基于圖像分塊壓縮技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

何樹有

(91550部隊(duì)指控中心　大連　116023 )

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基于圖像分塊壓縮技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

何樹有

(91550部隊(duì)指控中心大連116023 )

摘要隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控在局域網(wǎng)管理，網(wǎng)絡(luò)安全，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。在對(duì)前輩學(xué)者提出的屏幕捕獲、圖像數(shù)據(jù)傳輸及解壓縮方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，論文提出了一種基于圖像分塊壓縮技術(shù)的方法，該方法首先將捕獲的屏幕位圖進(jìn)行均勻分塊，只傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生變化的圖像小塊，使得監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，并大大降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用率。同時(shí)為獲得良好的用戶體驗(yàn)使用無損壓縮的霍夫曼編碼方法，進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量。并且根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)軟硬件的控制。

關(guān)鍵詞圖像分塊技術(shù); 霍夫曼編碼; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 實(shí)時(shí)性

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1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推陳出新，遠(yuǎn)程監(jiān)控在實(shí)際生產(chǎn)和生活中存在著廣泛的應(yīng)用，如公司企業(yè)對(duì)員工工作情況的考察，網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)等。根據(jù)應(yīng)用的不同對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)信號(hào)的監(jiān)控手段越來越多，但很大一部分應(yīng)用程序都只是針對(duì)特定的任務(wù)或需求而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，本文提出了一種通過運(yùn)用圖像分塊和壓縮編碼技術(shù)的方法對(duì)計(jì)算機(jī)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)計(jì)算機(jī)畫面實(shí)時(shí)處理，使監(jiān)視畫面無論在畫面質(zhì)量還是在實(shí)時(shí)性都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并且這種方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域都有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)信號(hào)監(jiān)視與控制中，對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的控制分為硬件和軟件控制兩種，硬件控制包括諸如啟動(dòng)、重啟、關(guān)機(jī)等操作，軟件控制包括內(nèi)存資源監(jiān)視、系統(tǒng)進(jìn)程控制、鍵盤記錄等。這些軟硬件操作技術(shù)目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，但由于拷貝屏幕圖像文件較大，文件傳輸中占用網(wǎng)絡(luò)帶寬多，大部分的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)均采用定時(shí)發(fā)送屏幕圖像的方式對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，這對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)比如軍事、工業(yè)等等方面存在致命的缺陷，本文就是針對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控中的圖像壓縮傳輸提出一種新的方法，并將其應(yīng)用到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，取得了良好的效果。

實(shí)際應(yīng)用中，屏幕捕捉及畫面的壓縮運(yùn)算將大量地占用被監(jiān)控主機(jī)的系統(tǒng)資源，而傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)也會(huì)嚴(yán)重消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，在網(wǎng)絡(luò)繁忙的情況下，無法保證傳輸質(zhì)量[1]。對(duì)遠(yuǎn)程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)來說這是兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題，本文就這兩個(gè)方面分別給出了相應(yīng)的解決方案。

2相關(guān)工作

文獻(xiàn)[1]對(duì)捕捉屏幕圖像的DC(Device Context)和DirectX方法進(jìn)行了比較，得出DirectX方法在速度方面明顯優(yōu)于DC方法，考慮到系統(tǒng)的兼容性及DirectX的版本問題，所以本文采用第二種方法。安昌華[2]在其碩士論文中對(duì)遠(yuǎn)程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在圖像分塊和圖像壓縮方面提出了自己的見解，但是該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)不能對(duì)播放的視頻文件進(jìn)行監(jiān)控。

