基于流媒体技术的网络视频监控研究.pdf
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1、收稿日期:!#$%$!;修返日期:!&$#$#基于流媒体技术的网络视频监控研究岳 峰,陈凌峰,邓勇开,沙定国(北京理工大学 光电工程系,北京%(%)摘 要:使用流媒体技术构建网络视频监控系统具有成本低廉,稳定可靠,不受防火墙限制等诸多优点,全面地介绍了基于流媒体的监控系统构成和开发方法,并重点分析了系统的延迟问题。关键词:流媒体;视频监控;)*+,-./01,*2;延迟中图法分类号:34#5#6 7 文献标识码:8 文章编号:%$#95:(!:)!$!%:$!;1/12-?*,1-ABC1*DD2+=1 AE/F1G H2/1,-+AF+-D-IEJKL M1+I,NOLP Q*+I$?1+I
2、,RLPS J-+I$T2*,AO8 R*+I$IB-(!#$%&()&$&*+,$-&./,0.1/.-/.1,2/3/.1 4./5-6/$7&8,).&+&17,2/3/.1%(%,9)/.:)!#$%&$:31 C*,1-/BC1*DD2+=1/E/F1G U2/1,-+/F+-D-IE 2/F1 2,C2+F2I1-?D-.=-/F,/F2UD1 B+*+I,B+=-+/F2*+1,UE?*/W2W11/FB=FB1 2+,W-I1 C*,1-/BC1*DD2+=1/E/F1G U2/1,-+/F1 U-2,=2/F,1D2E*+,1F2*DV()*+,%-#:AF12G*+I 01
3、,*2;*,1-ABC1*DD2+=1;)*+,-./01,*2;R1D2E!流媒体技术(%)流媒体概述当您在线收听或收看网络上的音视频节目时,您就正在使用流媒体。流媒体技术的出现是为了解决普通音视频文件的巨大数据量与有限的网络传输带宽之间的矛盾而产生的。与常规的多媒体文件不同,流媒体的播放并不要求下载完整的文件,而仅需要将开始部分缓存,然后就可以实现数据流的随时传送随时播放。为了达到这个目的,流媒体服务器需要将动画、视音频等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包,由视频服务器向用户计算机连续、实时传送。用户只需经过几秒或十几秒的启动延时即可在自己的计算机上利用解压设备(硬件或软件)对压
4、缩的多媒体数据进行解压后回放。当音视频等媒体数据在客户终端播放时,数据的剩余部分将在后台从服务器继续下载。与单纯的下载方式相比,由于用户不用等所有内容都下载到硬盘后才开始浏览,因而流媒体文件的启动延时将大幅度地缩短,同时对客户端的存储需求也大为减少。为了保证媒体文件的实时性,流式传输使用特定的实时流传输协议;3A4。流媒体技术在远程教育、远程医疗、视频点播、电子商务等领域都有着广泛的应用前景,蕴含着巨大的商机,因而吸引了众多企业参与竞争。当前流媒体领域存在的三个主要的竞争对手是;12DP1F.-T/公司的;12DAE/F1G,微软公司的)*+,-./01,*2,以及苹果公司的 YB*=T3*G
5、1%,!。(!)流媒体技术的应用框架以微软的)*+,-./01,*2 平台为例,一个完整的流媒体应用系统包括以下五个组成部分#(图%):!编码器。使用制作软件压缩多媒体内容成流媒体格式。微软的流媒体视频采用04LS$&压缩编码,音频编码器则类似于 04#,可以在低比特率的情况下获得良好的音视频回放效果(最低带宽需求为!(6(TUW/)。流媒体数据。微软的流媒体文件格式为 8AM(8,C2+=1,AF12G*+I M-G2F),8AM 用于排列、组织、同步多媒体数据以通过网络传输,8AM 格式同样适于在本地播放。客户端的应用程序可以根据 8AM 流中存储的信息来决定使用何种解码器。#服务器。它主
