数字化网络视频监控系统的设计与实现.pdf
10算机安全 2008.2学术.技术随着计算机、网络、图像处理、传输技术的飞速发展，以及宽带的普及、数字监控设备成本的降低，视频监控制技术也有长足的发展，网络视频监控已经成为监控领域又一新的发展方向。技术的快速发展也是推动社会增加在视频监控上的投入的原因。传统的单纯用于视频存档的 VCR 已经风光不再，数字化网络视频监控正逐渐成为视频监控领域的主流，数字视频监控系统的智能性和可靠性高，能提供远程访问能力，以及解决了视频图像远程传输问题,视频资料管理保存方便，数字化系统图像清晰、抗干扰能力强，网络视频监控系统使用现有的网络系统，使整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享，这将是监控系统发展的必然趋势1，论文致力于提供符合实用性、可扩展性、易操作性、实时性、安全性、高可靠性、可维护性等要求的以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心的第三代视频监控系统。1 系统架构作为一个通用化视频监控平台，该系统由如下模块组成。1.1 设备控制模块该模块是系统的设备驱动层，整个系统通过该模块完成与编解码器的通信。应用层的设备无关指令通过该模块翻译成设备相关指令，通过网络传输层，完成对设备的各种控制与交互。1.2 媒体控制模块该模块是视频监控系统的核心，用以完成对大容量媒体流以及透明数据的管理。媒体流包括两个方面的内容：一个是实时的视音频流；一个是文件流。数据管理包含两个方面的内容：存储和转发。通过一套高效和强壮的流处理机制完成存储和转发的统一资源调度，从而使得系统的处理能力得到极大的提高。1.3 链接管理模块连接管理接口是媒体控制接口的核心。每个连接由源和目的惟一标识。一个连接表示了一个数据传输通道。系统为每个连接创建专门的处理任务。连接相互独立，有效地避免了系统故障的扩散。每个连接可以附加一个存储请求和若干的转发请求。存储和转发共享数据，独立运行。数据的共享可以节约网络带宽，数据的并行处理保障了数字化网络视频监控系统的设计与实现杨大全，熊 璐（沈阳工业大学 信息科学与工程技术学院，辽宁 沈阳 110023）摘 要：为了设计一个通用化网络视频监控平台，提供一套具有实时性、实用性、易操作性、高可靠性、可维护性的视频监控管理系统，该文介绍了数字化网络视频监控系统的原理、架构和主要技术手段，采用 DirectDraw 和 DirectSound 技术播放音频和视频，并描述了关于网络视频数据流量的计算过程，通过采用分布式架构管理，降低网络视频数据流量，基于 Client/Server 架构、模块化结构，实现了网络视频监控管理系统。关键词：视频监控；分布式架构；数据传输；媒体控制Design and realization of digital network video monitor systemYANY Da-quan，XIONG Lu(School of Information Science And Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110023,P.R.China)Abstract:For design a platform of universal network video monitor,provide network video monitor management system which have real time nature,practicability,easy operability,high reliability,maintainability.it presents the principle、system frame and the main technology methods that system adopts of digital network video monitor system,play audio and video through directdraw and directsound,and then described the process of calculation about network video data frequency rate of flow,The system reduced network video frequency data rate of flow by adopt distributed frame management,base on the frame of client/server and modularized structure,have realized network video monitor management system.Key words:video monitor；distributed Frame；data transmission；medium control112008.2 计算机安学术.