（通信与信息系统专业论文）矩阵监控系统的网络化改造.pdf

摘要 论文来源于本实验室承担的某国际知名公司的s x 8 5 0 闭路监控系统改造项 目。s x 8 5 0 是套数模混合系统，由m p u 、键盘、模拟矩阵、摄像机、监视器等 组成。数字化的m p u 通过以太网向模拟交换矩阵发送控制命令，由这些矩阵完 成视频的切换、摄像头控制和字符显示等功能。系统的交换由模拟矩阵完成，故 也称为矩阵监控系统。改造方案是保留m p u ，利用我们丌发的网络控制器 n c ( n e t w o r kc o n t r o l l e r ) 、以太网交换机和编解码器替换模拟矩阵，构成一个新的 全数字网络监控系统。本人的工作重点就是完成核心部件n c 的设计与实现。 论文首先分析了原系统的工作流程，研究了系统改造成功的必要条件，给出 了改造后的系统结构及n c 应具备的主要功能。其次讲述了新系统中用到的 v i s i o w a v e 和s m a r t s i g h t 编解码器切换和字符显示的工作原理。然后详细阐述了 新系统的文件配置框架。在介绍w i n s o c k 编程和多线程知识的基础l ，给出了n c 控制程序的具体实现方案，并采用c c + + 语言实现了文件配置程序及n c 控制程 序的a r p 模块、分组接收分发模块、应答模块、切换和字符显示模块。最后对 系统进行了详细的调试和测试，结果表明改造后的系统运行良好，达到预期目标。 新系统实现了全数字化和网络化，在技术上和经济上都具有很强的竞争力，同时 为其他厂家类似产品的网络化改造提供了有益的借鉴。 关键字：视频监控矩阵交换网络化改造 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o np r o j e c to fs x 8 5 0c c t vs y s t e m ，w h i c h i su n d e r t o o kb yo u rl a b s x 8 5 0i sam i x e ds y s t e mo fd i g i t a la n da n a l o gd e v i c e s ，i t c o n t a i n sm p u ，s y s t e mc o n t r o l l e r , m a t r i x ，c a m e r a sa n dm o n i t o r s t h ed i g i t a lm p u s e n d sc o n t r o lc o m m a n d st ot h es w i t c hm a t r i x e st h r o u g he t h e m e t ，a n dt h e s es p e c i a l m a t r i x e sa c c o m p l i s ht h ev i d e os w i t c h ，c a m e r ac o n t r o la n do ns c r e e nd i s p l a y ( o s d ) f u n c t i o n s s i n c et h e s ef u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e db ya n a l o gm a t r i x e s ，s x 8 5 0i sa l s o c a l l e dam a t r i xs w i t c h e rs u r v e i l l a n c es y s t e m o u rp r o j e c ti st oh o l dt h em p u ，b u t r e p l a c et h em a t r i x e sb yn e t w o r kc o n t r o l l e r ( n c ) e x p l o i t e db yu s a n de t h e r n e t s w i t c h e sa n dd i g i t a lc o d e r d e c o d e r s ，w h i c hf o r man e wn e t w o r ks u r v e i l l a n c es y s t e m m y w o r ki st od e s i g na n dr e a l i z et h ec o r ec o m p o n e n tn c f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ef l o wt h a ts x 8 5 0s y s t e mw o r k s ，s t u d yt h en e c e s s a r y c o n d i t i o nt om a k et h en e w s y s t e mw o r k ，g i v et h en e ws y s t e m ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n