（计算机应用技术专业论文）流媒体技术在综合网络中的应用.pdf

摘要 随着网络技术、计算机技术、通信技术的发展，企业综合信息网络逐渐形成 了三层结构：最底层的是以现场总线为基础的底层工业控制网络，位于第二层的 是企业内部网，最上面的是i n t e r a c t 。由现场总线网络、i n t r a n o t 、i n t e m e t 三层网络 构成的企业综合信息网络简称为综合网络。 工业现场总线发展的一个趋势是在现场总线中实现多媒体信息的传输。工业 网络中，多媒体的应用主要包括两个方面：视频监控和工业图像处理。然而，在 现场总线上传输多媒体信息，必须要考虑两个方面：一是保证多媒体信息的传输 不会影响到现场总线的正常功能，即需要保证控制信息传输的实时性和可靠性； 二是由于现场总线带宽的限制，必须考虑到多媒体传输可以应用的领域，同时还 要考虑选择合适的多媒体压缩标准。 流媒体技术是近年来兴起的一种新的媒体信息传输技术，并以其众多的优点 吸引了业界的目光。利用综合网络三层结构的特点，将流媒体技术应用于综合网 络中，在不同的网络层次上实现流媒体系统的不同功能，最终实现综合网络中实 时流媒体传输，将企业的工业控制网络和信息网络充分融合，是本课题研究的目 标。 论文研究的重点包括：第一，多媒体信息在低带宽环境下的压缩和传输问题； 第二，在现场总线中，多媒体信息和控制信息混合传输环境下，现场总线正常功 能的实时性和可靠性保障技术；第三，将流媒体系统应用于综合网络时，流媒体 系统的q o s 保证策略；第四，基于系统的理论研究，以视频监控在综合网中的应 用为例，提出一个具体的系统实现方案，以及部分软硬件的设计实现。 相对于已有的研究，本论文的特色在于：一方面针对综合网络三层结构的特 点，将流媒体的概念引入到综合网络中，并采用在不同的网络层次实现不同功能 的方法，实现了在综合网络中流媒体的实时传输；另一方面提出了将控制网络和 多媒体网络相融合的o o s 保障方法，设计了基于带宽预留策略的自适应传输算法， 以保证现场总线控制信息的实时性和可靠性，并采用多缓冲存储策略为流媒体系 统提供一定的q o s 保证。 关键词；现场总线，综合网络，流媒体，实时，h 2 6 4 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m 髓to fc o m p u t 盯t e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e e l m o l o g y , t h ee n t c r l 】r ：i s ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nn e t w o r kh a sg r a d l l a l l y b u i l tu pat h r e e - t i e rs l r u c t b r e ：t h el o w e s tl a y e ri st h eb a s i ci n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k b a s e do nf i e l db u s e s ，t h es e c o n dl a y e ri st h ef a c t o r yi n t r a n e t , a n dt h et o p m o s tl a y e ri st h e i n t e m e t 他ce n t e r p r i s ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nn e t w o r kc o m p o s e do ft h ef i e l db u s n e t w o r k s , i n t r a n e la n di n t e m e ti sc a l l e di n t e g r a t e dn e t w o r kf o rs h o t i ni n d u s t r i a ln e t w o r k s , m u l t i m e d i as y s t e m sa f ep l a y i n gam o l t l ei m p o r t a n tr o l e h t h i si l l - c at h e r ea l * et w om a i nt y p e so fa p p l i c a t i o n , v i s u a lm o n i t o r i n ga n di m a g e p r o c e s s i n g n e v e r t h e l e s s s p e c i a lc a r cm u s tb et a k e ni no r d e rt oa s s u i et h a tt h o i n t r o d u c t i o no f m u l t i m e d i at r a f f i cd o e sn o ta f f e c tt h en o r m a lf u n c t i o n i n go f t h ef i e l db u s n e t w o r k a n o t h e ra s p e c tt ob ec o n s i d e r e di st h er a n g eo fa p p l i c a t i o n sw h e r et h e m u l t i m e d i al a a n s m i s s i o ns y s t e mi sp o s s i b l e , g i v e nt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hl i m i t a t i o n s , w h i c hw i l lr e q u i r eac a r e f u ls e l e c t i o no f t h ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e st ob eu s e d s t r e a m i n gm e d i ai san e wr a i s e dm e d i ai n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s w i t hal a r g en u m b e ro fa d v a n t a g e s i th a sa t t r a c t e dt h ei n d u s t r y sa t t e n t i o n w i mt h e t h r e e - t i e rn e t w o r kf e a t u r eo fi n t e g r a t e dn e t w o r k , t h eo b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c hi st o a p p l yt h es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yt oi n t e g r a t e dn e t w o r k , r e a l i z i n gd i f f e r e n t f t m e t i o n sa td i f f e r e n tn e t w o r k l e v e l s ，c r e a t i n g t h er e a l - t i m e s t r e a m i n g m e d i a l r a n s m i 船i o ni ai n t e g r a t e dn e t w o r k ，a n da c h i e v i n gt h ef u l l yi n t e g r a t i o no fi n d u s l r i a l c o n t r o ln e t w o r k sa n d - i n f o r m a t i o nn e t w o r k s n em a i np o i n t so ft h i st h e s i sa r e ：f i r s t , t h ec o m p r e s s i o na n dt r a m m i ) s i o no f m u l t i m e d i ad a t ai nl o wb a n d w i d t he n v i r o n m e n t ；s e c o n d l y , t h er e a l - t i m ec o n t l o la n d r e l i a b i l i t yo fc o n t r o ld a t a i nt h em i x e dl x a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i aa n dc o n t r o l i n f o r m a t i o n ；t h i r d l y , t h eq o sg u r a n t e es t r a t e g yw h e na p p l i n gt h er e a l - t i m es t r e a m i n g m e d i as y s t e mi ni n t e g r a t e dn e t w o r k s ；f o r t h b a s e d t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n du s e dt h e v i d e os u r v e i l l a n c ea v o l i e di ni n t e g r a t e dn e t w o r ka sa i re x a m p l e , p r o p o s e das p e c i f i c s o l u t i o n ，a n dp a r t l yg i v e nt h oh a r d w a r ea n ds o t t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n c o m p a r i n gw i t ht h ee x i s t i n gl - e $ e a l r c h _ ，t h e r ef i l et w of e a t u r e si nt h et h e s i s i no n e h a s p e c t t h ec o n c e p to fs t e a m i n gm e d i ai si n t r o d u c e dt ot h et h r e e - t i e rs t r u c t u r eo f i n t e g r a t e dn e t w o r k s ，a n dt h er e a l t i m et r a n s m i s s i o no fs t r e a m i n gm e d i ai sf i n a l l y a c h i e v e dt h r o u g hi m p l e m e n t i n gd i f f e r e n tf t m c t i o n si nd i f f e r e n tl a y e ro ft h ei n t e g r a t e d n e t w o r k s i nt h eo t h e ra s p e c t ，t h eq o sg u a r a n t e em e t h o di sg i v e nw h e na c h i e v e dt h ef u l l i n t e g r a t i o no ft h ei n d u s t r i a lc e n t r e ln e t w o r k sa n dt h ei n f o r m a t i o nn