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多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 中文摘要 中文摘要 随着下一代网络技术的逐步推进，w e b 服务技术的深化，网络摄像机的智能 化发展，网络技术、多媒体技术、异构平台的软件支撑技术日益成熟。语音、视 频、数据等多种业务能够融合在一个综合性的、全开放的网络平台上。实时动态 网络视频的应用系统是通讯技术、智能控制技术和计算机技术的有机结合，将被 广泛应用于安全防范、远程监控、远程教学、病房监护、社区服务等各计算机应 用领域。 本文在网络视频技术和i t e r n e t 技术的基础上，提出多用户远程访问、控制实 时动态视频图像应用系统的设计方法，构建多用户实时动态网络视频控制系统的 实现方案。在系统的分析、设计中，运用面向对象软件工程方法( o o s e 方法) ， 使用统一建模语言( u m l ) ，对系统进行了面向对象的分析和设计；运用基于形式 的、数学的规约技术，采用形式化语言z 规约对构造系统的关键模块进行了探 讨；从数据封装、抽象数据类型、信息隐藏等技术角度，对系统核心算法进行了 解析。在系统核心算法的处理中，应用运筹学中排队论的思想，解决多用户对硬 件资源的竞争问题；分析系统算法的性能，提出实施系统优化设计的策略，并给出 一个有效的处理最典型的面部检测的新算法。 关键词：网络视频，0 0 s e ，排队模型，z 规约，数据封装 作者：宁以风 指导教师：孙涌 a b s t r a c r e s c a r c h 卸dd e s 咖o nr c a l - t i m e 锄dd ) r i l 扪i cn 唧咄v i 璺! 全丛堂堕望塑哩l l 蛐g 璺! 壁竺坚唑! r e s e a r c ha n dd e s i g no nr e a l t i m ea n dd y n a m i c n e 铆o r k d e om u l t i u s e rc o n t r o l l i n gs y s t e mm o d e l a b s t r a c t w i 吐lt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c t u l o l o g yo fn g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t v 旧r k ) ，w e b s e i c e ，i n t e l l i g e n tn e 撕o r kc a m e r a ，m et e c l u l o l o g yo fs u p p o r tf o rn c t 、o r k ，m u l t i m e d i a a n dh e t e r o g e n e o u ss y s t e mh a sb e e ni n o r ea n dm o r ep r a 砸c a b i e s om a n yb u s m e s s e s ， s u c ha sv o i c e ，v i d e o ，d a t e s ，a n ds oo n ，c a nb ei i l t e g 阳t e d 、析t 1 1as ”m l c s i z e d ，如i l o p e r l e d n e t w o r kp l a t f o n n t h es y s t e mo fr e a l t i m e 锄dd ”a i l l i cn e t 、o r kv i d e o ，w h i c h i n t e 伊a t e sc o m m u n i c a t i o nt ec _ h n o l o 既i n t e l l i g e n t c o n t r o lt e c l l l l o l o g y ，m nb eu s e d w i d e l yi na l l f i e l do fc o m p u t e r 叩p l i ca ：t i o n ，g u c h 弱s a f e 够p r e c 删o n s ，l o n g - 啪g e s u r v e i l l a i l c ea n dc o n t r o l ，t e l e c l a s s ，s i c k r o o me l e c 缸。o i l i cs u 【r v e i l l a n c e ，c o m m l l i l i t ) rs e n ，i c e ， 觚ds oo n t h ep a p e r ，b a s e do n 恤em e s i so fi n t e m e ta i i dn e t 、o r k 、r i d e o ，d e s i 掣l sas c h e m ef o r m u l t i - u s e r sa c c e s sr e a l t i m ea n dd y r 啪i cv i d e os y s t c m ，a n dp u t sf o r w a r dab l u e p m f o ri t t h ep 印e ra p p i i e s0 0 s e ，u m lt e c l l i l 0 1 0 9 