监控系统与视频会议系统整合平台设计与实现.pdf

第 38 卷第 8 期2011 年 8 月Vol.38，No.8Aug.2011应用科技AppliedScience and Technology收稿日期：2011-03-21.基金项目：国家自然科学基金资助项目（61039003）作者简介：赵君力（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：图像处理、视频编解码、流媒体通信，E-mail：.doi：10.3969/j.issn.1009-671X.2011.08.006监控系统与视频会议系统整合平台设计与实现赵君力，赵龙，李萌（北京航空航天大学 控制一体化技术国家级重点实验室，北京 100191）摘要：为解决传统视频监控与视频会议系统相互独立、处理突发事件时二者不能互通的问题,提出了一种视频监控与视频会议整合平台的设计与实现方案,该方案将每个监控摄像头对应为视频会议中的一个视频终端，在视频会议发起时或会议中，可以将一个或多个实时监控图像调入视频会议终端中进行浏览和分析，提高了应急指挥能力和对突发事件的处置效率.利用可视电话和 MCU（micro controller unit，多点控制单元）对该平台进行实验验证，验证结果表明，视频效果良好，实现了监控系统和视频会议系统的整合，满足了应用需求.关键词：监控系统；视频会议系统；整合平台；应急指挥中图分类号：U666.1文献标识码：A文章编号：1009-671X（2011）08-0023-04Integrated platform design and implementation of thesurveillance and video conferencing systemZHAO Junli，ZHAO Long，LI Meng（National Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Control Technology，BUAA，Beijing 100191，China）Abstract：To solve the problem that traditional video surveillance is independent of video conferencing system，and itis hard to integrate in dealing with urgent interruptions，a design and implementation scheme which fuses surveillancesystem and video conferencing system is proposed.The platform converts each surveillance camera into correspondingvideo terminal in video conferencing system.When a video conference is started or during a video conference，one ormore real-time monitoring images can be imported into video conferencing system to browse and analyze，which cangreatly improve ability of emergency response and enhance efficiency of working out emergency procedures.The videophones and MCU（multipoint control unit）are used to validate the platform.The experimental results show that theperformanceofthevideoisgood，anditrealizessurveillancesystemandvideoconferencingsystemfusing，whichmeetstheapplicationrequirements.Keywords：surveillancesystem；videoconferencingsystem；intergratedplatform；emergencyresponse随着计算机技术、网络技术的快速发展，监控系统和视频会议系统已广泛应用于各个领域.其中，监控系统以其直观、方便和内容丰富等特点，日益受到人们的重视，视频监控系统主要应用在智能交通、智能楼宇、商场超市、医院校园、企业生产和生活小区等领域1；视频会议系统是通过视、音频压缩和多媒体通信技术实现的，支持人们远距离进行实时信息交流与共享，开展协同工作的应用系统，视频会议通过传送协作成员的视、音频信息，极大地方便了协作成员之间真实、直观的交流2.目前，视频会议作为一种现代多媒体通讯的主要手段，在很多领域被广泛应用，例如远程会议、远程医疗、远程教育与培训以及远程销售与推广等，其中 MCU（多点控制单元）是视频会议系统的核心部分，为用户提供群组会议、多组会议的连接服务.传统的监控中心与视频会议会场相互独立，造第 38 卷应用科技成了监控系统与视频会议系统出现整合难题，在突发事件发生时，比如交通事故、火灾、水灾等，要想实时了解现场环境，只能在监控中心观察，而且无法实现以现场实时图像为素材进行的视频会议讨论.