（检测技术与自动化装置专业论文）基于mpeg4的网络视频监控系统（客户端）.pdf

摘要 视频监控系统以其直观、方便、信息内容详实被广泛应用于生产管理、保安等场 合，成为金融、交通、商业、电力、公安、海关、国防，乃至住宅社区等领域安全防范 监控的重要手段。随着i n t e r n e t 和监控技术的迅速发展，视频监控的网络化已成为当今 研究的热点之一和主要的发展趋势。 但是，视频数据量大和网络带宽有限一直是限制饕视频监控网络化的瓶颈。网络视 频监控首先要解决的是视频数据的压缩和实时传输。 m p e g 一4 视频编解码标准和r t p 实时传输协议的提出为解决这两方面的难题指出 了方向。这两个协议提出至今都已有几年的时间，国内外的许多机构都对他们作了大量 的研究工作，但相关的产品化的研究报道还很少见。 本文首先在绪论中详细地分析了视频监控技术的发展历史、现状以及趋势，并对本 课题所研究的内容及研究意义作了简要介绍。在第二章中对本课题的方案进行了比较详 细的介绍，并与传统的视频监控方案进行了比较，同时还对本方案的优缺点和技术难点 作了说明。在接下来的第三章和第四章中分别介绍了视频编解码的m p e g ，4 标准以及数 据实时传输的r t p 标准，并对其中的关键概念作了说明。在第五章中，论文介绍了本 课题基于r t p 实时数据传输协议的传输模块的软件设计与实现，在第六章中，论文介 绍了客户端软件的设计，同时还介绍了该实现的实验结果以及对实现结果的简要分析。 在论文的最后对本课题所作的研究工作了总结，并提出了后续工作的主要任务。 关键词：视频监控，m p e g - 4 协议，传输，r t p r t c p 协议 i a b s t r a c t p r o v i d i n gp e o p l ei n t u i t i o u i s t i c ，c o n v e n i e n ta n da b u n d a n ti n f o t m a t i o n v i d e om o n i t o r s y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di np r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，e n s u r i n g p u b i cs e c u r i t ya n ds oo n t h e y h a v ea l s ob e c o m ea ni m p o n a n tm c a s u l - eo f s e c u r i t ym o n i t o r o nf i n a n c e ，t r a f f i c ，b u s i n e s s ， e l e c t r i cp o w e r , p o l i c e ，t h ec i q ，n a t i o n a ld e f e n s e , c o m m u n i t y , e t c w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fi n t e m e ta n d m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ，n o w a d a y s ，t h e r e a r em o r ea n dm o r e p e o p l e t h a tf o c u so i l v i d e om o n i t o ro ni n t e m e ta n di th a v ea l s ob e c o m e , am a i n l yd e v e l o p m e n tt r e n do fm o n i t o r i n g t e c h n o l o g y b u tam a s so fv i d e od a t aa n df i n i t en e t w o r kb a n d w i d t hl i m i tv i d e om o n i t o r sa p p l i c a t i o n o ni n t e m e ta l lt h et i m e i nv i d e om o n i t o ro i l i n t e m e t ，w h a tw em u s t s o l v e ，f i r s t l y ，i s c o m p r e s s i n g a n dr e a l t i m et r a n s p o r to fv i d e od a t a m p e g - 4i sa ni s o i e cs t a n d a r do fe n c o d i n ga n d d e c o d i n go nv i d e os f f e a m r t pi s t h e r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 t h e yp r o v i d et h em e t h o dw es o l v et h o s ep r o b l e m s t h e s et w o p r o t o c o l sh a v eb e e np u tf o rs o m ey e a r su pt ot h ep r e s e n t m a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n