基于復雜網絡環境的數字遠程監控系統設計

摘要：為保證遠程監控的實時性，滿足安防行業使用需求，本文設計了一種基于復雜網絡環境的數字遠程監控系統。此系統具有操作簡單、實用性強、先進可靠、易擴展等特點，不僅可以高效、安全地遠程傳輸網絡數據，還可以實現現有資源的最大化利用，提高視頻編碼質量和效率，完全符合預期設計標準和要求。希望可以為相關人員提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：復雜網絡；數字視頻壓縮；流媒體網絡；數字遠程監控系統

目前，數字視頻監控系統作為一種重要的安全防范技術手段，被廣泛地應用于社區、住宅、交通、金融等行業中，為遠程監控環境、保障環境周邊的安全性提供重要的平臺支持。傳統數字視頻監控系統不具有跨平臺能力，無法有效地兼容編碼器碼流，同時，存在傳輸距離短、傳輸視頻流難度大、信息安全保密性不強等問題，而基于復雜網絡環境的數字遠程監控系統設計和應用，可以突破傳統系統存在的局限性。

本文設計的系統利用數字視頻壓縮技術、流媒體網絡播放技術等現有網絡技術，向遠程監控中心安全傳輸和發送現場圖像，由遠程監控中心對其進行遠程監控和報警管理，完全滿足數字化遠程監控需求[1]。

一、系統設計關鍵技術

（一）網絡視頻傳輸技術概述

在數字遠程監控系統中，為保證來自不同地區的用戶可以實時遠程控制現場情況，并結合現場監控情況進行有效數據通信，需要確保視頻圖像傳輸質量達標，以保持系統的監控質量和效率。為避免因傳輸數據量過大而增加傳輸網絡擁擠程度，造成數據出現嚴重延遲、丟失問題，需要應用網絡視頻傳輸技術。該技術在具體應用時，需要選用合適的網絡通信通道和通信協議，從而保證數據傳輸的安全性和可靠性。目前，比較常用的傳輸層協議是TCP/IP傳輸協議。

TCP/IP傳輸協議主要基于現代化物聯網技術研發而成，其IP層表現出較高的包容性。借助IP地址，可以有效地隱藏和屏蔽底層實現細節，使系統開發人員在不知道底層實現細節問題的情況下，也能正常使用TCP/IP傳輸協議。

（二）數字視頻壓縮技術

在流媒體信息源中，通常會產生海量的信息數據，如果在沒有壓縮信息數據的基礎上進行直接傳輸和存儲，會增加網絡帶寬壓力。因此，在正式傳輸和存儲流媒體數據之前，需要先對這些數據進行壓縮處理，這樣做能夠為后期數據的快速、安全傳輸和存儲提供極大便利。當經過壓縮的數據傳輸至目的地后，對其進行解壓縮并播放。通過壓縮信息數據，不僅可以節省存儲空間和CPU運行空間，還能縮短數據傳輸時間，提高數據傳輸效率。現階段，用于數字遠程監控的圖像壓縮技術主要以“MPEG-4”為主。在進行數字視頻壓縮時，主要運用以下兩種壓縮機制：

1.有損壓縮。有損壓縮主要是指壓縮處理前數據與解壓縮后數據出現偏差或不一致現象，這說明運用有損壓縮機制進行數據壓縮時，會導致不重要的圖像信息、音頻信息丟失，且這些丟失數據是不可逆的，無法恢復。

2.無損壓縮。無損壓縮主要是指壓縮處理前數據與解壓縮后數據保持完全相同。

（三）流媒體網絡播放技術

通過構建和應用數據通道，可以將客戶端與媒體服務器端進行有效地連接，使其結合為統一整體。單臺服務器所提供的數據包只能向單個客戶機進行傳送，這種傳送方式被稱為“單播”。在單播模式下，單個用戶在查詢相關信息時，需將相關查詢請求發送至相應的媒體服務器中，由媒體服務器結合用戶查詢請求，將相關數據信息拷貝、加載，并呈現在用戶面前，便于用戶查看和調用 。這種處理方式會增加數據冗余量，導致服務器面臨較大的運行壓力，同時，會降低系統響應速度，導致系統出現運行不穩定問題。在IP通信中，還用到廣播方式。在廣播方式下，借助源主機，將所有IP信息包發送和傳輸至特定的網段中。

