远程网络视频监控系统的设计与实现.pdf

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1、-4 5-2 0 0 7 8产品设计与实现一、引言二、系统硬件结构及主要部件功能视频监控是安防领域的主要手段之一，对于保障人们日常生产和生活的安全具有重要意义，是大型企业诸如集团化公司、邮电、银行等信息交流广泛的企业生产与管理的必备系统。目前，随着互联网的大范围普及，社会信息化的日益发展，信息技术、网络技术、通信技术以及多媒体技术逐渐融合，视频监控也从传统的安防监控向数字网络监控发展。以网络为基础的视频监控突破了时间、地域的限制，只要有网络存在的地方就可以建立网络监控系统，省去了传统的布线和线路维护费用，降低了监控成本；用户在授权的情况下，就可以不受地域限制随时按需监控，实现即插、即用、即看。

2、本文介绍了基于C/S 模式，通过互联网对校园内一栋教学楼的远程视频监控系统的实现方案及关键技术。网络视频监控系统结构如图1 所示：该系统由前端设备、传输设备、多路视频分配器、网络视频服务器、本地显示器、终端客户机等部分组成。前端包括：摄像机、镜头、云台、防护罩等设备。传输部分由视频线缆、电源线缆、控制线缆和传输线缆等组成。本地主机接连接4 路视频输入，集监视、录像、多种画面分割、画面切换、回放检索、打印、等功能于一体。终端客户机实现远程视频回放和对云台的监控。网络视频服务器是一种压缩、存储、处理视音频数据的专用计算机，它由视音频压缩编码器、大容量存储设备、输入/输出通道、网络接口、视音频接口、

3、R S 4 2 2 串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成，同时，提供外锁相和视频处理功能。视频服务器是前端的核心设备，在其上运行视频数据处理模块，主要实现视频数据的实时采集和视频图像模拟信号的数字化转换、压缩编码和动态存储、视频图像的实时播放控制和网络传输，以及对摄像机的接入和控制。一路视频信号对应一台监视器或录像机，一台摄像机的图像送给多个管理者观看时，就需要视频分配器。因为并联视频信号衰减较大，送给多个输出设备后由于阻抗不匹配等原因，图像会严重失真，线路也不稳定。视频分配器除了阻抗匹配，还有视频增益，使视频信号可以同时送给多个输出设备而不受影响。在一台监视器上同时观看多个摄

4、像机图像，需要用画面分割器。分割器除了可以同时显示4 个摄像机的图像外，也可以显示单幅画面，可以叠加时间和字符，设置自动切换，连接报警器材，也可以送到录像机上记录。远程网络视频监控系统的设计与实现邓璐娟王利亚刘涛丁孟宝（郑州轻工业学院，4 5 0 0 0 2）【摘要】【关键字】基于I n t e r n e t 的远程视频监控是视频监控系统的最新发展趋势，它将摄像头采集的视频信息通过视频服务器发布到网络上，能够使异地人员通过一台连接到I n t e r n e t 上的P C机进行观看，从而对监控现场进行监管。本文以对校园内一栋教学楼的远程视频监控为背景，首先介绍了整个系统的基本硬件结构及视频

5、信息和控制信息在系统中的传输过程，然后提出了远程监控系统中几个关键技术的实现方法，最后对系统中的主要软件模块作了概述。视频监控系统C/S 模式 套接字 组播-4 6-2 0 0 7 8产品设计与实现三、网络视频监控系统的视频传输与处理模块四、实现远程视频监控的关键技术整个系统由服务器端和客户端两部分组成，服务器端和客户端通过S o c k e t 套接字在整个互联网上进行通信，视频数据流传输与处理流程见图2：安装在现场的摄像头和麦克将采集的模拟音视频信号送入网络视频服务器。模拟信号被分成两路，一路直接送入本地监视器进行本地回放，另一路被送入编码器编码成M P E G-4 的视频流和音频流，从编

