基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

李奕

關(guān)鍵詞：SIP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計；呼叫機制

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)是一種集計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字視頻以及通信等技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，隨著信息化時代的發(fā)展，在IP網(wǎng)絡(luò)中如何實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)視頻連接、高效視頻流編解碼成為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究的重要熱點。同時，為了能夠在互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻實時監(jiān)控、多媒體會話，需要先解決每個監(jiān)控系統(tǒng)之間存在的互通性問題。基于此，本文利用SIP（SessionInitiation Protocol） 協(xié)議[1]的呼叫機制，設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。因引入了SIP，該系統(tǒng)擁有高靈活性和擴展性，能夠借助代理、重定向等方式，實現(xiàn)對不同網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控請求，解決每個監(jiān)控系統(tǒng)之間存在的互通性問題，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)視頻采集數(shù)據(jù)的實時傳輸。同時，該系統(tǒng)的設(shè)計利用高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和視頻信號傳輸技術(shù)，進一步提高了媒體的解碼質(zhì)量和效率。

1 SIP 協(xié)議概述

SIP是一種能夠在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的實時通信應(yīng)用層控制協(xié)議和消息協(xié)議，SIP和SMTP一樣都是易操作的文本傳輸編碼模式，在視頻通信領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。它主要包括用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP） 與傳輸控制協(xié)議（TCP） 兩種，能夠?qū)⒌讓屿`活地結(jié)合在一塊。在實際應(yīng)用過程當中，SIP協(xié)議能夠創(chuàng)建、終止以及修改多個參與者所參加的多媒體會話進程，同時還能夠為用戶名的映射以及重定向服務(wù)提供支持。SIP消息主要分為兩種：請求消息和響應(yīng)消息，前者是客戶端到服務(wù)器，后者是服務(wù)器到客戶端。不管是哪一種消息均是由單個起始行、單個字段或者多個字段組成的消息頭、可選項的消息體以及單個標志消息頭結(jié)束的空行四個部分組成。其中，消息頭主要提供了對應(yīng)消息的進一步信息，讓其能得到正確的處理，消息體則是對即將建立的會話進行描述，如傳輸速率、媒體流類型以及協(xié)商編碼的類型等[2]。因此，SIP協(xié)議在視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 基于SIP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作原理

基于SIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如下所述：首先，在SIP服務(wù)器中注冊系統(tǒng)終端，這樣若是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理平臺需要對某個終端進行監(jiān)控時，就可以直接向系統(tǒng)發(fā)出接入請求，通過SIP服務(wù)器就能夠直接查到終端的地址，并建立起連接；其次，連接建立之后，終端系統(tǒng)就可以將所采集得到的音視頻模擬信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，借助編碼器（MPEC-4編碼）編碼之后，將其上傳到網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)器當中，由服務(wù)器對視頻數(shù)據(jù)進行IP封裝處理，并發(fā)送給管理平臺[3]。

2.2 系統(tǒng)主要構(gòu)成設(shè)計

基于SIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計主要由三個部分組成：視頻終端、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理平臺及SIP服務(wù)器。具體架構(gòu)設(shè)計見圖1所示。其中，視頻終端的設(shè)計主要是基于SIP信令實現(xiàn)的，它擁有信號采集、信號處理以及前端攝像機控制等功能，在SIP中可以將其看作具有媒體通訊功能的UA客戶端。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺作為一個擁有SIP的標準設(shè)備，用戶通過該設(shè)備不僅可以實現(xiàn)對監(jiān)控現(xiàn)場的圖像進行實時監(jiān)控，還能夠借助擴展的SIP信令，授權(quán)用戶對云臺系統(tǒng)進行操控。管理平臺的組成部分主要包括監(jiān)控服務(wù)器、SIP移動終端以及監(jiān)視中心（電視機）等。SIP服務(wù)器系統(tǒng)的組成主要包括了報警、信令、媒體以及存儲四個服務(wù)器。當網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺向服務(wù)器發(fā)出監(jiān)控請求之后，就可以通過SIP服務(wù)器找到對應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，再將相關(guān)請求轉(zhuǎn)發(fā)到視頻嵌入式終端系統(tǒng)上。

2.3 視頻終端設(shè)計

視頻嵌入式終端系統(tǒng)設(shè)計主要采用Z228芯片多媒體應(yīng)用處理器實現(xiàn)，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻采集、A/D轉(zhuǎn)換、編碼以及發(fā)送四項功能，且單芯片包含了MPEC-4 硬件編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)視頻的碼率參數(shù)進行配置，以及視頻流采集、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)輸出等作用。在應(yīng)用過程中，通過連接的攝像頭，將所采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后，上傳到集成了硬件編碼器和處理器的芯片當中，對視頻數(shù)據(jù)進行編碼處理后，生成具有高壓縮比的MPEC-4格式的數(shù)據(jù)，再利用RJ45接口將其上傳到網(wǎng)絡(luò)上。同時，攝像頭設(shè)備還連接著云臺，這樣一來利用云臺可以對攝像頭的移動進行控制。

