多媒體通信技術

1、摘 要遠程視頻監(jiān)控集中了多媒體技術、數(shù)字圖像處理技術、遠程網(wǎng)絡傳輸?shù)榷喾矫孀钚录夹g，有巨大的市場應用前景，是當前視頻監(jiān)控領域的應用研究熱點。本文結合目前的城市“平安工程”項目，針對目前國內(nèi)外現(xiàn)有的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在城市治安視頻監(jiān)控應用中產(chǎn)生的網(wǎng)絡擁塞、系統(tǒng)擴展性差、不能適應城市范圍的大規(guī)模監(jiān)控等問題進行了深入研究，并在研究基礎上提出了“基于IP網(wǎng)絡的分布式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)”和實現(xiàn)方法。本文的研究結果體現(xiàn)在下面3個方面： (1)提出了基于分布式目錄服務方式來實現(xiàn)分布式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中各結點服務器之間、結點服務器與客戶端編碼前端之間的協(xié)調(diào)和管理。實現(xiàn)了分布式體系中無中心管理服務器但能實現(xiàn)資源統(tǒng)一

2、管理的目標，解決了傳統(tǒng)遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中需要的中心管理服務器的問題。提高了系統(tǒng)的可擴展性、容錯能力和減低了對單機性能的要求。(2)在基于IP網(wǎng)絡的分布式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，從實用角度提出通過結點服務器之間的單插多發(fā)未實現(xiàn)應用層服務器之間端到端的服務器組播。這種組播方式實現(xiàn)了獨立于網(wǎng)絡層的組播。(3)提出了一種通過系統(tǒng)中各結點設備之間主動詢問來自動建立分布式目錄的實用方法，該方法自動維護分布式系統(tǒng)中的設備文檔，提高了系統(tǒng)自動化管理程度。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控相比，有效的解決了網(wǎng)絡擁塞、統(tǒng)一管理和系統(tǒng)擴展性等傳統(tǒng)視頻監(jiān)控不能有效解決的問題，適合于城市范圍的大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設。關鍵詞：分布式；

3、遠程視頻監(jiān)控；組播；單播Distributed remote video surveillance system over IP networkABSTRACTNetworkdigital video surveillance system(NDVSs)blending of the advantage in multimediadigital video processing and the network communicationTherefore，as one of the most perspective applicationsNDVSS has become one of the

4、 hotspot researchCombined with cur-lent“city security project”.this paper conducts indepth research on several basic issues of the current video surveillance system that has something matter,such as network congestion，bad scalability and total managementIn this Paper，“Distributed remote video survei

5、llance system over IP network” and how to take it reality is presentedThe contributions of this thesis are mainly within three areas (1)Each node server and from node server to clientencoding unit in distributed remote video surveillance system，it can be managed with distributed directory management

6、So，it will establish a total architectureThis architecture has not management center serverit do not like traditional distributed architecture that has management center serverNotmanagement center server can up the scalability,reliability and down the requirement of single node server ability(2)In t

7、his distributed network structure，if there is multiple client request video stream on the same node server,this node server copy video packet，then send packet to each client with unicast，but each of the node server has only one video stream，as same as multicastIn this papernamed it as node server mu

8、lticastIt is independent on network layer.(3)In this system，each node server can do is discovering other node that are present on the networkthen，the distributed directory be automatic establishedThis function is typically used to automated service each unit profile in this system，it up the system a

9、utomatic managementKey words：Distributed Remote Video surveillance System；multicast：unicast基于IP網(wǎng)絡的分布式遠程視頻監(jiān)控研究和實現(xiàn)0 引言隨著科技的日新月異，視頻監(jiān)控市場也得到了飛速發(fā)展。視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，以及計算機、網(wǎng)絡、圖像處理、傳輸技術的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術也有長足的發(fā)展。視頻監(jiān)控已經(jīng)滲透到教育、政府、娛樂場所、醫(yī)院、酒店、運動場館、城市治安等多種領域。早期的視頻監(jiān)控一般為CCTV(閉路電視模擬監(jiān)控)方式。至九十年代起，由

