（计算机应用技术专业论文）视频监控开发平台的设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着计算机网络、多媒体技术的发展，图像处理技术的提高，视频监控 技术也得到了快速发展，再加上人翻的安全意识的增强，视频监控广泛应用 到各行各业，如军事、教育、科研、娱乐、医疗、体育等。视频监控系统经 历了从模拟视频到数字视频，从本地近距离监控到远程监控的发展。远程数 字化视频监控已经是发展的主要趋势，视频监控开发平台就是在这样的背景 下研究和开发的。 本文主要介绍了视频监控应用系统应用和发展趋势，完成了视频监控开 发平台的设计和实现。首先讨论了传统的一般视频监控系统的应用，分析了 一般视频监控的缺点，提出了视频监控开发平台设计方案，该开发平台解决 了多家厂商设备的接入问题，软件做到了对不闷设备的兼容。棒为开发平台 的稳定性方面做了相关的设计，平台以框架的形式提供给开发人员。开发人 员基于这个平台，只要加入新的监务便可完成新的视频监控系统。本文论述 了视频监控开发平台的特点和优势，以及如何设计和实现这个开发平台。重 点讲述视频监控_ 开发平台的层次结构，设计愚想。同时还实现了摄像枧结合 地理信息系统在地图上的精确定位。 最后给出了一个基于此平台开发的视频监控与地理信息系统联动的一个 例子。 关键词视频监控系统，开发平台，地理信息系统，系统联动 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y t h ei m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g yf o ri m a g ep r o c e s s ，v i d e os u r v e i l l a n c e t e c h n o l o g yd e v e l o pq u i c k l y i na d d i t i o n ，m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt o s e c u r i t y , i ta p p l i e di na l l k i n d so fa r e as u c ha qm i l i t a r y , e d u c a t i o n , s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , e n t e r t a i n m e n t ，m e d i c i n e ，s p o r t sa n ds oo n v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i m p r o v ef o r ma n a l o gt od i g i t a l ，f o r ml o c a l i z a t i o nt or e m o t e r e m o t ed i g i t a li st h em a i n t r e n do fd e v e l o p m e n to fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m t h i si st h eb a c k g r o u n do ft h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rv i d e os u r v e i l l a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u ta p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m a u t h o ri sr e s p o n s i b l ef o rd e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m f i r s t ，i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ， a n a l y s es o m ed e f e c to fi t ，a n di n t r o d u c ean e w m e t h o dt os o l v et h ec u r r e n tp r o b l e m a s m e n t i o na b o v e ，t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，i sad e v e l o p p l a t f o r m ，w h i c hc a nc o n n e c t m o r et h a no n e t y p e so ff a c i l i t y i t sc o m p a t i b l e ，a n di tc a n p r o v i d es t a b l ei n t e r f a c ef o