計算機網(wǎng)絡(luò)視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

陳驍銳

摘要： 隨著社會的不斷發(fā)展，原有的監(jiān)控方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)前信息化時代的要求，人們開始尋求新的監(jiān)控方式。而計算機網(wǎng)絡(luò)視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)正是在這一背景下誕生的新型監(jiān)控方式，它的出現(xiàn)有效彌補了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的弊端，符合當(dāng)前社會發(fā)展的需要。本文簡單介紹了幾種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，并從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)模塊功能的實現(xiàn)以及監(jiān)控系統(tǒng)測試等三個方面進行研究與分析，希望為計算機網(wǎng)絡(luò)視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；視頻；遠程監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計；模塊

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0217-02

當(dāng)前，我國已經(jīng)進入了信息化時代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在發(fā)展過程中與其他多種技術(shù)慢慢融合，形成一種綜合型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。而在視頻監(jiān)控當(dāng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得視頻監(jiān)控從原有的人工監(jiān)控逐漸轉(zhuǎn)變成全方位數(shù)字監(jiān)控?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)不受時間、地點的限制，只需要有網(wǎng)絡(luò)這一基礎(chǔ)條件，就可以建立監(jiān)控系統(tǒng)，所使用的線路為原有的網(wǎng)絡(luò)線路，所以不需要額外布置線路，節(jié)約了線路布置的成本。

1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式

在我國，常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式有三種：單線傳輸、子網(wǎng)傳輸、分流傳輸。

1.1單線傳輸

單線傳輸：數(shù)據(jù)傳輸方與每個數(shù)據(jù)接收方之間都需要建立單獨的傳輸通道。如果服務(wù)器只需要給少量用戶傳輸數(shù)據(jù)，那么服務(wù)器的負載不會太大，傳輸也不會出現(xiàn)什么問題。但是如果有許多用戶都要用到同一數(shù)據(jù)時，服務(wù)器也只能通過一對一的方式將該數(shù)據(jù)發(fā)給各用戶，在發(fā)送過程中，服務(wù)器不僅需要承擔(dān)傳輸數(shù)據(jù)的壓力，還需要承擔(dān)與多名用戶同時連接的壓力，服務(wù)器負載大大提高，輕則網(wǎng)絡(luò)擁堵，傳輸速度受到影響，重則服務(wù)器不堪重負，直接崩潰。

1.2 子網(wǎng)傳輸

子網(wǎng)傳輸：是指數(shù)據(jù)傳輸方將數(shù)據(jù)包發(fā)送到子網(wǎng)當(dāng)中，所有位于該子網(wǎng)內(nèi)的客戶端都可以接收到數(shù)據(jù)包。這種數(shù)據(jù)傳輸方式可以讓多個客戶端同時接收到數(shù)據(jù)包，而且服務(wù)器的負載也比較小，但是這種數(shù)據(jù)傳輸方式的強制性的，只要客戶端位于該子網(wǎng)當(dāng)中，無論是否有需求，都會強制性接收，這樣就導(dǎo)致無需求客戶端的網(wǎng)絡(luò)資源被無故占用，影響其正常運行的速度。此外，為了防止這種強制性傳輸?shù)臄U散，要采取措施將傳輸范圍控制在子網(wǎng)內(nèi)。

1.3 分流傳輸

分流傳輸：當(dāng)某一份數(shù)據(jù)包同時被多名用戶需求時，數(shù)據(jù)包傳輸方只發(fā)出一份數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)首先會在網(wǎng)絡(luò)中傳播，直到分流節(jié)點的位置才會由分流設(shè)備將數(shù)據(jù)進行復(fù)制并分發(fā)到各用戶。這種分流傳輸?shù)姆绞讲粌H減輕了服務(wù)器的負擔(dān)，還提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要是對監(jiān)控系統(tǒng)進行大致規(guī)劃，然后將其中的模塊進行劃分，并選擇合適的技術(shù)實現(xiàn)各模塊的功能，其主要包括包括整體方案設(shè)計、模塊設(shè)計以及軟件開發(fā)設(shè)計等幾個方面。一般的計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)都是以計算機系統(tǒng)為處理中心，并配備有相應(yīng)的視頻輸入、視頻輸出設(shè)備以及一些其他類型的通用設(shè)備，具體情況如圖1。

