（机械电子工程专业论文）基于p2p原理的网络球形摄像机的关键技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 网络球形摄像机是集成了机械、电子、视频信息以及计算机网络技术于一体 的高集成度的精密一体化装置，是目前网络视频监控系统的重要设备之一。它以 嵌入式系统为基础，能够独立完成视频采集、视频编码和网络传输等任务。基于 p 2 p 原理的网络球形摄像机是网络球形摄像机技术的一个重要延伸和扩展。它通 过节点间直接的数据连接，实现监控视频流的远程实时传输，有效地节省了网络 带宽，提高了网络工作效率。 本文首先综述了网络球形摄像机的发展历程与应用领域，指出了传统网络球 形摄像机存在的不足和发展方向，然后分析了p 2 p 网络技术原理的研究情况和应 用现状，指出了将p 2 p 原理应用于网络球形摄像机的技术优势，给出论文的主要 研究目标是在课题组自行研制成功的网络球形摄像机基础上，对基于p 2 p 原理的 网络球形摄像机的若干个关键技术进行了研究，包括p 2 p 原理与实现、视频流传 输、视频编码、码率控制等。 网络拓扑结构、即时通信与数据连接建立作为基于p 2 p 原理的网络球形摄像 机的关键技术进行了重点研究。研究了若干种常用p 2 p 网络的拓扑结构及其工作 原理，提出了一种基于混合分布式p 2 p 网络拓扑结构的监控系统解决方案，详细 阐述了该监控系统的工作原理与技术特点。描述了x m p p 即时通信协议在该监 控系统中的应用，特别是在建立数据连接方面的应用。设计、实现并调试了节点 应用程序。 研究了网络球形摄像机在视频流传输方面的相关技术，采用r t p r t c p 协 议进行视频流传输，讨论了m p e g - 4 视频流的分组策略。介绍了p p p o e 拨号协 议，在网络球形摄像机的嵌入式系统上实现了p p p o e 协议。该模块采用基于有 限状态机的软件架构，在实际应用中达到了较好的效果。 视频编码和码率控制是网络球形摄像机的关键技术，论文对此进行了研究。 针对于简单监控场景下，对基于视频对象的m p e g - 4 编码相关技术，进行了理论 分析和实验研究。针对于固定带宽网络，提出了4 姗b q p 线性经验模型，并基 于该模型，提出了一种单通道v b r 反馈码率控制算法，仿真实验表明，该方法 简单实用。另外，讨论了动态带宽网络下的可分级视频编码技术 浙江大学硕士学位论文 摘要 最后总结全文并对下一步的研究方向，提出了一些建议和展望。 关键词：网络球形摄像机，p 2 p 网络，混合分布式结构，数据连接，视频编码， 码率控制 i b 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t n e t w o r kd o m ec a m e r ai sah i g h l yi n t e g r a t e dd e v i c ew h i c hi sc o m b i n e dw i m m e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i c ，v i d e oi n f o r m a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g i e s i ti s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e r v i c eo fn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m b a s e do n e m b e d d e ds y s t e m ，n e t w o r kd o m ec a m e r ac a nc a p t u r et h er a wv i d e o ，e n c o d ev i d e o a n dt r a n s m i tv i d e os t r e a mo v e ri n t e r n e t n e t w o r kd o m ec a m e r ab a s e do np 2 p p r i n c i p l ei sa ni m p o r t a n te x t e n s i o na n dd e v e l o p m e n to f t h i sf i e l d t h r o u g ht h ed i r e c t d a t ac o n n e c t i o n ，m o n i t o r i n gv i d e os t r e a mc a nb et r a n s m i t t e dr e a l - t i m ea n dr e m o t e l y t h i st e c h n o l o g ys a v e st h en e t w o r kb a n d w i d t ha n di m p r o v e st h en e t w o r ke f f i c i e n c yi n e f f e c t t h et h e s i sd e s c r i b e st