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監控系統被廣泛應用于保安、生產(chǎn)管理等需要無(wú)人值守的場(chǎng)合。雖然基于閉路電視的模擬監控系統已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但當前興起的數字視頻監控系統與之相比，有許多優(yōu)點(diǎn)。數字視頻監控系統的智能性和可靠性高，能提供遠程訪(fǎng)問(wèn)能力，視頻資料管理保存方便，而且可以開(kāi)發(fā)升級。本文介紹了一種基于IP網(wǎng)絡(luò )的數字視頻監控系統的設計實(shí)現方案，他從采集、傳輸到終端控制實(shí)現了全過(guò)程數字化。 l 系統需要解決的問(wèn)題 1．1 數字音視頻壓縮標準以及壓縮方式的選擇 現有的壓縮算法有H．263系列，M-JPEG，MPEG-1 VCD壓縮標準，MPEG-2 DVD壓縮標準，WAVELET小波變換，MPEG-4標準。這些算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，也決定了其應用于不同行業(yè)的適用性，H．263適合用于可視電話(huà)及視頻會(huì )議等對圖像大小和質(zhì)量要求不是很高的應用領(lǐng)域；MJPEG，MPEG-1，MPEG-2由于實(shí)時(shí)性差以及數據量大的缺點(diǎn)不適合網(wǎng)絡(luò )傳輸；MPEG-4視頻壓縮技術(shù)的出現引發(fā)了壓縮領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，他基本上克服了其他壓縮算法的缺點(diǎn)，利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)壓縮和傳輸資料，以求以最少的數據獲得最佳的圖像質(zhì)量。MPEG-4試圖達到2個(gè)目標： (1)低比特率下的多媒體通信； (2)是多工業(yè)的多媒體通信的綜合。 據此目標，MPEG-4引入AV對象(Audio／Visaul Objects)，使得更多的交互操作成為可能。盡管MPEG-4并不是專(zhuān)為視頻監控壓縮領(lǐng)域而設計的，但同樣也適合CIF(352×288)或者更高清晰度(768×576)情況下的視頻壓縮。 實(shí)現壓縮算法的方式有2種，軟件壓縮和硬件壓縮，其中硬件壓縮實(shí)時(shí)性好，性能可靠，市場(chǎng)上也存在專(zhuān)用的MPEG-4壓縮芯片或板卡。 為了達到實(shí)時(shí)性的要求，本系統采用MPEG-4壓縮算法的硬件壓縮方式。 1．2 信道環(huán)境以及實(shí)時(shí)性的考慮 目前可供選擇的信道有PSTN，N-ISDN，以太網(wǎng)等。而監控系統大多數的應用場(chǎng)合是在一個(gè)相對較小的地域內進(jìn)行視頻監控，因而可以使用已經(jīng)廣泛使用的以太網(wǎng)作為數字硬盤(pán)錄像系統視頻傳輸的信道。目前100BASE-T以太網(wǎng)的帶寬已經(jīng)達到100Mb／s，可以滿(mǎn)足數字硬盤(pán)錄像系統提供高質(zhì)量清晰圖像、多路視頻同時(shí)傳輸的要求。因此本文選用100BASE-T以太網(wǎng)作為主要傳輸信道。 本文的任務(wù)主要是圍繞以太網(wǎng)來(lái)解決數字視頻的實(shí)時(shí)傳輸和組播問(wèn)題�？紤]在某些應用場(chǎng)合需要遠距離傳送視頻碼流，為此在設計網(wǎng)絡(luò )傳輸系統時(shí)就充分考慮了信道帶寬的限制，引人碼流和幀率動(dòng)態(tài)可調機制，較好地滿(mǎn)足了遠程監控場(chǎng)合對圖像質(zhì)量和圖像連續性的要求。 為了達到實(shí)時(shí)性，不光音視頻采集部分要實(shí)現實(shí)時(shí)性，傳輸部分也要達到實(shí)時(shí)要求，根據試驗，采用MPEG-4要達到25幀／s，需要256kb／s的帶寬，可見(jiàn)100Mb／s的以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足多路傳輸要求。 1．3 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和傳輸機制的控制 ISO組織制訂的OSI網(wǎng)絡(luò )參考模型中，運輸層建立在IP層之上，包含2種傳輸協(xié)議：一種是傳輸控制協(xié)議TCP，他是面向連接的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議；另一種是用戶(hù)數據報協(xié)議UDP，他是無(wú)連接的。其中TCP不適合實(shí)時(shí)傳輸音視頻資料，常用的是基于UDP的RTP協(xié)議。 由于UDP沒(méi)有差錯控制，屬于不可靠的分組遞交，為了實(shí)現可靠交付和流量控制，IETF(因特網(wǎng)工程部)提出了RTP和RTCP兩個(gè)協(xié)議。所有的實(shí)時(shí)媒體資料都使用RTP進(jìn)行傳輸，RTCP提供接收方向發(fā)送方反饋信息的功能。他們都是基于UDP的。 2 系統設計 2．1 數字監控系統網(wǎng)絡(luò )傳輸的功能設計 系統原理框圖如圖l所示。 