10、于因特網(wǎng)與PC的普及，以及各種視頻、音頻編碼算法的出現(xiàn)，為基于IP方式的視頻監(jiān)控提供了技術基礎，如MPEG2、MPEG4、H。264等標準。視頻監(jiān)控的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：（1）基于CCTV的模擬監(jiān)控方式；(2)基于PC的多媒體網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)；(3)基于視頻服務器的遠程視頻監(jiān)控方案前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡化、系統(tǒng)集成化是目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認的發(fā)展方向，數(shù)字化是網(wǎng)絡化的前提，網(wǎng)絡化又是系統(tǒng)集成化的基礎，視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個特點就是數(shù)字化和網(wǎng)絡化。11研究背景隨著網(wǎng)絡帶寬、計算機處理能力和存儲容量的迅速提高，以及各種視頻信息處理技術的出現(xiàn)，全程數(shù)字化、網(wǎng)絡化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢愈發(fā)明顯

11、，其高度的開放性、集成性和靈活性為視頻監(jiān)控系統(tǒng)和設備的整體性能提升創(chuàng)造了必要的條件，同時也為整個安全防護產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了更加廣闊的發(fā)展空間，嶄新的應用模式和市場機遇不斷涌現(xiàn)。目前在整個安防領域內(nèi)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的市場處于快速發(fā)展的階段，有關專家統(tǒng)計網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的市場發(fā)展趨勢以3-10倍的速度增長。視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個特點就是數(shù)字化和網(wǎng)絡化，因此對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和數(shù)字化的研究是具有廣闊的應用前景和實用意義的。12目前遠程視頻監(jiān)控面臨的主要困難隨著安全防范技術不斷發(fā)展，導致目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用中，基于CCTV、硬盤錄像機和嵌入式視頻服務器的多種視頻監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，獨立使用。使城市的

12、安防體系由很多獨立的體系構成，彼此毫無聯(lián)系，相互不能資源共享，并不能帶來更大的社會經(jīng)濟效益。隨著計算機技術、尤其是寬帶數(shù)字傳輸網(wǎng)絡技術的應用和快速發(fā)展，安防觀念和相應的高技術安防產(chǎn)品也不斷創(chuàng)新。在寬帶多媒體視頻傳輸技術的支持下，將種類繁多、規(guī)模小、建設分散、功能單一、互不聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)聯(lián)瞬，構建覆蓋面積大、布控點多、音像結合、智能調(diào)控、造價合理的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。對于小范圍內(nèi)的視頻監(jiān)控，可以自行組建局域網(wǎng)來建設IP方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用集中服務器模式管理整個網(wǎng)絡內(nèi)的所有視頻、音頻流，通過建設集中的視頻管理中心服務器，將所有的視頻監(jiān)控點通過口網(wǎng)絡上傳到視頻管理中心服務器，在中心服務器進行統(tǒng)

13、一的權限分配、圖像存儲等工作。當監(jiān)控點數(shù)量增大到一定規(guī)模后，中心服務器接入主干網(wǎng)絡數(shù)據(jù)嚴重擁塞，導致系統(tǒng)癱瘓，不能擴展，不適合用于建設城市級規(guī)模的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。為了改善網(wǎng)絡擁塞，采用分散層次結構的視頻流管理模式。按監(jiān)控區(qū)域把監(jiān)控點劃分為多個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)內(nèi)架設自己的視頻管理服務器。通過合理劃分IP子網(wǎng)，能將布控區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控視頻流控制在子網(wǎng)內(nèi)，不對骨干網(wǎng)絡造成擁塞。但規(guī)模擴大后，大量的服務器和登陸用戶將造成了整個系統(tǒng)管理混亂，設備檢修、維護困難等情況，網(wǎng)絡信息安全得不到保障。設備安全管理、網(wǎng)絡信息安全管理、登陸用戶的權限管理、設備故障管理等問題在分散模式的體系中沒有很好的解決，制約著系統(tǒng)規(guī)模的擴

14、大。2.視頻流的編碼、解碼技術標準2.1視頻流的編碼、解碼技術的選擇本文提出的遠程視頻監(jiān)控是以IP網(wǎng)絡為傳輸介質(zhì)的系統(tǒng)，視頻流的編碼、解碼標準的選擇對本系統(tǒng)的實用性十分關鍵，視頻編碼方式要滿足網(wǎng)絡的特性。遠程視頻監(jiān)控中的視頻流的傳輸主要依靠數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中多媒體數(shù)據(jù)的傳輸取決于用戶需求、信道特征和終端處理能力。由于視頻傳輸對實時性有嚴格要求，而用戶終端和用戶對服務質(zhì)量需求具有異構的特點，為了在時變、帶寬受限的網(wǎng)絡中高效地傳輸視頻，視頻編碼需要對算法的復雜度、壓縮效率、容錯能力、可擴展能力等方面做綜合的考慮。2.2視頻流網(wǎng)絡傳輸編碼特點視頻流在網(wǎng)絡中傳輸，由于受網(wǎng)絡的各種客觀限制，要求視頻流

