基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文章以3G移動通信原理為基礎(chǔ)，深入研究視頻壓縮編碼、加解密以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，完成設(shè)計3G視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。為進一步完善3G視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)方面的設(shè)計、工程應(yīng)用和現(xiàn)有產(chǎn)品優(yōu)化升級提供理論參考，以便在系統(tǒng)工程建設(shè)中有效地解決實際問題。

關(guān)鍵詞：3G網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控；加密傳輸

引言

隨著當(dāng)今科技領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，對視頻等多媒體信息的需求與日俱增，能通過視頻信息更為方便、快捷地交流與溝通，加速了視頻通信技術(shù)的發(fā)展。視頻信息的安全關(guān)系到個人隱私以及企業(yè)的商業(yè)秘密，而公用網(wǎng)絡(luò)的開放性給視頻信息安全保密性造成了威脅，視頻信息的高安全性傳輸是必須要解決的問題。

基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻加密傳輸技術(shù)綜合了視頻壓縮編碼技術(shù)、3G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻加解密技術(shù)等，是一種綜合性技術(shù)。近年來，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟穩(wěn)定地應(yīng)用，高速傳輸為無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控提供了強力支持。由于視頻壓縮處理技術(shù)在逐漸改進，壓縮比不斷提高，使視頻信號傳輸對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不斷降低，畫質(zhì)的清晰度逐步提高。視頻加解密以及網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)為系統(tǒng)安全性提供了保障，結(jié)合嵌入式、DSP以及智能圖像分析技術(shù)等在視頻監(jiān)控中的全面應(yīng)用，使監(jiān)控系統(tǒng)在視頻質(zhì)量、處理能力以及功耗等方面都得到了顯著改善。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3G視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)彌補了有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足。當(dāng)傳輸線路的有線網(wǎng)絡(luò)被切斷或者發(fā)生故障時，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸來彌補。且監(jiān)控前端能夠在移動狀態(tài)時完成監(jiān)控工作，從而對有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)難以布局的區(qū)域進行監(jiān)控。所以建立安全性、移動性較高的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，是對有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)部署的完善。

基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控前端子系統(tǒng)、后臺監(jiān)控子系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 3G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控前端子系統(tǒng)負責(zé)完成的主要工作包括：視頻采集、壓縮編碼、加密、前端存儲、3G網(wǎng)絡(luò)傳送等。視頻數(shù)據(jù)的傳輸由網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)負責(zé)，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到后臺監(jiān)控子系統(tǒng)。后端監(jiān)控子系統(tǒng)所負責(zé)任務(wù)包括：實時監(jiān)控、視頻數(shù)據(jù)的接收、解密、后端存儲、檢索、回放等。

后端監(jiān)控子系統(tǒng)被隔離成為外網(wǎng)區(qū)域、監(jiān)控區(qū)域和后處理區(qū)域三個不同安全等級區(qū)域，由兩種網(wǎng)絡(luò)單向隔離設(shè)備來完成。外網(wǎng)區(qū)設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)的接收功能，包括：下載服務(wù)器、接入網(wǎng)關(guān)以及外網(wǎng)配置終端；監(jiān)控域設(shè)備主要完成實時視頻監(jiān)控以及視頻數(shù)據(jù)下載，包括：原始數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、監(jiān)控終端以及配置服務(wù)器；后處理域設(shè)備主要負責(zé)視頻數(shù)據(jù)的解密、存儲及文件編輯處理等功能，包括：后處理數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和后處理終端。

