流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉宇健

（成都焱之陽科技有限公司 四川省成都市 610000）

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種擁有十分強大防御能力的安全預防系統(tǒng)，因其集成計算機、網(wǎng)絡以及通信技術(shù)，具備良好的綜合性與包容性，故被廣泛應用于社會各個行業(yè)。隨著寬帶網(wǎng)絡越來越普及，網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)勢必成為人類未來生活的主流。而以流媒體技術(shù)為基礎的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷成熟與發(fā)展，將嵌入式處理器和操作系統(tǒng)作為依據(jù)，集視頻采集、視頻壓縮與視頻集成為一體，通過計算機網(wǎng)絡實時展示整個視頻情況。此外視頻監(jiān)控系統(tǒng)借助嵌入式流媒攝像機，不但能夠大大提高系統(tǒng)敏銳度，降低了網(wǎng)絡負擔，還可以增強視頻傳輸?shù)膶崟r性，解決了過去人工值班的缺陷。本文的主要任務是全方位分析流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計原理。

1 流媒體技術(shù)應用

1.1 流媒體技術(shù)原理

流媒體也叫做流式媒體，指的是利用網(wǎng)絡處理待傳輸?shù)囊?視頻后，借助流媒體技術(shù)傳輸?shù)倪B續(xù)時基媒體，換句話說，在互聯(lián)網(wǎng)上通過數(shù)據(jù)流的方式實時發(fā)布像音頻與視頻等多媒體內(nèi)容。流媒體技術(shù)最大的優(yōu)點是拋棄了過去必須下載才能查看視頻的方式，無需下載視頻就能實現(xiàn)實時播放，甚至可以一邊播放一邊下載。流媒體技術(shù)泛指利用計算機網(wǎng)絡傳輸音頻與視頻，也就是借助因特網(wǎng)把指定的音視頻下載至PC，一般實現(xiàn)方式包含兩種，一個是TCP，還有一個是UDP。TCP 的優(yōu)點是不損壞傳輸質(zhì)量，缺點是連接成本更高，因其具備首部信息多、三次連接的特性不適合應用在實時數(shù)據(jù)傳輸中。相反，UDP 則無需連接，且大小已固定，具有十分少的首部信息，因此它可以做到TCP 做不到的實時數(shù)據(jù)傳輸。故而TCP 常被用來傳輸控制信息，UDP 則用于實時傳送音視頻。

1.2 流媒體技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

將流媒體技術(shù)應用于遠程網(wǎng)絡視頻監(jiān)控，可以有效克服其他傳輸方法的限制，并在安全監(jiān)測領域取得較大的進步。在真實應用情況中，視頻服務器借助網(wǎng)絡接口把存儲系統(tǒng)里的視頻數(shù)據(jù)通過視頻流方式傳輸至客戶端，然后響應交互請求，確保視頻流能夠持續(xù)不間斷地傳輸。當視頻服務器對客戶端的視頻流做出響應后，立即讀取存儲系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的其中一部分和視頻流的指定緩沖存儲器相對應，接著把緩沖存儲里的內(nèi)容發(fā)送至網(wǎng)絡接口，最后再傳輸至客戶端。

1.3 流媒體傳輸方式

1.3.1 順序流式

流媒體傳輸方式的第一種就是順序流式傳輸，它指的是以順序下載的形式完成媒體文件的流傳輸，其最大的缺陷是無法自適應用戶的連接數(shù)量以及連接速率，所以，用戶不得不先下載后觀看文件，或者是先下載某一部分，但用戶只能查看已下載完成的部分，尚未下載的無法預覽，換句話說就是用戶無法實現(xiàn)跳躍性預覽。在網(wǎng)絡傳輸速率相對較差的時候，用戶需要等待的時間相對久一點。由于順序流式傳輸主要是在HTTP 以及FTP 服務器協(xié)議基礎上實現(xiàn)文件傳輸?shù)模鋬?yōu)點在于管理便捷，且下載后的文件是完整的，完全能夠確保視頻的高質(zhì)量。綜上所示，順序流式傳輸方式更適用于對視頻質(zhì)量要求高的短視頻片段，通常情況下，視頻片頭、片尾或者穿插的廣告片段就是使用這種方式。

