基于SIP的網絡視頻監控系統的設計研究

李奕

關鍵詞：SIP協議；網絡視頻監控；系統設計；呼叫機制

網絡視頻監控技術是一種集計算機網絡、數字視頻以及通信等技術為一體的綜合技術，隨著信息化時代的發展，在IP網絡中如何實現遠程網絡視頻連接、高效視頻流編解碼成為網絡視頻監控系統研究的重要熱點。同時，為了能夠在互聯網中實現網絡視頻實時監控、多媒體會話，需要先解決每個監控系統之間存在的互通性問題。基于此，本文利用SIP（SessionInitiation Protocol） 協議[1]的呼叫機制，設計了一個網絡視頻監控系統。因引入了SIP，該系統擁有高靈活性和擴展性，能夠借助代理、重定向等方式，實現對不同網絡的監控請求，解決每個監控系統之間存在的互通性問題，實現了網絡視頻采集數據的實時傳輸。同時，該系統的設計利用高質量視頻數據壓縮技術和視頻信號傳輸技術，進一步提高了媒體的解碼質量和效率。

1 SIP 協議概述

SIP是一種能夠在IP網絡中實現的實時通信應用層控制協議和消息協議，SIP和SMTP一樣都是易操作的文本傳輸編碼模式，在視頻通信領域中有著巨大的應用優勢。它主要包括用戶數據報協議（UDP） 與傳輸控制協議（TCP） 兩種，能夠將底層靈活地結合在一塊。在實際應用過程當中，SIP協議能夠創建、終止以及修改多個參與者所參加的多媒體會話進程，同時還能夠為用戶名的映射以及重定向服務提供支持。SIP消息主要分為兩種：請求消息和響應消息，前者是客戶端到服務器，后者是服務器到客戶端。不管是哪一種消息均是由單個起始行、單個字段或者多個字段組成的消息頭、可選項的消息體以及單個標志消息頭結束的空行四個部分組成。其中，消息頭主要提供了對應消息的進一步信息，讓其能得到正確的處理，消息體則是對即將建立的會話進行描述，如傳輸速率、媒體流類型以及協商編碼的類型等[2]。因此，SIP協議在視頻監控系統領域中得到了廣泛的應用。

2 基于SIP 協議的網絡視頻監控系統設計

2.1 系統工作原理

基于SIP協議的網絡視頻監控系統的工作原理如下所述：首先，在SIP服務器中注冊系統終端，這樣若是網絡監控管理平臺需要對某個終端進行監控時，就可以直接向系統發出接入請求，通過SIP服務器就能夠直接查到終端的地址，并建立起連接；其次，連接建立之后，終端系統就可以將所采集得到的音視頻模擬信號直接轉化成數字信號，借助編碼器（MPEC-4編碼）編碼之后，將其上傳到網絡視頻監控服務器當中，由服務器對視頻數據進行IP封裝處理，并發送給管理平臺[3]。

2.2 系統主要構成設計

基于SIP協議的網絡視頻監控系統設計主要由三個部分組成：視頻終端、網絡監控管理平臺及SIP服務器。具體架構設計見圖1所示。其中，視頻終端的設計主要是基于SIP信令實現的，它擁有信號采集、信號處理以及前端攝像機控制等功能，在SIP中可以將其看作具有媒體通訊功能的UA客戶端。網絡監控平臺作為一個擁有SIP的標準設備，用戶通過該設備不僅可以實現對監控現場的圖像進行實時監控，還能夠借助擴展的SIP信令，授權用戶對云臺系統進行操控。管理平臺的組成部分主要包括監控服務器、SIP移動終端以及監視中心（電視機）等。SIP服務器系統的組成主要包括了報警、信令、媒體以及存儲四個服務器。當網絡監控平臺向服務器發出監控請求之后，就可以通過SIP服務器找到對應的監控設備，再將相關請求轉發到視頻嵌入式終端系統上。