1.2 工作流程

前端設(shè)備預(yù)先寫入密鑰再向后端傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)加密后傳輸。前端設(shè)備對監(jiān)控攝像機的視頻信號采樣，采用h.264雙碼流壓縮編碼，通過高級算法加密；一路通過3G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸數(shù)據(jù)，另一路在前端設(shè)備內(nèi)存儲數(shù)據(jù)；通過光纖將后端監(jiān)控平臺接入外網(wǎng)，從網(wǎng)絡(luò)端口接收由前端發(fā)送過來的加密數(shù)據(jù)；利用流擺渡設(shè)備將數(shù)據(jù)從外網(wǎng)擺渡到監(jiān)控平臺完成實時監(jiān)控；同時自動下載前端設(shè)備中存儲的高質(zhì)量視頻文件，可以對監(jiān)控區(qū)域的視頻文件點播下載；利用文件單向擺渡設(shè)備將加密視頻文件單向擺渡到后臺，由后處理平臺自動實時解密、格式轉(zhuǎn)換和分類存儲。用戶按照授權(quán)檢索材料、回放以及信息統(tǒng)計。

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

2.1 監(jiān)控前端模塊設(shè)計

系統(tǒng)為了解決3G網(wǎng)絡(luò)擁塞而帶來的實時視頻數(shù)據(jù)的丟失問題，因此，對加密后的視頻數(shù)據(jù)采用雙碼流輸出。其中，一路視頻數(shù)據(jù)采用的是前端設(shè)備存儲、后臺下載的方式，而另一路所采用的實現(xiàn)方式是3G傳輸模塊的實時傳輸。

網(wǎng)絡(luò)視頻的實時傳輸對實時性要求非常高。實時傳輸不僅是出現(xiàn)的時延非常小，而且最后得到的信號與初始信號的順序以及時序也必須完全相同。互聯(lián)網(wǎng)中多媒體數(shù)據(jù)流采用RTP實時傳輸協(xié)議，主要提供時間信息，以便實現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)流的同步傳輸。RTP有兩個關(guān)鍵特性：第一是RTP有一個時間戳，使得接收方可以控制回放；第二個特性便是每個分組包含一個序號，使得接收方能夠分辨出數(shù)據(jù)丟失或無序交付。RTP本身不含確保傳輸實時性與質(zhì)量的機制，而RTP以及RTCP的結(jié)合使用便可解決這一問題。RTCP協(xié)議會隨著RTP協(xié)議運行而運行。服務(wù)器利用周期性RTCP分組數(shù)據(jù)中含有的當(dāng)前已發(fā)送分組數(shù)據(jù)量和丟失分組數(shù)據(jù)的數(shù)量等信息，改變傳輸速率。因此，RTCP以及RTP結(jié)合使用，對提高實時數(shù)據(jù)的傳輸效率具有一定的作用。RTP對數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的可靠性并沒有要求，一般采用UDP傳輸。通過RTCP與UDP配合使用，使傳輸效率最優(yōu)化。

為確保數(shù)據(jù)的保密性，系統(tǒng)采用加密性能較好的非對稱加密算法，即SM2加解密。其加解密過程如下：前端設(shè)備在向后端傳輸數(shù)據(jù)之前預(yù)先寫入由后處理平臺生成的公鑰。

公鑰由后處理平臺隨機產(chǎn)生，并通過軟件導(dǎo)出，如圖2所示：

圖2 后處理平臺生成的公鑰與私鑰

把公鑰從后處理平臺取出，然后拷貝到前端設(shè)置于計算機內(nèi)。前端設(shè)備連接該計算機進行設(shè)置時，將公鑰上傳到前端設(shè)備進行保存。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后必須使用公鑰加密才能進行傳輸。用于實時傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)以及存儲在前段的以便于下載的高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)，均使用動態(tài)隨機公鑰加密。其中，前端加密時使用硬件或者軟件進行加密均可。鑒于監(jiān)控視頻的高實時性要求，因此系統(tǒng)采用集成專用加密芯片，不但保證了視頻傳輸?shù)膶崟r性，同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴：蠖私饷軙r使用私鑰解密。私鑰由后處理平臺生成，生成之后寫入USB-key中。后處理平臺操作時，需插入USB-key。為了使得監(jiān)控視頻的實時性得到保證，后端采用的解密算法為法卡解密算。數(shù)據(jù)安全性的實現(xiàn)方式為每次不同的工作任務(wù)中均生成新的公私鑰對，不使用已存在的密鑰。endprint