e t w o r k s t h e b a n d w i d t hr e s e r v e da l g o r i t h mi sd e s i g n e dt og u a r a n t e et h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o na n d r e l i a b i l i t yo f c o n t r o ld a t a 1 1 ”m u l t i - b u f f e rs t o r a g es t r a t e g yi su s e dt op r o v i d es o m eq o s f o rr e a l t i m es t r e a m i n gm e d i a k e yw o r d s ：f i e l db u s ，i n t e g r a t e dn e t w o r k , s t r e a m i n gm e d i a , r e a l - t i m e , h 2 6 4 m 缩略词 缩略词 c r m ：c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m p l c - p r o g r a ml o g i ec o n t r o l l e r l o n w o r k s ：l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k c a n ：c o n t r o la r e an e t w o r k h a r t ：h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r m a c ；m e d i a a c c e s sc o n t r o l l l c ：l o g i c a ll i n kc o n t r o l p c s ：p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m m e s ：m a n u f a c t o r ye x e c u t i o ns y s t e m r t p ：r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l e r p ：e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g h t t p ：h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l r t c p ：l h pc o n t r o lp r o t o c o l r t s p ：r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c o l m a v ：m o v i ed i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g y 绛a 掰；绛鼢w sm e d i a a u d i o a s f ：a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t w 1 订v ：w i n d o w sm e d i av i d e o 删s ：m i c r o s o f tm e d i as e r v i c ep r o t o c o l a s x ：a s fs t r e a mr e d i r c c t o r s m i l ：s y n c h r o n i z e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nl a n g u a g e h ，i m l ：h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e x m l ：e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e d v i ：d i 对t a lv i d e oi n t e r a c t i v e u ii n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu m o n 哪；i n t c m c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e v i i 缩略词 q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e v c l ：v i d e oc o d i n g l a y e r n a l ：n e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r f m 0 ：f l e x i b l em a c r o b l o c ko r d e r i n g c o m ：c o m p o n e n to b j e c tm o d u l e d r m ：d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t v o d ：v i d o oo nd e m a n d p c i ：p e r s o n a lc o m p u t e ri n t e r f a c e 图表索弓 图表索引 图2 1 现场总线协议模型1 3 图2 2 企业网络信息集成系统的层次结构图1 5 图2 3l 气n f i e l d b u s 网络结构图1 8 图3 1 数据的缓冲效果。2 1 图3 2 流式传输原理2 1 图3 3 流媒体相关协议分层结构图。2 5 图4 - 1 未经压缩视频传输所需网络带宽分布曲线。