2.3 視頻終端設計

視頻嵌入式終端系統設計主要采用Z228芯片多媒體應用處理器實現，主要實現網絡視頻采集、A/D轉換、編碼以及發送四項功能，且單芯片包含了MPEC-4 硬件編碼器，能夠實現對網絡視頻的碼率參數進行配置，以及視頻流采集、數據編碼、數據輸出等作用。在應用過程中，通過連接的攝像頭，將所采集的視頻數據經A/D轉換之后，上傳到集成了硬件編碼器和處理器的芯片當中，對視頻數據進行編碼處理后，生成具有高壓縮比的MPEC-4格式的數據，再利用RJ45接口將其上傳到網絡上。同時，攝像頭設備還連接著云臺，這樣一來利用云臺可以對攝像頭的移動進行控制。

當SIP連接成功后，即可完成雙方網絡視頻通道的搭建，然后在IP層上進行視頻數據的傳輸，比如采用實時傳輸協議（RTP） 或者實時傳輸控制協議（RTCP） ，通過UDP完成數據傳輸，兩者之間的搭配應用，可以使得傳輸效率達到最佳[4]。

2.4 SIP 服務器設計

2.4.1 媒體服務器

SIP協議主要用來構建、改變、認證以及終止基于IP網絡的單路或者多路SIP視頻接入，在接入的過程當中能夠實現多路的音視頻或文本等不同類型媒體的會話。而SIP服務器的設計主要由信令、媒體以及監控三個服務器組成。其中，從媒體服務器方面來看，在SIP服務器中主要起到對多媒體流數據的錄像、點播以及轉發等功能。具體應用過程中，當網絡視頻監控管理平臺和視頻采集終端之間完成連接后，該服務器就會成功建立起映射關系，同時視頻采集終端會將監控現場的實時圖像，經過MPEC-4編碼打包之后上傳到媒體服務器中，然后該服務器會根據映射關系，將視頻發送到監控管理平臺。并且，該平臺也可以通過此方法完成對視頻采集終端的控制命令的發送。此外，媒體服務器的設計還具有視頻流存儲點播的功能。面對網絡視頻監控系統的龐大體系，單個的媒體服務器無法充分滿足整個系統的需求，可以對服務器進行擴展，利用多臺服務器實現并發協作，為系統提供服務支持[5]。

2.4.2 SIP 信令服務器

SIP終端的注冊和網絡連接建立離不開SIP信令服務器的支持。在實際應用過程中，視頻終端和管理平臺會先通過SIP注冊服務器進行注冊，然后當監控中心和某路的視頻建立起連接后，網絡監控軟件會通過SIP服務器向特定的視頻終端發起Invite請求，最后由監控軟件向視頻終端發送確認包，以此實現通話建立。

2.4.3 監控服務器

監控服務器的設計主要起到了網絡監控的作用，比如，當通過攝像機采集到異常信號之后，再通過網絡視頻監控系統將其上傳到自動報警裝置中，這時報警裝置就會采用移動短信通信、電話等方式，自動向用戶、網絡監控人員等發出報警信號，并將現場的具體情況一同發送過去。

2.5 媒體數據發送

當SIP成功完成連接操作之后，就可以通過網絡實現雙方的視頻通道連接構建，接著，通過IP層實現網絡視頻數據的傳輸，并采用實時傳輸協議（RTP） 和實時傳輸控制協議（RTCP） 兩種協議，借助UDP完成對應數據傳輸活動。同時，實時數據傳輸協議與實時數據傳輸控制協議這兩種協議之間的有效配合，能夠實現最優網絡數據傳輸效率，并進一步實現網絡數據的實時傳輸。實時數據傳輸協議擁有實時的特征，能夠進行端到端之間的網絡數據傳輸活動。因此，將其應用在網絡視頻數據當中，通過引入載荷標志、序號以及同步源標識符和時間戳的實時數據傳輸協議包頭，搭配數據報套接字，能夠通過IP 地址網絡實現RTP數據包的傳輸。實時數據傳輸控制協議在實際應用過程當中，不僅控制了信息的交換，還實現了對網絡傳輸質量的管理。所以，在RTP會話過程當中，可以對已經發送的數據包或者丟失的數據包的數據進行統計分析。