當SIP連接成功后，即可完成雙方網(wǎng)絡(luò)視頻通道的搭建，然后在IP層上進行視頻數(shù)據(jù)的傳輸，比如采用實時傳輸協(xié)議（RTP） 或者實時傳輸控制協(xié)議（RTCP） ，通過UDP完成數(shù)據(jù)傳輸，兩者之間的搭配應(yīng)用，可以使得傳輸效率達到最佳[4]。

2.4 SIP 服務(wù)器設(shè)計

2.4.1 媒體服務(wù)器

SIP協(xié)議主要用來構(gòu)建、改變、認證以及終止基于IP網(wǎng)絡(luò)的單路或者多路SIP視頻接入，在接入的過程當中能夠?qū)崿F(xiàn)多路的音視頻或文本等不同類型媒體的會話。而SIP服務(wù)器的設(shè)計主要由信令、媒體以及監(jiān)控三個服務(wù)器組成。其中，從媒體服務(wù)器方面來看，在SIP服務(wù)器中主要起到對多媒體流數(shù)據(jù)的錄像、點播以及轉(zhuǎn)發(fā)等功能。具體應(yīng)用過程中，當網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控管理平臺和視頻采集終端之間完成連接后，該服務(wù)器就會成功建立起映射關(guān)系，同時視頻采集終端會將監(jiān)控現(xiàn)場的實時圖像，經(jīng)過MPEC-4編碼打包之后上傳到媒體服務(wù)器中，然后該服務(wù)器會根據(jù)映射關(guān)系，將視頻發(fā)送到監(jiān)控管理平臺。并且，該平臺也可以通過此方法完成對視頻采集終端的控制命令的發(fā)送。此外，媒體服務(wù)器的設(shè)計還具有視頻流存儲點播的功能。面對網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的龐大體系，單個的媒體服務(wù)器無法充分滿足整個系統(tǒng)的需求，可以對服務(wù)器進行擴展，利用多臺服務(wù)器實現(xiàn)并發(fā)協(xié)作，為系統(tǒng)提供服務(wù)支持[5]。

2.4.2 SIP 信令服務(wù)器

SIP終端的注冊和網(wǎng)絡(luò)連接建立離不開SIP信令服務(wù)器的支持。在實際應(yīng)用過程中，視頻終端和管理平臺會先通過SIP注冊服務(wù)器進行注冊，然后當監(jiān)控中心和某路的視頻建立起連接后，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件會通過SIP服務(wù)器向特定的視頻終端發(fā)起Invite請求，最后由監(jiān)控軟件向視頻終端發(fā)送確認包，以此實現(xiàn)通話建立。

2.4.3 監(jiān)控服務(wù)器

監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)計主要起到了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的作用，比如，當通過攝像機采集到異常信號之后，再通過網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將其上傳到自動報警裝置中，這時報警裝置就會采用移動短信通信、電話等方式，自動向用戶、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控人員等發(fā)出報警信號，并將現(xiàn)場的具體情況一同發(fā)送過去。

2.5 媒體數(shù)據(jù)發(fā)送

當SIP成功完成連接操作之后，就可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙方的視頻通道連接構(gòu)建，接著，通過IP層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的傳輸，并采用實時傳輸協(xié)議（RTP） 和實時傳輸控制協(xié)議（RTCP） 兩種協(xié)議，借助UDP完成對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸活動。同時，實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與實時數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議這兩種協(xié)議之間的有效配合，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，并進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時傳輸。實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議擁有實時的特征，能夠進行端到端之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸活動。因此，將其應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)當中，通過引入載荷標志、序號以及同步源標識符和時間戳的實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包頭，搭配數(shù)據(jù)報套接字，能夠通過IP 地址網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)RTP數(shù)據(jù)包的傳輸。實時數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議在實際應(yīng)用過程當中，不僅控制了信息的交換，還實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的管理。所以，在RTP會話過程當中，可以對已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包或者丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2.6 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計，起到了將用戶端信息通過SIP協(xié)議上傳到服務(wù)器端的作用。首先，用戶可以在數(shù)據(jù)庫中寫入命令指令，并利用實時監(jiān)聽機制，將得到的信息上傳到對應(yīng)的服務(wù)器中。若是命令得到執(zhí)行，那么可以對數(shù)據(jù)庫當中的信息進行處理，這樣一來能夠有效降低數(shù)據(jù)庫的負載[6]。其次，經(jīng)SIP協(xié)議所傳輸?shù)南⒃谏蟼鞯椒?wù)器這一過程中，會被監(jiān)聽，并將其結(jié)果上傳到界面上進行顯示。