3 l 图4 - 2 企业网络各功能层次的网络类型3 5 图4 3 基于综合网络的流媒体传输系统模型3 6 图5 1h 2 6 4 传输结构图3 8 图5 2h 2 6 4 编码器3 9 图5 3h 2 6 4 解码器3 9 图5 4x 2 6 4 编码器编码流程图4 1 图5 5 多缓冲网络模型图。4 5 图5 6 协议转换设备多缓冲策略模式流程图。4 6 图5 7 透明网关系统层次结构图。4 7 图6 1 网络视频监控系统结构图4 9 图6 - 2 监控工作站模块图 5 0 图6 - 3 视频服务器功能模块框图5 1 图6 - 4 客户端结构图5 3 图6 5 算法程序流程图5 4 图6 6 视频采集流程图5 5 图6 7 流媒体系统的软件体系结构 5 7 图6 8 视频信息网络接收流程图5 8 图6 9 实时流媒体网络发送模块流程图6 0 图6 1 0d i r e e t s h o w 核心架构图：6 l 图6 1 1 接收并播放网络上接收到的h 2 6 4 视频流流程图6 3 图6 1 2h 2 6 4 视频流播放程序流程图6 3 图表索g 表2 1 五种表现场总线性能对照表1 2 表4 - 1 现场总线网络带宽表3 0 表4 2h 2 6 4 标准档次各个等级参数分布表3 1 x 修改提纲 1 、第1 8 页要求增加本章小结，已按要求增加，内容略 2 、笫2 9 页要求增加本章小结，已按要求增加，内容略 3 、第3 6 页要求增加本章小结，已按要求增加，内容略 4 、第4 3 页第1 段第1 4 行： 原文为：重复步骤。 改为： 重复步骤( 注：算法中出现“= ”代表赋值操作) 5 、第4 6 页要求修改图5 - 6 ，已按要求修改，内容略 6 、第4 8 页要求增加本章小结，已按要求增加，内容略 7 、第5 7 页g , 3 段第2 行： 原文为：接收和发送缓冲区，套接字的创建等。 改为：接收缓冲区套接字的创建等。 8 、第6 3 页要求增加本章小结，已按要求增加，内容略 指导老师： 答辩主席： 日期：娜 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。据我所知，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。 签名：壹皇日期：2 - 7 年牛月驰目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后应遵守此规定) 签名：整童导师签名：2 亟 日期：上u 0 7 年牛月埤日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 随着网络技术、计算机技术、通信技术的发展，企业综合信息网络逐渐形成 了三层结构：最底层的是以现场总线为技术的底层工业控制网络，位于第二层的 是企业的内部网，最上面的是i n t e r n e t 1 1 。由现场总线网络、i n t r a n e t 、i n t e m e t 构成 的企业信息网络简称为综合网络。 现场总线是指用于现场设备、仪表与控制系统和控制室之间的一种全数字化、 双向、多变量、多点的通信系统，以r s - 4 8 5 、c a n 总线和l o n w o r k s 总线最具代 表性。现场总线具有信息传输实时性、高可靠性和短帧传输的特点，其速率一般 在几k b s 到1 0 m b s 之间，广泛应用于工业过程、楼宇、家庭、能源等自动化领 埘2 】。 流媒体指在i n t c r n e t i n t r a n c t 中使用流式传输技术的连续媒体，如：音频、视 频或多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入 内存。流式媒体的数据流随时传送随时播放，仅在开始时有一些延迟。流媒体实 现的关键技术就是流式传输。流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒 体( 如视频、音频) 的技术总称。实现流式传输有两种方法：实时流式传输和顺 序流式传输。一般说来，如果视频为实时广播，使用流式传输媒体服务器，或应 用如r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c o l ，实时流协议) 的实时协议，即为实时 流式传输；如果使用h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送。在流式传输的实现 方案中，一般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而用r t p u d p 来传输实时视频图 像数据包。流媒体的播放支持单播、点播、组播和广播等方式，以及各种方式之 间的组合播放方式【3 】。 流媒体技术随着网络带宽瓶颈问题的逐步解决和多媒体编解码技术的发展获 得了越来越多的应用，如网络广告、电子商务、实时视频会议、m t v 、移动流媒 体等等。网络技术和企业信息技术的发展，以及企业对远程视频监控等多媒体服 务的需求，催生了对流媒体实时传输的要求。 工业现场总线发展的一个趋势是在现场总线中实现多媒体信息的传输 f 4 j 6 8 9 1 q 1 ”。工业网络中，多媒体的应用主要包括两个方面：视频监控和工业图像 电子科技大学硕士学位论文 处理【l 。在现场总线上实现多媒体传输，将控制网络和多媒体网络相融合是当前 国内外研究的一个热点。在机器人领域，图象处理的应用正日趋普遍f l l l 2 。1 3 “t 1 5 1 6 】。 电力公司安装远程监控装置来减少原来必须使用的劳动力。在分析现场总线的 演变的时候，d i e t r i c h 和s a t r e r 指出，当把企业本地网从工业网络中分离出来后， 与原来相比，现在唯一的不同是要满足工业网络实时传输的需求，所以，无论是 带宽还是传输包的大小都不会限制多媒体在这些网络上的应用【6 1 。 然而，在现场总线上传输多媒体信息，必须要考虑两个方面：一是保证多媒 体信息的传输不会影响到现场总线的正常功能，即需要保证控制信息传输的实时 性和可靠性；二是由于现场总线带宽的限制，必须考虑到多媒体传输可以应用的 领域，同时还要考虑选择合适的多媒体压缩标准【l l 】。 