rd e v e l o p e r , i nt h ef o r mo ff r a m e w o r k i fy o uw a n tt o d e v e l o pan e wv i d e om o n i t o rs y s t e m ，y o uc a nb a s et h ep l a t f o r m ，a n dt h e na d ds p e c i f i c b u s i n e s s ，c r e a t i n gan e ws y s t e m t h i sa r t i c l ed e s c r i b ec h a r a c t e r i s t i ca n da d v a n t a g e o f t h ep z a t f o r m ，d i s c u s sa b o u th i b e r a r c h ya n dd e s i g ni d e a , i m p l e m e n td e t a i l t h ep l a t f o r m p r o v i d e s as e r v i c eo fe x a c to r i e n t a t i o no fv i d i c o nc o m b i n ew i t hg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) m a p f i n a l l y , i ti sb r i e f l yg i v e na ne x a m p l e ，av i d e os u r v e i l l a n c ew h i c hd e v e l o p b a s e d o nt h ep l a t f o r m a s s o c i a t ew i t hg i s k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，g i s ，s y s t e ml i n k a g e 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 视频监控业务功能示意图13 数字视频监控原理结构图1 4 视频监控系统总体结构图1 5 r t p r t c p 协议应用框图19 总体结构图2 8 视频监控体系结构2 9 平台层结构图3 0 继承模式3 2 网络视频服务器类继承3 3 网络矩阵类继承3 4 可定位摄像机类继承3 5 框架层的c s 架构图3 6 c o m 组件、对象、接口关系图4 3 插件运行流程图4 4 网络视频服务器流程图4 7 网络矩阵流程图4 9 可定位摄像机流程图5 1 业务类图5 2 框架控件5 3 客户端控件具体功能5 4 摄像机成像图5 5 可定位摄像机模型5 6 海康获取的视频和大华获取的视频5 9 三神摄像机，初始位置6 0 三神摄像机，操作后的位置6 0 视频监控与g i s 联动系统结构图6 4 视频转动到某处，可见某处视频6 5 视频监控到的范围，在地图上显示6 6 i v 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 3 1 2 3 乙z乙乙禾禾禾禾禾氟禾禾支孓孓i孓孓i生生孓&z z z图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表1 1 模拟与数字视频监控系统优缺点8 表2 1m p e g 标准对比表重8 表5 1c c d 与h , v 关系表5 5 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，也不包含为获得逝鎏苤鲎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徽的任俺贡献均爵在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：赫影 签字墨期 诉多月罗曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎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。本人授权逝姿盘鲎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： 签字豳期：豸年 蔫多亏 么月7 弱 导师签名： t 。纱 签字弱帮：矽哂年参胃7 嚣 浙江大学硕士学傲论文 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 人们通过褥络，不但要求传播文字图像信意，还希望能通过网络实时传播一 些重要的影视、新闻节目，如实况转播新闻、重要会议、领导人讲话等等，尤其 是在教育界的应用更为广泛。作为下一代苴联网发展的标志，网络视频弥补了传 统亘联网只能表现文字和图片的缺陷，而能够集音频、视频及图文于一体。 视频图像幸包含了丰富的信息，是入类获取信息最直接豹来源，人类接受的 信息8 0 来囱视觉，视频信息具有确切、直观、具体生动、真实和高效等特点， 这也止是电影和邀视豹无穷魅力所在。