基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)搭建遠程教育平臺的應用設計

強發(fā)軍 周榮娟 韓冷 苗南南 馮騰 高子龍

摘要：在有限的經(jīng)費支持下，以視頻會議的模式，依托當前在用的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡、設備方便快捷建立起一套簡單適用的遠程教育系統(tǒng)，滿足我單位教育學習由中心向邊遠小單位同步擴展的需要，達到面對面互動的效果。同時對該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡交換機進行管理配置，優(yōu)化網(wǎng)路傳輸質(zhì)量，確保網(wǎng)絡運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);遠程教育;平臺搭建;網(wǎng)絡配置

中圖分類號：TN948.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0154-04

0引言

會議，是人類社會經(jīng)濟生活中不可或缺的一部分，研究表明，通信的有效性約55%依賴于面對面（face-to face）的視覺效果，38%依賴于說話語音，試聽是人們獲取信息的最重要的形式，而面對面（face to face）的討論是人類表達思想最豐富的形式?？萍嫉陌l(fā)達使得通信技術(shù)有了突破性的進展，電話和電視的發(fā)明，使遠地的人們可以立即傳送聲音和文檔。然而，除了言語的溝通外，人類更注重的表睛和肢體的表達，僅僅是聲音的傳送已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人交流的需求，即時并且互動的影像更能真實自然的傳送信息。

視頻會議系統(tǒng)正是在這種迫切需要的推動下產(chǎn)生的，通過各種電氣通訊傳輸媒體，將人物的靜態(tài)和動態(tài)圖像、語音、文字、圖片等多種信息分送到各個用戶的終端設備上，使得在地理上分散的用戶可以共聚一處，通過圖形、聲音等多種方式交流信息，增加雙方對內(nèi)容的理解能力，使人們猶如身臨其境在同一會場中參加會議一樣。

我單位下屬小單位多并且距離遠，長期以來，很難在同一個會場組織會議、理論學習和學術(shù)討論交流，采取一種相對簡單但相對有效的措施即利用現(xiàn)有專用調(diào)度設備聆聽聲音，適時展開討論交流，如圖1所示。這種形式的缺陷在于看不到對方是誰，不能領會對方肢體語言，沒有面對面的效果，讓會議本該應有的一些精彩也變?yōu)榱丝菰锓ξ?。為此，對以視頻會議的形式搭建遠程教育系統(tǒng)平臺進行了探索設計。

1系統(tǒng)設計

最初設想方案是采購電視電話會議專用設備的方式搭建教育平臺，經(jīng)市場調(diào)研，設備及系統(tǒng)價格高昂，成本過高，不具備可行性。依托我單位現(xiàn)有視頻監(jiān)控局域網(wǎng)，利用現(xiàn)有裝備，采購部分設備進行設計搭建遠程教育平臺，也可實現(xiàn)相應功能，且此方案經(jīng)濟高效，具有良好的可實施性。

遠程教育平臺由控制中心、局域網(wǎng)、分會場三個模塊組成。

控制中心建設在中心站點，包含視頻服務、調(diào)度語音服務、園區(qū)廣播服務三個服務平臺和主會場授課平臺。視頻服務采集處理圖像信息，為遠端站點提供視頻服務;調(diào)度語音服務為主會場及各站點保障語音同步;園區(qū)廣播服務實現(xiàn)中心站點與各遠端站點的園區(qū)廣播聲音共享。遠程教育平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

局域網(wǎng)依托現(xiàn)有的視頻監(jiān)控網(wǎng)，對其進行相應的網(wǎng)絡規(guī)劃配置。局域網(wǎng)具有組網(wǎng)簡單，傳輸速率高等特點，其上運行的視頻會議系統(tǒng)也較容易實現(xiàn)好的運行效果。

分會場布設在各遠端站點，監(jiān)控攝像頭負責采集會場圖像回傳到主會場，監(jiān)控計算機為分會場提供主會場畫面。

2系統(tǒng)的搭建

2.1服務平臺的搭建

服務平臺均在中心站點搭建，為中心站點和遠端用戶提供有效服務。

2.1.1視頻服務平臺搭建

視頻監(jiān)控服務器是視頻監(jiān)控局域網(wǎng)的核心，采集、處理、存儲遠端備備信息。中心站點現(xiàn)有大華視頻監(jiān)控服務器1臺，支持Tcp/Ip、組播等網(wǎng)絡協(xié)議，支持Onvif網(wǎng)絡視頻標準規(guī)范，可通過Web瀏覽器對其進行遠程配置和管理，如圖3所示。可常年運行，運行穩(wěn)定可靠。在線用戶可使用監(jiān)控客戶端，根據(jù)權(quán)限級別查看需要的實時圖像和回放圖像，客戶端界面如圖4所示。在邊遠站點學習室安裝1只攝像頭和1臺計算機。通過攝像頭可采集會議室視頻和音頻信號，上傳服務器，計算機可通過客戶端訪問服務器，觀看所需圖像源，通過FTP訪問服務器下載上傳所需資料。