在IP廣播包中，目標地址含有主機部分和網絡部分，其中，主機部分被統一設置為“1”；網絡部分被統一設置為“子網地址”，利用主機部分，可以實現對各種信息包的有效識別，同時，借助本子網，可實現對廣播地址信息包的統一化接收。IP組播通信方式具有較高的應用優勢，可以向任意主機上發送和傳輸相關IP信息包，避免各個機器資源被大量消耗。

在IP協議的應用背景下， 通過采用組播的方式 ，可以實現對各項視頻數據的安全化傳送，當某客戶端需要接收和應用所需要的視頻流時，借助傳輸斷，可向接受者一次性發送和傳輸相關信息，這種傳輸方式降低了網絡運行壓力，實現網絡資源充分利用，同時，還簡化了發送端編程流程。

二、系統總體設計

（一）系統架構設計

采用B/S設計思想，本文將系統架構劃分為軟件控制層、視頻信號層、硬件數據層三個組成部分。本文設計的系統作為一種綜合系統，不僅涉及計算機軟件和硬件，還涉及復雜網絡。其中，系統硬件部分主要負責實時、完整地采集視頻數據，并進行編碼、解碼和傳輸。系統軟件部分主要用于對硬件部分工作流程的實時化管控。總之，在整個系統模塊中，軟件部分具有重要的領導地位[2]。

（二）系統數據庫設計

要想借助系統實現重要數據的增刪改查，離不開系統數據庫設計和應用。在數據庫的具體設計過程中，本文選用“MySQL”關系型數據庫，該數據庫采用結構化方法，能夠有序地存儲數據。系統數據庫通常含有若干張數據表，每張數據表均定義好各個字段，然后，結合表結構有序存入數據，有效地提高數據表的穩定性和可靠性[3]。

三、系統硬件設計

系統硬件部分主要是由攝像頭、視頻編解碼器、網絡接口、模數轉換器、通信總線等部分組成。視頻編解碼器作為本文系統硬件的關鍵組成部分，主要借助專用集成電路邏輯關系進行科學設計和實現，該解碼器主要包含視頻數模轉換器、視頻模數轉換器、主編解碼芯片、網絡接口四個組成部分[4]。

其中，主編解碼芯片主要選用型號為Hi3510芯片；視頻數模轉換器和視頻模數轉換器主要選用由TECHWELL公司研發的TW2835芯片，該芯片功能如下：采集所需要的視頻模擬信號，通過數字轉換的方式將其轉換為數字信號，并采用BT656格式向主編解碼芯片傳輸和發送數字信號。

四、系統軟件設計與實現

（一）系統軟件結構框圖及劃分

系統軟件結構主要劃分為服務器端軟件模塊、客戶端軟件模塊兩大組成部分。在系統軟件結構中，用戶界面是由客戶端提供的，主要負責網絡數據的邏輯處理，同時，借助數據服務器，對客戶端所發送的SQL語句進行接收和執行，并快速查詢數據庫中所需要的數據，然后將最終查詢結果直接反饋給用戶。此外，借助客戶端，可以將獲取圖像數據的請求發送到服務端，并采用本地服務器，完整顯示由服務端所發送的屏幕圖像。服務端主要用于對客戶端所發出請求的實時響應和處理，以實現對屏幕圖像的精確化抓取和發送[5]。

（二）系統服務器端軟件設計與實現

1.服務器系統介紹

服務器端軟件主要包含以下兩個部分：

（1）前端軟件。前端軟件作為一種常用軟件，主要安裝和部署于多個監控點位置，可以實現對圖像采集、顯示、傳輸等處理流程的實時化監控，并包含報警控制模塊和文件回收模塊。

（2）監控端軟件。監控端軟件主要用于對所需圖像的實時接收、存盤、檢索以及前端的實時化控制[6]。

2.視頻采集模塊設計

視頻采集模塊運行流程如下：打開和啟用視頻設備，科學地設置數據傳輸格式，并打開芯片進行運行。同時，還要做好對視頻邏輯采集通道各個屬性的科學設置，并啟用邏輯通道，完成對所需視頻信息的全面化采集，并向緩沖區存儲所采集好的視頻數據，如果緩沖區處于存滿狀態，則需要進行信號發送，并喚醒整個圖像處理進程，確保該進程指向下一個緩沖區。