多媒体透信，信息高速公路，高宽带综合 业务数据网等很多都是围绕如何有效的交流视频信息展开研究的。在网络化的进 程审，视频技术与网络的福互融合、渗透，己经绒为信患传播技术豹发展方向， 网络视频己经开始步入了我们的生活。但是，由于视频信息十分丰富且信息、量 大，故对信号的处理、传输、存储弱显示等提出了新的要求。因此，网络视频技 术的研究和应用是目前信息技术领域最热门的话题之一。 视频监控具有悠久的历史，在传统上广泛应耀予安防领域，是协助公共安全 部门打击犯罪、维持社会安定的重要手段。随着宽带的普及，视频监控越来越广 泛地渗透到教育、政府、娱乐、医疗、酒店、运动等其他各种领域。 从上个世纪9 0 年代以来，随着网络与计算机科学技术、多媒体以及图像处理、 传输技术的迅速发展，视频监控制技术也有长足的发展。人们的生产行为、生活 方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即视频监控技术 的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。 经历过“9 i l 恐怖袭击事件后，安全问题被各国政府提上重要日程。近几 年，随着各阑社会对安防的重视，视频监控业务取得了长足的发展。2 0 0 8 年北京 奥运会举办在即，2 0 1 0 年上海世博会也相距不远，赛事经济、贸易盼热潮促使国 家相继出台丁“平安城市”、“3 1 1 1 工程”等国家级项目，并对银行、文化博览、 6 浙江火学硕士学位论文 第l 章绪论 娱乐场所提出安全防范法规，城市两络视频监控系统将以公安系统为核心，各级 公安系统与受其监督管理的单位、机构之间将形成套完整的视频监控网络。 从社会的方面表现来看，褫频监控对于社会的安全起了关键的作用。视频监 控作为安防系统中非常重要的部分。会继续向前发展下去，视频监控对于社会乃 至个入都有利的。因此，视频监控是值得我们去研究，两且是有现实意义的。 下面讲述了国内外视频监控的发展现状，以及视频监控未来的发展趋势。 1 1 1 国内视频监控发展现状 视频监控系统的发展大致经绣了三个阶段。 模拟髓控系统 麴世纪粥年代前，主要是以模拟设备为主的翔路电视监控系统，称为第一 代f l 】。当时的视频监控技术比较简单，都是直接采用视频同轴电缆将视频图像从 前端监控点传回监控中心，荠逐显示在监视器上。 数字化本地视频监控系统 2 0 世纪9 0 年代孛期，隧着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们 利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率 实现图像的多凰面显承，从丽大大提高了图像质量。这种基予p c 机的多媒体生 控台系统称为第二代数字化本地视频监控系统【l 】o 远程视频监控系统 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高， 以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，称为 第三代远程视频监控系统f n 。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的 压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监 控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。 7 浙江犬学硕士学位论文第1 章绪论 比较模拟视频监控系统与数字视频监控系统的优缺点毙较，如表1 1 所示。 表i i 模拟与数字视频监控系统优缺点 优点缺点 模掇 ( 1 ) 技术成熟，设各种类多，系( 1 ) 系统功能单一，不易扩充， 视频 统成本低升级困难，录像资料不易保存 监控 ( 2 ) 视、音频信号的采集、传输、 和查找 系统 存储主要为模拟形式，质量高 ( 2 ) 模拟信号传输衰减大，不 适于远距离 数字 ( 1 ) 数字化，并在p c 上实现多( 1 ) 视频采集、传输的可靠性 视频 躐面显示、切换、控制 不高 监控 ( 2 ) 视、音频信号的采集、传输、( 2 ) 网络状况影响着视频的 系统 存储主要为数字形式，质量赢， 质量 录像资料易于存储和查找 ( 3 ) 视频内容需要人来判断， ( 3 ) 实现远距离传输 缺乏监控的主动性 随着对视频监控系统要求的提高以及视频监控应用在诸多领域的普及，视频 监控技术也有了飞速发展，不仅实现了远距离监控，还实现了视频联网监控。褫 频联网监控是原距离大范围监控发展到一定阶段的产物，视频联网监控使人们对 远距离大范圉监控戳及褫频资源共享的迫切需求得到了满足瓣o l 。国内发展趋势主 要是网络数字视频监控为主流方向，模拟视频监控逐渐被数字化系统所取代。后 面降翻的视频监控系统主要是讲数字纯的视频监控系统，除非特别说明。 1 1 2 国外视频监控发展现状 随着国际经济的发展，各国对安防日益重视，视频监控终于在2 1 世纪迎来 全球鬻光的关注。