技术系统的效率和强壮性。1.4 客户端管理模块所有客户端和服务器的通信都要经过该模块的翻译和处理。通过该接口，客户端和服务器可以完成各种控制信令的交互。客户端管理接口又可以细分为如下几个模块：(1)权限管理，用户、角色和权限的管理；(2)认证管理，身份的认证；(3)呼叫管理，客户端各种请求的响应，包括连接的建立和删除，设备的参数请求等。1.5 报警管理模块通过该接口，该系统实时调度各种资源用于完成对报警信息的及时处理和联动。1.6 服务器管理模块该系统采用分布式多叉树服务器架构，用以分担整个系统的网络和计算压力。服务器管理模块负责在各个服务器之间传递和同步服务器状态，协调各个服务器的工作。1.7 系统诊断模块该模块包括如下一些组成部分：(1)日志管理：负责记录系统内发生的事件，并且在第一时间将要发布的日志发布到相应的客户端上。这样，可以减轻系统管理员对整个系统的维护工作量。(2)设备巡检：负责第一时间获得设备的各种状态，包括：网络是否正常、镜头是否正常、名称是否改变、配置是否改变等等。这些状态数据也需要同步传递到各个在线的客户端，保障应用视频图像的一致性。(3)客户端巡检：负责客户端状态的获取，包括客户端的登录、退出和掉线。(4)服务器巡检：负责查询每个服务器是否在线。如果服务器掉线，系统会在第一时间给出提示，从而转入相应的故障处理模块。(5)服务器工作上下文诊断：用于诊断服务器各个模块是否正常，对于一些不正常的模块，系统负责恢复或者清除。(6)故障弱化：客户端故障弱化，为了保障服务器的性能，对于已经掉线的客户端，服务器自动剔除并释放相应资源。服务器故障弱化，如果服务器出现故障，在故障修复好后，系统会自动修复与所有在线客户端的连接，让用户自动重新回到正常的工作环境中。该系统组成及原理如图 1 所示。图 1 系统组成及原理图2 主要技术手段2.1 视音频压缩技术视音频是流特性业务，数据量很大。因此，IP 视频通信的第一步就是视频压缩，视频压缩编码的理论基础是信息论。压缩就是从时域、空域两方面去除冗余信息，即将可推知的确定信息去掉2。该系统采用 MPEG-4 编解码标准，MPEG-4 视频质量与分辨率高，而数据率相对较低。主要的原因在 MPEG-4 采用了 ACE(高级译码效率)技术，它是一套首次使用于MPEG-4 的编码运算规则。与 ACE有关的目标定向可以启用很低的数据率。这可以将整部视频电影以完全PAL 或者 NTSC 的分辨率与立体声(16 位,48 kHz)存储在单个 CD-ROM 上3。2.2 流媒体管理技术对一个基于 TCP/IP 网络的图像传输系统，如果仅仅满足于图像能在网络上传输，那是远远不够的。由于视频源众多，情况各异，图像监控所需的视频传输数据往往会彼此或和其他系统争用带宽。若只有一、二个视频源，情况尚可忍受；若视频源超过一定数目，需要调看图像的用户又多的话，局面就会混乱不堪。其后果就是图像质量下降、延迟、停滞，甚至造成系统瘫痪。监控管理系统采用的流媒体软件技术，基于用户端/服务器架构实现监控管理软件。它的主要作用是根据网络带宽、流量和用户的请求合理地分配各个视频流数据的传输，从而保证了图像质量，有效降低了在多用户并发操作下的图像延迟和带宽占用。同时也保证了高级别用户可以及时有效地获取所需信息4。在视频图像和音频声音的播放方面上分别采用了 DirectDraw 和DirectSound 机制来处理，客户端中的数据接收线程把服务器转发出的视频数据包存入缓冲区并分析数据包格式，然后把相应的数据交给解码函数解码出 YUV 裸视频流数据，在视频播放线程中用 DirectDraw 方法把一帧视频数据快速拷贝到画面上。同时数据接收线程处理服务器转发过来的音频包，处理完后把相应数据交给音频播放线程，通过 DirectSound 方法中的环形缓冲区通知机制，不断地把音频数据存入缓冲区中，这样就保证12算机安全 2008.2学术.