s t h a tn cs h o u l dh a v e t h e nt h ep r i n c i p l e so fs w i t c ha n do s do fv i s i o w a v ea n d s m a r t s i g h tc o d e ra n dd e c o d e r sa r eg i v e n f i l ec o n f i g u r a t i o no ft h en o ws y s t e mi sg i v e n s u b s q u e n t l y a f t e ri n t r o d u c i n g t h e k n o w l e d g eo f w i n s o c ka n dm u l t i t h r e a d p r o g r a m m i n g ，d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h en e ws y s t e m sf i l ec o n f i g u r a t i o na n dn c c o n t r o lp r o g r a mi sg i v e n m o d u l e so fa r p , p a c k e tr e c e p t i o na n dd i s t r i b u t i o n ，p a c k e t r e s p o n s e ，v i d e os w i t c h a n do s da r ep r o g r a m m e dw i t hc c + + l a n g u a g e f u l l d e b u g g i n ga n dt e s t i n ga r ed o n et ot h ep r o g r a ma tl a s t ，a n dr e s u l t ss h o wt h a t n e w s y s t e mw o r k sw e l l t h en e ws y s t e ms t r e n g t h e n s i t sc o m p e t i t i v ea b l i li t yo nb o t h t e c h n o l o g y a n dc o s t ，a n dp r o v i d e su s e f u lg u i d a n c ef o rt h er e c o n s t r u c t i o no fo t h e r s i m i l a rp r o d u c t s k e y w o r d ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；m a t r i xs w i t c h e r ；n e t w o r k i n gr e b u i l d i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致n - h 所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它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所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切棚关责任。 皋人签名量缝建f - i j i f ! i ：2 2 曙够 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子番；i 技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安r 电子利技大学。 学校有权保留送交论文的复印, f l ：，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、n r p 、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权 二1 5 。 本人签名：土难键 导师签名： 立瞄毫 日期：釜! ! z ：! ：竺 绪论 第一章绪论 1 1视频监控系统概述 监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、防范 能力极强的综合系统【1 1 。它可以通过遥控摄像机及其辅助设备直接观看被监视场 所的一切情况；可以把被监视场所的图像、声音内容同时传送到监控中心；使被 监视场所的情况一目了然。同时，监控系统还可以与防盗报警等其他安全技术防 范体系联动运行，使防范能力更加强大。特别足近几年来，多媒体技术的发展以 及计算机图像文件处理技术的发展，使监控系统在实现自动跟踪、实时处理等方 面更有了长足发展，从而使监控系统在整个安全技术防范体系巾具有举足轻重的 地位。 监控系统还可以把被监视场所的图像及声音记录下来。