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計

視頻采集模塊主要由視頻A/D、同步邏輯控制、視頻數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成。邏輯產(chǎn)生單元輸出同步控制信號，為保證視頻處理的實時性，使用視頻處理專用芯片和高速DSP完成。在監(jiān)控系統(tǒng)中，通常安裝多個攝像機，視頻采集端要多個模擬視頻輸入接口同時輸入視頻信號，由視頻采集模塊完成視頻信號的多路采集，實現(xiàn)多點監(jiān)控。

視頻壓縮編碼采用最先進的H.264算法以及高性能的DSP處理器，可動態(tài)設(shè)置視頻分辨率、幀率和碼率等；采用雙碼流輸出，一路通過內(nèi)網(wǎng)傳輸至3G傳輸模塊，另一路傳輸至前端存儲設(shè)備，實現(xiàn)本地存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸分別處理。

使用3G網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)適配與傳輸功能。監(jiān)控前端子系統(tǒng)通過3G模塊與后端監(jiān)控子系統(tǒng)建立通信鏈路；后端監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送控制命令給前端3G模塊，啟動視頻傳輸；3G模塊向后端監(jiān)控子系統(tǒng)的接收模塊發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。通信過程中，后端向前端反饋網(wǎng)絡(luò)狀況，以便進行速率控制。

2.3 數(shù)據(jù)及系統(tǒng)安全設(shè)計

通過3G及IP網(wǎng)路傳輸視頻數(shù)據(jù)，為防止數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭到攻擊，要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等多層面提供多種安全機制，構(gòu)建高度安全網(wǎng)絡(luò)。

前端視頻數(shù)據(jù)加密存儲到SD卡上，采用專用的自定義格式文件系統(tǒng)。在windows上使用專用軟件才能看到SD卡文件，避免無關(guān)人員看到信息。后端監(jiān)控子系統(tǒng)被隔離成為外網(wǎng)、監(jiān)控和后處理三個區(qū)域，依靠流擺渡設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的安全性，該設(shè)備只允許外網(wǎng)數(shù)據(jù)進入監(jiān)控區(qū)域；后處理區(qū)域依靠文件擺渡設(shè)備實現(xiàn)安全性，文件擺渡設(shè)備確保前端設(shè)備上線信息以及視頻文件數(shù)據(jù)在后處理區(qū)域只進不出，保證了后處理區(qū)域中數(shù)據(jù)的絕對安全；監(jiān)控區(qū)域不保存涉密信息，視頻數(shù)據(jù)不解密，直至擺渡到后處理平臺時自動實時解密、格式轉(zhuǎn)換以及分類存儲；數(shù)據(jù)擺渡到后處理區(qū)域后自動刪除，按照安全防護的要求，主要在外網(wǎng)配置終端加裝邊界防護、入侵檢測系統(tǒng)以及各類防病毒軟件，以減少網(wǎng)絡(luò)入侵。

3 結(jié)束語

3G網(wǎng)絡(luò)視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要進一步完善，利用智能圖像分析，進行針對特定圖像的自動識別以及報警。經(jīng)過特殊授權(quán)，可采用移動后端設(shè)備實現(xiàn)后臺監(jiān)控功能，并配合語音傳輸，實現(xiàn)音視頻同步實時傳輸。采用多SIM卡綁定，多模傳輸方式同時傳輸數(shù)據(jù)，可進一步提高3G傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量。4G移動通信技術(shù)正在逐漸普遍應(yīng)用，其實施符合移動通信發(fā)展趨勢，能夠充分滿足用戶對高速數(shù)據(jù)以及多種業(yè)務(wù)的需求，將對移動視頻監(jiān)控起到較大推進作用。

參考文獻

[1]喬索.3G與移動多媒體傳輸技術(shù)的發(fā)展及其在視頻監(jiān)控的應(yīng)用[OL].慧聰安防網(wǎng)，2009.

[2]徐玉波.3G與安防技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的探索與研究[J].中國安防，2010.

[3]謝紅華，陸以勤，呂錦.基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機應(yīng)用研究，2007.