sh a v em a d ed e e pr e s e a r c h i n g , b u tt h er e p o r to ft h ep r o d u c t sb a s e do nt h e mi ss t i l t f e w t h ef i r s t p a r t o ft h i s p a p e ra n a l y z e sd e t a i l e d l yv i d e om o n i t o r sd e v e l o p i n gp r o c e s s ， s i t u a t i o na tp r e s e n ta n di t sd e v e l o p i n gt r e n di nf u t u r e ，a n dt h e ni n t r o d u c eb r i e f l yt h em a i nt a s k a n d s i g n i f i c a n c eo fm y r e s e a r c h i nc h a p t e r2 ，t h ep a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i lt h es o l u t i o no ft h i s t h e m ea n dc o m p a r e si tw i t ht r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o rs o l u t i o n ，a n dt h e nd e s c r i b e sa d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g ea n dt e c h n i q u ed i f f i c u l t yi n t h i ss o l u t i o n i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r3a n d c h a p t e r4 ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e sm p e g - 4 a n dr t p r e s p e c t i v e l ya n de x p l a i n st h ek e yt e c h n i q u e i nt h e m i nc h a p t e r5 ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fv i d e om o n i t o rs y s t e m st r a n s p o r t s o f t w a r eb a s e do nr t p ，i nc h a p t e r6 ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fc l i e n tm a c h i n e ，a n da t t h es a m et i m e ，i n t r o d u c e st h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o na n dt h es i m p l ea n a l y z i n go fi t a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c h i n grh a v ed o n ea n dp o i n t e do u tt h ee m p h a s e si n t h ef u t u r er e s e a r c h i n gw o r k k e y w o r d s ：v i d e om o n i t o r ；m p e g - 4 p r o t o c o l ；t r a n s m i t t i n g ；r t 驯r t c pp r o t o c o l i v 北方工业大学 x 7 5 2 7 0 1 捡型堇盔里自麴丝苤量 学科 ， 学科带头人( 签字) 蔓耋筮 b 誓年扫月叶m 研究生：孔梁萍 学位论文任务书 扭电三程 学院捡型挂垄：堕旦麴丝苤量 一专业 过簋扭廑旦 研究方向 论文题目：基王些! e ! 迫圆终塑题些撞丕筮! 奎遄2 一 选题的来源、意义和价值：奎堡厘垦塞涯王j e 直至些太堂重直塞坠窒盟宜迟 照! 迥题些蕉= j 直墨厶i 苤洼曲垫盛查二! 塑塑些撞歪筮丝墓壹塑二直僵二焦! 垦盟查迸 塞煎亡运廛旦王生主筻理二堡塞笠扬金! l 立出迦至鱼二! ! 迦亘鱼：2 塑h ：2 笪筻塑题廷缠 绵丑拯准! 壁旦q 墨星二仝拯i 匮塑奎王数塑塑缠碹拯造：县壹直压缠壅二基王由窒曲变 亘世塑通旦查塑的三太功能! 篮筮的! 壁篮箍塞堕塑麴塑塑鲍能左楚差! 经鲎金筮 生堑塑差塞基塞庄丑壑! 面艇里塑卫逞垡二l 夏适金塞盟塑麴焦星曲垡逾型i 剑! 奎堡 壁盟宜鲍煎是墨旦壁曼鱼：! 拯壁壁塑麴逾进i 王缠鲤亟! 哩垫：邀迸堑：塞吐童箍的匿隆 视频监控系统。 学位论文工作自一；塑3 年 一月 ；! 曰起 至 ! ! 鳗一年一一月! 日止 呈交学位论文日期 ! ! ! 年一一月 6日 答辩日甥鲨篁一一年一鱼一月! 一目 导师( 签字) ： 廿、 笠垒 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，也不包含为获得堑直王些塞堂或其他教育机构 的学位或证书面使用过的材料。