15、需要滿足下面這些特性：1、必須能適應網(wǎng)絡帶寬的動態(tài)變化，實現(xiàn)碼率可擴展：2、能滿足終端在處理能力、顯示尺寸等方面存在異構性的要求，實現(xiàn)復雜度可擴展；3、能根據(jù)用戶在顯示尺寸、幀率、質(zhì)量等方面的個性化需求，實現(xiàn)時間、空間、質(zhì)量的可擴展。23 編解碼設備在本文的應用特點視頻監(jiān)控對實時要求很高，網(wǎng)絡延時和壓縮效率要求高。所以，本文的系統(tǒng)中前端視頻壓縮設備采用嵌入式視頻服務器，壓縮標準主要為H264，同時從資源節(jié)約的角度考慮到對一些原有的基于局域網(wǎng)的系統(tǒng)的兼容性，對已經(jīng)存在的子系統(tǒng)也支持MPEG4，H263等標準。由于嵌入視頻編碼服務器把視頻信號壓縮和網(wǎng)絡傳輸功能集成到一個體積很小的設備內(nèi)，所以可以直

16、接連入以太網(wǎng)，達到即插即看，省掉各種復雜的電纜，安裝方便(僅需設置一個IP地址)。綜上所述，在本系統(tǒng)中，對前端編碼設備的要求和應用特點如下所述。(1)視頻圖像在壓縮后的碼流率要適應網(wǎng)絡的異構性，必須能根據(jù)不同的視頻網(wǎng)絡傳輸環(huán)境選擇不同的碼流率。在本系統(tǒng)中，根據(jù)接入點的網(wǎng)絡條件將圖像質(zhì)量分為qcif,cif,2cif,4cif四種分辨率，根據(jù)網(wǎng)絡情況選擇不同的分辨率來傳輸視頻圖像。(2)前端視頻編碼設備必須與網(wǎng)絡設備一體化，這樣才能將視頻數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡遠程的傳輸?shù)焦芾硭慕狱c服務器上，同時要求該前端編碼設備能長期穩(wěn)定的在較差的工作環(huán)境下工作。(3)在視頻流的傳輸中，允許因為網(wǎng)絡的原因選擇性的丟

17、掉一些不重要的幀或視頻數(shù)據(jù)包而不影響視頻流的解碼還原顯示過程，只有這樣才能真正做到實用的網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)傳輸。3.分布式結構設計31媒體服務器體系發(fā)展與存在問題基于IP方式的遠程視頻監(jiān)控中視頻服務器的功能與VOD系統(tǒng)的視頻服務器雖然要解決的問題有所不同，但主要矛盾一樣，要解決的問題都是提供更多的視頻數(shù)據(jù)存儲量和增加視頻數(shù)據(jù)傳輸能力。其它的諸如驗證、管理、控制等問題并不是問題的主要矛盾，本文先從主要矛盾入手。從現(xiàn)有的體系來看，視頻服務器的發(fā)展經(jīng)歷了從單服務器到多服務器的發(fā)展過程，大型的系統(tǒng)都是多服務器體系。分布式和層次結構都是在視頻服務器發(fā)展的過程中提出來的新的設計思路，加州大學伯克利分校最早提出分

18、布式視頻服務器的體系結構，如圖3.1所示。多種低端的視頻服務器產(chǎn)品采用了這種體系結構。圖3.1 分布式視頻服務器體系結構單純的分布式服務器結構也有其缺點。在服務用戶大量增加時，最先達到瓶頸的將是網(wǎng)絡容量。圖3.2 分布式層次體系結構在文獻中提出了一種解決辦法如圖32所示，根據(jù)網(wǎng)絡的具體分布情況，將服務器放在不同的網(wǎng)絡層次中，建立一種有層次的網(wǎng)絡體系。這種層次結構是建立在分布式的基礎之上。簡單的兩級層次的視頻服務器體系可以應用到小的系統(tǒng)如酒店、中小企業(yè)網(wǎng)絡中，多層次則可設計大型甚至城域網(wǎng)范圍的體系。但是這樣的結構仍然需要一個總的站點管理服務器，因為站點管理服務器的存在，會減低系統(tǒng)抗差錯性能和擴展