6、码器出来的音视频流再被分为两路，一路送入本地硬盘存储，另一路通过网络发送到客户端。客户机端用户根据分配的用户名和密码访问服务器主机，接收网络数据包，经过解码还原成原来的视频图像，就可以实时察看监控录像，并发送相应的控制信息对云台、摄像头进行远程控制，实现远程监控。在远程网络视频监控系统中，需要采用了许多先进的技术，主要有数字视频压缩编码技术、网络传输技术、组播技术以及多线程技术。由于流媒体信息源所产生的数据量非常大，如果直接进行传输或存储，将会对网络带宽和存储空间带来很大的负担。因此，流媒体数据在传输或存储之前，先要进行压缩处理，以便存储和传输，传送到目的地后再解压缩播放出来。在本系统中采用M

7、P E G-4 编解码技术。M P E G 是活动图像（Mo v i n g P i c t u r e E x p e r t G r o u p）的简称，是一个国际标准化组织，它制定了一系列的音频和视频压缩标准，主要有MP E G I,M P E G 2,M P E G 4,M P E G 7 和M P E G 2 1。M P E G-4 是超低码率运动图像和语言的压缩标准，它不仅是针对一定比特率下的视频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。与其他视频压缩编码标准相比，M P E G-4 标准对传输速率要求比较低，网络传输占用带宽小，能通过各种方式进行远程视频图像传输，是适合于网络视频

8、传输的佼佼者。视频图像的传输质量直接影响系统的监控质量，数字视频信号虽然已经过压缩，但数据量还是很大，特别是当几路视频信号同时在网络上传输时，大量的数据传输会使得传输网络变得拥挤，这会造成数据的延迟及丢失，因此良好的网络通信通道和通信协议的选择至关重要，I P 协议是I P 层通用的协议；常用的传输层 协 议 有 T C P、U D P、实 时 传 输 协 议 R T P（R e a l-t i m e T r a n s p o r t P r o t o c o l）、实 时 传 输 控 制 协 议 R T C P（R e a l-t i m e T r a n s p o r t C o

9、 n t r o l P r o t o c o l）等。T C P 是传输控制协议的缩写，它是面向连接的，提供可靠流服务，提供确认与超时重传机制、滑动窗口机制等。但是T C P 的这些机制增加了网络开销，不适合传输突发性的大量数据或者实时性数据，如音视频流。U D P 是无连接的传输协议，不提供可靠性措施，不必在数据报丢失或出错时要求服务器再重发，因此紧凑快速，特别适合于实时性要求高的数据传输场合。由于音频数据和视频图像数据的传输往往要求实时传输，同时又允许在性能要求范围内存在数据错误率和丢失率，因此U D P 协议适合对音频和视频数据传输。但是由于U D P 存在不可靠性，基于U D P

10、的应用程序，必须自己解决诸如报文丢失、重复、失序和流量控制等问题。因此，在U D P 协议之上，还必须使用多媒体数据传输的R T P 和R T C P 协议。R T P 协议提供实时的、端到端的数据传送服务，采用R T P 协议对音频、视图2视频传输与处理示意图1、数字视频压缩编码技术2、网络传输技术服务器端本地视频回放视频采集数据存储云台镜头控制视频压缩控制命令接受网络传输远程客户机端视频显示视频解压缩网络传输控制命令发送R T P/R T C P视频信号控制信号T C P/I P互联网校园局域网交换机网络视频服务器控制线本地观看多路视频分配器视频线图1网络视频监控系统结构图2 0 0 7

11、8产品设计与实现频数据进行封装，即使在某些包被丢失的情况下也能对其他包进行解码，另外，时间戳信息便于解码时保持音频和视频信号的同步。R T C P 是R T P 的控制协议，用于监视网络的服务质量和数据接收双方的信息传递，R T C P 提供关于数据传输质量的反馈，该功能与其他传输协议的流量控制和拥塞控制机制相对应。在 I P 协 议 下，视 频 数 据 的 传 送 采 用 组 播（M u l t i c a s t）方式，对那些要接收视频流的客户机，传输端通过一次传输就可以将信息同时传送到一组接收者；这样可以有效地减轻网络负担，避免网络资源的浪费；也使发送端编程更简洁。I P v 4 中的D

