孟燕偉 ，趙 利 ，莫金旺

（桂林電子科技大學(xué)，a.信息與通信學(xué)院；b.信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性及優(yōu)勢

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN）是一種基于多跳路由和對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、自配置和多跳級聯(lián)等特性[1]。因此，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中引入WMN技術(shù)后，將具有如下特點(diǎn)：

1）施工容易，節(jié)約成本。WMN僅需少量的網(wǎng)絡(luò)布線，基本不用建設(shè)新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合整體規(guī)劃可最大限度降低建設(shè)成本。

2）部署快捷，擴(kuò)展靈活。WMN具有自組網(wǎng)和自管理能力，視頻監(jiān)控點(diǎn)接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)后，能自動與監(jiān)控中心建立最佳的傳輸路由，并且視頻監(jiān)控點(diǎn)可隨時插入和刪除。

3）具有鏈路故障自愈能力，傳輸可靠性高。由于采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）結(jié)構(gòu)和多跳路由方式，可以利用迂回路由，避開故障節(jié)點(diǎn)，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能[1-2]。

4）具有較低的功耗以及網(wǎng)絡(luò)功耗可控能力，成本低，投資風(fēng)險較小。

2 基于WMN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體方案

基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。在監(jiān)控現(xiàn)場，多個具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的終端節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)，視頻監(jiān)控終端負(fù)責(zé)完成監(jiān)控現(xiàn)場視頻采集、壓縮、無線路由及收發(fā)數(shù)據(jù)等功能，并將視頻流傳輸?shù)脚c監(jiān)控中心相連的Mesh網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控中心接收來自監(jiān)控終端的視頻數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行解壓、播放等處理，同時也可實現(xiàn)本地存儲。

圖1 基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案

2.2 系統(tǒng)硬件方案（見圖2）

圖2 系統(tǒng)硬件方案結(jié)構(gòu)圖

視頻終端硬件平臺圍繞三星公司的S3C2440A-40處理器搭建，通過處理器的接口把所需外設(shè)集成到系統(tǒng)中。從功能角度來看，系統(tǒng)硬件平臺包括微處理器、存儲器、以太網(wǎng)接口、CCD攝像機(jī)以及電源等單元組成。S3C2440A-40處理器是一款為移動設(shè)備和各種多用途應(yīng)用設(shè)計的，內(nèi)核為ARM920T?？紤]到節(jié)約成本，系統(tǒng)采用開源的XVID軟件對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，SAA7113負(fù)責(zé)把CCD攝像機(jī)傳來的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，視頻壓縮程序?qū)D像數(shù)據(jù)壓縮為MPEG-4格式后，經(jīng)USB接口傳至S3C2440A-40，數(shù)據(jù)流經(jīng)USB接口輸出至RT73無線網(wǎng)卡，以IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)無線傳輸。在監(jiān)控中心，客戶端利用RTP/RTCP協(xié)議接收視頻數(shù)據(jù)，對終端的控制則采用面向連接的TCP/IP協(xié)議發(fā)送控制命令到服務(wù)器，實現(xiàn)對終端的控制。

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分由無線傳輸和有線傳輸組成。無線傳輸為Mesh網(wǎng)絡(luò)終端之間的傳輸，視頻監(jiān)控終端將壓縮的視頻流經(jīng)USB控制器擴(kuò)展的USB接口輸出到RT73無線傳輸模塊，完成無線發(fā)射，有線傳輸為視頻服務(wù)器與Internet之間的傳輸。

為了保證網(wǎng)絡(luò)的實時可靠傳輸，系統(tǒng)綜合利用了TCP協(xié)議和實時傳輸協(xié)議RTP分別完成不同的功能，保證了視頻的質(zhì)量和傳輸速度。TCP協(xié)議負(fù)責(zé)客戶端和服務(wù)器之間建立連接、傳輸控制命令和數(shù)據(jù)收發(fā)相關(guān)命令，從而確保控制命令的準(zhǔn)確傳送。RTP是一種獨(dú)立于應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由實時傳輸協(xié)議RTP和實時傳輸控制協(xié)議RTCP組成[3]，保證系統(tǒng)提供流媒體數(shù)據(jù)高效率傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸程序完成數(shù)據(jù)包的封裝，經(jīng)RT73無線網(wǎng)卡傳送到視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器經(jīng)Internet傳送到客戶端監(jiān)控中心。

4 基于DirectShow的客戶端軟件

DirectShow是微軟公司推出的新一代基于COM技術(shù)[4]的流媒體處理的開發(fā)包，為流媒體的捕捉、回放等處理提供了強(qiáng)大的支持。本文利用DirectShow技術(shù)設(shè)計了基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控客戶端軟件，軟件設(shè)計采用C/S模式，基于VC平臺的MFC框架[5]?？蛻舳撕瓦h(yuǎn)程終端通過Socket編程實現(xiàn)在整個網(wǎng)絡(luò)上通信。系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)