h eg e n e r a ld e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do f n e t w o r kd o m ec a m e r a , a n ds p e c i f i e st h es h o r t c o m i n g sa n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o no f t r a d i t i o n a ln e t w o r kd o m ec a m e r a t h e n ，t h et h e s i sg i v e st h eo v e r v i e wo ft h e r e s e a r c hs t a t u sa n da p p l i c a t i o n so fp 2 pn e t w o r kt e c h n o l o g i e s a l s o ，t h et e c h n o l o g i c a l a d v a n t a g e so fa p p l y i n gp 2 pp r i n c i p l et on e t w o r kd o m ec a m e r aa r ep o i n t e do u t b a s e do nt h en e t w o r kd o m ec a m e r ai n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e db yo u rr e s e a r c hg r o u p ， t h et h e s i sm a k e si n d e p t hr e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r kd o m e c a m e r ab a s e do np 2 pp r i n c i p l e ，i n c l u d i n gp 2 p p r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o n ，v i d e o s t r e a mt r a n s m i s s i o n ，v i d e oc o d i n ga n dr a t ec o n t r o l ，e t c t h et h e s i sm a k e si n d e p t hr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gn e t w o r k t o p o l o g y , i n s t a n tm e s s a g i n ga n dt h ee s t a b l i s h m e n to f d a t ac o n n e c t i o n o nt h eb a s i so f r e s e a r c ho nf e a t u r e sa n dt o p o l o g ya r c h i t e c t u r e so fv a r i o u sp 2 pn e t w o r k ，ad i s t r i b u t e d s u r v e i l l a n c es y s t e ms o l u t i o ni sp r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do nh y b r i dd e c e n t r a l i z e d a r c h i t e c t u r e t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yc h a r a c t e ro ft h es o l u t i o ni s d e s c r i b e d t h et h e s i ss p e c i f i e st h ep r i n c i p l eo ft h i ss y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no f x m p pi n s t a n tm e s s a g i n gp r o t o c o li nt h i ss y s t e m ，s p e c i f i c a l l yi nt h ee s t a b l i s h m e n to f d a t ac o n n e c t i o n t h ep e e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e da n dd e b u g g e d t h et e c h n o l o g yr e l a t e dt ov i d e os t r e a mt r a n s m i s s i o ni sd i s c u s s e d t h et h e s i su s e s r t p