针对上述问题，文中提出了一种监控系统与视频会议系统整合平台的设计方案.该平台将每个监控摄像头映射为视频会议中的一个视频终端，当视频会议中需要接入监控图像时，MCU 向监控与视频会议整合应用平台发起 SIP（session initiation proto-col，会话初始化协议）呼叫请求，监控与视频会议整合应用平台接受请求并建立呼叫，该平台的部署和使用完全不影响原监控系统和视频会议系统，并能整合用户现有系统实现资源最大化使用.1实验方案设计1.1组网方案根据视频监控系统和视频会议系统相对独立的特点以及实际应用需求，视频监控与视频会议整合平台的方案如图 1 所示.图1整合平台组网方案在图 1 中，左侧为视频会议会场端，其中 MCU将来自各会议场点的信息流，经过同步分离和抽取，再送入同一处理模块，完成相应的音视频混合或切换、定时和会议控制等过程，最后将各会议场点所需的各种信息重新组合起来，送往各相应的终端系统设备；右侧为监控中心端，其中监控服务器可以任意访问其下所有摄像头的视频数据.整合平台为视频监控与视频会议 2 个系统的中间件，负责视频监控与视频会议的互联和互通，而且 MCU 可以呼叫平台上所有资源并从指定摄像头获取视频图像并在视频会议终端上显示.1.2整合平台框架监控与视频会议整合平台采用模块化框架设计，降低了系统耦合度，增强了系统的可扩展性与可维护性，按照具体功能可划分为 7 个模块，即UAS（用户代理服务器）模块、数据库管理模块、日志管理模块、Web 模块、监控适配模块、视频编码模块和网络传输模块，其结构图如图 2 所示.1）UAS 模块.UAS 模块主要包含信息注册模块、呼叫控制模块和协议解析模块，其中信息注册模块主要是服务器向数据库中注册信息，呼叫控制是整个系统的重要部分，主要负责对于呼入电话的应答响应；协议解析层负责解析 SDP 信息，为多媒体传输提供保障.2）数据库管理模块.目前常用的大型数据库有MYSQL Server、Oracle、DB2 等，本方案选用的是MYSQL 数据库.平台数据库包含每一个授权用户的访问权限、摄像头编号和监控服务器通道的对应关系以及当前呼叫状态等内容，数据库管理模块主要实现对这些内容的存储、读取与更新等操作.3）日志管理模块.该模块主要记录当前呼叫信息、注册信息和监控服务器状态错误信息.4）Web 模块.该模块主要负责实现用户与平台的交互，终端用户可以根据实际需求对平台环境进行配置以及实时查看当前平台运行状态信息.5）监控适配模块.该模块主要负责调取监控服务器下摄像头视频数据并送入编码模块.6）视频编码模块.该模块对采集的视频数据进行压缩.7）网络传输模块.该模块对压缩后数据进行实时的网络传输.图2监控与视频会议整合平台的模块构成融合应用平台UAS模块数据库管理模块日志管理模块Web模块监控适配模块视频编码模块网络传输模块1.3整合平台技术应用1.3.1SIP 会话控制协议SIP 是一种基于 IP 网络实现实时通信的应用层控制（信令）协议，SIP 可以用来创建、修改和终止有多个参与者参加的多媒体会话进程，参与会话的成员可以通过组播（multicast）、单播（unicast）或两结合的方式进行通信.SIP 能邀请用户加入一个已经存24 第 8 期赵君力，等：监控系统与视频会议系统整合平台设计与实现在的会话中（如多播会话），也可以用于创建一个全新的会话3-4，本平台采用 SIP 为信令控制协议，从而可以与现存网络系统实现无缝连接，参加应用会话的示意图如图 3 所示.图3SIP会话客户端INVITE2 000 KACKBYE2 000 K监控与视频会议融合平台媒体会话Media SessionSIP 协议为 3 次握手协议.首先客户端携带新的SDP 信息向平台发起 INVITE 请求，平台收到后回复 2 000 K 并将协商后的 SDP 信息带回，客户端发送 ACK 给平台进行确认，平台收到确认信息后将视频发往客户端的指定端口，开始媒体对话，客户端在收到视频后进行解码显示，当客户想释放此次会话时，发送 BYE 信息，平台收到后将回复 2 000 K信息来结束此次会话.1.3.2网络传输协议RTP（real-time transport protocol）是目前解决流媒体实时传输问题的最理想方法，要编写实时传送视频的程序，可以使用一些开源的 RTP 库，如 jrtplib、librtp 等.Jrtplib 是一个面向对象的 RTP 库，用C+实现，现已经成功运行于 Windows、Linux、VxWorks 等多种 OS 平台，因此本平台选用 jrtplib 实现视频数据的发送.1.3.3视频编码算法当前，视频编码标准主要有 MJPEG、MPEG-4、H263 和 H264 等5-6，H.264 以其较高的压缩比、较好的网络适配性、较强的鲁棒性被广泛应用5.其中，X264 是迄今用于 H.264 编码的最先进也最实用的开源代码自由软件库，X264 支持大多数 H.264 的特性工具，包括：CABAC 和 CAVLC 高效熵编码、多参考帧预测、所有的帧内预测宏块类型、所有的前向帧间预测宏块类型、最常用的双向帧间预测宏块类型、1/4 像素精度运动估计、率失真优化、自适应 B帧选择7-8.因此本平台选用 X264 实现视频数据的编码.2方案实现监控与视频会议整合应用平台采用 C/C+语言开发，平台共包括 1 个主线程和 2 个子线程，软件设计结构如图 4 所示.