（计算机应用技术专业论文）视频联网监控平台的自组织研究.pdf

摘要 随着系统功能的逐渐完善，视频联网监控平台目前已在我国各行业领域投入大量 应用。视频联网监控系统在基本完成数字化与网络化后，由集中式向分布式、集散式 发展，由人工干涉的他组织系统转变为智能化、网格化的自组织系统，已经成为其未 来发展的必然趋势。 本课题从省域公路交通视频联网监控需求入手，设计了一种适用于广域业务管理 的自组织视频联网监控系统架构。以全网统一权限、网络资源调度协议、视频转发协 议、全网数据库同步等技术作为主要技术支撑，实现了系统对节点、端点管理以及路 由路径选择等多方面的自组织协作。 本文分析了现有视频联网监控平台的系统架构及应用状况，提出了视频联网监控 平台在我国各行业高速发展的局势下所面临的新挑战，从而引出系统自组织的概念， 以及自组织在网络架构系统中的应用。文章着重分析了系统中自组织机制的设计，以 及实现该机制的技术手段。对权限管理、视频转发链路设计、数据库同步等技术要点 做了详细分析研究，并以此提出了系统方法机制，摆脱了现行的手工静态配置方式。 既可方便视频调用平台的扩张，也可对整个调用系统进行有效的工作管理。 本系统中的视频转发路由路径自主选择功能已落实于江苏省交通厅对全省高速公 路管理的实际应用，自投入使用以来，功能与性能均表现良好。同时该系统具有广泛 的普适性，通过适当调整可满足不同领域对视频监控的要求，可推广至各行业领域应 用。具有广泛的研究价值与意义。 关键词：联网监控，自组织，流媒体，视频转发，权限 a b s t r a c t w i t hg r a d _ u a li m p r o v e m e n to fs y s t e mf u n c t i o n , v i d e on e t w o r km o n i t o rs y s t e mi s p l a y i n g a l li m p o r t a n tr o l ei nv a r i o u si n d u s t r ya p p l i c a t i o n si nc h i n a a f t e rf i n i s h i n g d i g i t a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n g ，i ti sa l li n e x o r a b l et r e n dt h a tv i d e on e t w o r km o n i t o rs y s t e mi s d e v e l o p i n g f r o mc e n t r a l i z e dt od i s t r i b u t e da n d d e c e n t r a l i z e d , a sw e l l a sf r o m m a n u a l l y - o p e r a t e d t os e l f - o r g a n i z e da n di n t e l l e c t u a l i z e d b e g i n 、) l ，i 也a n a l y z i n gn e e d so f v i d e on e t w o r km o n i t o rs y s t e mf o rp r o v i n c i a lf r e e w a y s ，a s e r f - o r g a n i z e dv i d e on e t w o r ks t r u c t u r ew h i c hi sa p p l i c a b l et ow a n s e r v i c em a n a g e m e n ti s d e s i g n e d t h es y s t e mi sb a s e do nu n i t e da u t h o r i t y0 1 1t h ew h o l en e t w o r k , n e t w o r kr e s o u r c e s c h e d u l i n gp r o t o c o l ，v i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，a n dd a t a b a s es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , a n dh a st h ef u n c t i o n a l i t yo fs e l f - m a n a g e m e n to fn o d e sa n dt e r m i n a l s ，a n ds e l f - r o u t i n g i nt h i sp a p e r , c u r r e n ts y s t e ms t l u c t i l r e sa n da p p l i c a t i o n so fv i d e on e t w o r ks y s t e mi s a n a l y z z d a n dn e wc h a l l e n g e sf o rt h es y s t e mu n d e rt h es i t u