r t c pp r o t o c o l st ot r a n s m i tt h ev i d e os t r e a m a l s o ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h e i v 浙江大学硕士学位论文摘要 s e g m e n t a t i o ns t r a t e g y f o rm p e g - 4v i d e os t r e a m p p p o ed i a l i n g p r o t o c o l i s i n t r o d u c e da n di m p l e m e n t e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m t h ed i a l i n gm o d u l ei s i m p l e m e n t e db a s e do nf s ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n da c h i e v e sg o o de f f e c t v i d e oc o d i n ga n dr a t ec o n t r o la l et h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r kd o m e c a m e r a t h et h e s i sd o e ss o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h et w of i e l d s c o d i n gs c h e m eb a s e do nv i d e oo b j e c ti sa p p l i e df o rs i m p l em o n i t o r i n gs c e n e al i n e a r e x p e r i e n c em o d e lo fa m s e - q p i sp r o p o s e d b a s e d0 1 1t h i sm o d e l ，as i n g l e - p a s sv b r f e e d b a c kc o n t r o lm e t h o di s p r o p o s e df o rf i xb a n d w i d t hn e t w o r k s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sp r o v e t h a tt h i sm e t h o di ss i m p l ea n de f f e c t i v e i na d d i t i o n ，s c a l a b l ev i d e o c o d i n gt e c h n o l o g i e sf o rv a r i a b l eb a n d w i d t hn e t w o r ki sd i s c u s s e d f i n a l l y , as u m m a r yi sg i v e nf o rt h ew h o l et h e s i s ，a n ds o m es u g g e s t i o na b o u t r e s e a r c hd i r e c t i o ni sp r o p o s e d k e yw o r d s ：n e t w o r kd o m ec a m e r a ，p e e r - t o p e e rn e t w o r k , h y b r i dd e c e n t r a l i z e d a r c h i t e c t u r e ，d a t ac o n n e c t i o n ，v i d e oc o d i n g ，r a t ec o n t r o l v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在此论文付梓之际，首先向我的导师王宣银教授致以最衷心的感谢。两年来， 我的生活、学习和工作都得到了王老师无微不至的关怀。自本论文选题伊始，王 老师在研究方向、技术路线以及论文撰写上都给予了精心的指导和无私的帮助 我的研究工作始终在王老师的指引和鼓励下进行。他对于学术的严谨求真，对工 作的无私忘我，对生活的积极乐观，都深深地打动了我，更促使我养成了认真、 求是、踏实的作风。谆谆教诲，终生铭记! 感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的各位老师，是他们给我创造 了如此优良的工作和学习氛围，并为我的课题研究提供了实验设备和实验环境， 才使得我的课题能够顺利的展开。 衷心感谢同课题组的向桂山、梁冬泰、张阳、朱志强、曹松晓，感谢他们在 我的研究进行中给予的大力帮助。 感谢我在读研究生期间朝夕相处的朋友，特别感谢程佳、李强、马启明、李 冰茹、丁渊明、李潇潇，徐志鹏、吴乐彬、童南建、皮阳军、周辅疆、余状、姜 泽、富晓杰、罗语溪、赵雁斌、王晓娟等，他们的相伴，让我的研究生生活更加 丰富多彩。 