1.3.2 實時流式

圖1：實時監(jiān)控應用系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖

實時流式傳輸是流媒體傳輸方式的另一種，主要是在媒體信號帶寬以及網(wǎng)絡速率相符合的情形下所使用，用戶能夠?qū)崟r查看媒體文件，同時一邊觀看一邊下載媒體文件。這種傳輸方式有特定的傳輸協(xié)議與流媒體服務器。一般來說，指定的流媒體服務相比其他普通的服務器其架構(gòu)要更加繁雜。傳輸協(xié)議主要是RTSP。在這種傳輸方式下，用戶可實現(xiàn)跳躍性預覽視頻文件，完全解決了前者所提的順序流式下載時間太長的缺陷，用戶可隨意選擇觀看視頻的任何一段內(nèi)容，靈活度高，用戶體驗感良好。綜上所述，實時流式傳輸方式主要用在現(xiàn)場直播中。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設計

圖1所示為流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)圖。由圖可以看出網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含了攝像頭、監(jiān)控前端、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器、通信網(wǎng)絡以及客戶端等，這些都是實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控的關鍵所在。借助監(jiān)控前端的現(xiàn)場攝像頭獲取視頻實時信號，同時把信號傳輸至監(jiān)控前端的設備匯聚到一起，再通過流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器處置完成后發(fā)送給通訊網(wǎng)絡。局域網(wǎng)監(jiān)控終端負責管理整個局域網(wǎng)內(nèi)部的信息以及設備，而廣域網(wǎng)監(jiān)控終端則負責監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送，通過無線或者有線傳輸數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)用戶在客戶端上運行指定視頻監(jiān)控軟件方可監(jiān)控攝像頭拍攝范圍內(nèi)所采集到的實施圖像信息。

基于流媒體的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用C/S 與B/S 架構(gòu)。監(jiān)控管理模塊采用C/S 架構(gòu)，工作內(nèi)容是管理系統(tǒng)操作權(quán)限以及視頻監(jiān)控，系統(tǒng)整體響應速度極快，提供友好的交互界面，完全符合用戶的各種需求。此外，設備、網(wǎng)絡以及其他資源配置等工作的實現(xiàn)則是借助B/S 架構(gòu)實現(xiàn)的，具體服務內(nèi)容有視頻監(jiān)控報警與服務器運行監(jiān)測，管理員借助瀏覽器就能完成系統(tǒng)更新、查詢等操作。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于TCP/IP 通信協(xié)議、流媒體技術(shù)傳輸規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，應用當下最先進的富媒體與Web Service 等技術(shù)。所以，本次設計基于流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)層面上可分為以下幾個層次，如表1所示。

表1：系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)層次圖

圖3：監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊流程圖

圖4：監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊時序圖

圖5：系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)配置模塊界面

2.2 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊設計

本文詳細分析了網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求，提出本系統(tǒng)由以下四個功能模塊構(gòu)成。

（1）第一個功能模塊是系統(tǒng)權(quán)限模塊，具體指的是對用戶進行管理，本系統(tǒng)中的超級管理員可對系統(tǒng)其他用戶的系統(tǒng)操作權(quán)限進行增、刪、改等。

（2）第二個功能模塊是視頻監(jiān)控管理模塊，這一個模塊是本系統(tǒng)運行的關鍵模塊，依據(jù)用戶需求還可以劃分成查看、模糊查找、視頻截圖、錄像回放以及系統(tǒng)監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置等子功能。

（3）第三個功能模塊是視頻監(jiān)控報警模塊，該模塊的核心是“報警”服務，當系統(tǒng)檢測到某一個設備發(fā)生了故障，根據(jù)視頻監(jiān)控報警需求，便于及時發(fā)現(xiàn)問題并報警處理。此外，報警功能的設計還需借助監(jiān)控報警設備數(shù)據(jù)配置模塊。

圖6：服務器運行監(jiān)測管理模塊設計流程圖

圖7：服務器運行監(jiān)測管理模塊時序圖

圖8：服務器運行監(jiān)測管理模塊實現(xiàn)界面圖

（4）最后一個功能模塊為服務器運行監(jiān)測管理模塊，用來管理和維護網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為本系統(tǒng)設備和數(shù)據(jù)信息管理員提供運行信息。對流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行了功能需求分析與劃分后，明確各功能模塊之間關聯(lián)以及架構(gòu)。