随着数字硬盘录像机 的出现，数据的保存时间可长达几月甚至几年，从而为同后刈曾出现的一些情况 进行分析、提供依据等提供了极大方便。总之，闭路监控系统已成为安全技术防 范体系中不可或缺的组成部分。 1 2视频监控系统的现状及发展方向 目前的国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监 控两类产品。前者技术发展已经非常成熟，且性能稳定，并在实际工程中得到广 泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的 以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系 统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在 数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。 1 2 1数字信号控制的模拟视频 f 控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统分为两大类，一类是基于微处理器的视频 切换控制加p c 机的多媒体管理，另一类是基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制 及对系统的多媒体管理。 由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网 络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，而且传输介质只能 2矩阵i 监控系统的网络化改造 专用，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存 在。模拟监控系统的主要缺点有： 通常只适合于小范围的区域盟控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电 缆，它传输模拟视频信号的距离不大于1 千米，双绞线距离更短。故模拟 监控只适合于单个大楼、小的居民i 灭以及其它小范闱的场所。 一系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是 牵一发i 阿动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 一无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统巾，由于各部分独立运作，相 ，互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。 1 2 2 数字视频监控系统 随着多媒休技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，数字视频监控 系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频j i 控系统类型，一种是以数字录像设 备为核心的视频监控系统，另一种足以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控 系统1 2 1 。 ( 1 ) 数字监控录像系统 数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于p c 机组合的计算机多媒体工 作方式；另一类是嵌入式数字监控录像系统。 计算机多媒体方式的数宁监控录像系统其特点和优越性主要表现在： p c 机的多媒体j l f 控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能， 使系统结构大为简化；由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受 距离限制；由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带 介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。 但伴随着它的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系 统工作的巧 稳定性。 嵌入方式的视频监控系统的特点： 嵌入式系统小，指令精简，处理速度快，系统数据调用速度伙，稳定性好， 适时性好；但目前在网络功能和音频视频同步方而难以令人满意，而且四路以上 的机型比较少见。 ( 2 ) 嵌入式视频w e b 服务器方式 嵌入式视频w e b 服务器的主要原理视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器， 网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以 控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。 