感谢我的挚友葛菲、鲍华、赵博、宋先凯、陈炜、刘一、刘锋、甘柳忠、段 皓、赵轩羽、李磊、杨彬、张立著、赵鑫，朱锐、沈文、赵然、陈宇、胡序、徐 骁、潘渊、黄志军、袁萍，他们的帮助、鼓励和关怀始终伴随我的学习生活。 最后特别要感谢我的父母，他们是我精神上和物质上的最大支柱。二十五年， 弹指一挥间，父爱和母爱始终伴随我的成长。谨将此文献予我的父母，作为对父 母养育教训之恩的一点点回报，感谢他们为我付出的一切。 郭家驹 2 0 0 8 年5 月于杭州求是园 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 2 1 世纪是一个数字信息化的时代。计算机、网络和数字多媒体作为新技术 的代表，推动着生产力高度发展。 据统计，人类获取外部世界8 0 的信息来自于视觉，视觉是人类最重要的 感知方式，而图像又是人类视觉的基础，因此，通过视频图像的信息交互方式越 来越得到人类的重视。网络视频传输具有数据量大、实时性要求高、传输错误敏 感度强等特点，是目前计算机网络技术研究的一大热点。 “9 1 1 ”恐怖袭击、马德里爆炸案和伦敦爆炸案后，全世界各国都加大了安 防监控系统的研究、应用的投入。作为安防监控的主要手段之一，视频监控系统 对恐怖袭击、抢劫盗窃等突发事件可以起到预防、监视的作用。到目前为止，视 频监控系统已经历经了三代的发展。第一代视频监控系统是指以v c r ( 卡带式影 像录放机) 为代表的传统c c t v 系统；第二代视频监控系统以d v r ( 硬盘影像机) 为代表，可以将模拟视频信号进行数字化存储和本地化播放；第三代视频监控系 统( 又称网络化全数字视频监控系统) 以数字化信息技术与网络技术为基础，是目 前视频监控领域的前沿和发展方向。同第一、二代视频监控系统相比，第三代视 频监控系统有如下一些优点： ( 1 ) 便于计算机处理。数字化视频信号可以充分利用计算机的快速处理能 力，对其进行压缩、分析、存储和显示； ( 2 ) 适合远距离传输。数字信号抗干扰能力强，不容易受到传输线路信号衰 减的影响，并且能够进行加密传输，因此可以进行远距离监控； ( 3 ) 提高了视频图像质量和监控效率。可以利用计算机对于视频图像进行去 躁、锐化等处理，获得高质量的监控图像； ( 4 ) 系统易于维护管理。系统采用模块化结构，传输采用有线或者无线信道， 集成度高，体积小，易于安装和维护； ( 5 ) 易于查找。利用计算机建立索引，可以迅速找到现场记录。 正是由于第三代视频监控系统有着第一、二代视频监控系统无法比拟的巨大 浙江大学碗上学位论i第1 章缔论 优势，符合当前数字化信息时代的发展趋势，所以网络化全数字视频监控系统正 在逐步取代传统的模拟视频监控系统和本地化数字监控视频系统，成为目前视颠 监控领域研究和开发的热点。 最初的网络化全数字祝频监控系统采用p c 机采集本地视频图像信号，进行 压缩编码，再通过网络进行传输的方式如图11 所示它实现了监控视频圉像 的远距离传输，并且拥有良好的人机交互功能但是，在很多实际应用中，p c 机无法适应现场环境的实际要求，而且，系统成本会由于本地p c 机而大大增加 图ll 基于p c 的远程监控系统 近年来，随着计算机网络技术和徽电子技术的成熟，尤其是高性能数字信号 处理芯片技术和嵌入式系统技术的逐渐成熟，网络摄像机成为监控领域研究和开 发的新热点网络摄像机将普通摄像机、视频压缩和网络传输集成于一体，将采 集的视频图像压缩为t c p i p 网络协议簇的数据包，通过以太网口直接发送到网 络上，用户通过网络即可进行远程监控。如图1 2 所示。 f穆炳剥里-|n l c e t ”o ，r 。k l 堕! ! 尘j 8 气r 田1 2 厨络摄像机监控系统 使用网络摄像机作为可为监控系统的主要设备有以下优越性： ( 1 ) 性价比高。整个监控系统省去了图l1 所示监控系统中的本地主机、图 像采集卡等，井能直接利用已有的计算机网络综合布线传输图像，太大地降低了 整个系统的成本； ( 2 ) 安装与维护简便，能适应不同的现场环境。整个系统设备简单，具有很 高可靠性好和稳定性； 渐 学学位论x第1 章绪论 ( 3 ) 系统扩展性强。当需要增加监拉点时，只需要在现有网络上增加一台网 络摄像机即可，而不需要对现有的布线做任何改动 1 2 网络球形摄像机的发展及现状 网络摄像机是目前网络化全数字视频监控系统的主要设备之一，它是伴随着 监控系统的发展而产生和发展的网络球形摄像机作为网络摄像机和一体化球形 摄像机相结合的产物，目前受到越来越多的重视。 一体化球形摄像机是光学、机械与电子技术相结合的产物，它将c c d 摄像 机，变焦光学镜头、垒方位云台等全套摄像系统以及附属的底座和防护罩，集成 在一个单元中，因此所谓球形它可以在上位机的控制下完成全方位云台的水平 转动、竖直转动，变焦镜头调节焦距等动作球形摄像机结构轻巧，集成度高、 安装方便，具有嵌入天花板、吸顶安装从天花板悬吊或支架式安装等多种安装 方式，加之具有镀铬镀金、烟色玻璃、黑色不透明等各种外观新颖的球形外罩， 具有很好的监控隐蔽性一体化球形摄像机实物圉如下，图l3 所示： 阳 猷 田l3 一体化球形摄像机实物图 目前一体化球形摄像机主要研究方向已经从一般化的图像采集功能向自动 跟踪7 州，目标识别“烽智能化功能发展，能够自动检测运动目标，进行目标 识别分析，并根据运动目标的位置，迅速调整摄像机的姿态，从而达到摄像机实 时跟随目标运动，这样就为智能监控提供了一种新的手段，提高7 监控系统的智 能化、自动化程度 斯旺大学顸学惶论文 第1 章绪论 随着高性能数字信号处理芯片的出现，网络带宽的不断提高和视频压缩技术 的逐渐成熟，出现了基于i p 9 7 网络摄像机 1 ”。