2.1.2園區(qū)廣播服務器的搭建

在中心站點增加1臺IP網(wǎng)絡園區(qū)廣播系統(tǒng)音頻采集主機，采集音頻信號，將其編碼為數(shù)字信號，經(jīng)網(wǎng)絡傳送至遠端終端，突破距離限制，實現(xiàn)園區(qū)廣播信號的共享。在遠端單位廣播室安裝園區(qū)廣播終端，由音頻線可連接至室外音響，收聽服務器端廣播聲音。

2.1.3調(diào)度系統(tǒng)搭建

將一臺淘汰閑置的某型號調(diào)度主機接入該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)會議調(diào)度與專用調(diào)度業(yè)務剝離，互不影響。邊遠單位學習室的調(diào)度單機也由專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡接入改為視頻監(jiān)控網(wǎng)絡接入，降低網(wǎng)絡相互交叉的概率。

視頻監(jiān)控局域網(wǎng)為內(nèi)部獨立網(wǎng)絡，與互聯(lián)網(wǎng)等其它數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡物理隔離，已延伸至各個邊遠站點，其網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5所示。

2.2主會場授課平臺搭建

主會場原有LED屏1塊、計算機多臺以及附屬音響設備1套，在此基礎上搭建授課平臺。在主會場使用2臺計算機分別作為授課計算機和圖像點播計算機。將授課計算機輸出信號一分為二，其中一路送徂.ED屏顯示，另一路送往HDMI信號編碼器，經(jīng)過編碼后送入大華監(jiān)控服務器。圖像點播計算機可通過訪問服務器實時觀看分會場以及授課計算機圖像，可多畫面顯示。將監(jiān)控計算機輸出信號一分為二，一路送往LED屏顯示，另一路送入編碼器經(jīng)過編碼后入大華監(jiān)控服務器。向LED屏投送信號源時可自主切換選擇授課主畫面或監(jiān)控畫面。設備連接示意圖見圖6所示。

2.3網(wǎng)絡配置管理

網(wǎng)絡配置管理屬于網(wǎng)絡管理中很重要的一項內(nèi)容，目的在于改善網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，實現(xiàn)某個特定功能或使網(wǎng)絡性能達到最優(yōu)。

2.3.1網(wǎng)絡地址規(guī)劃

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡為連接4個片區(qū)的小型內(nèi)部局域網(wǎng)絡，網(wǎng)絡規(guī)模和主機數(shù)量都較小。根據(jù)IP地址和子網(wǎng)掩碼編址規(guī)范，在確保網(wǎng)絡內(nèi)部IP地址不沖突的情況下，充分利用地址資源，同時兼顧管理員對終端和地址管理的便利性，對IP地址不間斷劃分。

（1）有4個片區(qū)，地址段分別使用192.168.1.X- 192.168.4.x。

（2）有3種業(yè)務，即可將每段地址劃分不同的子網(wǎng)。監(jiān)控終端主機數(shù)量在120以內(nèi)，使用25位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.0/25，調(diào)度業(yè)務和廣播業(yè)務主機數(shù)量在個位數(shù)，使用27位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.128/27和192.168.X.160/27。

（3）每段未劃分子網(wǎng)部分可作為后續(xù)擴展業(yè)務需要。

具體劃分如表1所示。

2.3.2基于端口劃分VLAN

VLAN即Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)，是將—個物理LAN邏輯上劃分成多個虛擬LAN的以太網(wǎng)技術(shù)，可以達到實現(xiàn)縮小廣播域的目的。VLAN是對連接到第二層交換機端口的網(wǎng)絡用戶的邏輯分段，是不受網(wǎng)絡用戶物理位置的限制而根據(jù)用戶需求進行的網(wǎng)絡分段。劃分不同的VLAN，在信息交換過程中，廣播信息只能在同一個VLAN中復制，無法跨越不同的VIJAN，能夠更方便、有效地阻隔廣播，使交換機的性能得以提高。使用VLAN技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的交換設備可搭建安全可靠的網(wǎng)絡。