作者簡介：沈愛華（1975-），男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)監(jiān)控。endprint

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計

視頻采集模塊主要由視頻A/D、同步邏輯控制、視頻數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成。邏輯產(chǎn)生單元輸出同步控制信號，為保證視頻處理的實時性，使用視頻處理專用芯片和高速DSP完成。在監(jiān)控系統(tǒng)中，通常安裝多個攝像機，視頻采集端要多個模擬視頻輸入接口同時輸入視頻信號，由視頻采集模塊完成視頻信號的多路采集，實現(xiàn)多點監(jiān)控。

視頻壓縮編碼采用最先進的H.264算法以及高性能的DSP處理器，可動態(tài)設(shè)置視頻分辨率、幀率和碼率等；采用雙碼流輸出，一路通過內(nèi)網(wǎng)傳輸至3G傳輸模塊，另一路傳輸至前端存儲設(shè)備，實現(xiàn)本地存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸分別處理。

使用3G網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)適配與傳輸功能。監(jiān)控前端子系統(tǒng)通過3G模塊與后端監(jiān)控子系統(tǒng)建立通信鏈路；后端監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送控制命令給前端3G模塊，啟動視頻傳輸；3G模塊向后端監(jiān)控子系統(tǒng)的接收模塊發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。通信過程中，后端向前端反饋網(wǎng)絡(luò)狀況，以便進行速率控制。

2.3 數(shù)據(jù)及系統(tǒng)安全設(shè)計

通過3G及IP網(wǎng)路傳輸視頻數(shù)據(jù)，為防止數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭到攻擊，要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等多層面提供多種安全機制，構(gòu)建高度安全網(wǎng)絡(luò)。

前端視頻數(shù)據(jù)加密存儲到SD卡上，采用專用的自定義格式文件系統(tǒng)。在windows上使用專用軟件才能看到SD卡文件，避免無關(guān)人員看到信息。后端監(jiān)控子系統(tǒng)被隔離成為外網(wǎng)、監(jiān)控和后處理三個區(qū)域，依靠流擺渡設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的安全性，該設(shè)備只允許外網(wǎng)數(shù)據(jù)進入監(jiān)控區(qū)域；后處理區(qū)域依靠文件擺渡設(shè)備實現(xiàn)安全性，文件擺渡設(shè)備確保前端設(shè)備上線信息以及視頻文件數(shù)據(jù)在后處理區(qū)域只進不出，保證了后處理區(qū)域中數(shù)據(jù)的絕對安全；監(jiān)控區(qū)域不保存涉密信息，視頻數(shù)據(jù)不解密，直至擺渡到后處理平臺時自動實時解密、格式轉(zhuǎn)換以及分類存儲；數(shù)據(jù)擺渡到后處理區(qū)域后自動刪除，按照安全防護的要求，主要在外網(wǎng)配置終端加裝邊界防護、入侵檢測系統(tǒng)以及各類防病毒軟件，以減少網(wǎng)絡(luò)入侵。

3 結(jié)束語

3G網(wǎng)絡(luò)視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要進一步完善，利用智能圖像分析，進行針對特定圖像的自動識別以及報警。經(jīng)過特殊授權(quán)，可采用移動后端設(shè)備實現(xiàn)后臺監(jiān)控功能，并配合語音傳輸，實現(xiàn)音視頻同步實時傳輸。采用多SIM卡綁定，多模傳輸方式同時傳輸數(shù)據(jù)，可進一步提高3G傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量。4G移動通信技術(shù)正在逐漸普遍應(yīng)用，其實施符合移動通信發(fā)展趨勢，能夠充分滿足用戶對高速數(shù)據(jù)以及多種業(yè)務(wù)的需求，將對移動視頻監(jiān)控起到較大推進作用。

參考文獻

[1]喬索.3G與移動多媒體傳輸技術(shù)的發(fā)展及其在視頻監(jiān)控的應(yīng)用[OL].慧聰安防網(wǎng)，2009.

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[3]謝紅華，陸以勤，呂錦.基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機應(yīng)用研究，2007.