网络摄像机是传统摄像机与网络视 频技术相结合的新一代产品，除了具备一般传统摄像机所有的图像采集功能外， 还内置了数字化多媒体压缩控制器和嵌入式实时操作系统，使得视频数据经过 h2 6 3 、m p e g 4 或者h2 6 4 等视频编码进行标准压缩加密后，可以通过局域网、 i n t e r n e t 或者无线网络迸至终端用户而终端用户则可以在自已的p c 上使用相应 的客户端软件，根据网络摄像机自带的i p 地址对网络摄像机进行访问，以此来宴 时监控目标现场的情况，并对图像资料实时编辑和存储。网络摄像机不需要额外 的p c 机作为服务器，因而降低了整个系统的成本，具有更广阔的市场前景。 网络球形摄使机既具备一体化球形摄像机全方位云台高速旋转，仰俯，镜头 变焦等功能，能够实现垒方位监控，又具有网络摄像机通过i p 进行远程访f q 的 功能，可以通过网络来控制摄像机的全方位云台旋转运动和镜头伸缩运动，进行 远程操控。本课题组自行研制的网络球形摄像机样机实物圉如围1 4 所示。 围1 4 网络球形摄像机样机宴物图 目前，网络球形摄像机发展中存在的难点在于随着网络球形摄像机的广泛应 用，网络视频监控系统的服务器端负载急剧增加，网络带宽已经成为限制网络视 频监控系统扩展的最大瓶颈伴随着网络带宽瓶颈的限制，监控图像质量降低， 传输拥塞等问题已经制约了网络球形摄像机的应用基于p 2 p 原理的网络球形摄 像机技术是网络球形摄像机技术的一个重要延伸与发展，它可以有效地利用网络 带宽，提高网络的工作效率。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 互联网与p 2 p 网络技术发展与现状 互联网( i n t e r n e 0 是指采用路由器相连接的不同计算机网络的集合。因特网 ( i n t e m e t ) 是全球范围内网络和网关的集合，采用t c p i p 协议簇进行通信。i n t e r n e t 从2 0 世纪9 0 年代起开始迅速发展，目前已经成为世界最大的信息交互平台。目 前，i n t e r n e t 上的信息交互已经不仅仅局限于以w e b 、e m a i l 和f t p 为代表的传 统数据交互，以视频、语音和动画为代表的多媒体信息交互近年来得到突飞猛进 的发展。 目前，互联网应用程序一般采用的是c s 模式，即客户服务器模式。由于 历史的原因，服务器程序一般工作在共享资源丰富、网络带宽高、性能优越的主 机上，而相应的客户机往往资源匮乏，需要向服务器请求所需要的共享资源，这 就造成网络中资源分配的不均衡。随着互联网访问量和数据流量的快速增长，服 务器端负载过重，服务器的处理能力和网络带宽已经成为了网络的瓶颈。 p 2 p 网络即对等网络，是分布式系统与计算机网络相结合的产物，是采用对 等模式工作的计算机网络。网络中的每一台主机都被称为一个对等端或者对等节 点( 以下简称节点) 。网络中的共享资源包括：信息共享与交换、计算资源( 如c p 功、 存储资源( 如缓存和硬盘空间) 等。 p 2 p 思想起源较早，最早提及p 2 p 的文献发表于1 9 5 6 年，但在此后4 0 多年 时间里，p 2 p 网络技术并未得到实质性发展。1 9 9 9 年，第一个p 2 p 应用系统n a p s t e r 诞生，n a p s t e r 被用来提供文件共享服务。此后几年间，基于p 2 p 网络的应用系 统层出不穷，用户数量急剧增加。其中影响较大的应用系统有：n u l l s o f t 公司开 发的g n u t e l l a 、s k y p e 公司开发的即时通信软件s k y p e 、c o h e n 开发的多点文件下 载软件b i t t o r r e n t 等。另外，i n t e l 、m i c r o s o f t 、h p 和i b m 等国际知名大公司也 开展了对p 2 p 网络的应用研究工作。 国内，从2 0 0 3 年开始，部分高校、研究机构和公司展开了p 2 p 应用系统的 开发工作，其中比较有影响的是：北京大学开发的网络文件系统m a z e 、华中科 技大学开发的视频直播系统a n y s e e 、清华大学开发的广域网分布式存储系统 g r a n a r y 、华中科技大学开发的视频直播系统p p l i v e 等。 p 2 p 网络的基本特点在于非中心化。 传输和服务的实现都在节点间直接进行。 网络中的资源分布趋向于分散，信息的 p 2 p 网络同传统c s 模式的网络相比， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 优点有以下几点： ( 1 ) 有效地利用了网络带宽。