世雾各国工业经济、旅游经济、文化体育攀监的互融促使视频 监控技术的应用领域越来越多元化，而网络视频监控这一高新技术的突破也大力 推动全球的繁荣与稳定。世赛各国在发展视频监控业务方蕊有着不同的业务模 8 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 式。 目前国外视频监控业务主要应用在公共领域、行业用户和个人用户。在公共 场所，国外设置了众多监控设备，以加强对公共领域安全的控制能力。另外，在 交通、银行、大型连锁超市、居民住宅等领域都已经得到了广泛应用。在美、英 等国，个人使用视频监控主要是应用于住宅的安全防范和财产的监控。 同时，国外正在悄悄地推进视频监控技术的全新意义的革新，那就是只能视 频监控技术( i n t e l l i g e n tv i d e os u r v e i l l a n c e ) 【l l 】。智能视频监控技术是计算机视觉和 模式识别技术在视频监控领域的应用。国外智能视频监控技术的发展动力是源于 对特殊监控市场的需求，特别是出于反恐、国家安全、社会安定等多方面的需要。 智能视频监控技术与预警技术逐渐成为国际上最被关注的前沿研究领域。 1 1 3 视频监控的发展趋势 视频监控在国内经历了这么多的发展，形成了成熟、稳定的应用模式。虽然 数字视频监控系统实现了视频监控手段的数字化、网络化和集成化。但是随着用 户的需求不断的在发生变化。从目前来看，视频监控有以下几项方面推动着视频 监控的发展。 智能化 当前的大多数的视频监控系统存在一个很重要的缺陷对视频监控内容只能 靠人来判断。众所周知，视频监控工作劳动强度很大，它对工作人员的注意力、 警惕性，特别对异常的反应能力要求很高，一般监控过程中发生的失物都是由注 意力不集中造成的。而且多用于“事后处理 即调查取证，并没有充分发挥视 频监控系统的主动性【4 1 。 智能化的视频监控系统，是网络化视频监控领域的最前沿的应用模式之一【l l 】。 它以数字视频监控系统为基础，借助于计算机的强大的数据处理功能，对视频画 面中的海量数据进行分析，过滤用户不关心的信息，仅仅为监控者提供有用的关 键信息。 现在的计算机技术、数字信息处理技术和图像技术的结合使得图像自动检测、 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 识别、跟踪和视频信号分析成为现实，尤其是计算机视觉相关算法和技术的综合 应用，使视频监控智能化成为可能。 未来的视频监控系统将不仅仅局限于被动地提供视频画面，更要求系统本身 有足够的智能，能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，以最快和最 佳的方式发出警报和提供有用信息，从而更加有效地协助安全人员处理危机，并 最大限度地降低误报和漏报现象，成为应对袭击和处理突发事件的有力辅助工 具。 视频监控平台化 使用视频监控的用户群经历了一个变化的过程。起初，视频监控仅仅被用在 一些专业很强的行业中，如金融行业，而且监控信息相对独立。使用视频监控的 行业慢慢增多，由于行业之间存在着诸多联系，比如金融系统和公安系统相结合、 城市中的各行各业的视频监控被融合在一起等。再后来，视频监控的需求开始进 入人们的实际生活中，如平安城市、小区监控、室内监控、智能楼宇等等。使用 视频监控的领域越来越广，而各种领域之间又存在着必然的联系。 视频监控平台基于网络接入业务，不仅仅能够远程图像监控、远程图像存储、 远程图像管理。要更进一步实现把独立图像采集点进行联网，实现跨区域统一监 控、统一存储、统一管理、资源共享，整合利用行业视频资源，达到视频资源的 最大程度的共享。 与信息系统联动 资源整合的同时，要求视频监控与其他信息系统实现联动。比如水利行业的 信息系统要与交通部门的信息系统联动，共享两个系统中的视频资源，能达到迅 速、方便、准确的处理事件的目的。 1 2 本文工作与创新 本文创新设计了视频监控开发平台，采用了c o m 技术、n e tf r a m e w o r k 框 架技术使用c + + 和c j f 语言实现了开发平台的平台层和框架层。该视频监控开发 平台能支持的多种视频设备接入；提供了二次开发的能力，为视频监控系统的二 1 0 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 次开发人员提供了丰富的视频监控的接口；并且能够与地理信息系统结合，实现 两者联动，丰富g i s 监控业务功能，还提供了视频在地图上的精确定位。 本文的研究内容具体包括以下几个方面： 对视频监控开发平台的研究，研究软件体系结构，尤其对多层软件架构 的理解和设计，以及框架设计和设计模式的学习和研究。 对开发平台的设计的总体设计与到具体的实现细节，涉及到的相关知识 的学习与理解。 视频监控开发平台的统一性是本文最大的特点，统一了接口、统一了通 讯协议，最终提供了稳定的功能。这些都对具体的设备厂商毫无关系， 达到视频监控系统的强大兼容性。 对于g i s 系统的联动方面，软件的复用和系统的整合，这方面的要求在 本文中的体现非常多。 对精确定位的摄像机的研究，设计了精确定位的模型，并结合g i s ，实现 精确定位。 