a t i o no ff a s td e v e l o p m e n to f e v e r yi n d u s t r y a l eb r o u g h to u t t h e nt h es e l f - o r g a n i z i n gs y s t e mi sd e f i n e d , a n di t s a p p l i c a t i o no nn e t w o r ki s i n t r o d u c e d t h ep a p e ri s f o c u s i n g0 nt h es e l f - o r g a n i z i n g m e c h a n i s md e s i g n sa n di t s i m p l e m e n t a t i o n s k e yt e c h n o l o g i e ss u c h 嬲a u t h o r i t y m a n a g e m e n t , v i d e ot r a n s m i s s i o nl i n kd e s i g na n dd a t a b a s e ss y n c h r o n i z a t i o na l ea n a l y z e di n d e t a i l s b a s e do nt h e s et e c h n o l o g i e s ，s e l f - r e c o g n i z i n g ，a u t oj o i n i n g ，a u t ow o r k i n g ，a n da u t o p o l l i n g - o u t a l e i m p l e m e n t e d t h i ss y s t e mm a k e s u s e r s g e t r i do fs t a t i cm a n u a l c o n f i g u r a t i o n s ，a l s om a k e s t h ep l a t f o r mm o r ee x p a n d a b l e ，t h em a n a g e m e n t sm o r ee f f i c i e n t t h ef e a t u r eo fs e l f - r o u t eh a sb e e np r a c t i c e di nf r e e w a ym a n a g e m e n t si nj i a n g s u p r o v i n c eb yd e p a r t m e n to fc o m m u n i c a t i o n a n dt h ew h o l es y s t e mb e h a v e sw e l l m e a n w h i l e ， t h i ss y s t e mh a sab r o a du n i v e r s a l i t y i tc o u l dm e e tn e e d so fm a n yo t h e ri n d u s t r i e st h r o u g h a p p r o p r i a t ea d j u s t m e n t s t h u s ，t h es y s t e mi sm e a n i n ga n dh a sag r e a tr e s e a r c hv a l u e k e yw o r d s ：n e t w o r km o n i t o r , s e l f - o r g a n i z i n g ，s t r e a mm e d i a , v i d e ot r a n s m i s s i o n , a u t h o r i t y 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 视频监控系统的衍生 随着我国科技的发展和人民生活水平的日益提高，视频监控对我们来说已经不是 一个陌生的词汇。目前我国视频监控技术的发展和应用正处于历史发展的高峰期，视 频监控的应用已经在寻常百姓生活和行业领域内随处可见，并且随着视频采集、图像 压缩处理、网络传输等相关支持技术的发展，和安防、交通、政府规划等需求的急剧 增加，视频传输技术也随之不断地迅速地提高和完善。 从上世纪8 0 年代的最初出现到现在的普遍应用，我国的视频监控技术主要经过以下几 个发展阶段： 第一代视频监控系统为全模拟监控系统，也称为模拟闭路电视监控c c t v ( c l o s e d c i r c u i tt e l e v i s i o n ) 。顾名思义，就是整个系统都通过模拟信号来传输视频。摄像头采 集到图像的模拟信号，将其传输到监控中心，监控中心配备有视频分配和合成设备， 将图像在电视机等模拟显示设备上输出。而保存手段则是用磁带录像机将文件录制在 磁带上【i 】。同时，这类系统的一大特点是视频采集与监控设备是一对一的，就是现场 有多少摄像机，监控室就有多少电视机，这极大地影响了监控系统的大范围使用。