在文獻(xiàn)[3]中王宇濤提出了一種采用改進(jìn)的行程編碼法(RLE)和字典編碼法(LZ77)對(duì)具有較大冗余信息的圖像進(jìn)行壓縮的復(fù)合算法，在壓縮率和解壓縮速度方面得到了提高。文獻(xiàn)[4～8]使用Winsock技術(shù)實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)中對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，屏幕鎖定等。張錦華等[8]在其論文中提出，在屏幕DC方法的基礎(chǔ)上利用內(nèi)存映射文件技術(shù)在處理大數(shù)據(jù)量文件上的優(yōu)勢(shì)，提高屏幕圖像采集效率;采用顏色量化技術(shù)降低視頻圖像顏色數(shù)據(jù)量，獲得了較好的顯示效果。Java中的Robot類用于截取屏幕和記錄鍵盤等信息更加方便和快捷，文獻(xiàn)[9～10]采用的就是這種方法。

3總體設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)是指應(yīng)用程序內(nèi)部各組件間的組織方式，目前現(xiàn)有的屏幕監(jiān)視系統(tǒng)采用的架構(gòu)包括瀏覽器/服務(wù)器模式(Browse/Server，B/S)和客戶端/服務(wù)器模式(Client/Server，C/S)兩種結(jié)構(gòu)，因系統(tǒng)中客戶端程序需要實(shí)時(shí)對(duì)服務(wù)器端計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，所以本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)包括三部分，分別為服務(wù)器端、客戶端和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端目標(biāo)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)視，將屏幕截圖分割壓縮后發(fā)送到客戶端，客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解壓數(shù)據(jù)后，將圖像還原顯示在監(jiān)視器上，客戶端將控制指令發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于將客戶端所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，用于事后察看。

圖1　屏幕監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)編程語言采用C#語言，C#語言是一種最新的，面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它的高效、簡(jiǎn)潔，易用及其強(qiáng)大功能使之成為開發(fā)Windows應(yīng)用程序的首選[11]。

在數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇上，同視頻圖像傳輸一樣，計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面的時(shí)間連續(xù)性要求實(shí)時(shí)傳輸及高帶寬，同時(shí)又允許傳輸中存在一定的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率以及數(shù)據(jù)丟失率，UDP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)與重傳，提高傳輸速率，具有高效快速的特點(diǎn)[12]，因此本系統(tǒng)使用UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

為了降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率，系統(tǒng)根據(jù)客戶端顯示監(jiān)視畫面數(shù)量的不同，相應(yīng)服務(wù)器端在捕捉畫面后先降低位圖分辨率，再進(jìn)行圖像分塊壓縮處理后進(jìn)行位圖數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制流程圖

4系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

在對(duì)該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行需求分析時(shí)，針對(duì)屏幕監(jiān)控的實(shí)時(shí)性需求，明確屏幕監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

1) 監(jiān)視遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的當(dāng)前屏幕內(nèi)容;

2) 監(jiān)視及查看遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源;

3) 打開、關(guān)閉或運(yùn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的文件、目錄或程序；

4) 任意操作遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的周邊設(shè)備，比如打印機(jī)、攝像頭等;

5) 上傳或下載遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的文件、目錄;

6) 查看、終止遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的程序進(jìn)程;

7) 記錄遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件和鍵盤事件;

8) 任意修改遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)Windows注冊(cè)表;

9) 開啟、終止或暫停遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的服務(wù);

10) 啟動(dòng)、關(guān)閉、重啟遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。

5關(guān)鍵技術(shù)分析

隨著計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的大力發(fā)展，計(jì)算機(jī)顯示畫面的分辨率越來越高，而屏幕監(jiān)控關(guān)鍵在于需要將服務(wù)器端計(jì)算機(jī)顯示畫面實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器上，便于監(jiān)視人員管理和控制，一副標(biāo)準(zhǔn)Windows桌面的捕捉畫面，分辨率為1920*1080時(shí)，以壓縮比較高的JPEG格式為例，占用空間都已達(dá)到了2.24MB，更不用說其他的PNG，TIFF等圖像格式，如果不對(duì)屏幕圖像進(jìn)行壓縮直接進(jìn)行傳送，大量的字節(jié)流將會(huì)占用帶寬，降低監(jiān)視畫面質(zhì)量，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)癱瘓。在對(duì)目前主流的圖片格式PNG、JPEG、BMP等進(jìn)行分析后(見表1)，相同畫面下JPEG格式因?yàn)槭怯袚p壓縮的方式位圖大小最小，但是也達(dá)到了180KB左右，因此若使監(jiān)控畫面達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，還要圖像分塊技術(shù)及壓縮編解碼方面進(jìn)行研究。