2.1整體設(shè)計方案

本方案將監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計分為了視頻傳輸以及視頻監(jiān)控兩大部分。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好的條件下，可以考慮使用一對一不經(jīng)壓縮的原視頻傳輸方式，這種視頻傳輸方式所傳輸?shù)囊曨l十分清晰，而且實時性比較高，傳輸成本較低；如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不容樂觀，那么可以利用SDH光傳輸網(wǎng)絡(luò)，首先將視頻信號進行壓縮，然后再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)平臺上，最后從平臺上傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)當(dāng)中。在將壓縮后的視頻信號從網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)的過程中要使用光端機傳輸?shù)姆绞?，盡量保持圖像的清晰度，避免視頻信號失真從而無法達到計算機處理的要求。光端機可以使用英飛拓N3630型或者N3644型，其中前者比較適合畫面變化頻率較快的視頻信號傳輸，而后者比較適合畫面變化頻率較慢的視頻信號傳輸。視頻信號傳輸示意圖如圖2。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較好的情況下，可以使用一對一的視頻信號傳輸方式，此時用到的光端機為N3844型或者N3747型，利用這兩種型號的光端機可以將視頻矩陣當(dāng)中的多路信號同時上傳到計算機系統(tǒng)當(dāng)中。但是由于光線強度以及天線方向等各方面原因，所以視頻信號的傳輸最好是使用光纖傳輸。如果需要傳輸?shù)囊曨l信號較多，可以將視頻信號先進行壓縮，再統(tǒng)一傳輸。

2.2模塊的劃分

計算機視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有三個部分：應(yīng)用層、處理層以及會話層。監(jiān)控系統(tǒng)模塊的設(shè)計也是嚴(yán)格按照這個劃分標(biāo)準(zhǔn)進行的。根據(jù)每個部分所具備的功能以及相互之間的聯(lián)系分別為各個部分設(shè)計具備特有功能以及連接端口的模塊。以功能為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以將系統(tǒng)分為四大模塊：控制模塊、通信模塊、用戶模塊以及中心處理模塊，其中中心處理模塊是位于處理層，通信模塊以及控制模塊是位于會話層，用戶操作模塊是位于應(yīng)用層，具體情況如圖3。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

在本監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，使用普通計算機作為數(shù)據(jù)收集服務(wù)器，操作系統(tǒng)選擇的是紅帽linux系統(tǒng)；視頻信號收集使用的是天敏PCI收集卡，驅(qū)動程序使用的是V4L內(nèi)核驅(qū)動；軟件開發(fā)語言使用的是C++3.0。管理類服務(wù)器也是使用的普通計算機作為管理中心，操作系統(tǒng)選擇的是紅帽Linux系統(tǒng)；編程語言使用的是Java程序語言；客戶端的操作系統(tǒng)選擇的是Windows系統(tǒng)，軟件開發(fā)語言使用的是C++6.0。

3監(jiān)控系統(tǒng)模塊功能的實現(xiàn)

在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成以后，可以開始對各模塊功能的實現(xiàn)進行詳細分析。

3.1通信模塊功能的實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由信息管理中心、客戶端以及信息收集服務(wù)器三個部分組成。其中信息管理中心為核心組成部分，三者相互協(xié)作，形成一個完整的系統(tǒng)。通信模塊的主要功能就是將這三個部分聯(lián)系在一起，使得信息管理中心能夠很好地控制客戶端以及信息收集服務(wù)器的運行。通信模塊會傳達用戶請求、系統(tǒng)回復(fù)、中心指令等信息。此外，信息收集服務(wù)器在輸入視頻信號以及刪除視頻前都會向信息管理中心報告。

3.2中心處理模塊功能的實現(xiàn)

中心處理模塊的主要功能是對傳輸?shù)较到y(tǒng)當(dāng)中的所有視頻信號進行分析和處理，是整個監(jiān)控系統(tǒng)中的核心模塊，其視頻處理的質(zhì)量將直接影響監(jiān)控系統(tǒng)的性能。因此，在實現(xiàn)中心處理模塊的功能時，要盡量合理分配系統(tǒng)資源，優(yōu)化資源利用方案，避免產(chǎn)生資源浪費。

在對中心處理模塊進行設(shè)計前，我們對加州大學(xué)伯克利分校以及勞倫斯·伯克利實驗室的視頻工具video conference進行了研究。經(jīng)過研究了解到了video conference的具體結(jié)構(gòu)，并參考這種結(jié)構(gòu)對中心處理模塊進行設(shè)計，將其設(shè)計成通用性比較強的模塊，使其無論位于哪個部分都能正常使用。這種設(shè)計方式不僅減少了軟件開發(fā)的工作量，還提高了模塊的通用性。