技术了视频和音频的流畅性。2.3 数据传输技术TCP/IP 网络协议是目前最流行也是最稳定的网络协议。视频监控系统在 TCP/IP 网络协议之上开发了专用通讯层，针对图像数据的混合传输做了优化处理，适合多点视频和数据的并发传输，降低了系统资源的占用率。该通讯层支持多种 TCP/IP 协议的传输，包括 TCP、UDP、RTP 和组播等5。该系统用了 UDP 和 TCP双传输协议，在命令控制上用了 TCP协议，由于网络视频监控系统对实时性和画质要求很高，所以音视频数据的传输用 UDP 协议，保证数据传输的流畅性和连续性。通过 SOCKET编程并且单独用一个线程处理音视频数据的接受。2.4 数据存储、处理、分析技术为了对报警数据进行分析处理，系统使用了 Microsoft 公司的 SQL Server 数据库系统，并成功地实现了数据库的分布存储和访问，有效地降低了系统负担，大大提高了系统的稳定性。同时，系统支持对数据的多种查询和分析方式。并且系统提供了各类数据库。主要有告警数据库、历史统计值数据库、系统事件数据库。从而为整体数据的存储、处理及分析提供了强有力的依据6。3 网络视频流量计算为了有效地降低网络数据流量，系统采用分布式管理架构，即在某监控集中区域或专门区域设置一级视频转发服务器，在本地完成录像；在中心监控室设置二级目录服务器，负责管理所有一级视频转发服务器及来自非监控集中地的视频点播请求。该系统通过效地实施用户权限管理，使网络浏览具有严格的保密性和较高的安全级别。监控网络的视频流量模型如下7：3.1 辅助监控单元内部流量S1=S0n1+S0V1其中：S1 辅助控制单元 1 内部流量；S0 单路实时视频码率；n1 辅助控制单元 1 内部录像路数；V1 辅助控制单元 1 内部并发访问客户端数量。如，在辅助控制单元 1 中，有20 路视频同时做 24 小时不间断录像，同时再有 5 个终端访问视频监控点，而每路视频监控流我们规定为 500k带 宽，即 S0=500k，n1=20，V1=5，则 S1=12,500k=12M，即此时该控制单元内部视频流量约为 12M。3.2 辅助控制单元与中心控制单元间的流量S1=S0n1其中：S1 辅助控制单元与中心控制单元间的流量；S0 单路实时视频码率；n1 来自中心控制单元的视频调用请求。如，中心控制单元电视墙上 9 个画面同时显示来自辅助控制单元 1 的电视画面，即 S0=500k，n1=9，则S1=500k9=4,500k=4M。3.3 辅助控制单元之间的流量因为在分布式架构中，各一级视频转发服务器之间，即各辅助控制单元之间是不允许互相访问的，因此它们之间不存在流量。3.4 中心控制单元与全厂主干网之间的流量S=S0V 其中：S 中心控制单元与主干网之间的流量；S0单路实时视频码率；V其他辅助控制人员的并发访问。如，其他辅助控制人员的并发访问 20 个，即 V 20，则中心控制单元与全厂主干网之间的流量 S=500k20=10000k=10M8。通过以上分析，由于采用了分布式架构管理，使得监控系统内部、监控系统与主干网络之间的数据流量被控制在很低的水平，完全可以在现有的网络上顺畅地运行。系统采用 Client/Server 模式，音视频包经过前端设备采集后压缩封装并通过网络传输由服务器转发给客户端，该系统基本框图如图 2 所示。图 2 系统基本框图4 效果图系统在 VC+6.0 的编程环境下，最终实现的效果如图 3 所示。图 3 效果图5 结束语不可否认，基于 IP 的第三代网络视频监控系统正处于蓬勃发展的阶段。这种趋势是网络发展的必然，是视频编解码技术发展的必然，是行业数据整合的必然。监控系统大型化、132008.2 计算机安学术.技术网络化、集成化不可阻挡。软件系统和管理平台作为第三代网络视频监控系统的核心，作为整个系统调度和管理的中心，在第三代网络视频监控业务中扮演着极其重要的角色9。可以说，第三代网络视频系统终将发展成为一个与硬件无关的系统。网络视频监控必将融入到不同行业中去，也必将融入到行业的整体解决方案中去。参考文献：1 刘富强.数字视频监控系统及其应用.工矿自动化 J,2003(6).2 钟玉琢,向哲.流媒体和视频服务器.北京:清华大学出版社 M,2003.3 李博轩.Visual C+6.0 多媒体开发指南 M.北京:清华大学出版社,2000.4 刘毓敏.数字视音频技术与应用 M.北京.电子工业出版社.2003.5 吴礅华.网络视频监控系统中数据传输的实现.