包軍衛(wèi)

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰214405)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的普及，與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控比較 ,基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、抗干擾性能強(qiáng)、支持遠(yuǎn)程傳輸、便于自動(dòng)化管理和易于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度功能將逐漸被基于IP Camera的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)所替代[1]。基于當(dāng)前的應(yīng)用背景和技術(shù)支持，本文設(shè)計(jì)了一種基于IP Camera的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過這種帶有以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議棧[2]、Web Server的智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端，授權(quán)客戶端在Internet上可以使用多種訪問方式來監(jiān)控此終端。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

各個(gè)接入服務(wù)共享同一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)總線，本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)均通過UDP協(xié)議在各個(gè)服務(wù)之間發(fā)送、轉(zhuǎn)移、加工、存儲(chǔ)。具體的篩選、處理工作由數(shù)據(jù)消費(fèi)者進(jìn)行[3]。

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向架構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向架構(gòu)如圖2所示。

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)錄像服務(wù)器（NRU）、視頻音頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器（VTDU）、中心管理服務(wù)器（CONS）、設(shè)備配置和管理服務(wù)器（DMS）幾部分構(gòu)成。其中，網(wǎng)絡(luò)錄像服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)音視頻的錄像；音視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；中心管理服務(wù)器（CONS）主要實(shí)現(xiàn)對(duì)前端設(shè)備和客戶端的認(rèn)證和管理；接入服務(wù)器（CONS）主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信令的解析；設(shè)備配置和管理服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的配置和顯示所有設(shè)備的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)各組成部分功能

2.1 錄像服務(wù)器

錄像服務(wù)器的功能有：根據(jù)中心管理服務(wù)器的指令，向轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器請(qǐng)求媒體數(shù)據(jù)，并對(duì)媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行錄像；當(dāng)客戶端向錄像服務(wù)器請(qǐng)求媒體數(shù)據(jù)時(shí)，錄像服務(wù)器把錄像文件的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。

2.2 中心管理服務(wù)器

中心管理服務(wù)器負(fù)責(zé)保存視頻服務(wù)器等設(shè)備的安裝信息及所有設(shè)備的報(bào)警信息和操作日志；根據(jù)配置信息，對(duì)需要錄像的視頻，向錄像服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求錄像信息；保存客戶端和管理平臺(tái)的用戶權(quán)限。

2.3 轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器

向客戶端、管理平臺(tái)、錄像服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來自視頻服務(wù)器的媒體數(shù)據(jù)。

2.4 配置終端

配置終端對(duì)系統(tǒng)中的所有設(shè)備進(jìn)行安裝和參數(shù)配置與查詢。

2.5 接入服務(wù)器

接入服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)中的所有設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，解析設(shè)備之間的協(xié)議。

2.6 客戶端

客戶端功能：播放視頻圖像；對(duì)播放的視頻圖像進(jìn)行本地錄像；本地回放錄像文件；接收?qǐng)?bào)警信息。

2.7 視頻服務(wù)器

對(duì)于無線視頻服務(wù)器，通過測(cè)試在無線網(wǎng)絡(luò)上用TCP傳輸媒體數(shù)據(jù)時(shí)延時(shí)太大，所以無線視頻服務(wù)器只能采用UDP進(jìn)行媒體數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)此，需要作以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：

(1)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器

無線傳輸時(shí)采用一個(gè)線程接收UDP的數(shù)據(jù)，把接收到的媒體數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)；有線傳輸時(shí)采用一個(gè)線程接收TCP的數(shù)據(jù)，把接收到的媒體數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)。

(2)接入服務(wù)器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)UDP接收和發(fā)送模塊，為每個(gè)無線視頻服務(wù)器在UDP模塊上建立一個(gè)TCP連接，根據(jù)視頻服務(wù)器的類型，在客戶端請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)給客戶端不同的應(yīng)答信息。

(3)客戶端

采用視頻解碼策略、視頻參數(shù)的重發(fā)功能和云臺(tái)參數(shù)設(shè)置的重發(fā)功能。

(4)數(shù)據(jù)庫提供的樹型結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)視頻服務(wù)器的類型。

3 系統(tǒng)主要部分工作流程

3.1 注冊(cè)流程

視頻終端向服務(wù)器注冊(cè)過程如圖3所示。

圖3 視頻終端注冊(cè)流程圖

3.2 請(qǐng)求媒體數(shù)據(jù)