虽 然后来人们对此类系统进行了改进，使用控制电路以至后来的控制器进行视频切换， 但受技术限制，传输距离、设备性能、中心控制管理及布线工程复杂度等关键问题都 难以得到根本性的解决，导致视频监控系统的应用在当时受到非常大的限制，难以普 及开来。 第二代为过渡型数字视频监控系统，也称准数字视频监控系统。这个时代的开始 是在上世纪9 0 年代中期，以数字硬盘录像机d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 的出现为 标志的。数字硬盘录像机由此取代了作用于模拟视频信号的磁带录像机，它的一个重 要功能就是将视频模拟信号转化为数字信号，由此，监控系统中的视频显示和文件存 储都得以数字化。虽然数字化只发生在监控中心的用户调看和文件储存阶段，第二代 视频监控系统对上一代所存在的前端视频采集以及传输的固有弊端还是难以解决，但 是它在监控系统领域起了重要的过度作用，人们发现了数字化在解决旧系统中的重大 意义，从而为往后的系统研究发展竖起了一座灯塔，为前进指明了方向。 第一章绪论 第三代视频监控系统称为全数字视频监控系统。这种系统以嵌入式硬盘录像机 d v r 为代表。嵌入式d v r 是在软件上通过应用程序和操作系统结合，硬件上通过微 处理器和各种芯片集成而成的一种嵌入式系统。与第一代监控系统完全相反，第三代 监控系统从图像采集到传输以至显示和储存已经完全数字化，从在很大程度上解决了 最初的模拟系统的种种硬伤。但是，但稳定性不够好，结构复杂，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通信) 较为复杂，可靠性不高；功耗高，费用高；需要有 多人值守；同时，软件的开放性也不好，传输距离明显受限；p c 机也需专人管理。因 此这种方式并不是最理想的监控系统1 2 j 。 随着上世纪末9 0 年代后期互联网络在我国的普及，不仅是互联网在人们生活中占 据了不可取代的位置，网络化的概念在专业领域应用更是得到极大的重视，行业相关 的网络化技术更是得到突飞猛进的发展。在视频监控领域由此应运而生的便是网络多 媒体监控系统。严格说来，网络监控系统仍属于第三代数字化监控系统，它是以数字 信号处理为基础的，采集、传输、控制、显示和储存都是数字化的，但它同时有一个 区别于嵌入式d v r 系统的根本特点，就是该系统的核心在于它是基于p 网络的多媒 体信息提供一个全面而完善的多媒体信息调用、控制平台。网络视频监控所体现的不 仅仅是技术的革新，更是架构的进步。该系统以口网络为依托，从根本上解决了前几 代监控系统都难以攻克的难题，即系统网络部署问题。同时，该平台集通信技术、图 像压缩与处理技术、网络传输、流媒体、和自动化技术于一体，由于应用范围和规模 的激增，还促进了网络存储技术的发展。至此，网络视频监控系统的意义已经不仅限 于监控本身了。 1 1 2 视频监控系统在行业中的应用 视频监控系统最初多应用在政府、交通、电力、金融、公安等特殊部门。然而随 着各个行业的发展和信息化的进步，更多的行业也加入了视频监控系统的用户行列。 如近年来的国际和国内反恐形势、我国的北京奥运、上海世博会、城镇化建设、平安 城市、平安小区的打造促进了安防行业的发展，网络视频监控系统凭借自身固有的优 点，成为了安防管理的重要手段。 截止2 0 0 6 年广东省广州市投资约2 9 4 5 6 万元，在全市建成监控点4 0 3 11 个，监控 室1 9 7 个；至2 0 0 9 年8 月，河南省在市区内安装视频监控系统超过1 2 万套；2 0 0 9 年， 河北省天门市在市区安装摄像头4 5 3 2 个。以上述城市为代表，视频联网监控系统在全 2 长安大学硕士学位论文 国各地乃至全世界的安防事业立下汗马功劳。 作为视频监控的传统应用领域，交通行业对视频监控的需求也在飞速提高。随着 高速公路的信息组织与信息规划日趋完善，面向高速公路的视频集群渐显规模，其终 极目标是覆盖全部高速公路网。以江苏省为例，全省共有高速路段2 2 条，外场视频摄 像机约1 5 0 0 多路；基于高速公路的视频调用，已达四级之多。若再加上交通领域中的 其他部门，如海事、水运、运管等，交通领域的摄像机调用规模将超出3 5 0 0 路，而且 监控调看级次亦将叠加，视频的资源分配亦将向上级机关与有关业务部门扩展。另一 方面，为对抗2 0 0 7 年以来的全球金融危机，我国政府制定出来了十大措施以及两年4 万亿的刺激经济方案。其中1 8 万亿元将用于加快建设铁路、公路和机场等重大基础 设施建设，占到总金额的4 5 。尤其是城市交通、高速公路和铁路及其车站项目更会 成为重点的投资对象。我国公路交通建设必将迎来一个全新的发展时代。而以视频联 网监控为代表的智能交通技术作为重要我国公路交通建设的主要方向，也必然得到长 足的发展。 1 1 3 视频监控平台发展趋势 从视频监控系统的发展过程中可以看出，视频监控的基本发展趋势就是数字化。 2 1 世纪已经是毫无疑问的数字化时代，是各类别各行业的共同发展趋势。数字化的视 频监控系统在视频采集上更加高性能，压缩和传输上更加稳定可靠，储存更加安全长 久，播放也经济便捷。从工程角度看，数字化系统布线利用率高、损耗小、设备性能 好，是性价比很高的工程方式。以整个系统来讲，数字化系统的视频监控平台具有兼 容性好，可扩展性强，系统易于升级等优点。 网络化作为现今数字化发展的一个代表趋势，在近几年已经表现的尤为突出。未 来的时代是一个网络的时代已经毋庸置疑。