嵌入式视频w e b 服务器 ：c 控系统的布控区域广阔，系统具有几乎无限的无缝 绪论 3 扩展能力，因为所有设备都以i p 地址进行标识，增加设备只是意味着i p 地址的 扩充，可组成非常复杂的监控网络，且性能稳定可靠，无需专人管理；但当监控 中心需要同时观看较多摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的要求。 1 2 3 视频监控系统的发展方向 前端一体化、视频数字化、j 隘控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又足系统集成化的基础，所以，视 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 1 数字化 数字化是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，是迈向成长的通行证。 随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术 为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控 制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监 控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝迮接，并在统一的操作平台上实现 管理和控制，这也是系统集成化的含义。 2 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将山集总式向集敞式系统过渡。 集散式系统采用多层分级的结构形式，采用实时多任务、多j i i 户、分布式操 作系统实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬什和软件采 用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备配置的通用性强，开放性好，系统 组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，而且人机界面友好，系统安装、调试 和维修简单化，系统运行能够互为热备份，容错可靠。 系统的网络化打破了布控区域和设备扩展的地域和数量的界限。它将实现整 个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一 个重要概念。 1 3 1 课题的来源 1 3课题来源及研究意义 论文来源于本实验室承担的某国际知名公司的s x 8 5 0 闭路监控系统的网络 化改造项目。s x 8 5 0 系统足一套由m p u 数控的模拟系统，山多个专用模拟机框 4 矩阵i | i 控系统的网络化改造 矩阵完成视频的切换，摔制和o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 等。模拟信g - 传输有传输距 离短、扩展能力差等固有缺点，而且矩阵硬件价格非常高，使得这套系统的技术 和经济竞争力下降，囚此我们对其进行数字化改造。改造方案足保留m p u 的控 制功能，开发出嗍络控制器n c ，使用n c 和以太网的交换功能完成m p u 的初始 化和m p u 到编解码器问的信息转换，实现监控系统应有的功能。 1 3 2 课题研究的意义 对s x 8 5 0 系统的网络化改造并不是一次普通的升级，而是整个系统的完全数 字化和网络化，并达到更高的切换速度与控制灵敏度。改造的结果足一套全l p 化 的数字视频监控系统，这相当于开发 h 一套新的数字监控系统。 臼前，正在使用的模拟监控系统仍然大量存在，很多厂家都有类似s x 8 5 0 的 矩阵监控系统。由于无法满足数字化的需要，一些产品面临着生存危机。对s x 8 5 0 系统的成功改造也给其它严：品的改造提供了重要的借鉴。 1 4本文的内容安排 第一章介绍了监控系统的发展现状及方向，着重分析了模拟监控系统存在的 不足，以及监控系统的数字化和网络化发展方向。 第二章对s x 8 5 0 系统改造进行了需求分析，介绍了原系统的匀成、功能及配 置，通过分析抓取的数据包，得出了系统的具体工作流程。随后介绍了系统改造 的原囚，对系统改造成功的可能性进行了分析，并给山了改造后的系统结构及支 持多家编解码器的优势。 第三章介绍了系统中使用的v i s i o w a v e 和s m a r t s i g h t 编解码器的咖议特点和 工作原理，给出了二者切换和o s d 的具体实现过程。 第四章详细设计了n c 配置文件，主要包括配置文件的功能和框架。定义了 关键的数据结构，这些数据结构完成从m p u 信息到编解码器信息的映射。并通 过程序实现了文件配置。 第五章完成n c 控制程序的详细设计。在介绍视频流传输的网络环境、 w i n s o c k 网络编程和多线程的基础上，详细给出了n c 控制程序中a r p 模块、分 组接收分发模块、应答模块以及切换和o s d 模块的具体实现。 