基于C/S模式的遠程網絡視頻監控系統的設計和實現

劉艷

燕京理工學院，河北廊坊，065000

0 引言

2020年12月，交通運輸部發布了最近一年的研究報告。該報告顯示，2020年約有6萬人喪命于各種各樣的交通事故。如事故發生后，能夠通過查看回放視頻了解事故發生的現場情景，那么調查方就可以獲取有力的辦案證據，從而降低交通事故所造成的不良影響。而視頻監控作為一種解決方案，可以監控和管理被關注的對象，實現對重大場景的還原。

視頻監控系統在發展歷史上經歷了幾個階段，分別是：模擬視頻監控階段、數字化視頻監控階段和網絡視頻監控階段，未來將向基于云計算和智慧化的視頻監控系統的方向發展。

（1）模擬視頻監控系統。該系統主要由監視設備、錄像設備和攝像等模擬設備組成，同時，使用電纜或者光纜等介質傳輸模擬信號。這種監控系統具有以下缺點：不能實現與信息化系統進行數據交換、不良的可擴展性、有限的地理傳輸范圍，以及只能在監控中心進行監控。

（2）數字化監控系統。隨著計算機整體性能的增強，同時視頻編碼和壓縮技術有了進一步發展，20世紀90年代中期出現了數字化監控系統。這種系統能夠壓縮處理采集到的模擬信號，視頻圖像質量得到顯著提升。但具有有限的傳輸范圍、高昂的建設成本以及不佳的可維護性等幾個缺點。

（3）網絡視頻監控系統。20世紀90年代末，網絡視頻監控系統時代到來。它的優勢有三點，分別是功能模塊強大、擴展性和維護性較強。但是，存在以下幾個缺點：視頻編碼方式使用動態圖像標準編碼（MPEG4），壓縮率和圖像質量都有待于進一步增強；使用未加密的文件格式在通道上直接傳輸視頻流。

為解決上述視頻監控系統的問題，本文提出一種基于客戶端和服務器模式的網絡視頻監控系統。首先，為保障視頻信息在通道上傳輸是安全的，在視頻采集端，使用加密算法對視頻信息加密后，發送至特定通道；在視頻接收端，使用解密算法解密視頻信息，能夠保障傳輸過程的機密性和完整性。其次，改變視頻的編碼方式為H.264，一方面，可以增加數據壓縮率，減少視頻大小；另一方面，可以提高圖像的質量。

1 相關工作

文獻[1]提出了什么是網絡視頻監控系統的問題，對其特點及總體結構進行分析，最后對網絡視頻監控系統進行了設計，組成部分包括監控服務器和多個客戶端。監控服務器的職責是對整個系統的視頻數據進行處理和保存，客戶端由臺式機或筆記本電腦組成，在客戶端上可以安裝終端配套軟件，負責顯示服務器傳輸的視頻圖像。

文獻[2]提出了一種視頻監控系統的方案，在該設計方案中，系統的組成包括客戶端、中心服務器和分析單元等多個設備。關鍵技術包括Xvid、TCP/RTP和DirectShow等，同時，還包括自動視頻分析功能的關鍵技術和要求。

文獻[3]使用Eclipse開發工具，基于安卓平臺實現了手機端的視頻監控系統。該文首先分析了系統開發的背景和意義。然后，給出整個系統的功能結構，包括服務端與客戶端應該完成的功能模塊。在系統實現環節，使用套接字技術在視頻服務器和多個客戶端之間進行數據傳輸。

文獻[4]首先介紹了系統的功能需求以及如何在應用開發過程中實現這些需求。然后，使用Eclipse集成開發工具，基于安卓平臺設計了一個網絡視頻監控系統，該系統能夠訪問視頻服務器，并將接收到的視頻信號進行轉發。

文獻[5]設計了一種實時監控系統，介紹了系統的功能結構，闡述了關鍵數據結構和算法的設計，并優化了實施傳輸協議RTP的方案。該系統使用個人計算機作為服務端，使用移動端的手機或者PAD作為客戶端，測試系統在無線網絡環境和移動網絡下的運行情況。

文獻[6]介紹了視頻監控系統的系統架構的兩種方案，闡述了如何在多個安卓設備之間進行視頻監控，并在WIFI的環境下對系統進行了測試。通過對報告的分析，可以得出兩種方案都能進行視頻監控，然后對測試結果不同的原因進行了總結。

2 系統需求分析

需求分析主要解決系統做什么，定義了系統所需要完成的全部功能[7]。需求分析人員經過需求調研階段，使用文檔或者各種圖形固化項目所需要完成的功能、性能和其他非功能需求等，將用戶非形式化的需求描述轉化為各個功能模塊[8]。本節首先介紹了項目的開發背景，然后使用面向對象的方式進行系統的需求分析。

