異構視頻監控系統媒體資源共享與發現機制研究

張闖++張海濤++李文生

摘要：本文主要探討了異構互連視頻監控系統中視頻媒體的共享與定位問題。根據視頻媒體傳輸時大容量、時間長、高速度等特點，提出了一種多級的監控視頻媒體共享與定位方法，該方法從媒體資源的描述、媒體資源的發布、媒體資源的定位三個方面進行研究，主要解決視頻監控系統中視頻文件和視頻流的共享與定位問題，利用P2P相關技術設計原理，制定了通用的監控媒體資源描述規范和多級監控媒體資源搜索算法，以滿足多級互連視頻監控網中視頻資源快速高效的定位需求。

關鍵詞：視頻監控；視頻監控系統互連；P2P；視頻資源共享；媒體資源發現

中圖分類號：TP311.52

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.004

本文著錄格式：張闖，張海濤，李文生.異構視頻監控系統媒體資源共享與發現機制研究[J].軟件，2015，36（12）：16-21

0 引言

隨著技術的進步和科技的發展，現代生活中智能視頻監控系統得到了廣泛的應用，然而現有的視頻監控系統互相獨立，資源和數據無法共享，也無法保證視頻采集設備的兼容性，所以視頻安防監控系統大聯網以及不同監控設備兼容接入的需要成為視頻監控系統新的發展趨勢。隨著接入的監控設備越來越多，如何保證跨區域、跨等級視頻監控網絡中媒體資源的共享與定位是一個急需解決的問題，因此本文主要從視頻媒體資源描述、視頻媒體資源發布和視頻媒體資源發現這三方面進行研究。

視頻媒體資源描述方面，通常采用監控視頻媒體資源的元數據，主要是用來描述視頻媒體資源的語義化信息，以供計算機進行識別。傳統的視頻媒體描述信息可以分為兩部分，即上下文（context）描述信息和內容（content）描述信息，即只包含了視頻時長、專輯名稱、視頻格式等信息，但是在視頻監控系統中，還需要視頻媒體資源的位置信息、時間信息、視頻類型（視頻文件和視頻流媒體）等，這就需要設計一套符合視頻監控系統的視頻媒體資源信息描述方法，以滿足大規模下監控視頻媒體的共享與發現需求。

視頻媒體資源發布方面，最簡單的解決辦法是為每個申請者建立一條發送視頻流的鏈接，這就是傳統的C/S（Client/Server）結構，傳統的監控視頻媒體發布，是單節點的視頻媒體發布，這樣在大聯網的異構視頻監控系統下很難滿足大量的請求需求，而且很容易造成局部網絡擁堵，從而影響整個監控系統的工作性能，同時在單節點下很難保證數據的安全性和可靠性，本文將重點討論研究和設計異構視頻監控系統媒體資源共享的發布機制。

視頻媒體資源定位方面，視頻監控系統下媒體資源的定位是視頻媒體數據轉發的重要保證，只有保證了視頻媒體資源的正確高效的定位，才能開始視頻媒體的傳輸。傳統的監控視頻媒體資源定位，主要依據網絡攝像頭IP地址和視頻媒體文件的元信息，而且規模只能限定小范圍的區域，而且沒有考慮到定位資源可存在于多個視頻監控節點中，就目前監控視頻區域大聯網的趨勢下，傳統的方法很難保證查找的效率和準確性。本文將利用P2P相關的資源定位技術，研究視頻監控系統大聯網情況下，視頻媒體資源定位問題。

l 相關工作

隨著GB/T28181-2011《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》標準規范的出版發行，安全防范視頻監控聯網系統有了一套標準的規范，提出了基于SIP協議的信令網關互聯的視頻監控系統，同時該標準規定了網關節點級聯結構和對等節點互聯結構，同時該標準比較清晰地定義了互聯的通信模型、媒體傳輸的數據格式。對大型視頻監控系統建設，尤其是安防聯網的系統建設給出了明確的、可實施的技術標準，開啟了解決系統互聯的一扇門。當然該方案依然沒有很好地解決視頻媒體資源共享問題，這樣很容易造成單節點失效和視頻媒體轉發過于集中。為了解決上述出現的問題進行了廣泛研究，孫志華中提出了一種網格環境中基于P2P（Peer to Peer）的資源共享方案，將互聯網絡劃分成網格網絡結構。呂曉鵬等中提出了采用層次化DHT（Distributed Hash Table）體系結構，利用雙棧節點構建上層的DHT覆蓋網實現ALG（Application Layer Gateway）功能。在視頻流轉發方面，Kcogh E.提出了一種利用緩存代理服務器來減少對主干帶寬資源的消耗，從而改善流應用的擴展性。然而這些都不是在視頻監控系統上的應用，本文基于呂曉鵬等的設計方法，提出了一種視頻監控網通用型的共享機制，以解決視頻監控系統中流媒體和視頻文件的共享與發現問題。