笫六章搭建了监控系统测试环境，对系统进行了详细的测试，结采表明系统 工作良好。 结束语对本文工作内容进行了总结，指明了系统改造的重要意义，指出系统 需要进步完善的工作。 s x 8 5 0 系统改造的需求分析 5 第二章s x 8 5 0 系统改造的需求分析 2 1s x 8 5 0 系统的介绍 s x 8 5 0 监控系统主要包含主控制器m p u ( m a i nc p o ) ，矩阵( 机箱) ，各种功 能板，键盘和管理控制器等。数据交换采用矩阵连接方式，所以又称为矩阵交换 系统。模拟监控系统大都是矩阵璐控系统。 2 1 1s x 8 5 0 系统的组成 s x 8 5 0 的典型连接1 3 1 如图2 1 所示。图中m x c o n t 、m x s w 和m x o s d 足 实现相应功能的机箱。其中摄像头的连接y , j 同轴视控方式，即一根同轴线同时传 送视频信号和控制信号。 ， 卫 | 目日围圉i 图2 1矩阵交换系统连接图 各部件的主要功能介绍如下，具体的硬件配置则不在赘述。 m p u ：m a i nc p u 的简称，用于发出管理、视频切换、控制、o s d 显示等命 令，并为键盘提供了接口。 键盘：发f j j 各种实时控制和其他的系统命令( 如设置群组和巡游等) 。 机箱：内插各种功能板，完成系统的柔性扩展，它本身包含一个l o c a lc p u ， 并为功能板提供电源。 功能板：完成各种具体的功能，可分为视频输入板，视频输出板，交换板等。 6矩阵监控系统的网络化改造 2 1 2s x 8 5 0 系统的功能 s x 8 5 0 系统的主要功能包括管理功能m x m g t ，摄像头控制功能m x c o n t ， 视频切换功能m x s w ，屏幕显示功能m x o s d ，以及数字i o 功能m x d i o 等 4 1 。 管理功能：f 1m p u 和机箱功能板的管理功能接口完成，为m p u 获取交换矩 阵机箱存储的管理变量提供接门。 视频切换功能：由m p u 及机箱功能极的切换功能接1 _ j 完成，它完成视频的 输入输山切换，并提供了一个简单的方法来获取当日仃的视频输入输出的配置。 摄像头控制功能：由m p u 及机箱功能板的摄像头控制功能接口完成，它控 制摄像头的运动、参数设置，并提供了一些摄像头管理功能。 屏幕显示功能：由m p u 机箱功能板的屏幕显示功能接口完成，它将待显示 的信息捅入视频流信息中，完成屏幕显示功能。 数字l o 功能：由m p u 和机箱功能板的i o 接口完成，它完成i o 接u 的配 置。 2 1 3m p u 的配置 m p u 的配置包括m p u 本身的i p 地址配置，m p u 对各机箱的i p 地址及相应 功能的配置，摄像头的配置，监视器的配置，键盘的配置，这些配置信息必须反 映在m p u 中，m p u 才能读取这些配置信息完成相应的功能。我们此处讲的配置 并不是对硬件的配置比如说怎么去拨动摄像头开关，而是指这些没备反映在m p u 中的配置信息。这些配置从一些层面也反映了m p u 的工作原理。 与我们关系最密切的就是机箱、摄像机和监视器的配置，有必要对这几种配 置做一说明。 f l a m 斡 ；i t 习 翳 i 2 图2 2对机箱的配置 s x 8 5 0 系统改造的需求分析 7 机箱的配置界面如图2 2 所示。每个机箱有一组决定l c p ua d d r e s s 的硬件旋 钮，它的旋钮数字决定了该机箱的地址，比如旋钮号码0 0 1 从硬件上唯一的标定 了系统巾的一个机箱。刈应到m p u 中，在机箱配置界面的l c p u a d d r e s s 中填入 对应的旋钮号码如0 0 1 ，它就对应了系统中的旋臼i 号码为0 0 1 的机箱。i p a 中填 入的i p 地址就是将要为该机箱分配的i p 地址，这个配置和后文中的d h c p 分配 i p 地址有关。m x c o n t 、m x o s d 、m x s w 和m x a l m 表明了机箱的功能。一 个机箱插入多种功能板便具有了多种功能，它可以同时配置上述4 个功能。值得 注意的是，一个机箱上功能板的插槽数量是有限的，例如它最多只能捅1 6 块 m x c o n t 板，最多可以接1 2 8 个摄像头，编号为1 1 2 8 。当该机箱插入其他板子 如m x o s d 以后，摄像头总数就不能达到1 2 8 个，但是1 1 2 8 的编号已经被占用， 下一个机箱上的摄像头编号也只能从1 2 9 开始。 一个机箱可以同时配置多个功能，这取决于机箱内部的插入的功能板。对应 的p o r t s 号码表明了该机箱支持的端口范围。 摄像机的配置包括摄像头编号、类型及功能以及该摄像头对应的o s d 内容及 显示方式。摄像头编号是该摄像头所在的机箱的m x c o n t 功能的m a t r i xa d d r e s s 和内部的功能板的序号及该摄像头所在的功能板的插孑l t f l 置三者决定的。 监视器的配置主要包括监视器的编号以及监视器的类型。