客戶端連接指定視頻終端后，向視頻終端請(qǐng)求媒體數(shù)據(jù)，接入服務(wù)器將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)到視頻終端。視頻終端收到命令后將媒體數(shù)據(jù)發(fā)送到接入服務(wù)器并轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端，也可以直接將媒體數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端?？刂泼钊匀煌ㄟ^接入服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高網(wǎng)絡(luò)視頻效率。具體數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 客戶端請(qǐng)求媒體數(shù)據(jù)流程圖

3.3 云臺(tái)控制

客戶端訪問視頻終端時(shí)通過接入服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成對(duì)視頻終端連接的云臺(tái)進(jìn)行控制。具體數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 客戶端控制終端云臺(tái)流程圖

3.4 配置終端

管理平臺(tái)可以對(duì)指定的視頻終端進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，通過接入服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成各種參數(shù)的配置。具體數(shù)據(jù)流程與圖5所示類似。

4 軟件實(shí)現(xiàn)原理

4.1 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸策略

在網(wǎng)絡(luò)帶寬不穩(wěn)定或者較差的情況下為了盡量保證網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器傳輸?shù)椒?wù)器的視頻數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性[4]，采用了雙重處理機(jī)制：

(1)單位時(shí)間內(nèi)比較視頻歷史緩沖中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)大于500包，則執(zhí)行清除歷史緩沖操作，并重新關(guān)閉打開編碼器來編碼出一個(gè)新的IDR幀用于傳輸[4]；

(2)定時(shí)比較當(dāng)前編碼幀的時(shí)間與待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的時(shí)間差值，如果大于5 s，則執(zhí)行清除歷史緩沖的操作，并重新關(guān)閉打開編碼器來編碼出一個(gè)新的IDR幀用于傳輸[5]；

(3)另外為了保證對(duì)帶寬的充分利用以及傳輸?shù)椒?wù)器端的碼流可以正常播放，在清除歷史緩沖時(shí)增加了1幀的完整性判斷，即必須保證當(dāng)前傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)非1幀才執(zhí)行清除歷史緩沖的操作[6]。

4.2 目錄服務(wù)功能設(shè)計(jì)

目錄服務(wù)具有配置終端和中心管理服務(wù)器的功能，主要用于保存系統(tǒng)中所有設(shè)備的安裝和參數(shù)配置，并提供查詢、修改服務(wù)；保存系統(tǒng)中所有硬件服務(wù)器、軟件服務(wù)的安裝和配置信息，并提供查詢、修改；視頻文件的目錄管理服務(wù)；客戶端的配置、權(quán)限等信息維護(hù)；權(quán)限的保存、查詢、管理接口；體現(xiàn)系統(tǒng)一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目錄服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)：

(1)類似于DNS服務(wù)，采用UDP通信向外部提供服務(wù)[7]。

(2)目錄服務(wù)之間也可互相訪問，從而提供目錄冗余，它需通過管理人員設(shè)置，以免形成回路。

(3)所有物理節(jié)點(diǎn)、邏輯節(jié)點(diǎn)均統(tǒng)一編碼，并存儲(chǔ)到本地配置數(shù)據(jù)庫或文件中[8]：①服務(wù)器采用網(wǎng)卡“MAC地址”編碼，計(jì)算機(jī)名作為默認(rèn)摘要信息；②運(yùn)行在服務(wù)器上的服務(wù)程序，采用“MAC地址.服務(wù)編碼.端口號(hào)”形式編碼，例如“1234567890AB.MS1:8080”；③C/S客戶端計(jì)算機(jī)采用“MAC地址：端口號(hào)”唯一編碼；④攝像頭采用內(nèi)部物理地址編碼；⑤企業(yè)組織的層級(jí)采用ASCII方式編碼；⑥訪問用戶采用字符串編碼。

(4)目錄內(nèi)容淘汰方法[9]包括：靜態(tài)內(nèi)容長期保留和動(dòng)態(tài)內(nèi)容按約定超時(shí)周期淘汰。

本文闡述了IP Camera的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及主要部分的實(shí)現(xiàn)原理。著重介紹了視頻數(shù)據(jù)傳輸以及目錄服務(wù)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)的描述。系統(tǒng)服務(wù)器端采用Visual C++編程語言實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)[10]。該系統(tǒng)支持多種平臺(tái)的客戶端訪問，并具有良好的交互性和流暢的視頻效果。

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