在現有的視頻監控系統中，尤其在視頻監控系統大組網的情況下，如果有大量視頻媒體資源請求某一個節點的，勢必造成局部網絡的擁堵和節點的失效，而如果將P2P相關技術引入到視頻監控系統，就可以避免這一種情況的發生，同時由于視頻媒體資源分散不同節點，以提高了媒體資源的可靠性，本文正是結合了P2P技術的去中心化、易擴展、健壯性、高性能/價格比的特點，進行了基于P2P的監控系統媒體資源共享與發現機制研究。

2 異構視頻監控系統網關互聯模型分析

根據GB/T28181-2011《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》的標準規范，兩個信令安全網關的聯網可分為了級聯的方式和對等的方式，這里我們主要參考監控區域網關互聯的網絡結構方式，給出了聯網結構圖，如圖1為多級視頻監控系統網關的互連結構圖。

由圖1可以看出同級的監控區域網關可以相互連通，上級網關節點管理多個下級網關節點，例如二級監控區域中的網關節點屬于一級監控區域某個網關節點管理，而在同級的監控區域視頻監控系統網關節點的聯網結構是一種對等的網絡結構，這種結構沒有等級之分，是組成視頻監控系統媒體資源共享的最小單位。如果把同級別的監控區域看作一個節點，將構成的是星型結構的網絡拓撲圖，而但每一個監控區域節點之間的網絡結構可以看作是一個全連通圖網絡拓撲結構，當然考慮到某些節點的路阻問題，某些節點是可能不具有連通性的，但監控視頻網絡拓撲圖主體結構與該模型類似，本文的研究內容主要在該系統互連模型的基礎上進行相關研究。

3 媒體資源共享機制設計

監控視頻媒體資源的共享機制主要包含兩方面的內容，一方面是媒體資源的描述問題，即如何描述監控系統產生的媒體資源信息，定義媒體資源描述標準的通用格式，并生成相應的信息描述文件，以便其他聯網節點發現與識別；另一方面是媒體資源的發布，既是媒體資源的注冊到視頻監控系統中，使其他節點能夠檢索到媒體資源信息，該章節主要針對這兩方面的問題進行討論研究。

3.1 監控媒體資源分析

按種類劃分，監控視頻媒體資源可以分為：監控視頻媒體文件和實時流媒體文件、點播流媒體文件。對于點播流媒體文件可以將存儲到節點的視頻媒體文件以流媒體的形式轉發出來，所以監控視頻媒體文件與點播流媒體文件可以看作同一種共享媒體資源，只是請求的發送方式不同。而對實時流媒體文件是從監控設備（一般是攝像頭）上實時轉發的流媒體數據，以供客戶端實時查看。綜合以上分析結果，實際的監控媒體資源可分為兩種：監控視頻媒體文件和實時流媒體文件，這兩種文件的請求和傳輸等操作都是依賴于他們的描述文件作為驅動。

3.2 監控系統媒體資源描述

媒體資源描述主要目的是能夠使計算機能夠發現和識別媒體資源，它是分布式資源共享的基礎，本小節研究主要內容是制定標準化通用的視頻監控系統中媒體資源信息描述格式，并給出了相關的示例。由上一小節分析可知，媒體資源的描述主要分為兩類媒體資源的描述，監控視頻媒體文件資源的描述和實時流媒體文件的描述，而XML（Extensible Markup Language）作為一種元語言，它在Web數據交換、元數據標引等方面的應用最為廣泛，因此本文采用XML作為共享資源的元標記語言。對兩者分別進行描述如下示例：

3.2.1 監控視頻文件描述

上述的資源描述根節點為source，同時type屬性規定了source的類型（視頻文件/視頻流），id為該資源的標識號，該id主要保證了單個監控區域內媒體資源的唯一。在source節點內，監控視頻描述格式比實時流文件的描述格式多了一個時間元素，其中start標識開始時間，該時間為一個long型的時間戳，length表不該視頻媒體文件持續時間；producter用來表示監控視頻采集設備的信息，gateway表示產生該視頻媒體資源的監控區域網關。