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。 学位论文作者签名缸z ；i 妒日期：h q 争6 月i ) n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解i t 左王些太堂有关保留、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j b 直王些太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，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：扎译蓐 签字日期：切许6 月f 7 日 导师签名： 喜字舣 签字日期 溺年岛月r p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：北京航天第二研究院7 0 6 所 电话： 通讯地址： 邮编： 一 ! ! 立三些查兰堡主塑墼 引言 随着社会的进步、经济的发展和人民生活质量的提高，视频监控系统也己经越来越 受到人们的关注，如果将视频数据在i n t e r n e t 上进行传输，那么监控的视频信息将能得 到更广泛的应用。但是，视频数据量大和网络带宽有限一直是限制着视频监控网络化的 瓶颈。所以，要在i n t e r n e t 上较好地传输视频监控信息，必须采取措施解决好这两方面 的问题。一方面，我们必须对视频数据进行压缩，尽量去除其中的冗余信息，使得在网 络中传输的数据星尽可能减少，降低对网络带宽的要求。另一方面，我们还得根据视频 传输的特点，采用合适的网络协议和传输算法，以达到尽可能好的传输效果。 i v p e g - - 4 是超低码率运动图像和语言的压缩标准，它不仪是针对一。定比特率下的 视频编码，更加注重多媒体系统的交匣性和灵活性。对比m p e g 一1 、m p e g 一2 和h - 2 6 3 等视频压缩编码标准，m p e g 4 具有高压缩率、基于内容的交互性和通用存取的三大功 能。m p e g 4 是适用于阚络视频传输的佼佼者，在我们的监控系统中，我们采用它作为 压缩方法。 1 s l 1 9 】 视频传输与传统的文件传输有着明显的区别，传统的文件传输对于传输延迟，抖动 没有过多的要求，但要求有严格的差错控制和重传机制。而对于视频数据，由于它具有 连续性、实时性、突发性的特点，传输时对实时性、同步性要求很高。视频传输能够忍 受分组丢失造成的差错和反常，也可以忍受由于没有重传或者纠错机制而导致的分组丢 失或延迟，但却无法容忍由于基于重传的差错控制机制引起的显示不连续或显示混乱。 传统的t c p i p 传输实时音频、视频数据的能力较差，经常会发生数据丢失或失序现 象，而r t p 却可提供一种更适合于实时视频信息的传输机制。鉴于视频数据传输的这 些特点，在我们选择r t p 爪7 r c p 协议作为我们视频数据的传输协议。【4 1 】 本文针对以上提到的两个监控系统中最突出、最受关注的问题提出了解决途径和方 法：运用m p e g - 4 协议对数字视频的信息进行压缩编码和运用r t p r t c p 协议对编码 后的视频数据进行实时传输。这样不仅能充分年拥网络现有的资源而且也扩大了监控的 范围，延伸了防范的视角，大大增强了系统的监视能力和应用范围。我们课题的最终目 的要将本系统服务器的功能移植至嵌入式系统中，降低系统成本，应用到实际领域。 j 七方 ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 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。当前，随着经济发展水 i f 的提高和技术的成熟，宽带接入及通讯已经成为电信领域最有潜力的广阔市场。近年 来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足 的发展。网络视频监控系统使用现有的网络系统，使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，这将是监控系统发展的必然趋势。 1 ，1 视频监控系统 1 1 i 视频监控系统的主要应用场合 视频监控系统作为一种重要的安全防范和王见代化管理手段越来越受到管理部门的重 视，其应用领域不断扩展。以下场合都需要监控系统： ( 1 ) 电力部门：营业所、变电站、分局的遥视解决方案。 ( 2 ) 水利气象部门：河道分局、水文站、气象站、大堤管理段视频监控，配合无线 传输设各可实现大堤险情的图像监控。 ( 3 ) 银行、证券等金融机构：银行联网监控、会融系统( 银行柜台、a i m 机、自助 银行) 的监控、证券股票机构的保安监控，储蓄所、分理处、分行、交易所的视频图像 监控。 ( 4 ) 税务、邮政等政府部门、区乡政府、县市政府、厅局以及税务局的各个分局、 营业大厅的视频监控。 f 5 ) 公安、安全部门和军队的各个分局、各办公室、监狱、看守所、特殊警戒区等 的视频监控。 ( 6 ) 城市交通图像监控、高速公路及路桥收费站监控管理、隧道及铁路通口等交通 要道和停车场以及海关、空港、码头、河道的监控。 ( 7 ) 企事业单位、工矿车间( 如对生产流程的监控) 、油田、仓库、厂办分隔区的 远程监控。 f 8 ) 文物馆、博物馆、档案馆、图书馆、医院( 如对手术室或医疗系统的危重病 房、监护室产房、育婴室的安全监控) 、 j l i 司，学校，安养院等以及无人机房的远程 视频监控。 