高速鐵路視頻調(diào)用時延測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梁 策，劉北勝，陳長春，王輝麟

(中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

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高速鐵路視頻調(diào)用時延測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梁 策，劉北勝，陳長春，王輝麟

(中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

設(shè)計了適用于高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中視頻調(diào)用時延的測試系統(tǒng)，應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和VOD系統(tǒng)等含有視頻播放功能的調(diào)用時延．測試系統(tǒng)采用Windows Hook技術(shù)、統(tǒng)計直方圖算法和數(shù)字圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)對視頻調(diào)用窗口鎖定，快速圖像抓取、比較時延的準(zhǔn)確計算．在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中,可以將每一個測點的綜合測試時間,由原來的超過120 min縮短到15 min以內(nèi).目前此系統(tǒng)已在20多條高速鐵路的綜合視頻聯(lián)調(diào)聯(lián)試中應(yīng)用,驗證了系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性.

聯(lián)調(diào)聯(lián)試；視頻調(diào)用時延；鉤子技術(shù)；統(tǒng)計直方圖

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路系統(tǒng)集成的重要內(nèi)容，是集科研、設(shè)計、制造、施工、調(diào)試、試驗及運營等各方面力量的系統(tǒng)性工程．在我國進行高速鐵路建設(shè)前，日本、德國、法國等高速鐵路建設(shè)國家為驗證高速鐵路是否滿足設(shè)計目標(biāo)、達到開通運營的條件，將高速鐵路系統(tǒng)作為一個整體，通過調(diào)試、試驗和驗證等手段，驗證各子系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否匹配、技術(shù)接口是否完整、整體系統(tǒng)是否滿足運營指標(biāo)，達到了預(yù)期的目的，滿足了高速鐵路運營開通的要求[1]．我國的高速鐵路綜合視頻聯(lián)調(diào)聯(lián)試方法通過大量的實踐驗證了其可行性，但是檢驗檢測方法存在大量的人工操作，不可避免的會增大誤差．

為了減少人工操作引入的誤差，自動網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)被更為廣泛的使用在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中．國內(nèi)外比較有名的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)如IXIA、SigmationTF、Smartbits、LoadRunner等都涵蓋了網(wǎng)絡(luò)時延的測試[2-4]并具有更深入的測試法．雖然網(wǎng)絡(luò)時延測試系統(tǒng)很多，能針對性地應(yīng)用到高速鐵路視頻調(diào)用的時延測試系統(tǒng)還沒有出現(xiàn)，各個測試部門或者單位只能通過傳統(tǒng)的人工方式進行測試，極大地浪費了人力資源，增長了測試周期．本文作者設(shè)計并實現(xiàn)了一種高速鐵路視頻調(diào)用時延測試系統(tǒng)，并通過多條高速鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作證明了其準(zhǔn)確性和有效性．

1 測試系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

分析了高速鐵路視頻調(diào)用時延測試系統(tǒng)的架構(gòu)及系統(tǒng)中各模塊的功能和實現(xiàn)方式．本文設(shè)計的時延測試系統(tǒng)融合了多種先進技術(shù)手段，實現(xiàn)了對鐵路視頻調(diào)用時延的準(zhǔn)確有效檢測及記錄統(tǒng)計．測試系統(tǒng)的主要優(yōu)勢可歸納為：

1)使用Windows hook技術(shù)實現(xiàn)對用戶操作的捕捉．兼容Windows系列操作系統(tǒng),適用于各視頻系統(tǒng),操作方便;2)使用多線程技術(shù)實現(xiàn)圖像處理等大數(shù)據(jù)量運算；3)使用統(tǒng)計直方圖算法計算圖像的直方圖的相似度，用來判斷視頻調(diào)用的起始與結(jié)束狀態(tài),準(zhǔn)確性高；4)采用非對稱加密算法，保證系統(tǒng)的安全性．