p 2 p 网络中不存在c s 模式下的服务器，因此 不存在服务器端的带宽瓶颈，任意两个对等节点之间的数据传输速度只取决于网 络带宽，因此，它对于网络带宽的利用是充分的。 ( 2 ) 具有非常高的扩展性。p 2 p 网络在节点数目大量增加时，增加的通信开 销会由众多节点共同分担，因此，每个节点承担的负载并不会增加太多。 ( 3 ) 具有良好的容错性。c s 模式下，服务器往往容易受到攻击，而造成整 个网络的崩溃。p 2 p 网络中，单个节点受到攻击而失效时，不会对整个网络造成 太大的影响。 ( 4 ) 提高了网络工作效率。在c s 模式下，客户只能同服务器交换信息，如 果两个客户间需要传送文件，先需要将文件传送到服务器上，再由服务器向另一 个客户传输，增加了一个不必要的环节。p 2 p 模式下，节点间的信息交换通过直 接的数据连接进行。因此，网络工作效率得到了有效地提高。 ( 5 ) 开发了每个节点的潜力。一个节点对于整个网络的贡献，是它可以提供 的计算能力和存储能力等。在c s 模式下，整个网络的计算任务和数据存储几乎 都由少量的服务器来进行，客户对于整个网络的贡献微乎其微。在p 2 p 模式下， 数据分散存储在每个节点上，计算任务由网络中的每个节点共同承担，协同完成。 因此，p 2 p 模式开发了每个节点的潜力。 目前，p 2 p 匿 络被应用于文件共享、视频点播、即时通讯、分布式计算等几 个主要方面。同时，p 2 p 原理也是目前i n t e r n e t 技术领域的研究热点之一。自从2 0 0 3 年开始，p 2 p 原理的研究进入了一个稳定期。在解决了p 2 p n 络最核心的问题后， 学术界将研究重点放在性能增强、安全问题和新型实用系统的开发上。其中，网 络拓扑结构【1 6 】、信息检索【1 7 1 、网络安全【1 8 】等是目前p 2 p 网络技术研究的前沿课题。 基于以上叙述，将p 2 p 原理应用于网络球形摄像机，可以在有限的网络带宽 条件下，有效地利用网络带宽，提高网络工作效率，实现监控视频流的远程传输 与实时播放。同时，使得整个网络视频监控系统拥有较好的可靠性和优秀的可扩 展性。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 本课题研究内容 本文所研究的内容主要是针对基于p 2 p 原理的网络球形摄像机的关键技术 进行研究，集中在如下两个方面： ( 1 ) 对多种p 2 p 网络拓扑结构的工作原理和特点进行研究，提出一种基于 p 2 p 原理的分布式视频监控系统的解决方案。该解决方案以混合分布式p 2 p 网络 拓扑结构为基础，通过建立节点间直接的数据连接，实现监控视频流数据的远程 实时传输。 ( 2 ) 完成普通节点应用软件设计、编写和调试，使得系统具备实时监控和远 程控制等功能；并针对视频流数据网络传输中出现的问题，提出相应的解决方法。 ( 3 ) 视频编码技术和码率控制技术对网络球形摄像机来说具有相当重要的 意义，本文对基于视频对象的视频编码技术和不同带宽条件下，视频编码的码率 控制技术理论和方法进行了研究，并对这些理论与方法进行了实验研究。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题的来源、研究内容与意义相关技术的研究现状。主 要介绍了网络球形摄像机的特性和发展情况，指出了网络球形摄像机发展中存在 的问题和瓶颈，介绍了互联网技术与p 2 p 网络技术原理的发展现状。另外，本章 中还介绍了本课题的研究内容，并概述了全文的内容组织。 7 浙江大学硕士学位论文 第2 章基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 基于p 2 p 原理的分布式监控系统是一个较为复杂的系统，要实现从数字视频 图像采集与压缩编码、数据连接建立、视频流数据网络传输，图像解码播放以及 球形摄像机远程运动控制等功能，需要前端摄像机，节点之间具有良好的协作和 配合。本章提出了一种基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案，对于该方案的工作 原理和实现进行了研究。 首先介绍了各种p 2 p 网络拓扑结构的工作原理；然后提出了一种基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案，对该方案的工作原理进行了研究；接着重点介绍了 x m p p 即时通信协议在该方案当中的应用，特别是在数据连接建立方面的应用， 第四部分介绍了普通节点应用程序的设计和实现；最后对本章内容进行了小结。 2 1 各种p 2 p 网络拓扑结构及特点 拓扑结构是指分布式系统中各个计算单元间的物理或逻辑的互联关系，网络 拓扑结构一直以来都是确定系统类型的重要依据。目前，i n t e r n e t 上绝大多数服 务器系统都是集中式拓扑结构。 p 2 p 网络系统一般要构造一个非集中式的拓扑结构。