基于交換式以太網(wǎng)劃分VLAN主要有3種方法：基于端口、基于MAc地址和基于IP地址?；诙丝诘腣IAN劃分方法是以交換機端口為單位，一個VLAN對應于交換機的一組端口，VLAN內(nèi)的通信在這組指定端口范圍內(nèi)進行，并限制與其它端口的連通，其優(yōu)點是配置簡單。故該網(wǎng)絡使用基于端口的VLAN劃分方式，如圖7所示。

2.3.3IP地址和MAC地址綁定

在網(wǎng)絡使用過程中，經(jīng)常發(fā)生個別人隨意修改自己主機IP地址的現(xiàn)象，修改后的IP地址雖然仍屬于規(guī)劃的網(wǎng)段，可能連接成功不影響網(wǎng)絡使用，但也有可能出現(xiàn)占用他人地址的情況影響網(wǎng)絡不穩(wěn)定，進而出現(xiàn)網(wǎng)絡通信故障。

使用IP與MAC綁定的好處在于：（1）只有綁定的設備才可以接入網(wǎng)絡，有效的防止私接設備。（2）實現(xiàn)有效的上網(wǎng)記錄和上網(wǎng)統(tǒng)計。（3）節(jié)省IP資源，防止IP盜用。（4）減少ARP攻擊，杜絕IP地址沖突。

為了確保局域網(wǎng)內(nèi)各計算機通信順暢，有必要對局域網(wǎng)內(nèi)的計算機IP地址NMAc地址進行綁定，對隨意修改IP地址和企圖非法接人局域網(wǎng)的用戶進行限制。

2.3.4組播配置

IP組播通信是將IP報文從一個源發(fā)出，被轉(zhuǎn)發(fā)到一組特定的接收者。相對于傳統(tǒng)的單播和廣播，IP組播可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡帶寬、降低網(wǎng)絡負荷，特別是在某些帶寬受限的網(wǎng)絡上更能凸顯其作用。

在建設中，因光端機能力限制，某些網(wǎng)絡線路帶寬比較小，圖5所示網(wǎng)絡連接中，光端機A至光端機B、c、D帶寬僅有20M，網(wǎng)絡中使用高清圖像源最高可達8M/路，假如在交換機SWE端接人一圖像源，在中心端接收者可能會有服務器、硬盤錄像機、普通計算機瀏覽器等以單播方式接收該圖像源，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞，因此，以組播方式傳送很有必要。

為實現(xiàn)組播傳輸，IP網(wǎng)中的組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡都必須支持組播，主要包括以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)收發(fā)主機的TCP/IP實現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播;

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)主機的網(wǎng)絡接口支持組播;

（3）數(shù)據(jù)收發(fā)主機上聯(lián)的交換機支持組管理協(xié)議;

（4）數(shù)據(jù)收發(fā)主機上聯(lián)的交換機支持組播IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址;

（5）數(shù)據(jù)收發(fā)接口軟件具備IP組播能力。

服務器和攝像頭均支持IP組播，交換機為華為S5700-Ei系列交換機，支持IGMMPv3因特網(wǎng)組管理協(xié)議。網(wǎng)絡中大流量為終端至中心服務器之間的圖像流，采用SSM（指定源組播）模型。

3結(jié)語

在該平臺下，在保持調(diào)度語音傳輸系統(tǒng)確保語音質(zhì)量的基礎上，授課聲音同時送至HDMI編碼器，經(jīng)編碼后送入大華監(jiān)控服務器，在分會場可通過監(jiān)控系統(tǒng)收聽主會場聲音，在調(diào)度系統(tǒng)故障的情況下，為收聽語音提供了另一手段。

平臺搭建完畢后，對各個設備進行了調(diào)試，特別是在對遠端攝像頭碼流選擇上。因當前中心站點至邊遠單位網(wǎng)路傳輸帶寬僅為10～20M，設置碼流越大所需帶寬越大，綜合考慮網(wǎng)絡帶寬和清晰度兩方面因素合理選擇了參數(shù)配置。進行現(xiàn)場驗證，效果良好，主會場、分會場通過監(jiān)控客戶端收看各會場以及教育內(nèi)容的實時圖像流暢，收聽實時聲音清晰，達到了預期目的。