1 3 本文内容和组织绪论 本文第2 章对视频监控系统的研究，重点介绍了数字视频监控系统的业务应 用模式、一般视频监控系统的基本组成以及视频监控相关的技术，在此研究的基 础上，结合当前的应用需求，分析了视频监控系统存在的不足之处。 在第3 章中，介绍了软件体系结构和设计模式，视频监控平台的设计和开发 过程中采用了三层的软件体系结构和设计模式。 第4 章对于视频监控系统不足的地方提出改进的方案。重点讲述了视频监控 开发平台的层次结构和总体设计。平台层的设计，对于如何统一各类设备接口， 做了详细的分析，并制定了统一的通讯协议；框架层的设计，定义了视频监控业 务相关的类以及功能。同时还描述了客户端的各类控件功能以及服务端提供的多 种管理服务。 第5 章主要介绍了视频监控开发平台的实现，使用到的相关技术。深入讨论 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 了平台层的统一接口的定义，及具体的实现。展示了框架层的丰富视频监控相关 的二次开发控件，最后描述了可定位摄像机精确定位的数据模型和具体的实现。 第6 章对视频监控系统的相关测试和应用，分别对平台层，框架层的测试， 以一个基于开发平台的应用系统作相应测试工作。 第7 章在简要地理信息系统的应用后，讲述了视频监控系统与地理信息系统 的联动模式，以及完成了的应用系统，如何体现两者的联动。并且给出了一个基 于g i s 的视频监控的实例。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章视频监控系统概述 第2 章视频监控系统概述 视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。数字视频 监控系统以计算机为中心，数字视频处理技术为基础，利用图像数据压缩的国际 标准，综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新 型监控系纠2 1 。数字视频监控系统将摄像机获得的模拟电视信号转变为数字视频 信号以便于计算机处理，或者由数字摄像机直接输出数字视频信号，在计算机显 示器上显示多路活动图像的同时，可将各路信号分别存储于计算机的硬盘内或在 网络上进行传输。在实时情况下，每路信号在监视、记录、回放时都能达到最大 为2 5 f s 的活动图像的效果。 2 1 视频监控系统业务 视频监控的基本业务是能够提供实时监视的手段，并能及时将被监视的画面 录像和存储，以便事后回放。在此基础上，高级的视频监控系统可以对监控装置 进行远程控制，并能接收报警信号，进行报警触发与联动。业务功能如图2 1 所 示。 浙江大学硕士学位论文 第2 章视频监控系统概述 图2 1视频监控业务功能示意图 2 2 一般视频监控系统 2 2 1 原理图 数字视频监控的目的，前端提供数据采集，视频服务器完成视频压缩，中间 网络传输部分，客户端则负责显示视频或发送控制命令，原理如图2 2 所示。 f 前竿备 视八一客艄1 频交 i j 服 换 网： ， 务 机 一客三 i 前端设备r 器 2 2 2 基本功能 图2 2 数字视频监控原理结构图 一般视频监控系统的基本功能为：前端对现场场景进行捕获，捕获到的视频 流经过压缩后由网络传送到监控后端；后端对接收到的视频进行解压通过显示设 备在终端播放以实现对现场场景的监控，或把接收到的视频存储以便日后查看。 因此一个视频监控系统开发平台中与基本功能相对应的应该由以下几个基本部 分：视频采集部分、视频压缩部分、网络传输部分、视频解压部分、视频播放部 分。利用这些基本部分可以构建出一个具备最基本功能的视频监控系统。系统结 构如图2 3 所示。 应用较高的视频监控系统就在基本功能基础上扩充图像监视监听功能、云台 摄像机控制功能等。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章视频监控系统概述 厶 图2 - 3视频监控系统总体结构图 由上面的系统总体结构图能够看出，一个完整的视频监控系统通常由三部分 组成：前端数据采集部分、远程网络传输部分和监控中心部分。下面分别介绍这 三个部分。 前端数据采集 监控前端主要由前端视频编解码器( 含报警联动控制器) 、摄像机( 防护 罩、摄像机、镜头、支架) 、云台、前端监控主机等主要设备组成。主要完成 图像的采集、编码和传输、摄像机的控制和报警的输入输出工作。我们认为， 浙江大学硕士学僚论文第2 章视频滕控系统概述 监控前端是担负着图像监控系统的数据采集和控制命令的执行部分，是整个系 统重要组成之一【3 1 。 远程网络传输部分 远程网络传输部分负责视频信号和各种控制命令的上传下达，通过以太 局域网、p s t n 电话隧、i n t e m e t 、无线等网络完成数据传输，借助予数字光 纤、数字微波、无线通信、a t m 、d d n 、i s d n 、卫星通信等多种远程数字传 输媒体，支持点对点、组播等多种传输方式【淄。 监控中心部分 监控中心部分受责整个系统的管理和控制，集中管理控制掰有益控点及 终端设备，向不同的管理者、使用者提供不同的监控级别和权限。 