yt 0d e s i 印a n d 妇p l e m e n t a t i o no ft 1 1 e s y s t e m nd i s c u s s e s h o wt 0u s e 廿1 ef o m l a 】m a t h e m a t i cs p e c i 矗c a t i o l l st 0 d e s i 印 k e y - b l o c ko fs y s t e m i tr e s e a r c h e so ni 瑚【p l e r n e n t a t i o n0 fs y s t e mc o m b i n e d 嘶血d a 妇 e n c a p s u l a t i o n ，a b s 缸i a c td a t at y p e ，硫珊a t i o nl l i d i n g hi i n p l e m e l l 切n o no fn l ec o r e a l g o r i m mo r g a n i z a t i o n ，t l l ep 印e r 印p l i e st 1 1 et 1 1 e s i so fq u e u ei 1 1o p e r a t i o l l a lr e s e a r c ht 0 s o l v et h ec o i n p e t i t i o no fh a r d w a r ew h e nl n u l t i u s e r sa c c e s s a l s o ，啦e ra 1 1 a l y z i i l gt 1 1 e p e 哟肌a 1 1 c eo fs y s t e m ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r das t r a t e g yf o rt h eo p t 越z a t i o no fs y s t e m b e s i d e s ，o n en o v e le 硒c i e n tf a c ed e t e c t i o n 锄d 仃a c k i i l ga 1 9 0 r i m ma r ep r e s e n t e d ，、：b j c h a d a p t sf o rm em o s tt ) ，p i c a lp e r s o n a ls e c r e tc o n 仃o l l i n g k e yw o r d s ：n e t w o r kv i d e o ，o o s e ，q u e u i n gm o d e l ，s p e c i f i c a t i o nl a n g u a g ez ， d a t ae n c a p s u l a t i o n w r i 讹n b y n i n g f e n g s u p e r v i s e d b ys u i ly o n g l i 图表目录 图1 1 包含几个重要部件的w 曲服务3 图1 2w r e b 服务体系结构4 图1 3w 曲技术层次5 图2 10 0 s e 方法开发过程9 图2 2 多用户实时动态网络视频控制系统图1 0 图2 - 3 系统用例图1 2 图2 4 “登录”活动图 1 3 图2 5 “添加用户”活动图 1 4 图2 6 “删除用户”活动图 1 5 图2 7 “修改用户 活动图 1 5 图2 8 “获得i p 网络摄像机控制权 活动图1 6 图2 9 “使用i p 网络摄像机控制权”活动图1 7 图2 1 0 系统类图2 3 图2 1 1 数据逻辑模型2 4 图2 1 2u s e r 对象的状态图2 5 图2 1 3c o n t r o l - p l a y 对象的状态图2 5 图2 1 4q u e u e 对象的状态图2 6 图2 1 5 “登录”时序图2 6 图2 1 6 “添加用户 时序图2 7 图2 1 7 “删除用户 时序图2 8 图2 1 8 “修改用户 时序图2 8 图2 1 9 “获得i p 网络摄像机控制权”时序图2 9 图2 2 0 “使用i p 网络摄像机”时序图2 9 图2 2 l 系统配置图3 0 图3 1 排队系统3 2 图3 2 多队单服务台排队系统3 3 图3 3 三队单服务台排队控制路径系统3 6 图3 4 三队单服务台排队控制调度系统3 6 图3 5 三队单服务台排队控制路径控制3 7 图4 1 用户队列模型3 9 图4 2 数据封装的用户队列设计4 2 图4 3u s e r o u e u e 的表示4 3 图5 1 排队过程的模型4 8 图5 2 蓝色的点是选择的特征点5 0 图5 3p c a 、i c a 的区别5 2 图5 4 一个迭代过程的事例5 3 表5 1 系统排队过程模拟测试结果数据表4 9 表5 2p c a 、i c a 误差分析结果比较数据表5 4 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学砬论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论丈 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：刍坚垄生日期：三：兰2 ：尘 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：刍竺蔓生日期：兰：卑：! ! 