墅三、业查兰堡主兰垡丝窭 ( 9 ) 餐厅、饭店、旅馆、各商场、超市、宾馆大厦、体育馆场、娱乐场所、住宅社 区及办公大楼和跨国公司的图像监控。 ( i o ) 风景名胜、动物园等视频监控，公共工程监督、活动盛会以及环保系统的有 害场所、危险环境的保安监控。 1 1 2 视频监控系统的发展历程 视频监控系统的发展经历了三个小同阶段：模拟视频监控，多媒体微机平台( 基 于p c 插卡) 的数字视频监控和基于嵌入式网络视频服务的数字化网络视频监控。 1 模拟视频监控系统 模拟视频监控系统主要由摄像机、视频矩阵、峪视器、录像机等组成，利用模拟视 频线将柬自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵手机，采用键盘进行切换和控 制，录像采用使用磁带的长时间录像机：远距离图像传输采用模拟光纤，利用光端机进 行视频的传输。 模拟监控系统发展较早，目前常称为第代监控系统，系统特点：a 视频、音频 信号的采集、传输、存储均为模拟形式，质量最高b 经过几十年的发展，技术成熟， 系统功能强大、完善。 传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性： 只适用于较小的地理范围 有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感，模拟视频信号的传输工具主要是同轴电 缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这就决定 了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。 无法形成有效的报警联动 有线模拟视频监控无法联网，与信息系统也无法交换数据，在模拟监控系统中，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，监 控仅限于监控中心，只能以点对点的方式监视现场，应用的灵活性较差并且使得布线工 程量极大。 系统的扩展能力差 有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时十 分烦琐而且也不易扩展。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而 动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 2 基于微机平台的数字视频监控( d v r ) j ! 互! ：些壁堡主堂垡笙塞 d v r 是近几年迅速发展的第二代监控系统，采用微机和w i n d o w s 平台，在计算机 中安装视频压缩卡和相应的d v r 软件，在监控现场，有若干个摄像机，各种检测、报 警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到监控终端机上，该终端可以是一台 p c 机，也可以是专用的工业枧箱。不同型号视频卡可连接1 2 4 路视频，支持实时视 频，是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案，适合传统监控系统的改造，不 适合新建的监控系统、又要求实现远程视频传输( 超过1 2 公里) 的系统。f 1 】 数字化视频监控克服了模拟闭路电视监控的局限性，具体说来，其优点为：( 1 ) 数字化视频可以在计算机网络( 局域网或广域网) 卜传输图像数据，基本上不受距离限 制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性；( 2 ) 数字视频可利用计算机 网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；( 3 ) 数字化存储成为可能，经过压缩的 视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，奇询卜分简便快捷。 基于p c 的数字视频监控系统终端功能较强，便于现场操作，系统主要特点为：a 视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式，质量较高b 系统功能较为强大、完善 c 与信息系统可以交换数据d 应用的灵活性较好。 d v r 系统从监控点到监控中心为模拟方式传输，与第一代系统相似存在许多缺 陷。首先，其稳定性不好，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复 杂，要实现远距离视频传输需铺设( 租用) 光缆、在光缆两端安装视频光端机设备，系 统建设成本高，不易维护、且维护费用较大。其次，可靠性不高，p c 机也需专人管 理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。【1 】1 3 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 随着i n t e r n e l 和宽带网络技术的日益发展，传统的以文字和图片为主的内容服务已 不能满足用户的需求，具有视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流，这是互联网技 术发展的必然趋势。近两年来一种崭新的全数字化网络视频监控系统正在得到广泛应 用。嵌入式d v r 系统正是这个时候异军突起，由于其可靠性高、使用安装方便在银行 系统应用特别广泛。 