4.1 開發(fā)工具與環(huán)境

開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境有：DirectX 9.0以上版本；Microsoft Visual Studio 2005；Windows XP操作系統(tǒng)。

4.2 軟件功能設(shè)計

客戶端軟件由視頻接收、視頻解碼播放及遠(yuǎn)程控制命令發(fā)送模塊，模塊之間采用共享內(nèi)存進(jìn)行通信，其主要功能如下：

1） 視頻監(jiān)控

用戶可實現(xiàn)對多個監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場圖像進(jìn)行實時監(jiān)控，獲得與現(xiàn)場端相當(dāng)幀速率的視頻圖像，可對每路視頻圖像的對比度、亮度、色飽和度以及視圖大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2） 視頻錄像

隨時可對視頻圖像連續(xù)或選擇性錄像存儲。錄像信息中應(yīng)包括時間、監(jiān)控點(diǎn)等信息；可進(jìn)行視頻錄像回放、視頻輸出等操作。

3） 控制命令模塊

客戶端監(jiān)控中心可以對管轄范圍內(nèi)多個遠(yuǎn)程監(jiān)控前端進(jìn)行實時監(jiān)控，對于不同的管理用戶，分配不同的控制權(quán)限。根據(jù)權(quán)限的不同，管理者通過客戶端軟件，在權(quán)限允許的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)和監(jiān)控點(diǎn)，實現(xiàn)對監(jiān)控現(xiàn)場的實時監(jiān)控、對攝像機(jī)鏡頭和云臺進(jìn)行控制和管理實現(xiàn)對前端監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

4） 系統(tǒng)安全

只有通過輸入授權(quán)且正確的用戶名和密碼登陸后方可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.3 主要模塊設(shè)計與實現(xiàn)

4.3.1 視頻接收模塊

為了能同時接收來自終端的多路圖像，在程序中采用了Windows界面設(shè)計和多線程技術(shù)，每個線程創(chuàng)建一界面窗口，負(fù)責(zé)一路視頻流的接收和播放?？蛻舳说囊曨l數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示。

圖4 視頻數(shù)據(jù)接收流程圖

具有相應(yīng)權(quán)限的用戶通過口令登錄客戶端，并完成初始化，選定某一路視頻請求與相應(yīng)終端連接，發(fā)送自己的用戶名和密碼給服務(wù)器驗證訪問用戶的合法性。驗證成功后，輸入服務(wù)器視頻終端的IP地址，向服務(wù)器發(fā)送視頻數(shù)據(jù)請求，當(dāng)?shù)玫椒?wù)器返回的確認(rèn)消息后，啟動接收數(shù)據(jù)接收線程，視頻數(shù)據(jù)就通過網(wǎng)絡(luò)傳給客戶端的視頻接收緩沖區(qū)內(nèi)，客戶端開始接收視頻數(shù)據(jù)。

視頻接收模塊負(fù)責(zé)接收從網(wǎng)絡(luò)傳來的視頻數(shù)據(jù)，本文監(jiān)控系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的格式是MPEG-4，由于Direct-Show沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的從網(wǎng)絡(luò)接收MPEG-4數(shù)據(jù)的Source Filter，筆者設(shè)計了一個推模式的網(wǎng)絡(luò)源過濾器（其輸入Pin為推模式），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有數(shù)據(jù)到達(dá)時，則主動發(fā)送給該Source Filter，它只有一個輸出引腳。其主要功能在類 CReceiver Filter實現(xiàn)，繼承于CSoure類，設(shè)定它的媒體類型為 majortype=MEDIATYPE_Video；mt.subtype=CLSID_XVID。Source Filter創(chuàng)建完成后，通過調(diào)用接口的方式將其加入到FilterGraph對象中。

主要程序?qū)崿F(xiàn)描述為：

4.3.2 視頻播放模塊

視頻播放模塊實現(xiàn)視頻的實時播放，同時還可對存儲的視頻文件進(jìn)行視頻回放，其實現(xiàn)流程如圖5所示?？蛻舳私邮盏降囊曨l數(shù)據(jù)信息后，經(jīng)過解碼過濾器解碼即可進(jìn)行視頻回放或視頻存儲實現(xiàn)客戶端對終端視頻監(jiān)控圖像的訪問，客戶端可根據(jù)客戶需要選擇同時顯示多路視頻圖像。