视频监控正在由行业内部监控向跨行业应 用发展，以达到不同行业监控的联动，这样的应用使得联网监控系统的覆盖范围要求 更大，用户更多，网络化由此成为现代监控平台的重要发展趋势之一1 3 】。网络化为监 控平台提供了优越的通信基础，在促进了视频监控技术发展的同时也对监控平台提出 了更高的要求，即在视频联网调度平台在大覆盖面和多用户的特性下，如何更好的利 用、管理和掌控在现有的网络上的资源。这就要求视频联网监控平台在业务网络架构 上有所突破，形成一个智能化自组织的系统平台。一个灵活、智能网络架构应当放眼 全网，以最优的组网方式、系统模式和统筹管理，使监控平台在现有的网络技术上将 第一章绪论 基础网络的潜力发挥到最大，为每一个用户提供优质的用户端体验。 智能化是现代工业发展的必然趋势。无论在业务规模还是管理方式的发展，都推 高了对系统智能化的要求。在网络化的基础上，视频监控系统的智能化管理和组网方 式必将以网格化的系统结构为发展目标。 从个别行业应用转向多重领域。视频监控已经不仅限于传统应用的范围，而是向 着更多发展发展。各个行业的不同功能要求和特点反过来也会促进监控平台的针对行 业需求特殊重点发展对应功能特性，从而推动视频监控平台的整体技术发展。 1 2 研究意义与目的 随着全国高速公路建设的推进，视频监控系统在整个监控系统中所占比重和复杂 程度日益增加。视频监控系统作为全省高速公路信息管理系统的重要组成部分，是根 据我国高速公路监控系统的实际需求提出的，主要是对待大桥、隧道、交通枢纽和立 交等特殊路段采用。其主要职能是利用视频监控技术将现场监控点的图像信息传送到 监控室。使监控人员通过监视器、大屏幕投影等显示设备直观地了解重点路段摄像机 覆盖区的交通情况。如果发生交通事故时，可以根据所在路段摄像机摄取的图像信息 进行直接观察和确认，做出相应的决策并采取救援措施。同时还可以通过录像机对某 些特殊事件记录存档，为以后分析取证提供可靠的依据。所以说视频监控己成为智能 交通管理中重要的组成部分。 由于近年来我国公路、铁路交通基础设施建设的飞速增长，安防事业的发展需求， 网络技术的快速提高系列原因等，都已经使得传统的集中式视频联网监控系统在现实 大规模、多用户、高要求、高发展速度的应用需求中开始显得无力。 此时亟需一种高效率、可自我管理、可扩展的视频联网监控平台来解决这一局面。 本课题将以高速公路交通为入手点，旨在完成一个有自组织管理功能的分布式视 频联网监控平台，使该系统不仅适用于公路交通视频联网监控，同时可推广应用范围 至任何与交通监控有共同需求的大覆盖范围要求的监控平台。 1 3 研究内容与目标 视频联网监控系统的研究范围涉及网络通信、多媒体、视频压缩解压等多方面技 术，应用范围也很广，在不同领域应用中的视频联网监控系统也存在一定差异性，但 总体架构思想相通，其基础要素具有共性，从而可以归纳为以下几部分： 第一，结合我国交通行业视频监控的需求，分析现有的视频联网监控平台的系统 4 长安大学硕士学位论文 架构，综合其针对现阶段交通行业发展需求，提出全新格局的网络架构系统平台，使 该系统智能灵活的满足自组织、多层级、跨区域、资源共享和多用户并发连接的行业 使用需求。 第二，针对国内高速公路交通对视频监控的应用需求，设计较为完善的自组织机 制，资源分配、管理、调度、储存方法。 。 第三，给出自组织的具体实现方式、结构模型，以及资源分配管理的实现手段。 第四，在系统自组织机制的思想指导下，阐述视频调用的详细过程，给出其中的 具体数据结构和数据库设计。 本文的最终目标就是以我国公路交通行业为研究背景，以省域网络视频监控为项 目需求，建立一个功能完善结构灵活的自组织视频联网监控平台，实现端点( 节点) 设施与整个系统的自行有机融合，实现系统自行辨识、自行加入、自行工作、自行撤 出等方面功能，摆脱现行的手工静态配置方式。既可方便视频调用平台的扩张，也可 对整个调用系统进行有效的工作管理。本系统从交通监控出发，落实于江苏省交通厅 的全省高速公路视频联网监控的实际应用，并可推广至各行业视频监控需求，使该平 台具有普适性，通过微调整可满足不同领域对视频监控的要求。 第二章监控平台管理的技术分析 第二章监控平台管理的技术分析 2 1 传统视频监控平台管理分析 2 1 1 传统视频监控平台管理方式 视频联网主要包括视频传输和视频联网监控两个方面。 光纤传输具有传输距离远、衰减小，抗干扰性能好，可以远距离传输等特性，作 为远距离传输介质已经受到业界广泛认可。光纤传输方式常用模拟光端机和数字光端 机为关键设备，通过把视频及控制信号转换为激光信号在光纤中传输。一般采用 m p e g 2 4 、h 2 6 4 音视频压缩格式传输监控信号。由于这种传输非常适合于城域间远距 离、点位分散的监控。 视频联网控制部分大致可以分为矩阵控制和软件控制两种方式。矩阵控制方式作 为传统的c c t v 控制模式，因其可实现从系统配置、用户编程、视频切换、遥控摄像机 控制、报警联动等强大的管理功能，闭路电视监控系统中得到广泛的应用。另外、矩 阵还配有网络接口或串行接口以实现与p c 机的连接，由p c 机及配套的图形管理软件 等完成部分控制、图像管理功能。软件控制方式：在计算机技术飞速发展的时代，市 场上也出现了不少以p c 机位基础的闭路电视控制设备，它主要通过软件设计实现视频 切换、矩阵控制、警报联动等一系列的控制功能h 3 。