綦于嵌入式技术的监控系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是把摄像机输出的模 拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成i p 数字信号。简单的说，就是将传统的 模拟视频信号转换为数字信号，通过计算机网络来传输，通过智自吕化的计算机软件来处 理。系统将传统的视频及控制信号数字化，以i p 包的形式在网络上传输，实现了视频 的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化a 北方工业大学硕士学位论文 由于嵌入式设备的监控系统系统的硬件是个同处理器和操作系统捆绑较为紧密、 功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬 件的影响，嵌入式视频编码器具各视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直 接支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。除了编码器外， 还有嵌入式解码器、控制器、录像服务器等独屯的硬件模块，它们可单独安装，不同厂 家设备可实现互连。因此，嵌入式的监控系统性能上更稳定，且便于安装、维护，易丁- 实现系统的模块化设计，便于管理、维护。 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，并可以与报警系统、门禁系统完美的整合到一个使 用平台上。与前两代的系统相比，第三代监控系统基于t c p f i p 网络协议，以分布式的 概念出现，将监控模式拓展为分散与集中的相辅相成，无限度的拓展了监控的范围。在 硬件设备局面，第三代系统运用了更为先进的d a 、a d 转换设备视频服务器、或内置 处理器的网络摄像机，把图像处理( 采集、压缩、协议转换、传输) 设置在监控点，利 用无所不在的互联网和局域网，达到全国范围内的即插即用，实现了从图像采集、传 输、录像、最终输出的全过程数字化，内置的处理程序也使得系统更加稳定。【2 总的来说，第三代的数字监控系统具备了以下几个突出的优点： f 1 1 数据存储：采用m o t i o nj p e g 、h 2 6 3 、m p e g 等多媒体数字压缩技术，将视频 图像完全数字化，存储在计算机的硬盘、光盘等数字化存储媒介上，可连续存储一个月 或是更长的时间，从而避免了经常更换磁带的麻烦。数字化资料存储可阻做到保存时间 长、数据更稳定且不易损坏； 佗1 数据查询：在传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花大量的时间观看录 像带才能找到现场纪录；而在数字视频监控系统中，利用计算机家里的索引，可帮助用 户在短短的几分钟内就能找到相应的现场纪录，节省了时间和精力，大大的提高了工作 效率； f 3 1 录像质量和图像质量：数字图像的画面是以逐行扫描的方式进行显示的，采用 数字化录像，可以使录像画面的质量提高，做到画面信息度高、画面清晰和不失真。利 用计算机还可以对不清晰的图像进行去噪、锐化等画面处理，通过调整图像大小，借助 电脑显示器的高分辨率，可以观看到清晰的高质量图像。 f 4 ) 网络传输功能：数字监控系统中的数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信 号衰减的影响，而且能够加密传输。 i 堕三些奎兰堡主兰垡堡壅 ( 5 ) 多系统整合：利用汁算机进行数字化数据的运算，可以交互视频数据、门禁数 据和报警数据，使视频监控系统、门禁系统和报警系统整合起来，几乎可以解决所有用 户的需求： ( 6 ) 扩充简易：数字视频监控的前端设备主要采用网络摄像机和视频服务器，他们 扩充非常方便，只需要一个电源和一个网络接口就能接入系统扩展监控范围： f 7 ) 系统易于管理和维护：数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度高，视 频传输可以利用有线或无线通道。这样，整个系统是模块化结构设计，便于安装、使用 和维护。 1 1 3 视频监控系统的现状 目前，视频监控系统正处在数控模拟系统已发展非常成熟、性能稳定的阶段，在实 际工程中得到广泛应用，数字系统迅速崛起，但尚不完全成熟的数字和模拟混合应用并 将逐渐向数字系统过渡的阶段。在国内外市场上，主要推出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、性能稳定，在实际工程应用中得 到广泛应用，特别是在大、巾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，但仍需进一步完善和发展。 a ) 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多 媒体管理和基于p c 机实现对矩阵主机的切换控皋4 及对系统的多媒体管理两种类型。 数控模拟视频监控系统的优缺点： 随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功 能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方 便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系 统中信息流的形念没有变，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，介质专用的特点，因此系统尽管已发展至q 很高的水 平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化的是必由之 路。