12、 类地址即是组播地址，最高位为1 1 1 0，范围是2 2 4.0.0.0 2 3 9.2 5-5.2 5 5.2 5 5。为了使编解码和数据的传输能同步进行，应用程序采用多线程结构。进程是应用程序的执行实例，线程是Wi n 3 2 的最小执行单元，一个进程包含一个主线程,可以建立另外的多个线程。线程是系统分配处理器时间的基本单元，并且一个进程中可以有多个线程同时执行代码。Wi n 3 2 A P I 可提供多线程编程，但是开发难度大，MF C 对其进行了封装，并且封装了事件、互斥和其他Wi n 3 2 线程同步对象，提供了C w i n T h r e a d 类，使编程更加方便、快捷。本系

13、统采用V C+6.0 开发完成视频采集、存储、磁盘管理和对云台和摄像机的控制，用户权限管理等功能。V i s u a l C+支持面向对象的编程方法，提供了简单高效的方法来操作应用程序类。视频采集压缩卡可以完成将模拟信号转化为数字信号并进行压缩编码，利用其提供的S D K 还可以方便的进行二次开发。为了支持多媒体信息的采集、压缩、解压和回放，微软提供了两种在Wi n d o w s 中进行多媒体处理的开发包：V i d e oF o r Wi n d o w s(简称V F W)、D i r e c t S h o w。V F W是M i c r o s o f t 于1 9 9 2 年推出的

14、关于数字视频的一个软 件 包。其 使 用 简 单 方 便，但 是 可 控 制 性 差。D i r e c t S h o w 是微软公司推出的新一代基于组件对象模型C O M（C o m p o n e n t O b j e c t Mo d e l）的多媒体开发包，主要 负 责 在 I n t e r n e t 上 音 视 频 流 的 捕 捉 和 回 放。D i r e c t S h o w 支持多种音视频编解码器和多种媒体类型，可以提供高品质的媒体流解码和回放，为播放视频监控中涉及到的各种类型的音频、视频数据提供了非常有效的途径。D i r e c t S h o w 使用F i l

15、 t e r G r a p h 模型来管理整个数据流的处理过程；参与数据处理的各个功能模块叫做F i l t e r；各个F i l t e r 在F i l t e r G r a p h 中按一定的顺序连接成一条“流水线”协同工作。S o c k e t 实际上是指一个通信端点，借助于它，用户所开发的S o c k e t 应用程序可以通过网络与其他S o c k e t 应用程序进行通信。本系统使用V C+6.0 配套的M F C 基本类库中C A s y n c-S o c k e t 类对T C P/I P 通信进行编程。视频图像发送的基本过程：（1）建立Wi n s o c k

16、2Mu l t i c a s t S o c k e t；如 下：Mu l t i S o c k e t=WS A S o c k e t（A F _ I N E T,S O C K _ D G R A M,I P P R O T O _ U D P,N U L L,0,WSA _ F L A G _ O V E R L A P P E D|WS A_ F L AG_ MUL T I P OI NT _ C_ L EAF|WS A _ F L A G _ MU L T I P O I N T _ D _ L E A F）；/其 中S O C K _ D G R A M 表示基于U D P

17、协议进行传输。（2）初始化视频采集压缩卡，启动压缩采集；（3）建立输出到缓冲区的流，由回调函数将采集的视频数据送至缓冲区，设为6 4 K B，缓冲区数据满时启动数据发送线程，通过I P 组播放式将数据发送出去。客户端视频流接收过程：（1）输入连接发送端的I P 地址，向发送端发送数据请求；（2）当得到发送端的确认消息后，启动接收播放数据线程，创建用户界面窗口；（3）建立Wi n s o c k 2M u l t i c a s t S o c k e t，根据发送端传回的组播地址及端口加入此I P组播组；（4）建立 D i r e c t S h o wF i l t e rG r a p h

18、，并 启 动 运 行；（5）在D i r e c t-S h o w 请求数据时，从M u l t i S o c k e t 中读取数据（每个I P 数据包为6 4 K）送到D i r e c t S h o w 的B u f f e r，此后视频流的解码和播放都由D i r e c t S h o w 来完成。本监控系统具有视频流压缩、实时视频和音频预览、视频信号和音频信号切换、本地录像文件回放、实时网络传输、远程文件回放和下载、支持流协议等3、I P 组播技术4、多线程技术1、视频采集与压缩2、采用D i r e c t S h o w 实现实时图像和视频文件的播放3、采用W i n d