因此，根据p 2 p 网络拓 扑结构的不同，p 2 p 网络被分为中心化拓扑( c e n t r a l i z e dt o p o l o g y ) l j 5 9 络、全分布 式非结构化拓扑( d e c e n t r a l i z e d u n s t r u c t u r e d t o p o l o g y ) 络、全分布式结构化拓扑 ( d e c e n t r a l i z e ds t r u c t u r e dt o p o l o g y ) 络和混合分布式拓扑( h y b r i dd e c e n t r a l i z e d t o p o l o g y ) 网络 1 9 , 2 0 。 2 1 1 中心化拓扑p 2 p 网络 中心化拓扑p 2 p 网络的拓扑结构如图2 1 所示。在该网络中，有一个中央目 录服务器负责记录共享信息，并对节点的信息查询请求进行应答。每一个节点从 中央目录服务器上获得资源分布信息，从其他节点直接获取资源。 中心化拓扑p 2 p 网络最大的优点在于维护简单，算法灵活高效，信息查询效 率高。缺点在于该网络同传统的客户服务器结构类似，中央服务器的单点故障 容易引起整个网络的崩溃，可靠性和安全性比较低。另外，随着网络规模的扩大， r 浙江大学硕士学位论文第2 章基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 对服务器进行维护和升级的费用将急剧增加，成本过高。 图2 1 中心化拓扑p 2 p 网络拓扑结构图 2 1 2 全分布式非结构化拓扑p 2 p 网络 全分布式非结构化拓扑的p 2 p 网络采用随机图的组织方式来形成一个松散 的网络，它的典型结构如图2 2 所示。在全分布式非结构化拓扑的p 2 p 网络模型 中，每个节点具有相同的功能。此结构对于网络的动态变化有着较好的容错能力， 因此具有很好的可用性。 图2 2 全分布式非结构化p 2 p 网络拓扑结构 全分布式非结构化拓扑的p 2 p 网络的优点在于网络配置简单，不需要服务器 的支持，在网络规模较小的时候具有很高的资源查询效率。但是，由于该网络中 大多采用随机图洪泛方式或随机转发机制查询和定位资源，因此，随着联网节点 9 浙江大学硕士学位论文 数目的增加，网络规模不断扩大，网络负载急剧增加，资源定位效率严重下降， 因此全分布式非结构化拓扑p 2 p 网络可扩展性低。 2 1 3 全分布式结构化拓扑p 2 p 网络 全分布式结构化拓扑p 2 p 网络以d h t ( d i s t r i b u t e d h a s h t a b l e ，分布式散列表) 的分布式发现和路由算法为基础。 d h t 类结构能够自适应节点的动态加入和退出，有着良好的可扩展性、鲁 棒性和自组织能力。另外，由于重叠网络采用了确定性的拓扑结构，d h t 能够 准确地定位资源。 d h t 类结构的最大问题是d h t 的维护机制比较复杂，尤其是节点频繁加入 和退出网络时，造成的网络波动会极大地增加d h t 的维护代价。 2 1 4 混合分布式拓扑p 2 p 网络 混合分布式拓扑( 有的文献称作半分布式拓寺i - ) p 2 p 网络结合了中心化拓扑和 全分布式非结构化拓扑的优点，选择性能( 处理能力、存储、带宽等) 较高的节点 作为超级节, 点, ( s u p e r n o d e ) ，在各个超级节点上保存其他部分节点的信息，发现 算法仅仅在超级节点间转发，超级节点再将查询请求转发给适当的普通节点。因 此，混合分布式拓扑结构是一个层次式结构，超级节点间构成一个高速转发层， 超级节点和所负责的普通节点构成其他层次。混合分布式拓扑p 2 p 网络的拓扑结 构如图2 3 所示。 混合分布式拓扑结构的优点是性能、可扩展性好，较容易管理，资源定位准 确，查询速度快等；但是对于超级节点依赖比较大，容易受到攻击，容错性也受 到影响。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 图2 3 混合分布式p 2 p 网络拓扑结构 2 2 基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 根据以上所述各种p 2 p 网络拓扑结构的特点，提出了一种基于p 2 p 原理的 分布式监控系统方案。该方案以混合分布式p 2 p 网络拓扑结构为基础，采用 x m p p 协议进行即时通信。系统中各普通节点间可以建立直接的数据连接，进行 视频流数据和运动控制命令数据的远程传输。 2 2 1 分布式监控系统方案网络拓扑结构 分布式监控系统以网络球形摄像机为基础，实现视频流数据的远距离实时传 输与播放。监控系统一般用于安防领域，因此，整个系统鲁棒性、稳定性和实时 性要求高。因此，结合不同p 2 p 网络的特点，选择混合分布式拓扑作为分布式监 控系统的基本网络拓扑结构。 图2 4 所示为该分布式监控系统的网络拓扑结构示意图。该结构采用计算机 集群( c l u s t e r ) 作为超级节点群，普通p c 机作为普通节点，普通节点同网络摄像 机位于同一个局域网内。普通节点一方面同相应的超级节点通讯，获得其他普通 节点的信息，另一方面转发网络摄像机采集并压缩的视频数据信号。 