3.3 監控系統媒體資源發布機制

3.3.1 多級化的Chord索引結構

本章節研究的主要內容是視頻媒體資源文件索引機制，該索引機制是在對等網絡情況下節點的索引機制，本文采用基于Chord協議的DHT索引機制，實際上Chord協議僅支持一種操作，既把一個給定的key映射到一個計算節點上，Chord使用了一致性hash算法（consistent hashing）的變體，這種算法的好處是可以把Chord網絡中的節點關聯到特定而唯一的key上，通過key值在In（n）的查找時間內即可找到所要定位的節點。然而由于視頻監控系統的聯網結構具有級聯網絡結構，上級節點分布的資源要比下級節點分布的資源多，容易產生上級節點的索引數據的聚集效應，造成節點定位的傾斜，本文基于視頻監控網多級結構的提出了多級化的chord索引方法，既把同級的網關節點看作點對點的對等網絡結構，并且在每一個級別上組建一個的基于Chord協議的DHT視頻媒體資源描述文件索引，使的每一級的DHT索引只負責本級網絡視頻監控網關節點媒體資源信息索引的存儲，這里可以參照圖2多級視頻監控網DHT結構示意圖所示。

在環中的每個節點記錄的數據主要是監控系統中媒體資源索引數據，其中具體的單條數據格式為KEY：SET（N1， N2， N3...），KEY=shal（id+uuid），其中shal（Secure Hash Algorithm）為安全哈希算法函數，用來計算KEY值，id和uuid分別為監控媒體資源描述中source元素的id值和producter元素的uuid，同時KEY值也是定位存儲了待檢索媒體文件節點的KEY值，通過KEY檢索出的數據，存儲的是若干網關節點，這些網關節點共享了同一個視頻媒體資源，既SET中Nl、N2和N3等表示的是發布該條媒體資源所在節點，為避免出現共享節點重復這里需要使用SET存儲結構。

3.3.2 監控視頻文件的發布

監控視頻媒體文件的發布的過程，既是監控區域網關節點將其所擁有的監控視頻媒體文件信息注冊到該節點所屬的chord文件索引中，該視頻文件可以是所在網關節點新產生的視頻文件，也可以是從其他網關節點拷貝過來的視頻文件。對于新產生的視頻文件，該文件所屬的視頻監控節點將為之生成監控視頻描述文件（具體的描述格式可以參考3.2小節），并根據上述索引數據存儲規則，將相關的信息寫入到chord索引中，而對于拷貝過來的視頻媒體文件，該節點需要將該視頻媒體文件的描述文件拷貝過來，并依據規則將描述文件提供的信息寫入到chord索引中，這樣就構成了共享的媒體資源索引，也同時完成了監控視頻媒體文件的發布。

3.3.3 監控視頻流的發布

由于監控視頻流是一種實時的流媒體，所以不適合保存，只需將監控視頻流媒體的描述文件發布到Chord索引中，當有請求讀取某個視頻流描述文件的視頻流時，就可以根據監控視頻流媒體的描述文件提供的信息，進行請求和轉發。為了避免大規模集中的視頻流請求，可能需要將監控視頻流描述文件發送到其他監控網關節點上，這樣其他網關節點就拷貝并共享地發布了原始視頻流描述文件，這里可以將其他網關節點為視頻流轉發的代理節點，這樣將解決了單節點無法滿足大量集中的實時視頻流請求，可參考圖3視頻流轉發示意圖，可以看出代理節點向原始節點請求視頻流媒體數據并轉發視頻流媒體數據給請求節點，這樣就大大緩解了原始監控網關節點分發視頻流媒體數據的數量。

為了更好地描述媒體資源的發布流程，可參考發布流程核心算法：

4 視頻監控媒體資源的發現

視頻監控媒體資源的發現過程，重要分為兩個過程，第一個過程是視頻監控節點的定位，即視頻監控區域網關；第二個過程根據節點提供的媒體資源描述信息查找共享節點并請求轉發媒體資源。