2 2 3 硬件设备 由视频监控系统的几大部分对应于视频监控系统中的硬件设备包括前瑞摄 像机、视频编解码设备、传输设备和视频显示部分。下面简单介绍下这几部分。 翦端摄像视 前端摄像机，负责对现场场景进行捕获，目前摄像就有分模拟摄像机和 网络摄像机，对于数字视频监控系统，视频信号都是透过网络进行传输的。 因此，模拟摄像机捕获的是模拟信号，需要通过数字视频压缩设备( 如网络视 频服务器n v s 或数字硬盘录像枫d v r ) 将模拟信号压缩成数字信号然后接 入网络。网络摄像机内置有数字压缩模块，网络摄像机可直接接入网络。 视频编码设备 前端的模拟摄像机采集到的是模拟信号，需要通过编码设备压缩，视频 编码设备内置编码器，内嵌有视频压缩算法( 如h 2 6 4 压缩算法) 。 传输设备 传输设备完成数字视频数据的远距离传输。通常都是用自适应的以太网 卡、光纤、作为传输视频的设备。来保证数据传输的质量。 视频解码设备 1 6 浙江大学硕士学位论文第2 章视频监控系统概述 接收到的通过网络传输过来的数字视频需要通过解压成模拟信号才能显 示播放，除了用软件解码之外，还可以用硬件解码器来输出模拟信号。 视频显示 视频显示部分涉及到大屏幕和视频矩阵。在显示端通过解码卡将数字视 频流解压成模拟信号，通过显示器或大屏幕显示。视频矩阵的主要对视频输 入与视频输出之间作选择和切换。 2 3 视频监控相关技术 2 3 1 压缩技术 在众多压缩编码技术中，m p e g 系列多媒体通信标准是最为引人注目的，是 由国际电信联盟( i n 魄n a t i o 越lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 和国际标准化组织 ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n , i s o ) 南l j 定发布的视频、音频、数据的压缩标 准。适用于不同带宽和数字影像质量的要求，适合于高质量网络数字视频编码。 常用的图像压缩编码标准主要有：h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 以及m p e g 7 等。m p e g 是动态图像专家组( m o v i n gp i c t u r e se x p e r tg r o u p ) 的英文 缩写，此专家组专门负责制定视频和音频标准。现在泛指的m p e g - x 版本是指一 组由i t u 和i s o 制定并发布的音、视频数据压缩标准，现在并存4 种m p e g 压 缩标准：m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 和m p e g - 7 标准。m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t g r o u p ) 是针对运动图像设计的，它采用了有损压缩方法减少运动图像中的冗余信 息，说的更加明白一点就是m p e g 的压缩方法依据是相邻两幅画面绝大多数是相 同的，把后续图像中和前面图像有冗余的部分去除【2 4 】。从而达到压缩的目的，压 缩效率高。m p e g 的平均压缩比为5 0 ：l ，最高可达2 0 0 ：l 。 m p e g 1 ，m p e g 2 通常处理的都是基于帧的视、音频，与内容的交互也仅 仅局限于帧的水平。m p e g 4 是为了播放流式媒体的高质量视频而专门设计的， 它可利用很窄的带度，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求使用最少的数据 获得最佳的图像质量【2 5 1 。现用表格将m p e g x 主要的三种标准作个对比。如表 2 1 所示。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第2 章视频监控系统概述 表2 1m p e g 标准对比表 田e g 1口e g 2m p e g 4 标准创建时间 1 9 9 21 9 9 51 9 9 9 最高分辨率 3 5 2 x 2 8 81 9 2 0 x1 1 5 27 2 0x5 7 6 最佳声音频率 4 8 k h z9 6 k h z 9 6 k h z 最多声音通道2 路8 路8 路 最高数据流量 3 m b p s8 0 m b p s 5t 0 1 0m b p s 一般数据流量 13 8 0 k p b s ( 3 5 2 x 2 8 8 ) 8 5 0 0 k b p s ( 7 2 0 x 5 7 6 )8 0 0 k p b s ( 7 2 0 x 5 7 6 ) 支持隔行扫描 否 是是 灵活性差好好 图像质量一般非常好好 编码硬件要求低高非常高 解码硬件要求非常低中等高 2 3 2 传输协议 网络视频信息传输的主要特点，在i n t e m e t 上传输的数据是对传输时间有严 格限制的多媒体实时数据。多媒体数据的传输通常要求带宽高、延时短、抖动低。 t c p i p 协议最初是为提供非实时数据业务而设计的，数据量非常大的多媒体 应用模式，采用t c p 传输的话，势必消耗更多的网络资源。