圖5 視頻播放模塊實現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)中視頻壓縮格式為MPEG-4，所以筆者選用了Xvid Codec作為MPEG-4的核心解碼庫，其解碼器源代碼是開放的。通過調(diào)用Xvid的MPEG-4解碼核心代碼來完成視頻數(shù)據(jù)解壓縮。過濾器中設(shè)計了一個CXvidDecoder類，繼承于CVideoTransformFilter，作為解碼過濾器框架。在CXvidDecoder類包含了Xvid核心解碼庫。解碼過濾器收到數(shù)據(jù)包后，激活Xvid解碼器，然后檢查是否指定了輸出媒體類型。 如果是，則根據(jù)指定的媒體類型調(diào)用相應(yīng)的色彩空間轉(zhuǎn)化表，設(shè)置解碼后媒體類型；解碼時，先獲得輸入視頻數(shù)據(jù)包的指針和長度，將其拷貝到MPEG-4解碼器的緩存中。由于MPEG-4采用面向?qū)ο蟮木幋a，其數(shù)據(jù)包的長度可根據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場變化自動調(diào)整。MPEG-4解碼器能自動識別每幀圖像的數(shù)據(jù)量；緩沖區(qū)中多于一幀的數(shù)據(jù)量作為下次解碼的開始數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)不夠一幀圖像解碼數(shù)據(jù)，則返回等待下一個數(shù)據(jù)包讀入后再解碼，然后將解碼的數(shù)據(jù)包打上時間戳，按順序進(jìn)行回放。

4.3.3 創(chuàng)建Filter Graph

當(dāng)解碼過濾器開發(fā)完成后，在系統(tǒng)中注冊，以供應(yīng)用程序調(diào)用。創(chuàng)建Filter Graph時，只需調(diào)用接口的方式將Source Filter加入到FilterGraph對象中，根據(jù)MPEG-4 Video Decoder的CLSID創(chuàng)建它的實例，使用IflterGt aph::AddFilter接口方法將其加入到Filter Graph中[6]。通過IGraphBuilder::Connect接口方法將其連接起來，然后運(yùn)行Filter Graph即可實現(xiàn)播放。

4.3.4 遠(yuǎn)程控制模塊

實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制就是在監(jiān)控中心通過客戶端軟件，利用計算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤相應(yīng)操作來向終端服務(wù)器發(fā)送命令來實現(xiàn)對監(jiān)控點(diǎn)的攝像機(jī)的參數(shù)及云臺進(jìn)行控制。當(dāng)服務(wù)器接收到來自客戶端的命令后，調(diào)用云臺控制程序，對串口進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，經(jīng)云臺解碼器解碼后直接對攝像頭或云臺電平變化來實現(xiàn)對云臺控制。由于控制命令準(zhǔn)確性要求較高，數(shù)據(jù)量較小，所以采用了提供可靠連接傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行傳輸，用戶可以根據(jù)監(jiān)控場合、用途和功能的不同對串口采取不同的配置，在程序運(yùn)行后也可隨時對串口的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行更改。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試在某社區(qū)路口進(jìn)行，設(shè)置了5臺視頻監(jiān)控終端安置于監(jiān)控點(diǎn)，各監(jiān)控點(diǎn)之間的距離約為200 m，監(jiān)控主機(jī)通過IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡接入Mesh網(wǎng)絡(luò)，從任一監(jiān)控終端獲取Xvid-MPEG-4格式的視頻流，采用所開發(fā)的客戶端軟件完成終端設(shè)置、視頻接收、解碼播放等。測試結(jié)果表明，畫面播放流暢，實時性較好，視覺效果令人滿意。在進(jìn)行主動丟包測試時，當(dāng)丟包率達(dá)到10%時，圖像會出現(xiàn)少量的馬賽克，但播放依然流暢，完全可以滿足當(dāng)前視頻監(jiān)控市場的要求。

6 小結(jié)

基于無線Mesh網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于其獨(dú)特優(yōu)勢，與其他無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比具有較高的性價比，且安裝使用方便。由于MPEG-4的差錯恢復(fù)能力強(qiáng)，對各種網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在網(wǎng)絡(luò)帶寬更小的情況下，通過降低監(jiān)控畫面質(zhì)量，得到更小的碼率，以節(jié)約帶寬。隨著無線Mesh技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，其必將在多種領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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[1]AKYILDIZ I F，WANG Xudong.A survey on wireless Mesh networks[J].IEEE Communications Magazine， 2005，43（9）:23-30.

[2]BRUNO R，CONTI M，GREGORI E.Mesh networks:commodity multi-hop Ad Hoc networks[J].IEEE Communication Magazine， 2005，43（3）：123-131.

[3]潘鵬，杜旭，葉婷，等.RTP／RTCP實時傳輸協(xié)議的研究與Linux實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（24）：105-108.

[4]POGERSON D.COM技術(shù)內(nèi)幕——微軟組件對象模型[M].楊秀章，譯.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[5]郭曉鵬，李存斌.Visual C++高級編程及其項目應(yīng)用開發(fā)[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6]陸其明.DirectShow開發(fā)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.