将多媒体应用于现场总线中，实现多媒体网络和控制网络相融合，有利于减 少网络布线，促进c i m ( 通讯接口模块，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e ) 一体化， 减少处理节点数目和降低成本等l 埘。因此，利用综合网络中已有的资源，在不影 响现场总线可靠性和实时性的前提下，将控制网络和多媒体网络相融合，实现音， 视频的实时传输已成为一种重要的需求。 在现场总线中实现多媒体信息的传输，进而在综合网络中实现流媒体的实时 传输是切实可行的，这是由综合网络三层结构的特点和工业现场多媒体的应用领 域以及工业现场多媒体传输总是从现场节点到上层网络单向传输的特性共同决定 的。据此，在综合网络不同的层次上实现流媒体系统相应合适的功能，最终实现 在综合网络中实时流媒体的传输，将企业的控制网络和信息网络充分融合。 1 2 国内外研究现状 将流媒体系统应用于综合网络，实现将多媒体网络融合于控制网络，提供基 于现场总线级别的流媒体服务，到目前为止，还没有发现相关的文献和产品。本 课题的本质是对流媒体技术在具体领域应用的研究。针对本课题研究的内容和特 点，与之密切相关的研究集中在两个方面：流媒体q o s 控制技术，现场总线中多 媒体技术的应用。 1 流媒体q o s 控制技术。 在i n i r a n e t 中，网络带宽比较充足，流媒体应用的关键是流媒体服务器的性能： 但是，在i n t e r n e t 这类无法可靠保证服务质量的网络环境中，流媒体应用的关键是 q o s 控制机制。q o s 涉及到带宽、延迟、延迟抖动、丢包率和错误控制五个方面。 2 第一章绪论 流媒体中的q o s 控制是在发送端和接收端这两端进行。接收端对接收的多媒 体数据包进行监测，通过对丢包率、传输延迟、抖动等的实时统计，判断和估计 网络的状况。然后调整发送速率或是接收速率，使之尽量与网络的状态变化同步， 从而使传输延迟、丢包率等参数保持在一个合理的范围内尤其是在拥塞发生后， 需要显著减少继续涌入拥塞点的多媒体数据量【”】。 当前i n t c r n e t 中的q o s 控制正沿着三个不同的方向进行研究：针对网络路由器 上部署的拥塞控制算法和包调度算法、针对端到端q o s 的标准化、针对传输两端 采用的流控制和拥塞控制。 ( 1 ) 针对网络路由器上部署的拥塞控制算法和包调度算法缓慢启动：拥塞避 免、快速重传、快速恢复等算法能有效的用于路由器的拥塞控制【】9 1 。w f q 算法、w r r 算法、d r r 算法等被广泛的用于路由器的包调度。 ( 2 ) 针对端到端q o s 的标准化：i e t f 的集成服务工作小组通过r s v p 信令 协议为流预留资源1 2 0 】，同时i e t f 的区分服务小组正在标准化坤包头中 t o s 字节使之能用于区分包的优先级【2 i 】。 ( 3 ) 针对传输两端采用的流控制和拥塞控制：基于端到端的q o s 技术立足于 传输两端，主要通过客户端的监测和反馈、服务器的流量控制和拥塞控制， 达到保证服务质量的目的，属于应用级的q o s 技术。拥塞控制的基本思 想是实时自适应调节发送速度使其适应网络的带宽。拥塞控制一般有三类 方案：基于收端、基于发端和混合控制。基于发端的控制有两种：一是调 整编码速率，二是速率整形。基于收端的控制根据网络状态增加或减少信 道，主要适于用于分层的压缩编码。拥塞可以采用基于试探的方法和基于 公式豹方法。前者的典型代表是a i m ) a d d i t i v ei n c r e a s em u l 印l i c a t i v e d e c r e a s e 算法 2 2 1 ；后者的一种实现方案是s a l l yf l o y d 等人提出的t f r c t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o l 方案【2 3 1 。f l o y d 、h a n d l e ) , 和p a d h y e 将基于试探 的a i m d 算法与基于公式的拥塞控制策略进行了比较 2 4 1 2 现场总线中多媒体技术的应用。 在现场总线中实现多媒体的传输是国内外研究的一个热点，研究的重点可以 归结为三个方面： ( 1 ) 研究在某种具体的现场总线上实现多媒体( 主要是工业图象) 的传输，比 如p r o f i b u s 、l o n w o r k s 总线等。c a v a l i 6 = f i 通过使用机器人监控果树最早从 理论上分析了在现场总线上传输视频图象【2 5 1 。在基于p r o f l b u s 和t c p i p 协议的m a p 3 0 网络中，t o v a r 分析了有、无q o s 保证两种情况下传输多 电子科技大学硕士学位论文 媒体信息的网络性能【8 】。s e m p e r e 、m a t a i x 和t o r d e r a 分析了在m a p 3 0 网 络中传输多媒体信息的性能，实验显示，由于引入大量的m a p 层次造成 总开销过大，使得传输的效率十分低下 2 6 1 。s i t v e s t r e 在p r o f i l m s 上实现yt 业 图形的传输，并设计调度算法保证现场总线的实时性1 2 7 l 。 ( 2 ) 在实现多媒体传输的现场总线中，现场总线正常功能的q o s 保证方法，多 采用设计调度算法。对于基于令牌环网访问控制的工业网络，k e e - y m 分 析了视频序列在这种网络中传输时的调度策略，设计的视频序列调度方案 能够改善采用m p e g 标准压缩的视频的传输性能圆。在基于标准s p - 5 0 和p - n e t 的网络中，s h i n 和t o v a 利用图象传输为例，验证了提出的传输 调度策略【2 9 捌。 ( 3 ) 对视频压缩算法进行改进，采用对远程视频图像进行增强处理、目标特征 提取及检索等方法降低传输的多媒体信息。作者采用一种基于小波变换和 动态检测的视频压缩方案，充分利用工业视频图像特定的环境和工业视频 图像的视觉特点，并采用硬件实现图象压缩的方法，大幅度的减少了工业 图象在c a n 总线上的传输，保证了c a n 总线的可靠性【3 1 1 。 