2.6 數據庫設計

網絡視頻監控系統的數據庫設計，起到了將用戶端信息通過SIP協議上傳到服務器端的作用。首先，用戶可以在數據庫中寫入命令指令，并利用實時監聽機制，將得到的信息上傳到對應的服務器中。若是命令得到執行，那么可以對數據庫當中的信息進行處理，這樣一來能夠有效降低數據庫的負載[6]。其次，經SIP協議所傳輸的消息在上傳到服務器這一過程中，會被監聽，并將其結果上傳到界面上進行顯示。

3 網絡視頻監控管理平臺設計

3.1 平臺設計

基于SIP的網絡視頻監控管理平臺主要具有遠程連接視頻并進行控制的作用，以及對視頻流的接收解碼功能、回訪功能。因此，該平臺的設計主要由4個模塊構成：SIP、遠程控制、XVID以及RTP模塊，以實現對網絡視頻的遠程連接、遠程控制以及解碼播放功能。并且，該平臺還能夠同時實現對多路視頻的自動監控、視頻互動數據錄像和拍照、云臺或攝像頭的控制。最后，根據具體情況進行實時監測和自動報警。

3.2 MPEG-4解碼

通過SIP服務器所轉發的視頻流需要對其進行解碼處理，才能夠將圖像呈現出來，所以，對解碼流程的設計具體見圖2所示。該解碼設計主要分為VPD（作用于圖像縮放以及格式轉換處理）和Decoder（作用于視頻數據的解碼和讀取服務）兩部分。如果解碼到最后，沒有數據幀，就會通過調用函數將資源釋放。由此可見，基于SIP協議設計的網絡視頻監控系統，不僅實現了對視頻的監控管理與控制，還在SIP信令消息的易擴展性、高靈活性的特點下，讓該系統能夠和現存的網絡系統之間實現無縫銜接[7]。

3.3 SIP 消息機制開發

本文選擇利用OSIP2開發庫，對SIP格式的消息進行封裝與解析處理。OSIP2 不僅實現了對SIP 消息、狀態機事務等的處理，還實現了對工具模塊的處理。同時，OSIP2協議棧為SIP底層的API封裝提供支持，不過無法向高層的SIP會話控制提供API，只有利用多條的OSIP2的API進行組裝，才能夠實現對相應信息的處理。由此可見，API主要由工具模塊、狀態機部分以及消息處理部分三個部分組成。因此，在網絡視頻監控中心要想實現ICT向NICT的狀態機發送一個請求，就需要服務器能夠完成對4個狀態機進行處理，這樣一來，不僅可以為UAS完成IST和NIST事務提供幫助，還能夠為SIP信息的轉發請求提供相應的ICT與NICT狀態機。同時，在系統當中所注冊的相關信息，可以借助SIP的Register請求，在服務器模塊啟動時完成注冊任務。所以，在網絡視頻監控中，在服務器端上還可以對SIP的Info擴展消息進行擴展，以此為視頻監控的相關消息如網絡視頻監控中心登錄消息、不同屬性配置信息、前端視頻服務器信息以及報警信息等的封裝提供幫助，從而對全部SIP消息進行處理。

3.4 視頻監控界面開發設計

在實際應用過程當中，網絡視頻監控中心的應用在處理SIP消息以及網絡媒體數據時，可以為用戶提供界面顯示。整個界面設計主要由兩個部分組成，一部分為用戶可控的前端網絡視頻服務器列表，另一部分則是相關操作效果的顯示，如電子地圖查詢、網絡視頻查看功能以及巡檢配置功能等。同時，界面上還設計了相應的工具欄選項，為用戶的操作提供便利。

4 結束語

綜上所述，本文結合SIP協議提出并設計了一種基于SIP的網絡視頻監控系統。首先，該系統的設計利用SIP協議進行了信令控制，解決了傳統視頻監控系統布控區域當中存在的設備擴展限制、數量限制等問題。其次，用戶可以借助系統通過網絡對現場進行監視，并對現場設備進行控制，并且還能夠實現同時對多個監控現場的監視。此外，本系統在設計時，利用了集中管理的方式，來提高設備的靈活性、可擴展性和網絡互通性，達到了實時網絡視頻監控的目的。