不管是矩阵控制还是软件控制， 其实其控制方式都非常依赖于硬件控制，其对网络资源的调节管理功能非常有限而且 过多的依赖人工配制，对人力和物力都存在极大的浪费。 在视频联网平台的架构和管理上，现有的系统主要采用了总线式，或总线式为主， 星型结构为辅的结合式网络架构，配以集中式管理机制。这样图像传输中路径单一、 网络使用效率低，且管理模块对整个系统内的资源分配情况不能掌控，从而造成系统 资源的浪费。另外，集中式的网络管理结构，使网络主干通道负载压力过于大。这种 架构的存在主要由于视频监控系统在刚投入使用时的应用范围较小、管理相对分散所 决定，即便到了今天，这种应用和管理模式还大量存在。纵观全国，高速公路监控系 统还存在管理分散、各自为阵的情况，各路段只能查看本路段的相关视频信息，不能 调阅路网运营的真实情况。已经实现全省视频监控系统联网的省份，也存在着联网资 源不能路网共用的现象，从而造成高速公路建设中重资兴建的视频监控系统资源的限 制和浪费1 5 j 。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 2 传统视频监控平台管理现存问题 从上面的阐述不难看出，在将省级范围高速公路作为管理对象的情况下，其覆盖 范围要求较高。如到2 0 0 7 年底，河南省告诉公路通车总里程超4 1 0 0 公里【6 】。且随着 近几年我国公路交通基础建设的飞速发展和更新速度，光纤传输的设施布置和维护成 本要跟上高速公路的智能化建设，需要付出的人力物力是相当大的成本。 矩阵控制的视频联网监控平台的管理调度核心在控制矩阵这一硬件设备。首先硬 件设备的承载力既定，系统端点一旦超出控制矩阵的最大接入量，就必然面对系统扩 张困难问题。 事实上，省域范围的高速公路其实是一个跨城区、超远距离并且已有广域专网的 监控环境。这样的条件恰好构成实施网络传输方式的绝佳环境。监控采集到的图像信 号传输以数字网络的传输方式，通过把视频或控制信号直接转化成数字格式在网络上 传输。利用监控管理平台对信号进行多方监看和控制。 其次，在实现全省联网监控的省份，对网络资源的有效利用率较低，造成大量浪 费。这点在上一节已经提到。 最后，无论在实现省域联网监控的省份还是在以路段或属地为管辖范围的视频监 控范围，视频联网监控平台的配置和管理几乎完全依赖于人工。如监控平台启动时需 要对系统内各服务器分别配置，向运行中的平台中添加一个端点或节点时也需要人工 静态配置。静态配置的操作不仅耗费人力，而且往往在添加个节点或端点时，需要整 个系统暂停工作，全监控域内重新配置，这显然使系统性能和效率降低，也不是一个 最优的管理办法 我们的课题目标就是要设计出一种能够自主发现、自动标定、自我管理、自我调 整的视频联网监控平台，使其在大覆盖范围的联网监控域内，高效组织和运用联网资 源，可扩充、易管理、更灵活，并且体现优越的平台运行效果和性能。 2 2 自组织系统的管理特点和要求 2 2 1 自组织系统的概念 结合视频监控系统的实际应用需求、发展趋势，并考虑到现有的传统视频调用平 台在实际应用和发展中所不能解决的矛盾，我们提出自组织视频联网监控系统的概念。 一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。德国理论物 理学家h h a k e n 认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。 7 第二章监控平台管理的技术分析 如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照 相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。自组 织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强，其保 持和产生新功能的能力也就愈强 r l 。 以视频监控系统为例，传统的视频监控系统结构绝大部分采用他组织结构，即整 个监控系统的结构，包括组网方式、路由路径、调度方式等，要么由在系统运行前就 已设定，运行时无论现实情况是否适用，都按照提前的设置按部就班；要么在系统运 行过程中遇到需要选择的问题时，向用户或管理员询问，由用户做决断。 前者方法无论当时的现实情况下多么不适用，甚至在当即状态下可能会导致整个 平台瘫痪，无论更优的解决方式多么容易实现，可以轻易解决当下问题，系统都不会 自动改变策略。这种方式非常死板，一旦遇到问题而没有及时发现，都有可能导致到 整个系统难以正常工作的局面。并且，此系统在开发之前必然需要经过一番大量的数 据采集、调查、分析，为设计一个适用于普遍情况的方案做准备( 虽然这个方案很有 可能不是适用于所有情况) 。而后者方法大小问题都必须由人干涉，系统自己是没有决 断能力的。视频监控系统常应用于人无法长时间看守而又必须记录下现场每时每刻的 状况的场合，要用户总在第一时间对系统提出的问题做出反馈是不现实的。总的来说， 这两种他组织方法都不够智能，缺少自动应对变化的能力。 相反地，自组织系统就是可以弥补以上这些缺点的。自组织系统的实现关键在于 建立一个智能的业务网络架构，使得系统能够在不同的应用环境，不同的运行状况下 自动采用一种最适用于当时情形的运行方式。