6、要管理流媒体内容的发布,流媒体的基本发布方式为单播和多播。$网络。流媒体应用可以构筑在现有的大多数网络平台上。%播放器。客户端使用)*+$,-./01,*2 4D2E1 回放流媒体文件。图%流媒体技术的应用框架#基于流媒体的远程监控系统构建使用流媒体技术构建的网络远程监控系统包括硬件和软件两个方面。由于流媒体技术基本采用软件压缩技术来压缩多媒体流信息,所以其硬件构成相对简单。就硬件构成来说,在被监控端只需要一台摄像机和安装有支持流媒体的图像采集卡的计算机就行了。微软为开发基于流媒体的网络应用提供了完善的开发工具包)*+,-./01,*2 ARZ,并以动态链接库的形式提供给用户使用。经过不断的改
7、进,)*+,-./01,*2 ARZ 当前的最新版本是 5V,它由一系列满足不同应用要求的专用开发工具包(ARZ)构成,包括流文件的读写编辑、网络发布、数字版权管理等六个组件,其核心是编码器组件(L+=-,1 ARZ)。对构建简:%!第!期岳 峰等:基于流媒体技术的网络视频监控研究万方数据单的网络视频监控系统来说,只使用!#$%&()*就可以完成基本的任务。在+,中编程时,必须首先在项目中加入所需的头文件。!#$%&()*提供的头文件如表-所示。表-.头文件清单头文件描.述/$#0/01&23 4包含远程管理 56%$78 9&%60 编码器的接口:8;$;84&/3 4包含在对话框中使用预定
8、义属性页的接口7:%&9)的接口7:$%&3 4包含配置和运行 56%$78 9&%60 编码器的接口7:H+I(!L!,)I59!#$%&,(V(QI-V),M;(#Q;);G G 增加一个名为(Q-的源组4 B;(#Q;R S T%($?#&(59!D+IL)!H,M;(#L6%);G G 在源组中加入视频源4 B;(#L6%R S(&2;?2(+$:U(J(V)&6#&:G G)&=0?/2IL6%&$I)&H+I(!L!,)I59!#A$=6/&N,(TDJIJE!);G G 指明配置在创建之后立刻生效4 B;A$R S;?2IA$=6/&D0:&(+$:U(J(V 6%&$8
9、?(VT;$=6/&=$6%&$8?9$%&(59!D+IL)!H,P,59!D+IAL9IDHD!);G G 指定常比特率(+U)模式4 B;A$R S T%T?%6&(NPPPPP,M;T?%#);G G 增加一个“听众”4 B;T?%#R S;?2IL6%&$A((P,NPPP);G G 设置帧率为 N=;859!D+IFHDQFHDQ/L6%0:&2;4 B;T?%#R S 1&2IL6%&$*&Y0:&)6820#&(P,M/L6%0:&2);/L6%0:&23 62Z B PPP!-PPPP;4 B;T?%#R S;?2IL6%&$*&Y0:&)6820#&(P,/L6%0:&
10、2);G G 设置编码时的关键帧间隔为 8/$1/L6%U02&BNPPPP;4 B;T?%#R S;?2IL6%&$U6202&(P,/L6%U02&);G G 指定视频流的比特率为 NP_;834 B;T?%#R S;?2IL6%&$&6142(P,Naa);G G 设置输入视频高度为 Naa 像素4 B;T?%#R S;?2IL6%&$56%24(P,Wa);G G 设置输入视频宽度为 Wa 像素4 B;T?%#R S;?2IL6%&$U?=&(6C&(P,-PPP);G G 设置编码缓冲区长度为-84 B;A$R S L0/6%02&();G G 确立配置设置4 B;(#Q;R S;?
11、2IA$=6/&(+$:L0602(;A$);G G 设定源组使用该配置文件()设置分发方法。指定编码后的流数据以 JJA 协议广播发送,由于大多数防火墙都允许 JJA 数据包通过,因此使用流媒体构建的视频监控系统可以轻易突破防火墙限制。4 B;!#$%&R S 1&2IU$0%#082(M;U%#82);G G 创建 59!#U$0%#082 对象4 B;U%#82 R S;?2IA$2D?:_&(59!D+I AHJH+HF I JJA,aPaP);G G 指定 aPaP 端口和 JJA 协议()开始编码。4 B;!#$%&R S A&;0&J$!#$%&(LTTDJIJE!);4 B;!