f 2 】 b 1 数字视频监控系统 9 0 年代末，随着多媒体技术、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监控系统类型，一种是以数字录像设 北万r 业大学硕士学位论文 备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频w 曲服务器为核心的视频监控系 统。 数字监控录像系统通常分为两类：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。 目前很多监控系统采用w i n d o w s 操作系统，因为w i n d o w s 提供大量的图形界面， 有各种外部设备及应用程序，所以系统的开发就容易很多。但w i n d o w s 系统庞大复 杂，占用c p u 资源大，外围硬件较为复杂，稳定胜、可靠性不如r t o s 系统。为监控 专门设计的嵌入式实时操作系统的特点在于系统简单，去掉了与监控无关的功能，减少 了出问题的几率。由于开发者掌握源代码，可随时解决硬件冲突及优化系统。【3 】 随着i n t e m e t 和宽带网络技术的日益发展，传统的以文字和图片为主的内容服务已 小能满足用户的需求，具有视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流，这是互联网技 术发展的必然趋势。近两年来一种崭新的全数字化刚络视频监控系统正在得到广泛应 用。 1 1 4 视频监控系统的趋势 前端一体化、视频数字化、监控网络化、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，网络化又是系统集成化的基础，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 1 数字化 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是 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 拟状念转为数字状态，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连接，并在统的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集 成化的含义。 数字化具有以下优越性： a ) 数字图像便于计算机处理。计算机能够对数字化的图像进行变换增强、恢复重 建、特征提取剪切放大、缩小和打e p 等等处理，大大提离了系统的实用性和可 靠性。 6 ! 堕：e 、业奎塑主鲎垡堡苎 b ) 增强系统控制能力。利用计算机软件可实现视频矩阵切换，摄像机报警联动控 制和多画面分割等功能，提高了可管理性、可控制性和可扩充性，降低投资 成，本方便使用。 c ) 系统操作和维护简单方便，使用计算机硬盘记录并被压缩过的视频图像能够按 时间、地点等方式任意检索，不用倒带，不用每天更换磁带、归档、登记、定 期清洁等繁琐工作，并可将感兴趣的部分任意提取出柬，组合成段重点录 像。 d ) 数字化系统图像清晰、抗干扰能力强。视频信号数字化后保存在计算机硬盘或 其他设备中，图像清晰、抗干扰，且图像质量不随回放次数而衰退。 e ) 计算机管理控制，界面友好。图像可直接显示在计算机上，采用标准的 w i n d o w s 图形界面，交五：容易，操作简单。 f )数字化系统解决了视频图像远程传输问题。 2 1 网络化 随着科学技术的进步，管理部门对c i j 路电视监控系统的要求也越来越高。传统的视 频监控系统由于其诸多的局限性己在许多场台无法满足管理部门的要求。特别是近年 来，计算机网络技术的不断发展和应用，许多部门单位已建立了内部企_ k ( i n t m n e t ) ， 也就是说在单位内部建立了完整的信息高速公路，把各部门的计算机连接起来；把各种 不同类型基于网络的设备连接起来。因此，在考虑建设视频监控系统时，必然希望这些 系统能纳入已建立或准备建立的计算机网络系统，以便管理、增强系统的先进性和可操 作性以及节约建设费用。 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡，集散式 系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系 统以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件和软件采用标准 化、模块化和系列化的设计，系统设备的配鼹具有通用性强、开放性好、系统组态灵 活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化， 系统运行互为热备份，容错可靠等功能。 系统的阿络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网 络化将使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。 7 ! 堕! 些查堂堡主：兰焦丝塞 总之，当前视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化。