎng)，有效地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在監(jiān)控終端，一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過(guò)在IE瀏覽器內(nèi)輸入攝像機(jī)的IP，即可訪問(wèn)到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，進(jìn)行監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的瀏覽[1]；另一方面，監(jiān)控人員也可通過(guò)專用的監(jiān)控終端軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，這兩種方式都無(wú)需安裝特殊的硬件設(shè)備即可方便地對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大降低了系統(tǒng)的成本，極大地方便了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的操作和維護(hù)。

嵌入式網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控技術(shù)有效地改善了基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，可以很好地解決基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，如視頻數(shù)據(jù)量大[2]、直接存儲(chǔ)和傳輸將耗費(fèi)大量的資源、實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸困難等。

1 基于Web的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于Web的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要由嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件、嵌入式軟件（采集端）和遠(yuǎn)程管理軟件（瀏覽端）三部分組成。

在嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)中視頻處理和Web服務(wù)器高度集成[3]。監(jiān)控系統(tǒng)由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)從攝像頭獲得原始的視頻信號(hào),通過(guò)視頻編碼器，將模擬視頻數(shù)字化后壓縮成MPEG4視頻數(shù)據(jù)，然后通過(guò)流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)換成流媒體格式，從以太網(wǎng)接口實(shí)時(shí)地傳送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，從嵌入式視頻監(jiān)控模塊獲得MPEG4視頻數(shù)據(jù)[4]，直接通過(guò)瀏覽器即可觀看攝像機(jī)的圖像，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺(tái)、鏡頭的動(dòng)作或?qū)ο到y(tǒng)配置進(jìn)行操作，并且該系統(tǒng)支持多客戶端同時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的主要功能

系統(tǒng)提供兩種用戶監(jiān)控界面：IE瀏覽器的監(jiān)控界面，能夠提供1路視頻的現(xiàn)場(chǎng)瀏覽、錄像、遠(yuǎn)程控制（對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)和鏡頭進(jìn)行控制）和系統(tǒng)配置（報(bào)警設(shè)置、解碼器設(shè)置等）；專用程序控制界面，能夠提供1～6路網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的圖像瀏覽、錄像及遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)具有基于圖像分析的異常報(bào)警功能，攝像機(jī)提供IO信號(hào)實(shí)現(xiàn)與其他報(bào)警設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，報(bào)警方式可以通過(guò)電子郵件傳送給指定的接收人，同時(shí)攝像機(jī)能夠?qū)?bào)警時(shí)刻拍攝的照片發(fā)送到指定的ftp服務(wù)器上。

系統(tǒng)具有帶寬自適應(yīng)功能，能夠在Internet上自適應(yīng)調(diào)整編碼速率，實(shí)現(xiàn)最佳的音視頻質(zhì)量控制。

3 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的核心功能是視頻數(shù)據(jù)采集、壓縮、傳輸和控制[5]，是監(jiān)控系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)處理和交互中心。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)有內(nèi)置的CCD圖像模塊、視頻服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、Web服務(wù)器，可提供視頻處理、Internet接入等功能，支持TCP/IP等多種通信協(xié)議。硬件設(shè)計(jì)基于華邦公司的芯片組，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊：視頻處理模塊、基于嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接入模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

從總體上講該嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括采集端的軟件體系結(jié)構(gòu)和瀏覽端的軟件體系結(jié)構(gòu)兩部分。結(jié)構(gòu)模型分別如圖2、圖 3所示[6]。

圖2 采集端軟件體系結(jié)構(gòu)

圖3 瀏覽端軟件體系結(jié)構(gòu)