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

測試軟件由6個主要模塊組成：界面庫模塊、鉤子模塊、數(shù)字圖像處理模塊、日志模塊、秒表模塊和加密模塊．各模塊的關(guān)系如圖1所示．

1.2 功能模塊

1.2.1 鉤子模塊

測試系統(tǒng)需要捕捉用戶的操作用以判斷測試的起止時間，如何捕捉用戶的操作是實現(xiàn)系統(tǒng)的重要部分．Windows系統(tǒng)是建立在事件驅(qū)動的機制上的，整個系統(tǒng)都是通過消息的傳遞來實現(xiàn)的．而鉤子是Windows系統(tǒng)中非常重要的系統(tǒng)接口，用它可以截獲并處理送給其他應(yīng)用程序的消息，來完成普通應(yīng)用程序難以實現(xiàn)的功能．鉤子可以監(jiān)視系統(tǒng)或進程中的各種事件消息，截獲發(fā)往目標(biāo)窗口的消息并進行處理．這樣就可以在系統(tǒng)中安裝自定義的鉤子，監(jiān)視系統(tǒng)中特定事件的發(fā)生，完成特定的功能，比如截獲鍵盤、鼠標(biāo)輸入，屏幕取詞，日志監(jiān)視等[5]．

本系統(tǒng)使用了鼠標(biāo)鉤子，用來截獲用戶對待測軟件的操作，獲取測試窗口，獲取測試的開始指令等．在安裝了鼠標(biāo)鉤子后，測試系統(tǒng)可以優(yōu)先捕獲到鼠標(biāo)的移動、點擊等操作，及時捕捉用戶的操作從而記錄視頻調(diào)用的開始時間．

1.2.2 圖像處理模塊

測試系統(tǒng)需要通過抓取待測軟件的視頻窗口的圖像用來判定視頻調(diào)用是否開始，目標(biāo)云臺是否發(fā)生移動等．如何獲取視頻中的圖像、如何對獲取到的圖像做處理是圖像處理模塊的主要研究內(nèi)容．直方圖因其原理簡單和計算量小、響應(yīng)迅速在圖像相似度計算中得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]．本測試系統(tǒng)在結(jié)合了前人的大量的研究的基礎(chǔ)上應(yīng)用了統(tǒng)計直方圖作為圖像處理的主要技術(shù)手段，其中引入了加權(quán)矩陣作為模板計算最終結(jié)果．

測試系統(tǒng)在通過鉤子模塊獲取到用戶的操作及視頻窗口后，以滿幀率抓取視頻窗口中的視頻圖像．測試系統(tǒng)抓取到視頻圖像后交由圖像處理模塊進行圖像處理及結(jié)果判定．圖像處理模塊的處理流程如圖2所示．

1.2.3 加密模塊

在系統(tǒng)使用過程中加入了公開密鑰密碼算法(RSA)用來驗證系統(tǒng)使用者是否具有合法的使用權(quán)限.RSA是目前最有影響力的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)[11]．本系統(tǒng)采用的加密的流程如圖3所示，只有已經(jīng)注冊的主機才能使用本系統(tǒng)進行測試，保證了系統(tǒng)的版權(quán)及安全性．

1.2.4 界面模塊

界面模塊主要提供給測試人員進行測試的基礎(chǔ)信息的錄入及配置，并提供換膚功能．

1.2.5 日志模塊

日志模塊可以通過配置文件進行配置，采用log4作為日志模塊的主要功能模塊，通過配置文件可以配置日志的輸出信息，包括調(diào)試信息、異常日志、錯誤日志和運行日志等信息，此模塊對于系統(tǒng)的正常運行及狀態(tài)檢測具有不可替代的作用．

1.2.6 秒表模塊

測試系統(tǒng)主要的功能是測試視頻的網(wǎng)絡(luò)時延，主要包括調(diào)用時延和控制時延兩種檢測．每一種時延的單位均為毫秒，要求測試系統(tǒng)有一套準(zhǔn)確和可靠的毫秒表作為檢測的依據(jù)．本系統(tǒng)采用Windows內(nèi)核的高精度計時器計時，使得毫秒表的精度真正達到毫秒級．

2 測試系統(tǒng)實現(xiàn)

本測試系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio的MFC框架及Opencv圖像處理庫實現(xiàn)，結(jié)合Windows系統(tǒng)的消息機制及鉤子技術(shù)進行深入編程，實現(xiàn)視頻播放窗口的獲取、視頻幀的抓取、視頻幀的直方圖處理及4×4統(tǒng)計直方圖處理，可以快速有效地比對視頻幀的變化，從而實現(xiàn)對視頻調(diào)用時延的計算．

圖像處理模塊的核心實現(xiàn)方法如圖4所示，通過計算圖4的直方圖可以得到其相似度達到0.001,兩幅圖像可以被認為是同一幅圖像．圖4(a)為原始圖像及其4×4統(tǒng)計直方圖，圖4(b)為攝像機在水平方向的小幅移動時抓取的圖像及其4×4統(tǒng)計直方圖．將量化后的顏色特征取前16個進行直方圖統(tǒng)計，并加入權(quán)重計算出其相似度,圖4(a)與圖4(b)經(jīng)計算其變化達到0.319,可以認定這兩幅圖為不同圖像.