5.1圖像分塊技術(shù)

本屏幕監(jiān)控系統(tǒng)所提到位圖分塊技術(shù)與傳統(tǒng)意義上圖像分割技術(shù)概念是不一樣的。傳統(tǒng)意義中的圖像分割，指的是將圖像劃分為與其中含有的真實(shí)世界的物體或區(qū)域有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的組成成分[13]，而本系統(tǒng)的圖像分塊技術(shù)指的是，將整個(gè)屏幕均勻分成若干個(gè)小塊，也就是進(jìn)行矩形劃分。為什么要在本系統(tǒng)開發(fā)中使用分塊技術(shù)呢？這是基于減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量，優(yōu)化系統(tǒng)性能，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的出發(fā)的。因?yàn)樵诒O(jiān)控端向客戶端發(fā)送的整個(gè)屏幕信息的過程中，相鄰幾次發(fā)送的屏幕信息中，有大部分信息是相同的，這樣就沒有必要每次都發(fā)送整個(gè)屏幕的信息。采用的方案就是將整個(gè)屏幕均勻的劃分成若干個(gè)小塊，本項(xiàng)目采用9*9格式，把原來一塊屏幕分成了81 塊，每次進(jìn)傳輸前，都先比較此次要傳輸?shù)钠聊恍畔⒅校心男┬》謮K與上次傳輸?shù)男》謮K是基本相同的，這樣每次就只用傳輸發(fā)生了較大變化的小分塊的圖像的數(shù)據(jù)信息，大大減少了網(wǎng)絡(luò)的傳輸量[2]。在對(duì)小分塊位圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)可以采用兩種方法：一是直接比較法，對(duì)前后兩小塊位圖數(shù)據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行比較；二是CRC比較，保存前一幅圖像的CRC值，通過判斷兩幅圖像的CRC值判斷圖像是否發(fā)生變化[1]。經(jīng)比較直接比較方法在時(shí)間和CPU占用率上均優(yōu)于CRC方法，因此本監(jiān)控系統(tǒng)采用直接比較法。

表1　各種截圖格式對(duì)比(1920*1080)

5.2圖像壓縮技術(shù)

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)來說，如果直接將位圖數(shù)字化，其數(shù)據(jù)量非常驚人，會(huì)給傳輸帶來了很多不便，舉例來說，一副圖像180K，若要達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，每秒需傳送24副位圖圖像，假設(shè)系統(tǒng)可監(jiān)視20臺(tái)計(jì)算機(jī)，那么在一秒鐘網(wǎng)絡(luò)中流量為180K*24*10，接近84.375MB，無論是對(duì)監(jiān)控端計(jì)算機(jī)還是對(duì)網(wǎng)絡(luò)來說都有相當(dāng)大的壓力，如果不采取措施，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，甚至癱瘓。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用了圖像壓縮技術(shù)。從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去掉確定的信息(可推知的) ，也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。

圖像壓縮根據(jù)其對(duì)原始圖像信息的處理方式可以分為有損壓縮和無損壓縮。為達(dá)到良好的監(jiān)控顯示效果，本系統(tǒng)采用無損壓縮霍夫曼方法，其基本原理是將頻繁使用的數(shù)據(jù)用較短的代碼代替，較少使用的代碼用較長的代碼代替，每個(gè)數(shù)據(jù)的代碼各不相同[2]。經(jīng)過霍夫曼編碼壓縮后能夠有效地減少圖像塊字節(jié)流大小。

5.3其他技術(shù)