支持网络实时传输服 务，提供数据传输的实时标准，需要采用新的网络协议如，实时传输协议r t p ( r e a l t i m ep r o t o c 0 1 ) 和实时传输控制协议r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 等。其一般 运行在不可靠的u d p 协议之上。 实时传输协议( r t p ) r t p 协议是针对用于i n t e r n e t 上的多媒体数据流的一种传输协议。该协议提 供端到端的网络实时数据传输，为实施数据传输提供时序重构、帧遗失检测、数 据安全等多种服务。r t p 往往使用u d p 来传送数据【2 7 1 。 实时传输控制协议( p t c p l 1 r 浙江大学硕士学位论文然2 章视频监控系统概述 r t c p 的数据传输是无连接、无差错控制的报文传输。r t c p 是r t p 协议中 的控制功能协议，它单独有运行在底层协议上。r t p 本上并不能为按顺序传送数 据包提供可靠的传送机铡，也不提供流量控制或拥塞控制。r t c p 是内接收方向 发送方发送保温，它负责监视网络服务质量、通信带宽以及网上传送的信息，并 将其统治给发送端朗。 r t p p t c p 传输方式原理 r t p r t c p 传输方式原理翔圈2 。4 所示，数据包由发送端分组封装、发送。 接收方收到数据包后，对它进行个与发送方封装过程相反的重组处理，保证接 收到豹数据和发送的数据格式楣同l h 。 l应惩系筝( 援频数搀输入输如) 王 | 耧秘协议控制棍制 乱一b 皓 2 3 3 传输方式 圈2 4r t p 壤t c p 协议应用摧隧 多媒体应用中，在网络传输方式的选择也非常重要，视频传输带来的网络带 宽阚题非常突感。i p v 4 定义了三种瑾数据通讯方式：单播、广播、缀播。广播 时指在i p 子网内向所有的网内i p 地址已广播的方式发送数据包，所有子网内的 i p 都能收到广播消息。因此i p 广播不适禽视频传输。 单播 单播是客户端和服务器之间的点对点的通信连接，在实时数据传输中，从一 台服务器发送出的每个数据包只能送给一个客户机，单播中的信源和信宿是意义 对应的。这种方式下客户端主动发送请求之后，服务端作也响应。多个客户端的 1 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章视频监控系统概述 情况下，服务器的负担将非常重。这种方式适合客户端较少的情况。 组播 i p 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到 多个通道上。服务器只需要发送一个数据包，而不是多个，所有发出请求的客户 端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息 包的总量。网络利用效率大大提高，成本大为降低。 2 3 4 流媒体 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 使用流式传输技术，通过i p 网络实时传输多媒体数 据。文件不是一次性发送、读取所有的数据，而是将开始部分数据装入内存，从 而实现流式媒体数据的随时传送和随时播放。流媒体技术就是通过这样一种分割 技术把数据分成适当大小的分组，然后在服务器和客户端之间进行传输。 流式传输技术的思路来源于传统的f t p t c p ，即服务器按照一定的顺序将文 件分割成若干个数据分段，封装到分组中依次进行传输，客户端接收到分组后重 新组装起来，最终形成与原来相同的完整的文件。 流式传输时声音、影像或动画等多媒体信息由流媒体服务器向用户的计算机 连续、实时传送。它首先在使用者端的电脑上创建一个缓冲区，用于播放前预先 下载一段作为缓冲。用户不必等到整个文件全部下载完毕。而只需经过几秒或数 十秒的启动延时即可进行观看。当多媒体信息在客户机上播放时，文件的剩余部 分将在后台从服务器内继续下载。 2 4 存在的问题与不足 一般的数字视频监控系统虽然解决了从前端硬件设备的视频采集、视频传 输。但是在很多视频监控系统中会用到多类设备。一般的视频监控系统具有设备 针对性，显然不能满足多设备的应用需求。一般的视频监控系统有以下的几个不 足的地方：不能做到对各类不同设备的兼容性，没办法对不同所有的设备统一管 理；设备管理有相当的局限性显示端的矩阵等都无法控制；无法与g i s 系统联动； 浙江大学硕士学位论文第2 章视频监控系统概述 没有视频精确定位的功能；而且此视频监控系统的具有针对性，不具有一般性， 没有统一的功能接口，缺乏软件的复用性。 本文就针对这些问题与不足，对一般视频监控系统的提出改进方案。 2 5 本章小结 本章研究和分析了一般的视频监控系统的业务应用模式、原理、基本组成、 以及视频监控系统涉及到的相关技术的介绍，同时还指出了一般视频监控系统的 不足之处。 2 l 浙江大学硕士学位论文第3 章软件体系结构与软件复用 第3 章软件体系结构与软件复用 随着软件系统得规模和复杂度的不断增大，为了提高软件的可服用性和可维 护性，软件开发所关注的主要问题已不载是算法和数据结构，而是软件系统总体 结构和足迹，即软件体系结构【1 9 1 。