2.1 項目背景

某些保密單位在運輸物資的過程中，管理員需要實時監控運輸車的行駛軌跡和了解車內的情況。為了保障視頻信息傳輸的機密性和完整性，需要在視頻采集端加密采集的視頻信號，視頻收到后，解密收到的視頻信號；需要實時采集車輛的運行軌跡，運輸車出現交通事故時，可以定位車輛的地理位置，從而進行救援；需要采集運輸車內的溫度、濕度和速度等數據，以便及時了解車輛的運輸場景。下文根據項目背景進行功能需求分析。

2.2 功能需求分析

UML（統一建模語言）是一種面向對象的建模語言，使用統一的符號進行建模，包括建立功能模型、對象模型和動態模型等[9]。可以在需求分析人員、系統設計人員、開發人員和測試人員等之間對系統的功能需求建立統一的認識，方便整個團隊進行系統規劃和設計。通過使用統一建模語言進行系統的功能需求分析，系統需要實現以下功能，如表1所示。

表1 系統功能清單

2.3 非功能需求分析

（1）客戶端的界面的平均響應時間控制在1秒以內；

（2）最大并發用戶數為200個終端用戶。

3 系統總體設計

經過需求分析階段，系統已經確定了需要實現的功能需求清單。在系統設計階段，需要選擇特定的平臺、體系結構、關鍵的數據結構和算法來設計已確定的需求列表[10]。因此，在以下的篇幅中將對本系統進行設計，包括對硬件和軟件平臺分別進行設計。

3.1 硬件平臺設計

在網絡拓撲圖中（圖2），本系統主要由視頻采集設備、視頻接收設備、交換機、監控中心、監控終端和傳輸線路組成。在視頻采集端，視頻信號經過源端的硬件設備數據采集后，為提高數據傳輸的安全性，需要使用硬件模塊，通過加密算法將視頻信號進行加密，再使用特定的傳輸通道將加密后的視頻傳輸到目標端的接收設備。在視頻接收端，接收設備使用解密算法將視頻信號解密。同時，服務端通過應用編程接口來讀取信號，并轉發給連接的客戶端。

圖2 硬件平臺網絡拓撲圖

3.2 軟件平臺設計

在硬件平臺設計完成后，接下來需要設計整個系統的軟件平臺。本軟件系統平臺使用客戶端和服務器模式，這是一種在很多網絡編程的場景中經常被使用的軟件結構。在此結構中，服務器負責管理數據，執行后臺服務，而客戶端負責接收用戶的交互請求，并將請求傳輸給服務器進行處理，完成后將數據返回給用戶。

在接收端，接收硬件設備收到音視頻后，對音視頻信號使用解密算法進行解密，服務端通過視頻圖像的應用編程接口來實時獲取視頻信息，并將圖像傳輸給所有連接的終端客戶。對于終端客戶，可以使用視頻播放器對接收到的視頻信息進行播放（圖3）。

圖3 軟件處理流程圖

4 系統實現

在系統實現的階段，由開發人員通過編碼和測試過程，將前一階段系統設計的成果轉化成實際的系統。主要任務包括：搭建系統開發環境、建立系統平臺、進行數據庫的設計、編寫代碼、單元測試、驗收測試、試運行、系統上線和運維等。

4.1 服務端軟件實現

C++是一種過程性和面向對象相結合的開發語言，在服務器的編程過程中，主要使用的就是C++語言，它具有程序結構清晰、可擴展性和可讀性良好以及運行效率高的優點。客戶端使用用戶數據報協議和服務器進行通信；而服務器軟件通過調用接收端硬件設備提供的應用編程接口來采集視頻信號，然后將視頻圖像廣播至所連接的終端用戶（圖4）。

圖4 服務端軟件流程圖

4.2 客戶端軟件實現

客戶端的編程語言使用C#，使用該語言的原因有幾點：開發人員學習起來比較簡單，學習周期比較短，開發門檻不高；該語言具有面向對象的特點，可讀性比較強，在編程風格上可以一種容易理解的方式實現需求；最后，能夠使用拖拉拽的方式來構建系統界面。客戶端接收服務器傳輸的視頻圖像并在本地界面進行展示，其流程如圖5所示。

圖5 客戶端軟件流程圖

其中，接收圖像并設置圖像的代碼如圖6所示。

圖6 系統實現的部分代碼

當用戶輸入登錄信息，包括用戶名和密碼后，系統進入視頻監控界面。其中，左邊展現了所有安裝的攝像頭的列表，上面展現了功能菜單，包括音視頻監控、產品簡介、數據展示和實時定位等。當用戶拖拽某攝像頭到監控區域，可以查看實時監控的界面。

5 結語

本文提供了一種新穎的基于客戶端和服務器模式的視頻監控系統，和傳統的網絡視頻監控系統相比，能夠解決視頻信號在數據傳輸過程中的安全性的問題。本項目經過開發和測試階段，運行穩定，已經成功在客戶的生產環境中發揮作用，可以為類似的應用場景的開發提供借鑒。下一步需要對客戶端視頻播放的算法進行優化，達到在網絡環境一般的情況下，視頻播放更加流暢的效果。