作者簡介：沈愛華（1975-），男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)監(jiān)控。endprint

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計

視頻采集模塊主要由視頻A/D、同步邏輯控制、視頻數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成。邏輯產(chǎn)生單元輸出同步控制信號，為保證視頻處理的實時性，使用視頻處理專用芯片和高速DSP完成。在監(jiān)控系統(tǒng)中，通常安裝多個攝像機，視頻采集端要多個模擬視頻輸入接口同時輸入視頻信號，由視頻采集模塊完成視頻信號的多路采集，實現(xiàn)多點監(jiān)控。

視頻壓縮編碼采用最先進的H.264算法以及高性能的DSP處理器，可動態(tài)設(shè)置視頻分辨率、幀率和碼率等；采用雙碼流輸出，一路通過內(nèi)網(wǎng)傳輸至3G傳輸模塊，另一路傳輸至前端存儲設(shè)備，實現(xiàn)本地存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸分別處理。

使用3G網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)適配與傳輸功能。監(jiān)控前端子系統(tǒng)通過3G模塊與后端監(jiān)控子系統(tǒng)建立通信鏈路；后端監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送控制命令給前端3G模塊，啟動視頻傳輸；3G模塊向后端監(jiān)控子系統(tǒng)的接收模塊發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。通信過程中，后端向前端反饋網(wǎng)絡(luò)狀況，以便進行速率控制。

2.3 數(shù)據(jù)及系統(tǒng)安全設(shè)計

通過3G及IP網(wǎng)路傳輸視頻數(shù)據(jù)，為防止數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭到攻擊，要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等多層面提供多種安全機制，構(gòu)建高度安全網(wǎng)絡(luò)。

前端視頻數(shù)據(jù)加密存儲到SD卡上，采用專用的自定義格式文件系統(tǒng)。在windows上使用專用軟件才能看到SD卡文件，避免無關(guān)人員看到信息。后端監(jiān)控子系統(tǒng)被隔離成為外網(wǎng)、監(jiān)控和后處理三個區(qū)域，依靠流擺渡設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的安全性，該設(shè)備只允許外網(wǎng)數(shù)據(jù)進入監(jiān)控區(qū)域；后處理區(qū)域依靠文件擺渡設(shè)備實現(xiàn)安全性，文件擺渡設(shè)備確保前端設(shè)備上線信息以及視頻文件數(shù)據(jù)在后處理區(qū)域只進不出，保證了后處理區(qū)域中數(shù)據(jù)的絕對安全；監(jiān)控區(qū)域不保存涉密信息，視頻數(shù)據(jù)不解密，直至擺渡到后處理平臺時自動實時解密、格式轉(zhuǎn)換以及分類存儲；數(shù)據(jù)擺渡到后處理區(qū)域后自動刪除，按照安全防護的要求，主要在外網(wǎng)配置終端加裝邊界防護、入侵檢測系統(tǒng)以及各類防病毒軟件，以減少網(wǎng)絡(luò)入侵。

3 結(jié)束語

3G網(wǎng)絡(luò)視頻加密監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要進一步完善，利用智能圖像分析，進行針對特定圖像的自動識別以及報警。經(jīng)過特殊授權(quán)，可采用移動后端設(shè)備實現(xiàn)后臺監(jiān)控功能，并配合語音傳輸，實現(xiàn)音視頻同步實時傳輸。采用多SIM卡綁定，多模傳輸方式同時傳輸數(shù)據(jù)，可進一步提高3G傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量。4G移動通信技術(shù)正在逐漸普遍應(yīng)用，其實施符合移動通信發(fā)展趨勢，能夠充分滿足用戶對高速數(shù)據(jù)以及多種業(yè)務(wù)的需求，將對移動視頻監(jiān)控起到較大推進作用。

參考文獻

[1]喬索.3G與移動多媒體傳輸技術(shù)的發(fā)展及其在視頻監(jiān)控的應(yīng)用[OL].慧聰安防網(wǎng)，2009.

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作者簡介：沈愛華（1975-），男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)監(jiān)控。endprint