随着视频压缩技术和网络技 术的发展，开发新一代基于计算机网络和多媒体m p e g 。4 压缩算法的视频监控系统已成 为整个行业技术发展的主要方向之一。 1 ，2 课题的内容及研究意义 1 ，2 1 研究意义 近年来，随着网络在我国的普及和深化发展，企业的信息化建设不断深入，各行各 、l p 都加快了信息网络平台的建设，犬多数单位已经或者正在铺设企业内部的计算机局域 网；同时，网络也成为先进的新兴应用提供了一个良好的平台。此时现有的公司内部的 传统模拟监控系统越来越不能满足要求了。越来越多的公司需要将监控图像放i n t e m e t 卜。而网络视频监控系统正是此时孕育而生的种新网络多媒体典型应用。电信运营商 的不断增多，提供的接入网络带宽不断增加，费用不断下降，宽带网络的同益普及，使 基于互联网上的监控成为可能。a d s l 、c a b l em o d e m 和以太网接入等宽带接入方式已 经深入千家万户，费用低廉，带宽较高，已基本能满足视频传输的要求。 视频监控直是人们关注的热点之一，过去多数以模拟图像监控为主，由于对图像 的处理和传送均采用模拟技术，不仅图像质量低，而且系统资源浪费严重，不易组成复 杂的刚络结构，监控功能可扩展性差。随着数字技术的迅猛发展，网络技术的不断发展 和进步，图像信息的数字编码处理模式的不断增加，使新一代数字视频监控系统日益显 示出其独特的魅力。近年来国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会( 1 e c ) 为数字 图像的处理和传输建立了一套国际统一的相关标准，如m p e g - 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 数字视频编码标准，为数字图像监控建立了国际统一的技术规范，更加促进了数字视频 监控的产业化发展，使得数字视频监控可以借助于先进的网络资源，实现从局域网到广 域网甚至到全球通信，无论在世界的任何地方均可方便地实现各种监控操作。 1 2 2 课题内容 本系统采用流行的分布式c s 架构对系统进行设计，在基于微机平台的数字监控系 统( d v r ) 的基础上添加网络监控功能，所有被采集的图像集中到中心的图像监控服务 器统一存储和管理，系统采用m p e g4 对视频信号进行编解码，通过t c p i p 技术、 r t p r t c p 实时传送视频监控流，使用者通过一个或多个图像监控客户端进行全面监 控。 一 一 ! ! 互= ! 些叁兰堡主堂焦堡塞 在本软件设计中，采用典型的c i s 结构，由客户端与服务器端两部分构成。客户 服务器模式的最显著特点是非对等作用，即客户相对于服务器处于不平等的地位，服务 端提供服务，客户端提供请求。这很好地适应了当前网络中大量存在的资源分布和运算 能力不均的现状。 视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备 份、报警、控制、远程连接等的多处理能力；本谋题主要就是丌发这样一个软件环境使 客户端完成现场图像接收，用户登录管理，优先权的分配，控制信号的协调，图像的实 时监控，录像的存储、检索、回放、备份、恢复等。本文具体工作如下： ”实现服务器端与客户端的数据通讯功能； 2 ) 将通讯模块获得的m p e g - - 4 码流进行解码； 3 1 把解码器的输出结果显示到屏幕中某个窗1 7 ； 4 ) 实现对所有的监控点迸行远程硬盘录像存储且对某一时例、地点的录像资料可 进行检索和回放： 5 、设置用户权限功能； 1 3 小结 本章首先概要地叙述了视频监控系统的发展历程、现状和适用场合以及发展趋势， 接着对本课题所要研究的意义傲了简单说明，并对课题的内容以及整个系统作了介绍， 对自己所要完成的工作也做了说明。 9 北方工业火学硕士学能论文 第二章基于m p e g 一4 和r t p 的网络视频监控方案 2 1 传统视频监控系统 视频监控系统的一股过程是：在一些重要的场所安放一个或若于个摄像机拍摄监控 现场，然后将视频信号通过一定的传输网络( 线缆、无线、光纤或以太网) ，传到指定的 监控中心，再通过存储设备，将媒体存储到存储介质上，同时还可以根据不同需要和途 径在脱场安装其它的探测装霞作为监控系统的辅助设备。 - 一般传统的视频监控系统采用下面两种方式： 1 ) 模拟视频监控 摄像机、模拟编解码器、视频矩阵系统、监视器、控制键盘以及录像机等组成。 在构建这样的一1 套系统的时候，需要铺设专门的视频线、电源线以及控制线。因此，其 缺点也很明显：传输距离近，一般只在一两公里；只能在本地控制中心监视，不能让重 要人员在自己的办公室就能监视：若采用光纤，可以远传，但造价太高。 2 ) 多媒体视频监控 由摄像机、工控机、视频编解码卡等组成。在构建这样的一套系统的时候，也需要 铺设号门的视频线、电源线以及控制线、只是用计算机取代了模拟监控系统的视频矩 阵、：l 在 观器、控制键盘以及录像机。虽然这样的一套系统功能强，灵活性高，但缺点也 很明显：同样需要铺设专门的线路，传输距离近；若远传图像，造价太高；软件的开放 性不好，只能在有专门视频编解码卡的计算机上面监视。 4 5 】5 2 2 基于u p e 6 4 和r t p 的网络视频监控系统 2 2 1 系统的概述 信息化时代的到来意味着我们可以对网络提出更高的要求，随着网络速度从原来的 十兆，几年前的百兆到今天的千兆，我们不仅可以通过网络传送文件，也可以通过网络 传送数据量较大的各种视频信号。今天，人们能够很容易地实现视频信号的传送和处 理，得益于数字压缩技术的f 1 益成熟。