19、性能，而且，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中每個視頻文件服務器的內(nèi)容是不同的，這種結構也不能直接用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)。綜上所述，目前的分布式體系結構在遠程視頻監(jiān)控中的應用存在的問題，歸納下來有下面幾方面： (1)隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)資源不能很好的統(tǒng)一管理，影響到整個系統(tǒng)的用戶權限管理、設備資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理、系統(tǒng)可擴展性能、原有資源的共享能力等，當系統(tǒng)規(guī)模很大時，整個系統(tǒng)性能急劇下降，在城市規(guī)模的遠程視頻監(jiān)控中不可使用。(2)在分布式基礎上產(chǎn)生的層次結構優(yōu)化了網(wǎng)絡資源的利用率，但管理服務器仍然是物理集中管理模式，在城市級的大范圍內(nèi)，物理集中的用戶權限管理模式仍然會給使用帶來不便，特別是降低了系統(tǒng)的可擴展性和

20、系統(tǒng)抗出錯能力。為了體現(xiàn)分布式的優(yōu)點，同時能適應城市治安行政管理結構，本文提出了下面的分布式結構。消除中心管理服務器的問題可以在軟件設計上得到解決。32分布式樹型結構遠程視頻監(jiān)控研究本文的基于IP網(wǎng)絡的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在視頻管理服務器的組織上采用分布式樹形層次結構的分布如圖33所示。圖3.3 分布式服務器網(wǎng)絡分布結構圖33中A、B、C分別代表遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的根結點服務器、中間結點服務器、葉子結點服務器。在整個體系中，每一層要完成的功能是不同的。首先，本文將整個網(wǎng)絡按其自身的最佳處理范圍劃分為11個子網(wǎng)。將圖43中的C類服務器放置到對應的每個子網(wǎng)中，就得到Cl，C2，Ci(i從1到n)與子

21、網(wǎng)n對應的C類服務器。結點服務器a的作用是管理第i子網(wǎng)中的所有接入設備和視頻流，包括視頻編碼、解碼設備，相關的報警設備，遠程瀏覽用戶的管理以及視頻流的本地存儲和游覽等最基本的功能。在本系統(tǒng)的實際應用中網(wǎng)絡是租用中國電信的城域網(wǎng)，子網(wǎng)n的邏輯劃分規(guī)則是以電信的寬帶接入向為單元劃分的。這樣對于子網(wǎng)n中的所有監(jiān)控視頻都集中在該局向管理的網(wǎng)絡中，在視頻沒有遠程調(diào)用的情況下，數(shù)據(jù)不會對主干網(wǎng)的產(chǎn)生影響。在實際的遠程視頻監(jiān)控業(yè)務中，系統(tǒng)需要管理和協(xié)調(diào)從C1到Cn的網(wǎng)絡中的所有設備和視頻流，對于一個城市而言，Cn對應在城市中各派出所的級別。在此基礎上，假設按城市的行政管理區(qū)劃分，將一個城市劃分為k個行政管理

22、區(qū)，對應到圖43中，可以得到B1，B2，B個區(qū)域，實際應用中它對應到各個區(qū)公安分局級別中。由它來負責管理協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的所有c類服務器。所以B類服務器的主要功能是管理功能。最后，為了完成整個體系的協(xié)調(diào)管理工作，在網(wǎng)絡中設置了一個根結點服務器A，它對應實際應用中的市級公安局，A服務器協(xié)調(diào)所有的B類服務器。這樣就在物理結構上形成了一個統(tǒng)一的分布式樹型層次結構體系。這樣的體系繼承了分布式和層次結構的優(yōu)點。在實際的應用中，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，該結構有效的解決了網(wǎng)絡擁塞、統(tǒng)一管理和系統(tǒng)擴展性等傳統(tǒng)視頻監(jiān)控不能有效解決的問題。軟件開發(fā)上，每一個結點服務器都同時具備A、B、C三類功能服務，這樣在網(wǎng)絡結構中消除了各結點的功能的差異，整個網(wǎng)絡中就沒有中心管理服務器了。4 結束語本文在研究了視頻編碼技術、視頻流網(wǎng)絡傳輸技術和分布式視頻服務器服務體系等技術后，提出了滿足城市范圍的分布式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)