监视器的编号也是 由摄像头所在的机箱的m x o s d 功能的m a t r i xa d d r e s s 和内部的功能板的序号及 该监视器所在的功能板的捅孔位置共同决定的。 2 1 4 系统的m a t r i xa d d r e s s s x 8 5 0 系统的功能实现是由机箱完成的。一个系统中存在多个机箱，因此系 统的每个端口都有一个局部端口号和全局端口号，局部端口号是对机箱而言， 全局端口号则是对整个系统而言。 局部端口号的范围是从l 到该机箱的某种控制功能支持的最大数目。例如， 一个机箱的m x c o n t 功能支持1 2 8 个端口，这些端口分配的本地号码就是1 1 2 8 。 它是局部的概念，是一个机箱中每个端口在这个机箱中的编号。 全局端口号确定整个系统中某个端口的唯一编号。比如，在一个2 5 6 * 3 2 的系 统中，有两个m x c o n t 功能，每一个m x c o n t 的局部编号都是1 1 2 8 ，但是 m x c o n t l 的全局编号是1 1 2 8 ，m x c o n t 2 的全局编号是1 2 9 2 5 6 。 系统是通过m a t r i xa d d r e s s 来实现局部端口到全局端口的映射的。 如图2 2 示，如果给一个机箱配置的m x c o n t 功能的端口足1 1 2 8 ，那么分 配给它的m x c o n tm a t r i xa d d r e s s 为o ，如果是1 2 9 2 5 6 ，则这个机箱分到的m a t r i x a d d r e s s 为1 ，以此类推。m p u 将这个m a t r i xa d d r e s s 分发给机箱，机箱则根据该 8 矩阵监控系统的网络化改造 值判断自己的全局端口号范围。其他功能如m x o s d 、m x s w 等功能也是一样。 2 2s x 8 5 0 系统的工作流程 工作流程的分析对系统的改造极为重要，是成功的f j i 提。系统初始化时m p u 和机箱存在一系列的交互，去掉机箱后，m p u 无法获取相应的信息完成初始化， 便没有办法正常工作。操作键盘时m p u 并彳 能发出相应分组完成对应的功能。 只有完全弄清系统的初始化过程及工作过程，我们才能模拟出机箱与m p u 的交 互过程，使得m p u 能够发相应分组，从而完成后续工作。 2 1 3 节讲述了m p u 的配置，下面介绍一下m p u 初始化和工作流程。 2 2 1a r p 交互 剥于t c p i p 分组网络，两个相邻的设备要完成点对点的单播通信，则必须知 道下一跳的m a c 地址【5 1 。s x 8 5 0 系统中，机箱发送a r p 分组，m p u 收到这些分 组后更新a r p 缓存表。在改造后的系统中，没有了机箱，如果n c 程序不去发送 a r p 分组，m p u 就无法获取配置的机箱的m a c 地址而无法通信。因此n c 需要 模拟出m p u 和机箱问的a r p 交互。 2 2 2d h c p 交互 d h c p 通过给网络客户机自动配置地址，简化了i p 地址配置的管理。d h c p 标准供d i t c p 服务器使用。d h c p 服务器给网络上启用d h c p 的客户机自动分配 i p 地址和相关的t c p i p 配置【6 】【7 】【8 】。 对s x 8 5 0 系统而言，m p u 是d h c p 服务器，机箱是d h c p 客户机。机箱和 m p u 之间的d i t c p 过程如图2 3 所示： m 图2 3d i t c p 时序图 s x 8 5 0 系统改造的需求分析 9 该时序图没有考虑异常情况，比如，分配彳 s o u r c e l p 就取得了分组的源i p 地址，再据此判断该分组是不是来自m p u 。利用同样的方 法继续判定出该分组的类型，比如说是切换分组，还是o s d 分组等，以及更细的 内容，比如它属于切换分组的哪一类以及切换的内容足什么。 分组接收分发模块是其它模块的基础，只有能收取到m p u 的数据包以后才 能进行应答和切换、控制等。 5 6 3n c 的应答模块 a r p 模块成功以后，m p u 开始能发f f 分组，但此时发出的都是查询分组以 及一些简单的设置分组，例如设置各机箱m a t r i xa d d r e s s 的分组。在没有收到查 询分组的应答之前，m p u 并不能发出进一步的设置分组，更不能发出键盘的动作 指令。现在的任务是n c 对m p u 的查询及设置分组给出应答。 ( 1 ) 应答模块的主要功能 应答模块负责对m p u 消息的应答。m p u 需要的应答分为两类： 矩阵监控系统的网络化改造 一是对查询分组g e t _ r e q 的应答。应答的格式及内容由m p u 协议决定， 分组要符合协议；对于有些叫。以简略应答的分组n c 就简略应答；有些分组不应 答m p u 也能正常t 作，比如机箱的名字，这些分组就无需应答。 二是对设置分组和控制分组s e t _ r e q 的应答。这种应答的内容比较简单， 只是说明成功与否就町以了，在我们的程序中为了简单和使m p u 迅速的工作， 我们都回复的足“成功”，这并 1 ) 气山巡堡尘墼 i 足 工e 关闭解码器j ：桐成的视频端口， 停止视频流输山 上 坝值对：车垃搬r h 茁i l 撤i 豕失琏披，烈p 喊l1 上 关闭解码器 断。