3.視頻編碼模塊設計

視頻編碼流程如下：首先，啟動并打開通信線程，然后從視頻采集模塊中獲取所需數據，并將這些數據存儲到視頻編碼器中，當編碼完成后，需要打包處理碼流。其次，借助網絡接口，將最終打包結果傳輸和發送至客戶端，以達到快速解碼的目的。當客戶端發送控制命令后，需要暫停編碼處理，此時，編碼操作全部停止[7]。

（三）系統客戶端軟件設計與實現

1.客戶端設計

客戶端軟件作為一種重要的應用軟件，具備遠程實時配置、遠程回放、遠程實時預覽等基本功能。客戶端軟件在具體設計時，主要采用C/S模式，完成對跨平臺應用程序的設計，從而提高數據操作效率，保證數據的可靠性、完整性和安全性，完全適應復雜網絡環境使用需求。

2.視頻解碼模塊設計

視頻解碼模塊主要運用多線程方式進行設計。首先，運用多線程方式，向指定的解碼器發送和傳輸相關碼流信息。同時，采用輔線程方式，利用視頻解碼器，對解碼處理后的數據信息進行統一化抽取和釋放。在應用主線程時，需對解碼器進行初始化處理，并科學設置視頻解碼器的參數，如緩沖區大小等。此外，從創建好的解碼通道中，獲取和調用所需要的碼流通道信號。

輔線程在具體運用時，需要傳送解碼后的數據，并將解碼好的數據呈現在用戶面前，供用戶查詢和調用。

3.視頻輸出模塊設計

視頻輸出模塊在具體設計時，通常離不開DirectDraw組件的應用。該模塊具體設計流程如下：首先，初始化處理DirectDraw組件，并將該組件直接綁定在窗口上，確保兩者形成良好的綁定關系。其次，從解碼處理好的數據中獲取所需要的信息，并利用函數接口，對該信息進行縮放處理。最后，通過進行數據復制和拷貝， 將縮放后的圖像信息存儲到DirectDraw對象中，然后對該對象進行刷新處理，并向屏幕傳輸和顯示最終數據結果。在這個過程中，如果需要停止控制，則暫停刷新操作，并釋放相關數據資源。視頻輸出流程如圖1所示。

五、結束語

綜上所述，為適應復雜網絡環境特點，本文所設計的數字遠程監控系統主要實現了以下幾個功能：借助攝像頭，將所采集到的圖像數據安全、可靠地傳輸和發送至計算機中；計算機采用編碼壓縮處理技術，將所接收到的圖像數據進行編碼、壓縮處理，降低圖像數據量；當圖像數據壓縮完成后，將其存儲到計算機中，便于后期相關人員查詢和調用這些數據；可以實時播放傳輸過來的圖像數據以及存儲在計算機內的圖像數據。盡管本文系統設計取得了較高的成效，但是仍然存在以下需要完善的地方：首先，目前僅設計和實現了系統軟件個別模塊，尚未完成系統全部模塊的設計和實現；其次，系統對音頻的研究內容相對較少，有待后期優化和補充。

作者單位：仇申海 萊西市職業中等專業學校

參考文獻

[1]羊昆兒，陳明升.電力系統中遠程數字視頻監控與圖像識別技術的應用與分析[J].現代企業文化，2019（35）：192.

[2]廖坤玉，胡旭東，鄧立晨，等.基于5G-AR智聯技術的數字化電網遠程全景監控系統[J].電器工業，2023（1）：33-38.

[3]甘輝.數字化遠程監控系統在工程質量安全監督管理中的應用分析[J].低碳世界，2023，13（7）：196-198.

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[5]曹麗筱.遠程視頻監控系統在數字化油田建設中的應用分析[J].中國設備工程，2020（13）：163-164.

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[7]劉勃宏.基于數字媒體DSP的遠程網絡視頻監控系統設計[J].現代電子技術，2020，43（4）：90-93.