2.3 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)設計

流媒體網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的整體網(wǎng)絡架構(gòu)用來實現(xiàn)系統(tǒng)連接基礎。圖2 是本系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖，由圖可知，本系統(tǒng)前端由DVR、DVS、NVR、攝像機、報警平臺服務器以及IVS 服務器構(gòu)成；系統(tǒng)中間服務器由流媒體服務器、WEB 服務器、應用程序服務器、報警控制器構(gòu)成。通過三層交換機、管理站以及磁盤陣列連接起來，借助視頻切換矩陣與電視墻展示給用戶。

該網(wǎng)絡架構(gòu)中包含有多個功能的服務器集群：

（1）應用服務器是通過各種協(xié)議完成對各模塊的信息通信功能，是保障系統(tǒng)各部分相互協(xié)作實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能的重要部分之一；

（2）WEB 服務器一般指網(wǎng)站服務器，通過WEB 接口連接外部可供查閱的設備，用戶可通過該服務器接入IE 瀏覽器完成對相應功能界面的操作；

（3）流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器可完成對視頻信息存儲和轉(zhuǎn)換功能，并將視頻信號轉(zhuǎn)換為可供系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)囊曨l流，接著借助網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸該視頻信息；

（4）視頻監(jiān)控區(qū)域報警控制機是保障系統(tǒng)安全的重要服務器，可對外部非法入侵、安全運行問題進行檢測和實時報警。

3 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊開發(fā)

3.1.1 監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊運行流程圖設計

監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊流程圖如圖3所示。

3.1.2 監(jiān)控設備數(shù)據(jù)配置模塊實現(xiàn)

在用戶執(zhí)行數(shù)據(jù)配置的時候，發(fā)送獲取監(jiān)控設備數(shù)據(jù)的請求，觸發(fā)DataMgrAction 類中GetRtspServer()、GetCamera()或GetDvr()方法，然后返回至列表消息。用戶完成新增服務器信息后，儲存數(shù)據(jù)，觸發(fā)DataMgrAction 類中AddRtspServer()方法執(zhí)行服務器的增、刪、改操作。接著觸發(fā)DataMgrAction 類中AddDvr()方法后執(zhí)行DVR 的增、刪、改操作。新增攝像頭信息，觸發(fā)DataMgrAction 類中AddCamera()方法不斷提交新數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容見圖4。

對視頻監(jiān)控的布置有多個DVR 設備，而設備的正常運行依賴于對每個設備的合理配置，在進行網(wǎng)絡視頻監(jiān)控之前需要對設備的配置信息進行管理，如圖5所示。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務器運行監(jiān)測管理模塊開發(fā)

3.2.1 服務器運行監(jiān)測管理模塊運行流程圖設計

流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器是本系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵部分，可完成獨立組網(wǎng)過程，在運行網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，首先要進行二級服務器的管理，設置二級服務器的監(jiān)測時間間隔、手動控制間隔，接著調(diào)取“SE_Info 表”，根據(jù)監(jiān)測時間間隔查詢轉(zhuǎn)發(fā)服務器有關數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡視頻監(jiān)測過程按照監(jiān)測時間間隔運行監(jiān)控管理程序，并將視頻監(jiān)測的相關信息以信息列表的形式進行展示，該過程的額流程圖如圖6所示。

3.2.2 服務器運行監(jiān)測管理模塊具體實現(xiàn)

服務器運行監(jiān)控管理模塊的具體實現(xiàn)過程中，首先要獲取監(jiān)測設備的列表，通過轉(zhuǎn)發(fā)服務器反饋用戶請求完成該項操作。接著激活TLServerAction 類中的GetServerInfo()方法，由此顯示視頻監(jiān)控的相關信息，再觸發(fā)Timer()方法確定視頻信息獲取的時間間隔，得到已被激活視頻監(jiān)控的相關信息，并對視頻監(jiān)控信息進行封裝處理，再由TLServerDTO 類反饋狀態(tài)信息，如圖7所示。

當用戶對服務器監(jiān)測進行操作的時候，在系統(tǒng)的監(jiān)測管理界面對流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器的網(wǎng)絡連接情況、網(wǎng)絡服務信息、網(wǎng)絡運行時間和服務程序等進行監(jiān)測，具體實現(xiàn)界面見圖8。