從功能角度，采集端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為5個(gè)部分：(1)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警部分。原始碼流捕獲組件從代理軟卡中得到Y(jié)UV格式的視頻數(shù)據(jù)，由DirectDraw顯示組件進(jìn)行多路的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)組件從捕獲的YUV數(shù)據(jù)中，抽取Y分量，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，確定是否有異常，報(bào)警組件根據(jù)異常情況進(jìn)行報(bào)警。(2)存儲(chǔ)部分。壓縮碼流捕獲組件從代理軟卡中得到多路壓縮的復(fù)合媒體流，通過(guò)存儲(chǔ)組件存為標(biāo)準(zhǔn)格式的多媒體文件，同時(shí)向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫(xiě)相應(yīng)的文件信息。(3)回放部分，即多媒體播放部分。異步源過(guò)濾器直接打開(kāi)多媒體文件，在多媒體播放控制器的協(xié)調(diào)下，完成解碼及同步的視頻顯示和音頻播放。(4)前端設(shè)備控制功能。設(shè)備控制器接收用戶界面發(fā)出的或網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的（多用戶代理轉(zhuǎn)發(fā)的）控制命令，控制解碼器，完成對(duì)云臺(tái)、鏡頭等前端設(shè)備的控制。(5)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。完成現(xiàn)場(chǎng)多媒體數(shù)據(jù)及歷史多媒體數(shù)據(jù)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，用于支持瀏覽端的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽和記錄回放功能。其基本過(guò)程是碼流經(jīng)碼率控制部分進(jìn)行碼率調(diào)整，然后由RTP組件傳送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸啟動(dòng)之初組播控制器根據(jù)多用戶代理提供瀏覽端的組播策略來(lái)協(xié)商組播策略；傳輸過(guò)程中，RTCP組件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況并反饋給決策控制器，決策控制器控制分離器、視頻抽幀器、音頻轉(zhuǎn)移器和碼流復(fù)合器組件，完成碼流的動(dòng)態(tài)整合。

從功能的角度，瀏覽端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為4個(gè)部分：(1)前端設(shè)備控制部分。前端設(shè)備控制器接收用戶界面發(fā)出的控制命令，通過(guò)客戶端代理發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)采集端的云臺(tái)、鏡頭等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。(2)采集端回放信息檢索部分，采集端回放檢索器通過(guò)與采集端的交互，給出滿足限定條件（日期、監(jiān)控地點(diǎn)）的歷史記錄的信息。(3)網(wǎng)絡(luò)的接收與反饋部分。組播控制器根據(jù)客戶端代理給定的用戶的基本帶寬情況（局域網(wǎng)還是非局域網(wǎng)）及請(qǐng)求的任務(wù)類型（現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽還是歷史回放），確定該接收碼流是否基于組播策略接收。RTP組件完成碼流的接收，RTCP組件檢測(cè)碼流的丟包率并反饋給客戶端代理，由其反饋給采集端。(4)多媒體信息播放部分，同步源過(guò)濾器從RTP組件得到碼流，在控制器的協(xié)調(diào)下，完成解碼及同步的視頻顯示和音頻播放。

瀏覽端的ActiveX控件主要完成了視頻接收、解碼及顯示的功能，將視頻接收和解碼程序創(chuàng)建為一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過(guò)控制調(diào)用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了與采集服務(wù)器的通信以及實(shí)時(shí)視頻的顯示。

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的瀏覽、云臺(tái)鏡頭等的控制、圖像參數(shù)的設(shè)置、用戶的管理等。即插即用的設(shè)計(jì)方案靈活性強(qiáng)，所有編碼、解碼、壓縮等功能都集成在一起，可直接接入網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可利用已有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，省去了復(fù)雜的布線，降低了成本。同時(shí)提供了訪問(wèn)權(quán)限的賬號(hào)管理機(jī)制，對(duì)訪問(wèn)者采用權(quán)限校驗(yàn)方式，只有授權(quán)用戶才可對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)，為系統(tǒng)的安全提供了保障。鏡頭固定、系統(tǒng)用作安全監(jiān)視時(shí)，可輔助值班人員自動(dòng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)象并發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)象后，自動(dòng)記錄運(yùn)動(dòng)對(duì)象出現(xiàn)的時(shí)刻和當(dāng)前幀位置作為異常事件檢索的索引，自動(dòng)存儲(chǔ)并可發(fā)送給指定的服務(wù)器。

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