1 3 课题来源及主要工作 本课题的研究内容是电子科技大学嵌入式实时计算团队综合网络学科建设项 目的一部分。综合网络学科建设的目的是在以现场总线为基础的企业综合网络中 实现异构网络的相互通讯，提供设备级的互操作，并为上层的应用提供统一的接 口；此外，为了适应现场总线发展的要求，在现场总线中实现多媒体的传输，在 综合网络的系统层次上实现流媒体的系统。 本课题深入研究了以现场总线为基础的综合网络中实现流媒体实时传输的技 术，在此基础上设计了一个基于h 2 6 4 的网络视频监控系统并部分实现。课题的 主要研究内容包括： ( 1 ) 研究现场总线技术和综合网络的特点和结构。 ( 2 ) 研究流媒体技术的原理和实现。 ( 3 ) 研究综合网络中流媒体的实时传输，提出实现需要解决的几个关键问题提 出系统模型。 ( 4 ) 研究基于h 2 6 4 的多媒体编解码技术；研究多媒体传输在特殊环境下的系 统q o s 保证方法，设计基于带宽预留策略的自适应传输算法，并论证设计 4 第一章绪论 的可行性；提出媒体信息的多缓冲存储策略，保证多媒体传输的连续性， 为流媒体系统的q o s 提供一定的保证。 ( 5 ) 基于系统理论研究设计基于综合网络的网络视频监控系统，及其软硬件部 分实现。提出具体的设计实现环境，使用c + + 语言在v i s u a lc + + n e t 2 0 0 3 愚r m d o w s ，平台上开发出一套基于c s 通信模式和综合网络的网络 视频监控系统。 相对于既有的研究，本论文的特色在于：第一，将流媒体应用于综合网络， 在综合网络的不同层次实现流媒体系统相应合适的功能；第二，针对现场总线自 身的特点和在其上实现多媒体传输的需求，在多媒体采集压缩端，设计了基于带 宽预留策略的自适应压缩编码传输算法，并论证了算法的可行性，设计了保证多 媒体传输连续性的多缓冲存储策略，为流媒体系统的q o s 提供一定的保证；第三， 在本论文的设计验证系统上，将远程视频监控和流媒体相结合，充分发挥了流媒 体系统的优点，拓展了流媒体应用的范围。 1 4 论文的组织和安排 根据本课题的研究思路和设计模块划分，依据理论和实践相结合的原则，本 文共分为七章： 第一章：绪论部分，概要性的介绍本课题的来源，研究背景和意义，国内外 的研究现状，研究的主要内容和特色，以及论文结构和内容的具体安排。 第二章；综合网络概论，详细介绍了现场总线的概念、特点、发展趋势，列 举了几种常见的现场总线，简要阐述了现场总线的网络层次模型等，并以此为基 础介绍综合网络，阐述了综合网络的层次结构和网络结构。 第三章：流媒体相关技术概述，主要介绍了流媒体的基本概念、技术原理， 流媒体的技术特点、文件格式、播放方式以及传输协议标准r t s p 、r t c p ，简要 介绍了流媒体的应用和发展趋势，分析了流媒体技术和视频监控相融合带来的好 处。 第四章：综合网络实现实时流媒体传输的分析和设计，分析了在综合网络中 实现流媒体实时传输的需求，提出了将流媒体技术应用于综合网络需要解决的几 个关键问题，并给出了系统的总体设计。 第五章：综合网络实时流媒体传输的关键技术，给出了三个关键问题的解决 方法，对h 2 6 4 的开源实现】【2 6 4 源码进行分析；设计了基于带宽预留策略的自适 5 电子科技大学硕士学位论文 应传输算法，并对算法的性能进行了分析；设计了多缓冲存储策略为流媒体系统 提供一定的q o s 保证；给出了协议转换网关的总体设计。 第六章：基于综合网络的网络视频监控系统的研究和实现，给出系统了总体 设计方案，详细介绍了系统各个模块及其设计要点，部分介绍了视频采集端、服 务器端、客户端软件的实现技术。 第七章：总结和展望，对本课题研究过程的工作进行总结，并对今后进一步 研究本课题提出建议。 6 第二章综合网络概论 第二章综合网络概论 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、 智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。国际电工委员会i e c 对现 场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备 与控制装备之间实现双向、串行、多结点数字通信的技术。计算机与通信信息的 结合产生了计算机网络，计算机网络和控制的结合孕育了现场总线技术，网络技 术是现场总线的重要基础，网络化是工业控制系统的发展方向。 现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局 域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间以 及与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个底层网络，而且还是一种开放式、 新型全分布式的控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数据通讯为主要内 容的综合技术已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并导致自动 化系统结构与设备的深刻变革【l 】【2 】。 综合网络是企业综合信息网络的简称，是指包括了现场总线网络、企业内部 网和i n t e r n c t 在内的各种异构网络的综合体。现场总线控制网络处于综合网络的底 层，或者说，它是构成综合网络的基础。本章先介绍现场总线，然后在现场总线 的基础上介绍企业信息综合网络。 2 1 现场总线概述 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一 代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因 的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。 