图4监控与视频会议整合平台软件设计结构读取配置文件数据开始监控服务器（DVS）SDK 初始化程序退出并把错误码写入日志模块监控服务器登录成功否是创建监控服务器登录状态循环检测线程循环监听SIP消息收到INVITE消息将呼叫信息写入日志模块协议解析模块对呼叫信息解析回复2000 K消息收到ACK消息对jrtplib传输模块进行初始化创建视频编码传输线程否是是否收到挂机信号停止视频流的发送、释放内存调用jrtplib库发送输出数据到缓存视频编码传输线程X264编码是是否否调用监控服务器异常消息回调函数检 测 到DVS离 线DVS登 录 成功DVS登 录 检测 线程其中，在视频编码传输线程中调用了基于x264lib 的视频编码模块和基于 jrtplib 的视频传输模块.在视频编码模块中，首先调用 x264_param_default（）函数初始化用于保存输入参数的结构体x264_param_t 的变量 param，设置输入参数的默认值.然后调用函数 x264_encoder_open（）根据输入的param 参数初始化总结构 x264_t 的指针 h，并将param 参数保存到 h-param 中，接着调用函数x264_picture_alloc（）初始化结构 x264_picture_t 的变量 pic，并把实时缓存视频数据复制到 pic 中，再调用函数 x264_encoder_encode（）进行全部 VCL 视频编码层的编码及部分 NAL 网络适应层的编码，最后循环调用 x264_nal_encode 完成 NAL 层每个单位的编码.在视频传输模块中，首先创建一个 RTPSession类的一个对象来标识此次会话，然后通过 RTPSes-sion 实例的 creat（）方法对其进行初始化操作，接着25 应用科技第 38 卷设置接收目标地址、端口号、载荷类型、时间戳等，在对视频数据进行发送前，必须判断从 X264 编码输出的一个 NALU 是否小于 MTU（最大传输单元）.若小于，则采取单一封包模式对视频数据进行发送；否则，采取分片封包模式对视频数据进行发送，其中发送函数为 jrtplib 中的 SendPacket 函数.3实验结果与分析3.1测试环境与配置实验所用 PC 机硬件配置如下：Intel（R）Pentium（R）D CPU 2.50 GHz，2 G 内存.操作系统为 WindowsXP 2002+SP2.实验所用视频会议 MCU 型号为POLYCOM RMX500.实验所用视频会议客户端型号为 POLYCOM VVX1500.实验所用监控服务器为海康监控服务器.3.2实验结果与分析配置好局域网测试环境后，通过 Web 登录MCU，首先添加会议并设置为四分屏模式，然后添加 2 个 POLCOMVVX1500 客户端与两路视频监控摄像头编号并通过 MCU 呼叫，在 POLYCOMVVX1500 会分屏显示 MCU 所呼叫的视频会议客户端图像和监控图像，实验结果如图 5 所示.图 5实验结果其中，上面 2 幅图像为视频会议客户端图像，下面 2 幅图像为监控图像，通过此整合平台实现了在同一客户端同时显示视频会议客户端图像和监控图像，在突发事件发生时，例如交通事故、水灾、火灾、恐怖分子劫持人质等，多个管理者可以在不同的视频会场通过调取监控图像实现对突发现场的情况进行实时的观看并进行统一的讨论，通过高效的沟通实现了快速、及时、准确地制定决策信息；因此该平台满足了客户视频会议中观察突发现场情况的需求，且分屏图像较清晰，满足监控需求.4结束语设计了一种监控系统与视频会议系统整合平台方案，该方案为应急指挥一体化解决方案，为监控系统方案、视频通信系统方案提供增值服务，提升了解决方案实用价值，解决用户监控与视频通信系统整合难题.从实验结果看，本整合平台运行安全、可靠、稳定，达到了设计时的期望，并具有开发成本低、使用方便、功能可扩展等特点，可用于学校、水利、林业、家居以及银行等多种领域，具有较好的市场前景.参考文献：1何华丽.基于 H264 的多平台视频监控系统的研究与实现D.北京：北京邮电大学，2009:2-4.2傅志辉.基于 SIP 协议的视频会议系统研究及应用实现D.杭州：浙江工业大学，2007:2-5.3ROSENBERG J，SHULZRINNE H，CAMARILLO G，et al.SIP:Session Initiation ProtocolR.RFC3261，2002.4陈季安，陈安平，李立群.基于 SIP 的网络视频监控系统J.计算机应用研究，2005，24（5）:248-250.5RICHARDSON I E G.H.264 and MPEG-4 video compression-videocodingfornext-generationmultimediaD.Aberdeen:The Robert Gordon University，2003:15-95.6THIEL G.Automatic CCTV surveillance towards the virtualguardJ.IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine，2000，15（7）:3-9.7毕厚杰.新一代视频压缩编码标准H.264/AVCM.北京：人面邮电出版社，2005：27-35.8陈杰.H.264 视频编解码传输算法平台及码率控制研究D.上海：上海交通大学，2007:29-31.26