3 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控管理平臺設(shè)計

3.1 平臺設(shè)計

基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控管理平臺主要具有遠程連接視頻并進行控制的作用，以及對視頻流的接收解碼功能、回訪功能。因此，該平臺的設(shè)計主要由4個模塊構(gòu)成：SIP、遠程控制、XVID以及RTP模塊，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)視頻的遠程連接、遠程控制以及解碼播放功能。并且，該平臺還能夠同時實現(xiàn)對多路視頻的自動監(jiān)控、視頻互動數(shù)據(jù)錄像和拍照、云臺或攝像頭的控制。最后，根據(jù)具體情況進行實時監(jiān)測和自動報警。

3.2 MPEG-4解碼

通過SIP服務(wù)器所轉(zhuǎn)發(fā)的視頻流需要對其進行解碼處理，才能夠?qū)D像呈現(xiàn)出來，所以，對解碼流程的設(shè)計具體見圖2所示。該解碼設(shè)計主要分為VPD（作用于圖像縮放以及格式轉(zhuǎn)換處理）和Decoder（作用于視頻數(shù)據(jù)的解碼和讀取服務(wù)）兩部分。如果解碼到最后，沒有數(shù)據(jù)幀，就會通過調(diào)用函數(shù)將資源釋放。由此可見，基于SIP協(xié)議設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對視頻的監(jiān)控管理與控制，還在SIP信令消息的易擴展性、高靈活性的特點下，讓該系統(tǒng)能夠和現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫銜接[7]。

3.3 SIP 消息機制開發(fā)

本文選擇利用OSIP2開發(fā)庫，對SIP格式的消息進行封裝與解析處理。OSIP2 不僅實現(xiàn)了對SIP 消息、狀態(tài)機事務(wù)等的處理，還實現(xiàn)了對工具模塊的處理。同時，OSIP2協(xié)議棧為SIP底層的API封裝提供支持，不過無法向高層的SIP會話控制提供API，只有利用多條的OSIP2的API進行組裝，才能夠?qū)崿F(xiàn)對相應(yīng)信息的處理。由此可見，API主要由工具模塊、狀態(tài)機部分以及消息處理部分三個部分組成。因此，在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中心要想實現(xiàn)ICT向NICT的狀態(tài)機發(fā)送一個請求，就需要服務(wù)器能夠完成對4個狀態(tài)機進行處理，這樣一來，不僅可以為UAS完成IST和NIST事務(wù)提供幫助，還能夠為SIP信息的轉(zhuǎn)發(fā)請求提供相應(yīng)的ICT與NICT狀態(tài)機。同時，在系統(tǒng)當中所注冊的相關(guān)信息，可以借助SIP的Register請求，在服務(wù)器模塊啟動時完成注冊任務(wù)。所以，在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中，在服務(wù)器端上還可以對SIP的Info擴展消息進行擴展，以此為視頻監(jiān)控的相關(guān)消息如網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中心登錄消息、不同屬性配置信息、前端視頻服務(wù)器信息以及報警信息等的封裝提供幫助，從而對全部SIP消息進行處理。

3.4 視頻監(jiān)控界面開發(fā)設(shè)計

在實際應(yīng)用過程當中，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中心的應(yīng)用在處理SIP消息以及網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)時，可以為用戶提供界面顯示。整個界面設(shè)計主要由兩個部分組成，一部分為用戶可控的前端網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器列表，另一部分則是相關(guān)操作效果的顯示，如電子地圖查詢、網(wǎng)絡(luò)視頻查看功能以及巡檢配置功能等。同時，界面上還設(shè)計了相應(yīng)的工具欄選項，為用戶的操作提供便利。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合SIP協(xié)議提出并設(shè)計了一種基于SIP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)的設(shè)計利用SIP協(xié)議進行了信令控制，解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)布控區(qū)域當中存在的設(shè)備擴展限制、數(shù)量限制等問題。其次，用戶可以借助系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場進行監(jiān)視，并對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)同時對多個監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)視。此外，本系統(tǒng)在設(shè)計時，利用了集中管理的方式，來提高設(shè)備的靈活性、可擴展性和網(wǎng)絡(luò)互通性，達到了實時網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的目的。