控制系统的发展经历了从分散式到集中式，从模拟信号到数字信号的发展过 程，大致可以概括为：基地式监控系统、模拟仪表监控系统、集中式数字监控系 统、集散监控系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、现场总线监控系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 3 2 1 现场总线的出现促使传统监控系统结构发生变革，形成了新型的网络集成式 全分布监控系统一f c s 。f c s 顺应了监控系统向分散化、网络化、智能化的发展方 7 电子科技大学硕士学位论文 向。它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备 互连，构成现场总线控制系统，将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和 维护费用。与传统的d c s 监控系统比较，f c s 具有可靠性高、互换性、互操作性 好、一对n 结构、分散控制等优点。 2 1 1 现场总线的特点和优点 1 现场总线的结构特点【l l 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。现场总线控制系统由于采用了智 能现场设备，能够把原先集散控制系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模 块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀 门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控 制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可以实现一对电线上传输多个信号， 如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场 设备以外不再需要a d 、d a 转换器件。这样就为简化系统结构、节约连接电缆 与各种安装、维护费用创造了条件。 2 现场总线的技术特点 现场总线的技术特点基本可分为八个方耐3 3 1 ： ( 1 ) 系统的开放性：现场总线开发者致力于建立统一的工厂底层网络的开放系 统。用户可以按照自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小 随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性和互用性：互可操作性，是指实现互联设备间和系统间的信息 传送与沟通，而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可以实现相 互替换。 ( 3 ) 现场设各的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理 与控制等功能分散到现场设备中完成，仅依靠现场设备即可完成自动控制 的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体 系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性：现场总线是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、 8 第二章综合网络概论 同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能 采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 ( 6 ) 一对n 结构：一对传输线，n 台仪表，双向传输多个信号。这种结构使得 接线简单，工程周期短，安装费用低，维护方便。 ( 7 ) 可控状态：操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状态， 也能对其进行参数调整，还可以预测和寻找事故。现场设备始终处于操作 。 员的远程监视与可控状态下，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 ( 8 ) 统一组态：由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所以制造商 都使用相同的功能块，并统一组态方法，这样就使组态非常简单，用户不 需要因为现场设备或现场仪表的不同而采用不同的组态方法。 3 现场总线的优点 由于现场总线结构具有众多的技术特点，使得在设计、安装、维护等方面都 体现出极大的优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资：由于现场总线设备的智能化与功能自治性的特点， 可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等。现场总线系 统一对n 结构使得增加新设备非常简单。据有关典型试验工程的测算资 料表明，可节约安装费用6 0 以上。 ( 2 ) 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与间断故障处理的能力，及 其可控状态的特点，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便 早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构 简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 3 ) 用户具有高度的系统集成主动权：由于协议的开放性，用户可以自由选择 不同厂商所提供的设备来集成系统，使系统集成过程中的主动权牢牢的掌 握在用户手中。 ( 4 ) 提高了系统的准确性与可靠性：现场总线设备的智能化、数字化从根本上 提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同