欺件体系结构对于软件开发非常重要。2 0 世纪 8 0 年代后期出现的c l i e n t s e r v e r 的体系结构的灵活性使其得到广泛应用。但是对 于大型软件系统而言，这种结构在系统的部署和扩展性方面还存在着不足。 3 1 层次体系结构概念 层次软件结构渐渐发展起来。在软件体系结构的各种风格中，层次结构是一 种经常使用到的设计风格。在层次结构中，每一层完成一项确定的功能。它们都 为各自的上层提供一定的服务，同时又作为它们各自的下层的客户，使用下层提 供的服务。在层次结构中，各个层次只能和它们的相邻层相互作用，而这些相互 作用应该遵循一些给定的规则。目前，层次结构被大量地用于各种通信协议中。 层次结构具有以下几个良好的特性：首先，它支持基于不断增长的抽象层次 的设计。设计者可以将一个复杂的问题分解为一系列抽象层次不断升高的子问 题，通过分别解决各个子问题可以更容易地解决整个问题，提高软件系统的可靠 性和软件质量。其次，由于在层次结构中，每一层只能和它的相邻层相互作用， 这种受限的相互作用允许设计者更方便地改变某一层的功能。如果这些改变能保 持接口不变的话，它的相邻层甚至也不需要做任何改变。层次结构的这种特性能 够很好地支持软件升级。最后，如果层次结构中各个层次问的接口是标准化定义 的，开发者就能够独立地实现不同的层次，而同一个层次的不同实现之间可以方 便地互换，只要它们的接口是符合标准的。 3 2 三层软件体系结构 随着时间的推移，基于c s 模型的计算变得越来越普及，软件设计人员开始 把c s 模型应用到一个更广的领域。在这个过程中，c s 模型的一些不足之处也 浙江大学硕士学位论文第3 章软件体系结构与软件复用 就慢慢地显露出来。这些不足之处有： 不能很好地支持异种网络协议和异种数据库。由于管理上的原因，或者 是由于公司重组或合并，一些大公司的各下属部门往往拥有不同的网络， 不同的数据库产品。在建设新系统时，为了保护已有的投资和已有的数 据( 这些都是在工程领域需要考虑的问题) ，新的系统必须能将这些已有的 设备和数据包容进来。c s 模型不能很好地处理这种情况。 不能很好地支持数据关键性应用。在c s 模型中，由于客户能直接访问 数据库中的数据，使系统的安全性受到威胁。用户有可能绕过系统的安 全性机制而直接操纵数据库中的数据。另外，对于数据完整性，虽然传 统的数据库系统都提供了事务管理，或者更进一步地，通过两阶段提交 协议支持多个数据库之间的数据完整性，但是对于不同的数据库产品， 以上两种方法都不能提供一种很好的解决方案。 系统性能问题。在c s 模型中，每一个客户都使用单独的连接同服务器 通讯。一般每一个客户都要消耗若干个文件句柄，1 2 个进程句柄和几 十个千字节的内存。如此大量地消耗系统资源，将会使大多数服务器的 性能急剧下降。 为了处理这些问题，三层软件体系结构应运而生。三层软件体系结构中的三 层分别指的是如下的三层： 客户，它实现图形用户接n ( o u ) 。 应用服务器，它实现业务逻辑。 数据库或者遗留系统，它为应用服务器提供数据服务。 三层软件体系结构，不同于传统的二层c s 模型中的业务逻辑并没有在一个 单独的层中实现。一般来说，业务逻辑和g u i 一起在用户端实现，这样的客户被 称为肥客户，有时业务逻辑通过存贮过程可以在数据服务器上实现，这样的结构 被称为二层半结构。在三层体系结构中，由于业务逻辑在中间层实现，客户端只 需要实现g u i ，这使得三层体系结构中的客户成为瘦客户。因为大部分代码运行 在服务器上，三层结构满足了大型网络应用的对管理和配置的灵活要求。中间件 浙江大学硕士学位论文第3 章软件体系结构与软件复用 一般可分为以下几种类型：基于r p c 的中间件，消息中间件( m e s s a g e - o r i e n t e d m i d d l e w a r e ，简称m o m ) ，事务处理监控- 器( t p m o n i t o r ) 等。在这些种类的中间件 中，t p - m o n i t o r 是中间件发展的高峰，它实际起到了一个事务管理器的作用。 t p m o n i t o r 能保证不同的应用服务以a c i d ( a t o m i c i t y , c o n s i s t e n c y , i s o l 撕。玛 d u r a b i l i t y ) 力 式结成统一的服务【2 9 1 。通过在客户端和数据库系统之间的介入，下 p m o n i t o r 能管理事务，帮助它们确定网络上的处理路由，平衡它们在运行中的负 载分配，以及对数据库端的失败进行处理【2 9 l ，从而提高了系统的处理能力。 3 。3 软件复用 软件复用的目的是能更快、更好、成本更低地生产软件制品，在软件开发过 程避免重复劳动。通过软件复用，可以提高软件开发的效率和质量。软件复用的 思想已经深入人心，是非常重要的软件工程的思想。 3 3 1 设计模式 设计模式是记录设计知识的一种特殊方式，其目的是使那些在某一特定环境 中已得到证明的良好设计得以在相似的环境中再一次应用。简单地说，设计模式 是在具体环境中处理问题的方法。使用设计模式可以清楚地描述设