瓶纛，鼋 否 。沂咖森猕陬 否 一、匙世足董巴皇盟跳蚶 l 是 ，1 r 扣丌遍码器的视频il 和串口，打丌解码设霄系统连接表的摄像头项为0 ， 器的视频u ，发送摄像头编号、o s d消除已经显示的摄像头编号、o s d 厂点 图5 12s m a r t s i g h t 切换和o s d 模块的流程图 w i n a p is m a r t s i g h t s w ( l p v o i dl p p a r a m ) ，完成s m a r t s i g h t 编解码器的切换 并显示摄像头编号。 w i n a p is m a r t s i g h t o s d ( l p v o i dl p p a r a m ) ，完成s m a r t s i g h t 编解码器的o s d 显示，包括监视器编号和键盘r 弓。 前面捕述s m a r t s i g h t 编解码器特点时我们指出，对于普通的t c p 和u d p 连 接，s m a r t s i g h t 的编解码器的一个视频输出 1 最多只能连接血个解码器。从分组 角度来看，一个端口同时发：的视频分组，其目的i p 地址+ 端口最多只能有5 个。 这满足不了需要，我们采用组播地址解决了这种一对多的限制问题。 首先，将每一个编码器的i p 地址对应成组播地址，我们的解决方法是：将前 8 个b i t 变为2 2 5 。以2 2 5 了下头的地址是组播地址，这样就将编码器c 类i p 地址 n c 控制程序的设计 5 3 对应成组播i p 地址；同时根据每一个端口的g u i d 值计算出一个动态端口值。这 样，对于编码器的每个端口的视频流分组，目的i p 地址就是组播i p ，目的端口 就是算h j 的动态端口值。 对于解码器，将上而的组播i p 地址和映射的动态端口值发送给解码器，告诉 解码器接收并处理该i p 地址和端口的视频数据流，而且就算有再多的解码器，只 要它从组播地址去接收数据，就能接收到数据完成视频显示。视频流的连接就建 立起来，解决了s m a r t s i g h t 编解码器吲有的问题。 n c 系统的测试 5 5 第六章n c 系统的测试 n c 的测试主要是从两方面进行的：一是功能测试，二足性能测试。对于功 能测试，我们通过操作键盘，看相应的功能是否都能实现。丰要包括切换、摄像 头控制、o s d 显示以及群组切换、巡游等功能。 对于t f 能测试，应该模拟出多个键盘同时操作不同的摄像头和监视器的状况， 发出大量的分组，使n c 大负荷的运行，看看整个系统的反应r 、j 间及功能完成情 况。由于没有大量的键盘供我们使用，而且即使有人量的键盘，人工操作也难以 在很短的时间内发出大量分组。我们使用m p u 的群组和巡游功能，实现短时问 内发出大量的动作分组，以此检测n c 的性能。并通过长时问的运行检查系统的 稳定性。 6 1 系统测试配置 系统的测试配置连接情况如图6 1 所示t 图6 1测试配置图 测试系统主要由一个键盘、一个m p u 8 5 0 、一台计算机( 运行n c ) 、一个 s m a r t s i g h t 编码器( 15 0 4 e ) ，一个s m a r t s i g h t 解码器，一对v i s i o w a v e 编解码器， 四个支持r s 4 8 5 透明通道的摄像头，两个监视器，两个1 0 0 m 以太网交换机构成。 n c 运行的硬件环境是一台普通p c 机，操作系统为w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n ， 该p c 机需要安装双网卡。 在测试系统中，m p u 上配置了5 1 2 个摄像机，6 4 个监视器和1 0 个机框。在 n c 的配置文件中也做了相同的配置，完成摄像头及监视器端口到网络编解码器 5 6 矩阵监控系统的网络化改造 的相应映射。 6 2 1 测试功能要求 6 2 切换及o s d 功能测试 使用v i s i o w a v e 及s m a r t s i g h t 编解码器完成对应的切换，摄像机控制和o s d 显示等功能。各项指标以s x 8 5 0 的功能为基准。 6 2 2 测试方法及结果 操作键盘使m p u 发出切换、控制、o s d 分组。 通过s n i f f e r 抓取数据包分析，n c 正确处理m p u 发出的切换、控制及o s d 分组，并将分组发往编解码器。 切换：在监视器上正确湿示了摄像头图像的切换。 控制：对摄像头进行各种控制，包括p t z i f ，打开关闭菜单，操作菜单，结 果正确。 o s d ：各种情况下o s d 字符显示均正确。包括m ，s ，c 和群组时的g ，r ， 号等。 