这样的方式使得系统在不断的更新扩大 省级的时候不会受到系统架构本身的限制，在理论上是完全可以无限扩张的。另外， 多种可预期的正常和异常操作及其应对，都已经在系统设计阶段之初便考虑进去。大 大减少了系统运行维护时的人力和财力成本。 2 2 2 视频联网监控平台的自组织要求 自组织概念的应用现今还是一个较为前沿的课题，然而目前越来越多领域都开始 向自组织模式展开探索。对于不同的应用领域，自组织的要求都会有不同体现。应用 于视频联网监控平台时，我们要求系统能够指实现端点( 节点) 设施与整个系统的自 行有机融合，实现系统自行辨识、自行加入、自行工作、自行撤出等方面功能，摆脱 现行的手工静态配置方式。既可方便视频调用平台的扩张，也可对整个调用系统进行 长安大学硕士学位论文 有效的工作管理。 具体来说，视频联网监控系统要体现其自组织性，实现智能应用，主要有以下几 方面要求： 其一，系统支持多层级的规模应用。即系统可自行支持调节处于不同层级的节点 端点的行为操作，使平台上的所有用户在各得所需，实现软硬件资源的最优利用，以 在现有平台规模下提供最多晟佳的用户服务，同时保证系统的灵活性和扩展性，理论 上可无限制扩大集群规模。 其二，系统可以自行确认视频应用节点、端点的属性与权赋，自行商定视频调用 的路由。系统内任意节点或端点既具有本身固有的权限，确保在系统尽在自身权限范 围内做合法操作，又具有灵活的全局变通性，以可根据系统资源等条件决断行为。 其三，系统能自行支持节点或端点漫游。实现用户在权限范围内享有整个平台中 不同区域中的无缝漫游连接。 2 3 系统定义 2 3 1 监控域 依据工程实施的实际情况和视频联网监控的要求，全省的监控网络可以被划分为 若干个对等域。每个工作域负责本域的全部交通资源的管理，用户的管理也是采用属 地化的原则在本域实施。由于视频监控体系是在省级交通管理部门的行政业务结构之 上构建的，所以不同的机构应分属不同地域或属行的管理责任。因此，监控域并行于 行政管理机构，是这种属性的系统化模式，并以此规范不同组织结构的责任域权限。 在“交通监控域”的概念基础上，以按照联网监控为规范行业要求，合理整合分配利 用网络资源和路网基础设施，可以作为联网监控的良好架构基础。 2 3 2 服务器 平台服务器专指为本系统有序工作的功能性服务设施。具体包含如下三种： 其一，资源管理服务器。该服务器对于用户的权限、注册、调用请求和响应、编 码方式、链路配置等各方面网络进行协调和管理。同时，资源管理服务器还负责监测 网络拓扑状态、平台关联服务器工作状态，并对非法接入或逾限应用进行警示。关注 网络的传输带宽，含静态设置带宽、实用实时带宽、可用空余带宽、传输链路或介质 等。对业务类型与流量，含视频种类、数量、流媒体制式、传输协议等进行有效协商 或确认； 9 第二章监控平台管理的技术分析 其一，流媒体发布服务器。负责从接收来自各端点、节点发来的命令，解析、执 行命令并向命令请求方发送回馈相应。该服务器还负责从视频采集设备处获取视频源 信号，将其按照一定方式进行编码，然后将编码后的数据转发出去。其针对视频调用 需求，发布服务器决定发布方式及路由方式，对多点请求采用应有的组播方式等； 其三，用户调用服务器。亦可看作具有内在协议、规则、赋权的智能调用客户端。 其可以是工作于个人电脑桌面上的系统组件，也可以是工作于监控大厅，进行多路高 画质转播的高性能服务器，还可以是装置于高性能笔记本当中的移动终端。其作用是 对外场图像的调用或播录。 其四，文件储存服务器。是保存大量历史视频文件的存储介质，主要负责在系统 运行的过程中保存经过视频发布服务器的所有视频文件，也是用户调用历史文件的视 频源。该服务器的重点要求在于海量存储、安全可靠。 2 3 3 节点 是指平台功能性汇集点，包括网络功能汇集点和系统功能汇集点。网络功能汇集 点主要指域问路由器等设备，它们处于基础网络平台层，是系统网络基础平台的必须 设备。而系统功能汇集点主要指功能服务器，具体包含有我们后面会介绍的系统的几 个主要服务器：视频转发服务器、视频文件存储服务器、资源管理服务器，用户调用 服务器。各服务器各司其职，并协同完成系统功能。 2 3 4 端点 视频采集端点是处在整个视频监控系统的视频结构最底层的设备。是指视频源端 设施，如：摄像机、编码器等。是视频转发传送的起点，也是用户和管理员命令操作 的最终执行设备。 2 3 5 功能网络 由管理域间或管理域中所构成的特定功能实现，在结构上交叠编织成为功能性网 格，从而对视频监控目的进行再组织。如，对于高速公路大区域的视频监控以及对特 定的车辆长途跟踪与监控，将会跨越多个管理域，功能网格基此组织对目标车辆锁定 与跟踪的智能模式。 t o 长安大学硕士学位论文 2 4 流媒体特性分析 2 4 1 流媒体特性 流媒体也称流式媒体，是指采用流式传输的方式在网络上播放的媒体格式。可以 包括音频、视频和其他多媒体元素。它是指用一个视频传送服务器把视频分割成数据 包发出，传送到网络上，由视频服务器向用户计算机连续、实时传送，在采用流式传 输方式的系统中，用户不必像采用下载方式那样等到整个文件全部下载完毕，而是只 需经过几秒或几十秒的启动延时即可在用户的计算机上利用解压设备( 硬件或软件) 对 压缩的多媒体文件解压后进行播放和观看。此时多媒体文件的剩余部分将在后台的服 务器内继续下载。用户通过解压设备对这些数据进行解压后，视频就会像发送前那样 显示出来。