通過圖像處理模塊做出了視頻幀的變化結(jié)果后，界面模塊與秒表模塊、日志模塊協(xié)同工作為測試人員彈出結(jié)果、記錄結(jié)果、存儲截圖和整理歸檔．圖5為測試系統(tǒng)在杭長高鐵調(diào)用時延測試結(jié)果．

3 結(jié)果分析

3.1 視頻調(diào)用時延和控制時延測試

現(xiàn)有的高速鐵路的操控系統(tǒng)中存在大量的視頻服務(wù)器、攝像機、云臺和客戶端，每時每刻都存在著大量的視頻調(diào)用和控制，而視頻在調(diào)用過程中需要服務(wù)器和攝像機做出相應(yīng)的反應(yīng)并將視頻流傳輸?shù)街付ǖ目蛻舳耍畯目蛻舳税l(fā)出調(diào)用請求到設(shè)備做出響應(yīng)，再到視頻流到達指定的客戶端中間需要經(jīng)過大量的交換機和路由器，這些都需要時間及帶寬資源．各環(huán)節(jié)消耗的時間需要對本系統(tǒng)可以滿足視頻調(diào)用的時延測試，并且較人工測試的方法更加精確和穩(wěn)定．自2013年至今在武石、杭長和合蚌等20多條高速鐵路的綜合視頻聯(lián)調(diào)聯(lián)試的測試過程中得到了廣泛的應(yīng)用和好評．

3.2 數(shù)據(jù)整理

本系統(tǒng)既可測試單個項目也可進行批量測試，并將測試的結(jié)果及測試過程中的截圖進行歸檔和序列化，減少了測試人員的大量整理工作，只需要將測試軟件輸出的目錄內(nèi)的圖像進行拷貝稍加整理即可進行歸檔．同時測試的結(jié)果會輸出為文檔文件，測試人員只要將數(shù)據(jù)拷貝到excel等辦公軟件中即可生成各種圖表．表1為鄭徐客?？刂茣r延測試統(tǒng)計表.其中:測試站點A為鄭徐客專K381+117黃辛莊AT所;B為鄭徐客專K393+737柳河分區(qū)所;C為鄭徐客專K406+038孫六AT所;t1為控制時延;t2為調(diào)用時延.

4 總結(jié)

1)本測試系統(tǒng)在高速鐵路綜合視頻聯(lián)調(diào)聯(lián)試中,極大的減少了測試人員的工作量.在本系統(tǒng)應(yīng)用前,每一個測點需要進行毫秒計時、屏幕錄像比對和文檔整理等人工作業(yè)，耗時2 h以上；應(yīng)用之后，測試時間縮短到15 min以內(nèi).

2)考慮到系統(tǒng)后續(xù)的推廣應(yīng)用,全部功能均進行了模塊化設(shè)計,在其他系統(tǒng)或應(yīng)用中可以便捷的集成,新的功能模塊也可以靈活增加,為以后系統(tǒng)的升級和改造打好了基礎(chǔ).本系統(tǒng)的應(yīng)用對含有視頻播放功能的綜合視頻測試具有參考價值.

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Design and implementation of video call delay testing system for high speed railway

LIANGCe,LIUBeisheng,CHENChangchun,WANGHuilin

(Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

A test system is designed to test the time delay of the video call in the high-speed railway integrated video test.It can be applied to the detection of video surveillance system, security system, VOD system and other software system. This system uses hook windows technology, statistical histogram algorithm, digital image processing technology to achieve the video call window lock, fast image capture and compare and calculate the accuracy of time delay. In the integration test and commissioning, it can reduce the test time of each check point from more than 120 mins to 15 mins. At present, this system has been applied to the integrated video test for more than 20 high-speed railways, which verifies the feasibility and accuracy of the system.

integration test and commissioning; video call delay;windows hook;statistical histogram algorithm

2015-12-03

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目資助(2016X002);中國鐵道科學(xué)研究院院基金項目資助(2014YJ007)

梁策(1980—),男,陜西西安人,碩士.研究方向為鐵路建設(shè)工程信息化.email:okay66@qq.com.

TP319

B

1673-0291(2016)05-0116-04

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.05.020