6 3 1 测试条件与方法 6 3 n c 负荷能力测试 1 配置系统规模为5 1 2 6 4 ，设置m p u 的t o u rs e q u e n c e 和g r o u ps e q u e n c e 功能，使m p u 发出人量巡游分组和切换分组：设置1 6 组g r o u pp r e s e t ， 每组包含8 个切换，切换间隔为3 s 。将1 6 个g r o u pp r e s e t 分为两组，依 次为g r o u ps e q 1 ，g r o u ps e q 2 。 2 在m p u 上配置1 6 组t o u rs e q u e n c e 每一组包括8 个c a m e r a , 设置每个 c a m e r a 的预置位和该预置位上的停留时问。 3 操纵键柱，操作g r o u ps e q 1 或g r o u ps e q 2 键，m p u 按照g r o u p p r e s e t 的配置发出切换分组，完成切换功能。操作t o u rs e q 完成巡游。 不需要键盘干预的情况下，群组和巡游可以在短时师】内发送大量分组，我们 借此来考验n c 的处琦! z h 匕l - , 力，这和我们自己编制程序，在短时间内发送大量数据 包的效果是一样的。 n c 系统的测试 5 7 6 3 2 测试结果 测试结果： 1 群组功能正确执行。 2 群组时的切换( 包含o s d ) 时延： 对v i s i o w a v e ：时延在1 0 m s 以内： 对s a m r t s i g h t ：时延在1 3 0 m s 以内； 二者差别是因为两套设备机理不同，在s m a r t s i g h t 中人为加入了l o o m s 的时延。 3 通过任务管理器观查，n c p r o g r a m 占用的内存为8 m b ，c p u 总的占用率 在1 一2 之内。此时运行了操作系统以及使编解码器j i i 常工作的进程， 如c c s ，i b s e r v e r e x e ，a p a c h e e x e 等，它们都占用了一定的c p u 资源。 6 3 3 系统稳定性测试 对于监控系统，运行的稳定性是一个重要指标。对于系统的稳定性，我们采 取长时间运行程序的方法来测试。最后的测试中，打开群组和巡游功能，连续运 行系统两个星期，系统仍然运行良好。观察n c 的c p u 和内存占用率，它们一直 处于稳定状态，没有发生占用资源递增的现象，在程序结束时，内存完全释放， 恢复到原来的状态。 当系统投入实际的应用以后，根据用户的反馈再进行修改。 上述的测试结果表明，n c 系统工作性能良好，在某些方面( 如切换) 的反 应速度比原模拟系统反应更快，系统改造获得成功。 结束语5 9 结束语 论文结合实验室项目一网络控制器和摄像机控制器丌发，对模拟监控系统 的数字化、网络化改造提出了一种切实可行的方案，并使用c c + + 语言编程给出 了具体的实现。 本文主要包含了以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析原系统的功能及特点，找出改造的重点和方向； ( 2 ) 分析系统改造后m p u 能发出各种分组的条件； ( 3 ) 设计配置文件，完成摄像头和j i f 视器从m p u 端到编解码器端的映射，为 数据的交换和控制提供必要信息； ( 4 ) 设计n c 控制程序，首先使得m p u 能发出分组，然后完成切换，控制和 o s d 等内容。 新的网络监控系统有如下特点： ( 1 ) 完全实现了监控系统的数字化和网络化，而且比原系统的总成本下降； ( 2 ) 同时支持多家编解码器，给用j _ 合理的价位选择； ( 3 ) 和已铺设的模拟监控系统直接兼容，利于原有用户的丁 级 ( 4 ) 与原模拟系统相比，新系统的切换和控制反应速度更快。 本系统还存在一些需要完善的地方，比如支持更多厂家的编解码器，加入音 频切换模块，并美化软件的界面，这些闯题值得进一步的研究。 目前，正在使用的模拟峪控系统仍然大量存在，很多厂家都有类似s x 8 5 0 的 矩阵监控系统。由于无法满足数字化时代的需要，一些产品面临蓍生存危机。对 s x 8 5 0 系统的成功改造也为这些产品的改造提供了借鉴意义。 致谢 6 l 致谢 首先，深深感谢我的导师邱智亮教授、周代琪高级工程师两年米对我的悉心 教导。他们严谨的治学态度，渊博的专业知识和平易近人的处事态度给我留下了 深刻印象，使我受益匪浅。他们不仅在专业知识上给予指导，还教给我做研究的 方法和思路，使我在科研工作中不断有新的认识和提高。 同时感谢i s n 国家重点实验室的刘增基老师为我们提供了良好的工作条件和 学习环境，感谢鲍民权老师、刘焕峰老师在研究生期问给予我的帮助与指导。 感谢同项开组的刘焕峰，姚明昨，张欣，李光伟，鲁莽洪。在完成项目的过 程中j 他们帮助我一起克服困难，在和他们一起讨论问题的过程中我也学到了很 多东西。感谢实验室的博士研究生杨君刚、吕立圣等对我的无私帮助。还要感谢 我们同级的刘凯，史芳，罗文静，王雅荣，徐兴奎，张两，王敏，王建字，与他 们朝夕相处，共同学习，让我感到很充实和快乐。 感谢李和珍的支持和鼓励。 最后深深感谢我的父母。他们在我成长的道路上倾注了无数心血。感谢家人 对我的关心，理解和支持。 参考文献 6 3 l 2