12、#$%&R S(202();网络监控端的软件可以直接使用 56%$78 9&%60 A/0Y&。为了设置客户应用,微软提供了 9&%60 A/0Y&的 T#26&K 控件,用户可以根据需要在自己的应用程序中嵌入监控应用。欲查看监控现场的场景,只需要地址栏中输入被监控端计算机的A 地址和端口号即可,格式为 422;:G G AI0%&88:;$23!试验结果及讨论按照前面的系统构建,我们在局域网中进行了远程监控的相关试验。被监控端采用 H8;&Y NPP 流媒体图像采集卡,编码计算机为 A!N3 QC,内存为-N9U,操作系统采用 56%$78NPPP。监控端则直接使用 56%$78 9&%60
13、 A/0Y&O3 P 回放。试验表明,采用流媒体技术构建的网络视频监控系统,可以在NP_;8 的带宽下以N=;8 的速度编码分辨率为Waa bNaa的视频信息。监控端解码得到的图像质量基本接近源信息,效果非常令人满意。但系统也存在一个明显的问题,就是监控端回放被监控现场时存在有比较明显的滞后,通常为-P8 左右。流媒体技术所产生的滞后现象是由于编码端和播放端的数据缓冲造成的,图 N 是缓冲过程的示意图。图 N.流媒体的数据缓冲(-)编码器缓冲。所有的视频压缩算法都是基于帧内压缩和帧间压缩的。为了去除帧间的冗余信息,视频编码器需要缓存一段时间的帧数据用作分析,从而以尽可能低的比特率产生高品质的图
14、像输出。默认情况下,56%$78 9&%60 编码器引入了大约 8 的延迟。(N)播放器缓冲。虽然数据在编码端是连续发送的,但互联网却无法保证所有的流数据全部按序到达。(下转第 N-O 页)Z-N计算机应用研究NPP 年万方数据分利用!#协议的优势,提供完整的对移动$%&$&%的支持。!以#$%协议为统一信令系统的移动$&()&(设想在与!#相关的为$%&$&%提供完整移动性支持的研究中,目前存在两种基本思想:一是对!#协议进行扩展,使其支持()#的同时也可以支持*+#连接。在该方案中,终端协议要维护当前*+#连接的信息,当终端发生子网切换时,将使用隧道封装来传输数据流。这种方案要求所有终端都
15、有数据封装的能力,对协议栈有较大的改动。另外一种方法是将!#协议与其他协议相结合从而支持()#和*+#连接。比如,将,-./0与!#相结合,用!#处理基于()#的实时通信,用,-./0处理基于*+#应用。由于,-./0的家乡代理和!#服务器中都需要维护移动节点当前的位置信息,所以两者在功能上有所重复。为了避免功能重复,需要协调两套协议栈的工作,使两者可以互相访问或者调用共享资源。此外,还需要有一定的判断机制来决定使用!#还是,-./0。这些功能的设计都增加了系统的复杂性,同时也降低了通用性。由于以上的设计思想都存在缺陷,本文提出一种新的以!#协议为统一信令系统的移动性管理方案的
16、设想。该设计的基本思想是充分发挥!#协议作为信令协议的优势,用它完成全部的信令过程,用于建立新的会话,并维护移动节点当前的位置信息。对于已经建立的会话,使用#层的绑定更新,隧道封装等机制来保证原有的会话不断。由于!#可以为移动节点提供永久标志,并且提供维护移动节点的当前位置,所以,-./0中的永久的家乡代理可以被省去。只需要移动节点动态地配置移动代理的信息,用当前的位置信息进行绑定更新,使得移动代理实现对已经建立的会话的路由即可。这样就可以同时支持()#和*+#的连接。这种方案的优点是,实现了信令与数据相分离的思想,充分发挥了!#协议的优势。同时借助移动#现有的一些机制,实现了终端移动对上
17、层协议的透明。该方案的实现较为方便,只需要对移动终端进行一定的修改和扩展,而不需要对现有的网络结构中的节点进行修改。该方案也省去了协调!#与其他协议栈共同工作的复杂性。因此,该方案优于上文提到的两种方案。*结束语移动$%&$&%是当前移动通信和网络领域的一个研究热点。由于基于!#协议的移动性支持方案所具有优越性,人们希望不仅仅用它来支持基于()#连接的实时通信。为了提供完整的对移动$%&$&%的支持,文中提出以!#协议为统一信令系统的移动性管理方案的设想。目前,这一设想还在进一步的研究和实现中。由于!#协议具有的简洁、高效和易扩展等特点,可以很方便地修改,它可以更好地提供移动性的支持。从目前来