1) 遠(yuǎn)程喚醒功能

本監(jiān)控系統(tǒng)中，客戶端軟件通過服務(wù)器端軟件自動(dòng)對(duì)接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡Mac地址進(jìn)行收集，通過遠(yuǎn)程發(fā)送Magic Pack進(jìn)行遠(yuǎn)程開機(jī)操作，這一功能實(shí)現(xiàn)需要服務(wù)器端計(jì)算機(jī)主板支持遠(yuǎn)程喚醒功能。Magic Pack中格式為12個(gè)連續(xù)16進(jìn)制F加上16個(gè)連續(xù)的48位MAC地址。

2) 重啟與關(guān)機(jī)操作

在客戶端發(fā)送操作指令，服務(wù)器端在收到操作指令后，調(diào)用“shutdown.exe”和“reboot.exe”實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)和重啟操作。

3) 獲取進(jìn)程信息

服務(wù)器端首先創(chuàng)建系統(tǒng)快照，之后枚舉服務(wù)器端進(jìn)程信息，將進(jìn)程名稱及其相關(guān)信息編碼后發(fā)送至客戶端供用戶查看。

6系統(tǒng)測(cè)試及問題分析

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，屏幕監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)采用客戶監(jiān)控端計(jì)算機(jī)一臺(tái)，服務(wù)器端十六臺(tái)，數(shù)據(jù)備份計(jì)算機(jī)一臺(tái)的方式，系統(tǒng)軟硬件環(huán)境為如表2所示。

表2　屏幕監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境表

系統(tǒng)測(cè)試從監(jiān)視畫面數(shù)量入手，分別對(duì)畫面質(zhì)量、流暢度和網(wǎng)絡(luò)流量三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)測(cè)，如表3所示。

如表3所示，在客戶端同時(shí)監(jiān)控8臺(tái)以上計(jì)算機(jī)時(shí)，監(jiān)視畫面就不夠清晰，不能分辨服務(wù)器端某些操作，并且存在丟幀現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)流量在經(jīng)過編碼壓縮后十六畫面同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量為31.5MB/s，對(duì)現(xiàn)如今流行百兆千兆網(wǎng)來說，還是可以接受的。測(cè)試中，服務(wù)器端進(jìn)行鼠標(biāo)操作時(shí)，右鍵菜單畫面并沒有被捕獲下來，導(dǎo)致服務(wù)器端某些操作并沒有被記錄下來。經(jīng)分析認(rèn)為在使用DC進(jìn)行屏幕捕捉時(shí)，右鍵菜單并不屬于屏幕畫面，這一缺點(diǎn)有待改進(jìn)。

表3　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

7結(jié)語

該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)視畫面的不同，利用圖像分塊壓縮技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)畫面的實(shí)時(shí)監(jiān)視，同時(shí)運(yùn)用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)、重啟和關(guān)機(jī)等硬件操作，完成了對(duì)系統(tǒng)資源監(jiān)視、進(jìn)程控制、軟件啟動(dòng)、記錄鍵盤操作等系統(tǒng)軟件操作，最后給出了系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。本文提出的針對(duì)屏幕監(jiān)視圖像的高效傳輸方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠(yuǎn)程教學(xué)、局域網(wǎng)管理等方面有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月1日

作者簡(jiǎn)介：何樹有，男，工程師，研究方向：地理信息、圖像處理。

中圖分類號(hào)TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.025

Design and Realization of Remote Monitoring System Based on Image Block Compression Technology

HE Shuyou

(Command Center, No.91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractWith the continuous development of network technology, the remote monitoring of computer signals has a wide range of applications in the management of LAN, network security, network education. On the basis of the screen capture, image data transmission and compression method proposed by senior scholars, a method is proposed based on image block and compression technology. In this method, the captured screen bitmap uniform block only transport data on the occurrence of changes in the image block, making real-time monitor screen are further enhanced, and greatly reduce the occupancy rate of network bandwidth. At the same time, a good user experience is obtained using the lossless compression of the Hoffman encoding method, to further reduce the amount of network data. And the control of remote computer hardware and software is realized according to the need.

Key Wordsimage block technique, Huffman coding, remote monitoring, real-time