19、 o w s 的S o c k e t 套接字实现数据传输五、系统主要模块的实现六、结束语（下转第页）5 4-4 7-5 4-2 0 0 7 8产品设计与实现（1）初始化发送端和接收端：主要完成1/0 端口的配置，使能发送器/接收器，启动计数器等；（2）发送器/接收器配置：先打开配置方式，再配置发送/接收器，最后使能收发功能；（3）接收包/接收包处理；（4）发送/接收数据：完成数据包的发送/接收操作；（5）读取A/D 转换结果：等待A D 转换完成后，读取A/D 转换结果数据，并开始接受新的转换；视频传输模块收到无线接收模块递交的视频数据后，可以通过串口或网络接口将其传输到视频应用服务端，本设

20、计采用网络接口进行数据传输。目前，互联网上传输视频数据大多采用U D P 协议。U D P 协议提供非连接、不可靠的数据传输，由于接收端只对收到的U D P 数据包进行简单的完整性校验，丢弃有错误的数据包，因此数据传输速度较快。然而，为了提高数据传输的准确性和减少因使用U D P 协议而额外增加的、繁琐的数据确认操作，本设计选用面向连接的、可靠的数据传输协议T C P，视频传输模块与视频应用服务端之间的通信过程如图3 所示：视频应用服务端采用B o r l a n d C+B u i l d e r 6.0 完成监控视频的合成（如果视频应用服务端采用L i n u x 操作系统，则可以使用K

21、y l i x 完成相同的功能）。由于B C B 的I m a g e 类可以完成精确到像素的图像处理能力，可以将B M P,D r a w i n g、自定义图形等显示成图像。因此，S o c k e t A P I 从网络接收视频数据后，首先将接收到的J P E G 图像转换成B MP，然后将其传送给I m a g e 对象，I m a g e 对象最后处理视频数据、生成图像视频并将其显示出来。本文提出了一种基于A R M S 3 C 2 4 1 0 X 的嵌入式无线视频监控系统设计。采用嵌入式L i n u x 操作系统进行视频采集、压缩和打包并通过n R F 2 4 0 1 无线发射、

22、接收模块进行视频数据无线传输，最后通过T C P/I P 网络将视频数据从视频传输模块传输到视频应用服务端，构成一套完整的无线视频监控系统。由于系统的核心工作采用高性能嵌入式处理器完成，因此该系统具有结构简单、性能稳定、成本低廉等优点在油田、油气井无线视频监控，智能家居等领域具有广阔的应用前景。六、视频传输模块设计七、视频应用服务端一视频显示模块设计与实现八、结束语【参考文献】1 陈俊宏，E mb e d d e dL i n u x 嵌入式系统原理与实务 M.北京:中国铁道出版社，2 0 0 4 2 曹翔，实时视频传输在MP L S 网络中的Qo S 研究 J 微计算机信息，2 0 0 6,

23、7-3:5 8-6 0 3 No r d i c V L S I A S A.n RF 2 4 0 1S i n g l e C h i p2.4 G H zR a d i oT r a n s c e i v e r P r o d u c tS p e c i f i c a t i o n,2 0 0 3.转自微计算机信息2 0 0 7 年第7 期图3视频传输模块视频应用服务端的通信过程视频传输视频应用服务端建立连接请求应答处理服务请求阴塞，等待用户连接请求s o c k e t()s o c k e t()b i n d()l i s e n()a c c e p t()c o n n

24、 e c t()w r i t e()r e a d()w r i t e()r e a d()功能。【参考文献】1 A.Mu r a tT e k a l p.D i g i t a lV i d e oP r o c e s s i n g.P r e n t i c e Ha l l P T R.1 9 9 8.2 卞俊锋,李兆强等.视频监控中心数据传输控制的设计与实现 J 微计算机信息,2 0 0 5,2 1(3):6 6-6 7,1 0 6 3 李虎,林中.远程网络视频监控系统的设计与实现 J .数据通信2 0 0 4,第6 期:5 1-5 3 4 欧建平,娄生强.网络与多媒体通信技术 M.北京:人民邮电出版社,2 0 0 2:2 5 6转自微计算机信息2 0 0 7 年第7 期（上接第页）4 7