这一过程的一系列相关的包称为“流 。严格来讲流媒体实际指的是一种新 的媒体传送方式，而非一种新的媒体。流媒体技术起源于美国。在美国目前流媒体的 应用已很普遍，比如惠普、微软等大型公司的产品发布和销售员工培训都用网络视频 来进行。 2 4 2 实时流媒体特性及需求 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接配匹，使用户可以实时地看到媒体 内容。因此特别适合于现场事件。因为是实时传输，它需要有专用的流媒体服务器和 传输协议。由于数据包出错和丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或网速出现问题时，如 果不采取补救措施，视频质量会很差。 由以上特性不难看出，使实时流媒体得以流畅播放的最首要的基础条件就是网络 状况。通常全网用户调用图像占用的带宽可以用如下公式计算： m = ( 器c i 幸p 幸f ) 木a 其中，m 是所有用户占用的带宽，c i 为用户i 正在调看视频的总路数，p 为一路图 像的大小，f 为每秒钟的帧数，a 为视频压缩率。 以目前主流的图像分辨率l c i f 的2 5 6 真彩色图像来举例，图像大小为3 5 2 x 2 8 8 像 素，在非压缩的情况下，每个像素点需要8 位来表示。这样，l c i f 图像的文件大小是 3 5 2 2 8 8 8 = 8 1 1 0 0 8 b i t ，约为8 0 0 k b i t 。在监控系统中的网络中传输的视频文件都需要 进行不同程度的压缩，压缩率根据编码方式和图像内容本身相关，我们假设平均压缩 后的图像大小为压缩前的5 ，这样每张图片的大小4 0 k b 左右。使人眼睛舒适的流畅 第二章监控平台管理的技术分析 视频播放速度的是每秒3 0 帧，而实际的视频监控应用中一般达到2 0 帧秒的刷新率即 可。由此我们可以得出，传输这样一路图像要占用的带宽为4 0 2 0 = 8 0 0 k b ，即0 8 1 d 。 这样在多用户同时访问的视频，且每个用户调看多路图像的情况下，即时带宽的需求 是非常大的。 然而，对于一个多用户并发的自组织视频监控系统来说，理论上应当可以承载相 当多甚至无上限的用户数量。如果系统单纯靠扩张系统规模和增加硬件设备的方式来 满足迅速增多的用户数量是不够经济的，而无限制提高网络带宽也是不现实的。这就 要求系统本身拥有先进的调度机制，使系统在目前拥有的网络条件下，以统筹的方法， 尽量充分地发挥硬件设备的承载能力，以尽量经济的方式实现整个系统的最高的效率。 另外，网络状况时常会因各种原因出现意料中或意料外的波动。如何将网络速度 的波动对实时流媒体传输的影响减到最小，也是一个需要面对的问题。 同时，一个优秀的实时流媒体监控平台不仅应当充分高效利用网络带宽，还应该 使系统自身具备响应时间短、资源利用率高、系统灵活可靠、兼容性好以及规模扩展 方便等优势。解决这些问题，必须从系统架构。只有先进的管理机制，才能真正满足 上述种种需求。 2 4 3 视频压缩技术 视频压缩起源于2 0 世纪4 0 年代的信息论，其主要目的是通过数据压缩手段将信 息数据量以压缩形式进行存储和传输。目前，视频压缩技术已经广泛应用于视频传输、 计算机多媒体和数值存储等方面，成为当今的热点技术之一【8 】。视频压缩的目标是在 尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率1 9 。 目前业界主流的视频压缩技术主要有m j p e g 、m p f g 、和h 2 6 4 标准。 m j p e g 是运动静止图像压缩技术( m o t i o n - j o i np h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 的缩 写。这种压缩技术将运动的视频图像看作多个连续而独立的静止图像，对每一帧图像 分别压缩。因此，m j p e g 只对帧内的冗余进行了压缩，忽略了运动图像中帧之间的 冗余，从而压缩率效率较低。 m p e g - 4 是m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p o r t sg r o u p ，活动图像专家组) 制定的数字 视频压缩标准之一。m p e g - 4 的最大特性之一就是应用了视频对象提取技术，将视频 图像中的对象从文件中提取出来然后分别采取相应的编码方法进行压缩。这样的方法 使得m p e g 一4 有更高的压缩效率，但同时计算复杂度较高，因此导致对视频数据进行 1 2 长安大学硕士学位论文 实时压缩时的代价较高。 h 2 6 4 图像编解码标准1 0 , 1 1 , 1 2 ：h 2 6 4 在1 9 9 7 年i t u 的视频编码专家组( v i d e o c o d i n ge x p e r t sg r o u p ) 提出时被称为h 2 6 l ，在i t u 与i s o 合作研究后被称为m p e g - 4 p a r t l 0 ( m p e g 4a v c ) 或h 2 6 4 ( t ) 。 h 2 6 4 同时采用了帧间预测编码和帧内预测编码。 首先，h 2 6 4 中，每个视频帧都被分成像素块，视频的编解码处理过程以块为处理 单位。 