中心處理模塊的主要功能有視頻信號的收集、視頻信號的編碼、視頻信號的接收與傳輸、視頻信號的儲存以及視頻處理及回放等。由于中心處理模塊的通用性比較強，所以客戶端和信息收集服務(wù)器都是使用的同一套中心處理模塊，其中，信息收集服務(wù)器利用中心處理模塊進行視頻信號收集、視頻信號的編碼、視頻信號的傳輸以及視頻信號的儲存；而客戶端利用中心處理系統(tǒng)進行視頻信號的接收、視頻信號的解碼、視頻信號的儲存以及視頻的處理和回放。

中心處理模塊使用的編程語言為C++語言，各項功能分別封裝在不同的部分，整個中心處理模塊再使用某種方式進行封裝，并留出一定的公共接口，用于中心處理模塊與其他模塊的聯(lián)系與數(shù)據(jù)傳輸。

在對中心處理模塊進行分析前，需要先解釋視頻源的概念。視頻源是視頻信號實體化的表現(xiàn)，其能夠獨立提供視頻內(nèi)容，所以多個視頻源就有著多個獨立的視頻內(nèi)容。而在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，視頻源可以是某張視頻收集卡，也可以是某種儲存器上的視頻文件。在視頻輸出方，只需要有一個視頻源，這種視頻源即就是本地視頻源，其內(nèi)容是通過視頻收集卡得到的；而在視頻接收方，視頻源是有許多的，每個是視頻源都對應(yīng)著獨立的視頻內(nèi)容。

3.3控制模塊功能的實現(xiàn)

控制模塊是處于中心位置，被用戶模塊、通信模塊以及中心處理模塊所包圍，其主要功能是連接用戶模塊與通信模塊的控制系統(tǒng)、控制用戶之間的會話以及管理視頻源。

本系統(tǒng)的視頻通信都需要利用控制模塊的會話功能。會話指的是通信雙方從建立視頻聯(lián)系、發(fā)送視頻信號到接收視頻信號這一過程。由于中心處理模塊支持單線傳輸以及分流傳輸?shù)姆绞剑詴捒梢砸粚σ坏剡M行，也可以多人同時進行，其具體工作原理與數(shù)據(jù)傳輸方式相類似。

3.4用戶操作模塊功能的實現(xiàn)

計算機網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)是需要用戶進行操作的，所以用戶模塊的設(shè)計也是十分重要的。用戶操作模塊主要功能有兩 （下轉(zhuǎn)第220頁）

（上接第218頁）

點，一是將對應(yīng)位置的監(jiān)控視頻展現(xiàn)給用戶，二是用戶能夠通過操作界面對監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)整和控制，以便更好地實施監(jiān)控工作。

4 監(jiān)控系統(tǒng)測試

當(dāng)前有相當(dāng)一部分監(jiān)控系統(tǒng)使用的是SDI數(shù)字分量串行接口傳輸系統(tǒng)，這種傳輸系統(tǒng)可以通過矩陣和網(wǎng)絡(luò)線路將未經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻信號以及音頻信號從源頭處傳輸?shù)侥繕?biāo)位置。數(shù)字分量串行接口傳輸系統(tǒng)符合大部分監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的要求，而且能夠有效處理高質(zhì)量的視頻信號，至今還未被其他傳輸系統(tǒng)超越。所以，本系統(tǒng)當(dāng)中大部分設(shè)備也是使用的數(shù)字分量串行接口，比如服務(wù)器、監(jiān)控設(shè)備等。某些設(shè)備在接入時需要輸入對應(yīng)的串行數(shù)字信號，輸出時要求也不一樣。在應(yīng)用該傳輸系統(tǒng)時要注意，在信號傳輸過程中要避免產(chǎn)生延遲。

5結(jié)束語

本文簡單介紹了幾種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，包括單線傳輸、子網(wǎng)傳輸以及分流傳輸?shù)?，然后從整體設(shè)計、模塊劃分以及系統(tǒng)軟件開發(fā)等幾個方面對系統(tǒng)設(shè)計進行了分析，提出了實現(xiàn)各模塊功能的方法，并對系統(tǒng)進行了測試，為計算機網(wǎng)絡(luò)視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一定的參考。

參考文獻：

[1] 鐘玉琢. 基于對象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4及其校驗?zāi)Ｐ蚚M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[2] 劉煒.IP組播技術(shù)在遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用研究，2002（2）： 108-110.

[3] 郭樂深，劉錦德，楊濤等. 通過有效的端系統(tǒng)動態(tài)資源管理實現(xiàn)Qos控制[J].通信學(xué)報2001（22）.

[4] 趙鍵，吳介一. 一類基于主動網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略[J].通信學(xué)報，2000（21）.