计算机工程与设计J,2004(6).6 蔡明,任琦年.视频监控系统中的视频存储系统的设计与实现.江南大学学报 D,2003,2.7Evelyn Redtree.Why Digital Surveillance Systems Are Replacing Analog Systems.Security WorldD.Nov/Dec 2000.8Banerjee,Suman.Scalable secure group communication over IP multicast.IEEE Joumal on Selected Areas in CommunicationsS,2002.9 施裕丰.网络多媒体监控系统 D.计算机工 程,2000:15-27.作者简介：杨大全（1948），男，硕士，沈阳工业大学教授，硕士研究生导师，主要研究方向：计算机网络；熊 璐（1983），男，沈阳工业大学硕士研究生，主要研究方向：多媒体网络。收稿日期:2007-09-07（上接 6 页）商务集成平台”实际的项目，设计实现了基于平台用户和企业组织结构的分类分层的访问控制模型。从项目的应用实践来看，该模型角色层次分明，易于维护和扩展，非常适用于用户较多且主要面向内部组织结构不太复杂的中小型企业的 ASP 平台。参考文献：1 刘春华.ASP 服务平台的实现与研究D.硕士,南开大学，2005.5.2 李建，廖秋筠.ASP 服务平台访问授权策略研究 J.现代制造工程，2007，第 1 期.3 马文斌.基于角色的访问控制系统设计 J.同煤科技,2006，4.4 黄福军.基于任务和角色的访问控制（T RBAC）模型及其实现技术 J.济宁师范专科学校学报.2006，第 27卷 第 6 期.5 夏榆滨，宣明付.基于 RBAC 的统一权限管理系统研究 J.微计算机信息，2006,第 22 卷 第 9 3 期.6 王佳，顾寄南.基于 ASP 模式网络化制造平台的访问控制的研究 J.机械制造与设计，2006，第 12 期.7 张晓群，董丽丽.角色访问控制模型的研究与应用 J.计算机技术与发展，2007，第 17 卷 第 2 期.8 Sandhu R,Coyne E J,Feinstein H L.Role-Based access control modelJ.IEEE Computers,1996,29(2).作者简介：马晓东（1981-），男，同济大学研究生，主要研究方向：CAD 与企业信息化人；柳先辉（1979-），男，讲师，硕士，主要研究方向：图形图像及计算机辅助设计；赵卫东(1965 )，男，工学博士，同济大学研究员，博士生导师，研究方向为制造业信息化,图形图像处理。收稿日期：2007-09-18 河南中原绿能高科有限责任公司（原中原石油勘探局天然气应用技术开发处），是专业从事天然气应用技术开发的企业，主要从事压缩天然气（英文简称 CNG）汽车技术的研究和推广、CNG 生产与销售，液化天然气（英文简称 LNG）的生产、储运、应用技术的研究，城市民用、工业用 L-CNG 工程项目开发及综合技术服务。随着企业信息化的发展，中原绿能高科的计算机应用系统不断增多，除在目前正在应用的数据库系统外，ERP、财务系统也正计划实施中，日常业务的处理越来越离不开计算机和网络。中原绿能高科总部位于濮阳，需要将开封等分支机构的数据同步不间断地传入总部，同时出差和休息期间处理急件的领导和员工越来越多，迫切需要一个良好的远程办公环境。在对深信服 SSL VPN 多方面了解的情况下，最终选用两台 M5400-S 设备，若干 SSL VPN 授权用户，后期还会将应用拓展到公司所有的分支机构。深信服 SSL VPN 作为业内速度最快、安全性和易用性突出的解决方案，在中原绿能高科的移动办公和远程接入中发挥出了巨大的作用。由于融入了 LZO 压缩技术、Web Push 技术和多线路技术，深信服 SSL VPN 为中原绿能高科提供了超出想象的高速访问体验。同时深信服 SSL VPN 保障了中原绿能高科在数据传输过程、用户接入认证、内网权限划分 3 个方面的安全性。其友好的操作界面也为移动办公接入用户提供了最为简化的访问方式。深信服 SSL VPN 作为整个中原绿能高科应用系统数据的互联网接入系统，具备了 724 小时不间断运行的能力，保证整网的可用性；同时，深信服 SSL VPN 提供了备份机制来降低因互联网线路中断或硬件故障可能带来的风险，赢得了中原绿能高科的认可。深信服千兆级 SSL VPN 中标中原绿能高科