浙江大学硕士学位论文 图2 4 分布式监控系统网络拓扑结构 采用混合分布式拓扑结构作为分布式监控系统的基本网络拓扑结构有以下 一些优势： ( 1 ) 同完全分布式拓扑结构相比，有效地节省了定位资源的时间，适应监控 系统实时性的要求； ( 2 ) 以计算机集群作为超级节点群，即使某一个超级节点受到攻击或者硬件 故障而失效，其他超级节点能代替该节点，执行它的任务，因此有效地降低了“单 点”故障而造成的损害； ( 3 ) 工作时，普通节点间建立直接的数据连接，有效地节省了网络带宽，提 高了视频监控的图像质量； ( 4 ) 普通节点可以自由的加入或退出该分布式监控系统，系统具有比较高的 鲁棒性和自组织能力； 2 2 2 分布式监控系统工作原理 分布式监控系统工作时，超级节点( 记为b i ) 一直维持工作状态。普通节点a 1 l 工作时，首先使用用户帐号和密码在所对应的超级节点( 记为b 。) 上登陆，更新超 级节点b l 的在线信息，超级节点b 1 向其余超级节点b i ( i 1 ) 查询普通节点a i j ( a i j 表 示对应每一个b i 的躺个普通节点) 的在线信息，其余超级节点b i ( i 1 ) 将a i j 的在线 信息反馈给超级节点b l ，b 1 将a i j 在线信息转发a 1 l a 1 l 创建在线节点表。过程如 图2 5 所示，绿色箭头代表节点a ，。的登陆信息，红色箭头代表a 。，接收的其他普 通节点在线信息。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 翮瓜、! 酸；! 。厂挣划网络 ，二一? ib 爿? 风 超级超级 塑堡型皂 n 线 拇点b ，节点b 3 、 。鬯门丝堡垫 息 _ r 、： 网络日。侈点、j 超级超级 雁小一网络 摄像帆n 如1 j 7 节点b 2 1 j i 熙- b 4 11 竺! 夕 塑堡堡 ， ， 图2 5 普通节点登陆示意图 普通节点a 。从自己的在线节点表中选择某一个在线的普通节点a i i ( 比如 a 3 5 ) ，提出监控连接请求，a 。l 被称为连接请求的发起节点。连接请求被b 。转发给 b ，b 3 再转发给a 3 5 ( a 3 5 被称为连接请求的目标节点) 。通常，连接请求包含发起 节点i d 、目标节点i d 、视频网络传输协议、视频格式、压缩方式及采样格式等具 体信息。 目标节点a 。，收到连接请求后，有三种选择，接受请求、协商请求或者拒绝 请求。如果a 3 ，选择拒绝请求，则通过b 3 和b 1 回送一个拒绝请求信息，本次连接 请求结束；如果接受连接请求，并同意请求信息中的具体信息，则a 3 s 回送一个 同意建立连接信息，a 。和a 3 5 间建立直接的数据连接；如果a 3 5 希望建立连接， 但希望协商建立连接的具体细节，则回送一个协商信息，对于本次连接的具体细 节同发起节点a 。进行协商。a 1 1 和a 3 5 经过协商，如果协商不能达成一致，则连接 请求终止；如果协商成功，则连接建立。数据连接建立的过程如图2 6 所示。 图2 6 数据连接建立示意图 当a 1 1 与a 3 5 间的数据连接建立后，监控视频流数据可以通过该数据连接进行 实时传输。a 3 5 先同局域网内部的网络球形摄像机进行连接，获取网络球形摄像 机压缩好的视频流数据，再通过数据连接发送给a ma ，接收视频流信号后，利 浙江大学硕士学位论文 用自身携带的视频解码播放器进行播放。同时，a 。l 可以通过客户端的人机交互 界面，向a 3 5 发送网络球形摄像机运动控制命令，远程控制球形摄像机的云台运 动。 数据连接建立后，监控系统正常工作时，数据流的传递如图2 7 所示，绿色 箭头所代表的视频流数据，自网络球形摄像机，经过a ，5 的转发，直接传输到a l l ， 而红色箭头所代表的运动控制命令，自普通节点a 1 1 经r a 3 5 转发，传输给a 3 5 所 在局域网内的网络球形摄像机。 图2 7 监控系统工作示意图 监控结束时，普通节点a l l 可以主动或者被动终止数据连接，同时断开同局 域网内网络球形摄像机的连接。最后，普通节点a 1 l 向相应的超级节点b 。发送离 线信息，退出该分布式监控系统。超级节点b 更新普通节点a t j 的在线信息表。 2 3x m p p 即时通讯协议及其在监控系统中的应用 在分布式监控系统工作的过程中，普通节点需要同相对应的超级节点进行即 时通讯，以满足监控系统实时性的要求。在普通节点登陆和退出、数据连接建立、 数据连接维持以及普通节点在线信息更新等过程中，即时通讯都起到了关键性的 作用。目前，主流的四种即时通讯协议分别是x m p p ( 可扩展消息与存在协议) 、 i m p p ( 即时信息和空间协议) 、p r i m ( 空间和即时信息协议) 和s i m p l e ( 针对即时 通讯和空间平衡扩充的进程开始协议s i p ) 。 x m p p 由j a b b e r 软件基金会开发，最早在j a b b e r 上实现 2 1 , 2 2 】。x m p p 基础部分 已经在2 0 0 2 - 2 0 0 4 年得到了互联网工程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ) 的批准，并组织完成了标准化的工作。标准化的核心结果分为两个部分： 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章基于p 2 p 原理的分布式监控系统方案 核心的x m l 流传输协议( r f c 3