他由9個(gè)模塊組成，音視頻采集和壓縮處理由視頻采集卡硬件完成，采集卡通過(guò)附帶的SDK函數接口和網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊之間通信，當視頻采集卡完成視頻捕捉和壓縮處理后，RTP協(xié)議封裝模塊對數據塊進(jìn)行封裝和排序，然后交給UDP網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊在IP網(wǎng)絡(luò )上傳輸；對于接收端所做的工作和發(fā)送端基本類(lèi)似，只是負責把網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)來(lái)的音視頻資料包重組和譯碼回放出來(lái)。 2．2 系統硬件構成 圖2所示是整個(gè)系統的硬件組成，包括攝像頭、前端采集計算機和中心服務(wù)器3個(gè)主要部分，前端采集計算機中裝有視頻采集卡，根據采集卡的路數多少可以配備相應數量的攝像頭。 2．3 軟件設計 系統工作為C／S方式，包括3個(gè)部分：采集、傳輸、服務(wù)器顯示和控制。 音視頻采集的軟件開(kāi)發(fā)是在采集卡廠(chǎng)商提供一個(gè)SDK軟件包的基礎上進(jìn)行的。由于視頻資料包和碼流的大小會(huì )影響到視頻在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的實(shí)時(shí)性和視頻在接收端回放時(shí)抖動(dòng)的程度，因此該音視頻資料包大小和碼流設置應該是傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性和與回放時(shí)的抖動(dòng)情況的折衷。 發(fā)送端的取流、封裝和發(fā)送過(guò)程采用了32位操作系統搶先式多線(xiàn)程任務(wù)機制以解決CPU并行效率低等問(wèn)題，整體上分為三緩沖區多線(xiàn)程結構，即采用取流緩沖區、封裝緩沖區和發(fā)送緩沖區等3個(gè)緩沖區，分配了取流封裝線(xiàn)程、內存切換線(xiàn)程、視頻圖像發(fā)送線(xiàn)程和程序主線(xiàn)程等4個(gè)線(xiàn)程，利用了取流緩沖區空、取流緩沖區滿(mǎn)、封裝緩沖區空、封裝緩沖區滿(mǎn)、發(fā)送緩沖區空、發(fā)送緩沖區滿(mǎn)及允許發(fā)送等7個(gè)事件，提高了視頻圖像傳輸的效率。 在使用RTP協(xié)議對視音頻復合流進(jìn)行封裝時(shí)，通行的做法是：在Windows操作系統中裝載RTP協(xié)議的動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)，然后將發(fā)送端的視頻編碼器輸出的數據流進(jìn)行相應的成幀算法，形成適合于RTP協(xié)議格式的視頻流封裝，遞交給RTP協(xié)議分組處理模塊，加上此協(xié)議的分組報文頭，并根據當前的采樣時(shí)鐘打上時(shí)間戳，標記順序號，并給定幀頻、分辨率、相應的壓縮格式等參數，經(jīng)多目地址傳輸來(lái)完成。在接收端，當實(shí)時(shí)視頻資料到達后，去掉該層協(xié)議的頭標，根據套接字應用的埠號向上層遞交。RTP分組模塊處理遞交的資料分組，根據其會(huì )話(huà)標識和序列號進(jìn)行鑒別，將有效的分組傳遞給相應的譯碼緩沖區，實(shí)現視頻流內部的同步。 為了避免引起廣播風(fēng)暴，采用了在PC平臺上實(shí)現IP組播，為此量身定制了一個(gè)基于微軟基本類(lèi)庫MFC的IP組播類(lèi)CMulticastSocket。IP組播類(lèi)CMulticastSocket是在異步Socket類(lèi)CAnsycsocket的基礎上派生出來(lái)的，分組中的每一個(gè)成員都可以動(dòng)態(tài)地加入和退出；組中的某個(gè)成員發(fā)出的信息，分組中其他所有的授權成員都能收到，他是UDP Sockets的一個(gè)分支。 由于數字硬盤(pán)錄像系統(DVR)還需要給客戶(hù)端提供網(wǎng)絡(luò )控制功能和傳送系統信息，在具體的網(wǎng)絡(luò )編程應用中，采取UDP Socket和TCP Socket并存的編程機制。 3 性能指標 本系統性能指標如下： 支持100Base-T以太網(wǎng)環(huán)境下的8路CIF格式的視頻同時(shí)傳送； 支持50個(gè)遠程客戶(hù)端同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)； 在客戶(hù)端，網(wǎng)絡(luò )視音頻傳輸的延時(shí)低于1 000ms，且無(wú)明顯抖動(dòng)，客戶(hù)端重建的每路視頻的幀率大于25幀／s； 支持PSTN線(xiàn)路條件下的一路Q(chēng)CIF格式的視頻傳送，客戶(hù)端重建的視頻幀率大于5幀／s； 支持報警回傳，電話(huà)線(xiàn)自動(dòng)報警，對報警事件自動(dòng)錄像。 4 結 語(yǔ) 本文介紹的基于IP網(wǎng)絡(luò )的采用通用計算機結合視頻采集卡的音視頻監控系統，已成功應用于某大型倉庫的無(wú)人看護，使用情況表明其性能良好。今后，隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于IP網(wǎng)絡(luò )的功能更強大和體積更小巧的嵌入式數字監控系統將得到越來(lái)越廣泛的應用。 |