没有经过压缩的数字图像信号有二百多兆的带 宽，模拟信号数字化以后，再经过压缩( 各厂家采用不同的压缩技术) 可以将其带宽压缩 到几卜几百k b p s 的范围内。虽然它们不能提供像电视那样的高帧率图像，但在人们 o 北方工业人学硕士学位论文 町以接受的情况下，占用较小的传输带宽，提供实时的高图像质量，足以满足一般监控 场合的要求。 近两年来一种崭新的全数字化网络视频监控系统正在得到广泛应用，此系统只需要 摄像机、口视频服务器就可以把监控图像传至您机构内部的计算机网络上，在网络上任 意一台计算机上面都可以通过授权观看。管理人员只需要移动鼠标或者敲击键盘就可以 控制摄像机的动作。 m p e g - 4 标准以其高压缩率、高质量、低传输率成为目f i 阿络多媒体传输的主要格 式和标准，因此研究基于m p e g 4 的实时传输技术对于实现流媒体传输技术是必要和有 意义的。另外视频文件的实时传输要求较低的时延和较小的丢包率，由于t c p 的重发 机制带来较大的时延，u d p 本身又不提供任何q o s 保证，因此需要通过实时传输协议 ( r t p l 和实时传输控制协议( r 丁c p ) 配合使用提供数据实时传输和q o s 服务来满足网络音 视频数据实时传输的时延和丢包要求。【6 7 综上所述，开发基于w r p 及m p e g 一4 的网络视频监控系统已成为满足同新月异的 互联网多媒体技术发展非常重要的一种手段。 2 2 2 系统的组成 本系统基于客户机服务器模型，由视频采集端、监控服务器端、客户端等几个部 分组成，可实现视频存储、视频回放、摄像头遥控、报警检测、远程检索播放等功能， 其结构如图2 - 1 所示。 i 堡墼卜_ 僦 数 频 流 采 匝翌) 一 辇 集视 频 匪翌。一 阵 i 制信息雾 n 丽耍 h 器 n 再爵囊i i 订 传感器信息 图2 - 1 网络视频监控系统的结构图 系统通过摄像头将模拟的视频信号传送至采集卡。采集卡中的采集模块根据一定的 采样频率采集视频信号，同时将采集到的数据转换为数字信号。然后，监控服务器对视 频采集端提供的数据进行处理，如数据压缩、数据传输、图像报警检测、视频存储等。 北方t 业大学硕士学位论文 视频流压缩后可以通过电话线、i s d n 、a d s l 、局域网，甚至无线等各种方式连入 i n t e m e t ，并送至服务器。为提高服务器的工作效率，可以在服务器端的软件中使用了多 个线程技术，如使每个线程对应一个采集卡，这样能极大地提高服务器的工作效率。在 将视频信息送至服务器后，客户端只要访问服务器就可获耿摄像头采集到的视频信息。 客户端可以位于任何地方，只要连入了i n t e m e t 和安装了客户- 端软件，并具有相应的访 问权限即可。系统中的客户端可以随时加入或退出网络，整个系统的规模可以动态改 变，具有很强的适应陡。【8 】 2 2 3 系统软件的设计 整个软件由服务器端和客户端两部分组成，服务器端和客户端通过s o c k e t 套接字 在整个【p 网络上进行通信，系统主要模块和整个软件流程如图2 - 2 所示。系统服务器 端除了图2 2 中所示的模块外，还包括报警检测、视频存储、检索播放、串口通信等模 块，负责视频数据的采集、编码、传输、保存、报警以及刈云台的控制等，客户端则负 责视频数据接收、显示及远程控制等。服务器端对于视频数据的压缩采用m p e g - 4 技 术，对于客户端的请求采用单播的方式进行发送，同时服务器端对m p e g 一4 编码的各 项参数进行配最，优化传输，防止网络拥塞。系统在实现时，备模块分别封装成相互独 立的类，便于以后系统的升级和维护。 _ 。蒜磊jr 一；一j r t p r t c p t c p i p 图2 - 2 监控软件流程图 由图2 2 可以看出，系统中存在两个方向的数据流：一是由服务器端到客户端的视 频流：二是由客户端到服务器端的控制流。视频流数据由基于u d p 的不可靠传输协议 ! ! 互、蔓些叁堂堡主堂堡堡塞 一 r t p 来实现，拄芾i 流由可靠的传输协议t c p p 来实现。服务器端主要由视频采集、视 频压缩、网络发送、命令接收、本地视频回放及云台镜头控制6 个模块组成，模块之间 采用共享内存进行通信；客户端则由网络接收、视频解压、视频显示及控制命令发送4 个模块组成，模块之间同样采用共享内存进行通信。整个处理过程中不生成任何文件， 这种不经过文件的处理过程称为流式数据处理囡此有较高的实时陛。 2 ，2 4 系统的功能 本系统所要完成的功能如下： 1 1 智能化联动功能 各摄像机的录像时间表设定后，u f 自动丌关录像，而且通过图像的动作感知、馋感 器动念进行录像、报警，可任意设定检验动作区域，一旦有物体进入设定镜头的感知区 域，或在某个监控区发生人员入侵，烟雾火灾，室温过高等警情时触动声、光报警和消 防系统，自动将该监控区的现场即时图像及相关信息传输到监控中心，自动汇求下报警 现场图像及信患，并对存储文件进彳j = 特殊标汪，并可以回放录像。 2 ) 远程实时监控 本系统可以通过局域网( i o m 一1 0 0 m ) 的传输，在网络中的每一台计算机，只要安 装了客户端的软件或通过i e 浏览器，赋予不同级别的用户不同的权限，就可以在远程 计算机上实时监控、控制、纪录和回放监控端的图像。 3 ) 指挥和调度功能 可以实现基于浏览器方式的多用户远程监听和对讲功能与服务器端进行双向交流， 客户端图像延时小于3 0 0 m s ，图像和声音同步。同时可以调节图像压缩比率( 4 0 0 - 7 0 0 ：1 ) ，可以根据具体的网络情况，调节压缩比，从而调节网络流量，实现远程指挥 与调度。 4 ) 已录存储功能 系统将摄像机记录的画面