第一個過程，視頻監控網關節點的定位，定位視頻監控區域網關節點的方法為逐級向上查詢，這里可以參照圖4多級樹型網絡拓撲圖，Ni表示的是上級節點管轄的網絡區域，有圖4可以得出，最底層葉子結點只負責所在區域的監控媒體資源的采集和記錄，而其上級主要作用為管理若干其下屬節點，當然上級節點所管轄的監控區域范圍也隨之增加，所以對于視頻流源節點的定位，可以逐級向上查詢，例如N5區域內監控網關節點的查詢需上報N₂區域公共上級節點進行查詢，N₅與N₆區域之間節點的查詢需要上報到N₁區域進行查詢，由此可以給出相關查詢定位的步驟：

Stepl：有查詢需求的節點生成查詢信息并附帶自己的網關信息，發送到上級節點。

Step2：上級節點收到查詢信息開始檢索數據，如果找到返回要查詢節點的網關信息給請求節點，如果沒有查詢到則返回null信息并附帶其上級節點網關。

Step3：查詢節點根據上級查詢結果，如果有查詢結果結束查詢，如果沒有查詢結果轉到Stepl。

第二個過程，查詢節點獲取到視頻監控節點信息以后，就可以獲取該節點已發布的媒體資源描述文件，根據媒體描述文件信息，然后逐級查詢Chord環型索引，獲取共享該媒體資源的節點網關，該查詢過程的核心算法如下：

由上述代碼可以看出，共享媒體資源節點的定位實際上是檢索不同級的Chord環索引，然后查詢節點根據獲取的共享節點網關信息決定如何獲取媒體資源。

5 系統驗證實驗

為了驗證本文所設計的視頻監控系統的共享與發現的方案的可行性，采用了模擬的方式進行了相關的實驗驗證工作，驗證所使用的工具，一臺臺式電腦，cpu為intel core i3，內存大小4G，所采用的軟件為java語言開發的open chord庫和eclipse編輯器.模擬過程中主要驗證如下兩個個方面：共享媒體資源節點發現的驗證；共享媒體資源定位所用時間的對比。

對于共享媒體資源節點的發現驗證主要按照系統的級聯結構圖，模擬的多級chord索引結構，并在此基礎上進行查詢工作，其中一級由100節點組成，二級由1000個節點組成，三級由10000個節點組成：運行結果如圖5媒體資源查找結果：

由上述的模擬結果可以看出，需要查詢的資源為test，查詢的結果為第三級找到了共享test媒體資源的五個節點，在第二級找到了共享test媒體資源的兩個節點，第一節點沒有找到相關的信息，符合實驗之初的預設。

對于共享媒體資源定位所用時間的驗證，主要采用Mysql數據模擬集中式查詢、Flooding算法進行洪泛查詢和多級Chord索引方法查詢。由上圖6可以看出，基于Chord算法的查找時間浮動很小，而是采用Flooding算法和基于數據庫的Mysql集中式查詢時間浮動很大，其中當視頻媒體資源數大于100萬以后，采用Mysql的方式進行查詢效率明顯下降，而采用Flooding算法進行查詢時間變化幅度沒有Mysql的幅度大，但是也遠遠高于Chord算法。由此可知，采用Chord算法比較適合視頻監控系統的媒體資源查詢工作。

6 結束語

本文主要研究了視頻監控系統的資源共享與發現的問題，其中監控媒體資源共享主要分為兩個方面的內容：一方面為媒體資源的信息描述，因為監控系統中媒體資源的分發，點播，直播等操作依賴于媒體資源的描述文件，也可以認為媒體資源的描述信息驅動著相關的操作；另一方面為媒體資源的發布，本文主要考慮到視頻監控系統大聯網的趨勢下，單個節點很難滿足大規模集中式視頻媒體請求，而將基于P2P技術的分布式共享，負載均衡方法引入到視頻監控系統，該問題就會得到很好的解決，根據相關參考文獻采用了基于Chord算法的DHT索引結構，并在此基礎上提出了多級Chord索引的改進方案，使之很好的滿足了大規模的視頻監控系統的需求。而視頻媒體資源的發現主要分兩個階段：第一階段是查找視頻媒體資源的源節點，該階段主要是按照視頻監控系統的分級結構進行逐層向上查詢知道找到視頻監控節點網關；第二階段是基于Chord算法的視頻媒體共享資源的查詢，由于文件的查詢主要依賴于媒體資源描述文件進行驅動，結合了攝像頭的UUID和媒體資源的特定的ID號逐級進行檢索共享媒體資源的節點，以達到發現大聯網結構下視頻監控系統媒體資源。