18、看,利用!#协议的应用层提供移动性支持还只是对其他网络层的移动性支持方案(如移动#和+#1!)的有利补充,但从长远来看,,-./0&!#必将得到更加广泛的应用。参考文献:2 30/$4&506$5,7&$/$8!9:60;/$&/$8!#?AB :%=:CCC 9-06D./E=E=&4&50GGHI J,-./0/%K=5L,2GGGMHINO 胡玉平,韩德志 一种改进的移动#路由方案?计算机应用研究,OHHP,OH(P):QMGNP 裴珂,李建东 移动#路由优化性能分析及仿真?&$.&8,7!9:60;/$&,T+EDE/00-/-$/%/E%/-$#-M%-9-0!3*U 1U+POQ2
19、,OHHONR U VEW/0,X)6%E,!YE.E,U6$9%/-$E$5 6&3Y AB 6D-M/=M=/$8MD-./0/%KM&MHH%,OHH2N U VEW/0,!#$!6=-%/$8,-./0/%K L-,60%/D&5/E C/%:!#3YAB 6D-M/=/$8MD-./0/%KMD60%/D&5/EMH2,&5/E#0EK&同样维持有缓冲区。无序到达的数据流会首先在缓冲区中排队,若接收到的数据出错或丢失则请求服务器重新发送。由于播放端缓冲的存在,即使接收数据暂时中断,客户端也可以使用缓存中的数据回放。这样即使在网络拥挤时,客户端播放出来的音视频也表现得连续而平滑。,&5
20、/E#0EK&默认的播放器缓冲也是。由上面的分析可见,数据缓冲是为了平衡网络带宽和图像质量的矛盾而作的妥协。缓存越大,延迟越长,但得到的回放质量也越好。要减小回放的延迟就必须适当减小编码端和播放端的缓冲区大小。完全去掉缓冲是不可能的,4/$5-C,&5/E 组件在没有缓冲的情况下无法工作。对于稳定高速的互联网用户来说,减小缓存一般不会带来大的影响,但对低速网络则会造成音视频回放质量的大幅下降,这时就只能在延迟与视频质量之间做一个折中了。我们在局域网做的实验中,编码器和播放器的缓冲都降到了最小(缓冲区尺寸都设为 2),最终得到的回放延迟约为PN I。虽然这个数字对那些实时性要求比较高的场合(如视
21、频会议)还是显得太大,但在实时性要求不太高的视频监控应用中还是可以接受的。另外,,&5/E 3$9-5&允许在视频编码过程中加入时间戳,因而可以在一定程度上弥补这个缺憾。参考文献:2 武进霞,林晓明,游文霞 N 基于流媒体技术的多媒体课件设计?计算机应用研究,OHHP,OH(R):SHMS2,ISNO 陶洪久,柳健,田金文 N 在网络中的流媒体实时传输技术?N 系统仿真学报,OHH2,22(2P):RRQMRRIP 国勇,邱学刚,万燕仔 N 网络视频,北京:北京邮电大学出版社,OHH2NR Y/00 Y/$&K%)&0EK 3Y AB :%=:CCC-L%C/$5-CD&5/E:-C%-E%/
22、90&Y-E59E%)&M0EK=,OHHPMHR作者简介:岳峰(2GQQM),男,博士研究生,主要研究方向为计算机辅助测试;陈凌峰(2GSRM),男,讲师,博士,主要研究方向为网络远程测控技术;邓勇开(2GI2M),男,硕士研究生、主要研究方向为计算机辅助测试;沙定国(2GRPM),男,博士生导师,主要研究方向为计算机辅助测试与装调。G2O第 O 期焦燕鸿等:基于!#协议的移动$%&$&%解决方案万方数据基于流媒体技术的网络视频监控研究基于流媒体技术的网络视频监控研究作者:岳峰,陈凌峰,邓勇开,沙定国作者单位:北京理工大学,光电工程系,北京,100081刊名:计算机应用研究英文刊名:APPL
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