帧间预测编码就是对连续帧的不同块采用临时存放，采用运动预测和运动补偿的 方法，只对相邻的帧中不同的部分进行编码。在对帧完成编码后，对其中一些特定的 块进行搜索，以此确定块的运动向量和预测后面编解码的主块。 类似的，帧内预测编码利用了帧内相邻块的相关性。通过预测周围的块，对给定 块进行预测值与实际值的差值进行编码。 同时，h 2 6 4 不仅能提供连续流畅的高质量( d v d ) 图像，而且与上述两种编码 方式相比，h 2 6 4 在同等的图像质量下，可节省二分之一的码率。 另外，h 2 6 4 提供网络适应层( n e t w o r ka d a p t a t i o nl a y e r ) 使可以文件在互联网、 g p r s 、c d m a 等不同网络上进行传输。此外还提供了一些必要工具，以解决在不稳 定网络上传输造成的丢包等错误。 因此，虽然在压缩比和图像质量上不及m p e g - 4 ，h 2 6 4 在这方面已经可以满足视 频传输的普遍要求，并且考虑到延迟小、误码率低等其他代价的优势，本系统中将采 用h 2 6 4 视频压缩技术。 第三章自组织视频监控平台的系统架构设计 第三章自组织视频联网监控平台的系统架构设计 3 1 系统功能设计 自组织视频联网监控平台的主要功能有如下几个方面： 1 ) 对各个高速前端视频图像的接入调用功能，对前端的视频编码器种类型号进 行判别； 2 ) 自行支持多层级的规模性应用； 3 ) 对系统新增节点端点自行发现、自主判定、自动接收； 4 ) 对前端图像可实现切换控制，多路并发情况下自主判定权限，自动路由； 5 ) 自行确认视频应用节点、端点的属性与权赋，自行商定视频调用的路由； 6 ) 自行支持节点或端点漫游； 6 ) 对已调用的视频图像可记录、可管理、可回放； 7 ) 对联网范围内的视频调用用户权限进行管理和分配； 8 ) 对外部访问用户进行权限分配及管理； 9 ) 对视频网络带宽资源进行管理，即控制访问视频图像的总体数量，以保证网 络资源的充分利用； 1 0 ) 对经过系统的视频文件图像进行安全储存，在保存时段内能按照权限标准提 供给有权限用户观看。 在视频控制方面，考虑到实际工作中的操作多在下级监管部门实施，建议图像控 制( 视角、焦距、灰度、对比度等) 的最高权限设置在路段监控中心或地方监控中心， 即尽量与现场接近，这样容易达到比较好的视频效果，且避免了上级监管部门对现场 工作造成干扰。在有特殊需求的应用处可启用其他设置，或者有临时需求时，也可配 备系统中的语音子系统或第三方电话会议系统协同工作n 3 3 ( 由于语音子系统与本课题 研究内容相对独立，本文中不做详细讨论) 。 3 2 系统架构原则和技术路线 3 2 1 构架原则 对本平台的设计规划与研发，我们将遵循以下原则： 1 参照国内外i t s 框架标准 根据我国视频联网监控广域业务需求的实际情况，依据我国视频监控行业现在和未 1 4 长安火学硕士学位论文 来的发展分析，针对其服务领域和服务功能的定义，采用软件构架技术，对联网监控资 源统一整合分配。 2 借鉴融合先进的技术与标准 在网络技术的飞速发展为视频联网监控系统提供了优秀的技术平台和借鉴标准。虽 然组网技术本身不属于视频监控平台模型的一部分，但其技术和网络协议与体系结构的 分层特点与分层原则等对设计联网监控有重要参考价值。本课题借鉴w e bs e r v i c e 的网 络化、分布式模块组建的思想精髓，促进互联网技术在行业领域进行广阔发展。 3 在传统组网方式和管理方法上大胆创新。 这是本研究的根本指导思想，结合目前我国交通管理的实际情况和发展趋势，针对 目前视频联网监控平台的应用发展瓶颈所在，大胆提出新式而顺应业界网络平台管理平 台最先进发展方向的实施操作机制，力争在视频联网监控平台的管理方式实现根本性的 改进。 4 具有技术应用基础设施整体性 资源共享和服务协作是联网监控的本质特征，也是实现系统自主性的根本需求，建 立在已经初显应用基础设施特性的计算机控制系统之上的联网监控系统必须体现出基 础应用的整体属性。 5 具有监控资源与数据管理机制 联网监控应用所面对的联网监控资源与数据应该持续可访问，但联网监控资源与 数据事实上分别存在于各自系统中，所以模型系统必须为常用关键资源与数据提供有效 管理，以实现联网监控资源与数据持续可访问性，为把联网监控逐步过渡到公用资源做 准备。 6 联网监控应用设计简单化 联网监控信息资源种类多，用户层次不齐，联网监控应用千差万别。应用的简单化与 应用设计的简单化是联网监控系统能否长期使用的基本要求，为此应借鉴现有联网监控 应用特点，在实践基础上的简单实用是所有成功应用系统的共同特性，联网监控层次模 型也遵循同样规则。 7 具有本质安全特性 网络的安全性是很多网络应用系统的软肋，这与其体系结构设计中没有慎重考虑 安全性有直接关系，安全将是未来联网监控系统成败的首要因素。我们在系统架构设计 阶段就将安全性作为一个重要的方面。 1 5 第三章自组织视频监控平台的系统架构设计 3 2 2 技术路线 随着我国大部分城市高速公路交通建设正在从基础建设阶段向管理阶段转变，交通 量正在逐渐增加，交通管理业务也越来越多，数据源也随之快速增加，而众多厂商的设备 也需要集成在系统中。这样的现状对互通业务、共享数据、和设备之间的共存等都提出 很多难题。因此，交通共用信息平台的建设，作为当前智能高速公路管理中的首要功能实 现