导师签名： 批日 期：2 乙二上，_ 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，集微电子技术、光通信技术、软件技术为一体的信息技术取得了革 命性进步，网络技术和多媒体技术的日益成熟，使得集图像、语音为一体的网络 视频成为计算机应用领域的主要亮点之一，如许多聊天软件已具有语音视频聊天 功能，视频监控系统能够实现远程监控，远程教育中可以进行在线课堂学习等等。 1 1 网络视频的发展 在视频监控领域，早期使用模拟闭路电视监控技术。一般采用模拟录像机， 通过视频线传输图像，采用传统的录像机进行捕获，并记录到盒式磁带上，这种 方式得到的图像清晰，易于使用，价位不高，被广泛应用。但数字化的兴起使得 模拟技术显出很多局限性，如视频信号传输受地域大小的限制，图像显示终端一 旦确定就难以搬迁，信号录制损耗大，保存时间短等。 u 近几年，计算机技术、网络技术和多媒体技术的高速发展，网络视频监控系 统逐渐得到了人们的广泛关注。网络视频系统的兴起为解决传统视频监控系统中 图像信息不能提供远程接入，难以和其它系统集成，系统维护成本高等问题提供 了一个高效解决方案。网络视频系统除了具备传统闭路电视监控系统功能外，通 过对图像的数字化传输、保存和显示将计算机技术、网络技术与多媒体技术有机 的集合在一起，充分发挥了现代通信技术先进、灵活和可扩充的优势。通过m 船n e t 可以进行远程存储和监控视频。 目前，随着下一代网络技术( n e x tg e n e r a t i o nn e “v o r k ，n g n ) 的逐步推进， 电信网、计算机网和有线电视网合并在一起，语音、视频、数据等多种业务能够 融合在一个综合性的、全开放的网络平台上。智能化的网络摄像机、通过w 曲应 用程序，将视频信息的捕获置于w e b 浏览器上，实时的动态图像可以在世界上任 何地方随时捕捉到。随着w e b 服务( w r e bs e r y i c e 技术的进一步深化，网络视频 集成于其他数据处理平台，将构成多媒体综合业务平台。 1 2 网络视频的硬件技术 1 2 1 网络摄像机 网络摄像机是直接与网络相连的数字摄像装置，它内置了专门的网络视频服 第l 章绪论 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 务器( 也可以当作客户端来发送信息) ，无需计算机的协助，独立进行工作。局域 网上的用户和互联网上的用户采用标准的网络浏览器，就可以根据i p 地址对网络 摄像机进行访问，观看通过网络传输的实时图象，还可以通过对云台的控制，对 目标进行全方位的监控。随着网络在社会生活的各个角落的拓展，网络摄像机将 逐渐成为安全防范、远程监控、远程教学、病房监护、社区服务等各方面广为采 用的工具。只要有网络、电话或专线，用户都可以马上看到监控的内容，无论身 处何地。 网络摄像机实现远程视频监控的主要原理是：网络摄像机内置一个嵌入式 w e b 视频服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机传送来的视频信号数 字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的、扼b 视频服务器。登陆 网络的用户可以直接用浏览器观看w e b 视频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，同时还具有报警输入输 出功能。 1 2 2 网络视频服务器架构 网络视频服务器是一种对音视频数据进行编码处理并完成网络传输的专用设 备，由音视频压缩编码器、输入输出通道、网络接口、音视频接口、r s 4 2 2 串行 接口、协议接口、软件接口等构成，也提供视频处理功能，主要完成图象数据的 采集、图像数据压缩、i n t e m e t 传输数据以及音频数据的处理，支持m p e g 4 、h 2 6 4 的音频和视频编码。音视频接口采用d y n a m i cs t r e 锄c o n 仃o l 技术保证双向音频实 时传输，视频帧率根据带宽自动调节，并且网络中断后自动连接。 在m p e g ( 运动图像专家组) 系列压缩方式中，m p e g 4 技术属于是码流与画 质比中较好的一种，所以很多公司都推出了该编码的产品。采用的帧间压缩方式， 利用帧之间的冗余信息大大减少压缩数据量，达到同样的视频质量m p e g 4 所需 的码率只有m j p e g 的1 3 0 甚至更少。大家一般意义上认为m p e g - 4i b p 的压缩 方式已经满足了网络传输的要求，所以也使得网络视频服务器在普通网络环境中 应用成为可能。 联合视频工作组( t ，j o i mv i d e ot e 锄) 在h 2 6 l 的基础上提出了h 2 6 4 编 码技术，它通过增加运算的复杂性降低了码流的同时提高画质。h 2 6 4 的出现为低 码流网络传输的实现提供了解决方式，也使得现有带宽的情况下多路数网络视频 服务器的应用成为可能。 2 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 第l 章绪论 网络视频服务器由于具有独立完成网络传输功能，不需要另外设置计算机， 故其能实现简单的i p 方式组网，是传统的模拟监控所无法实现的。每部网络视频 服务器具有网段内唯一i p 地址，通过网络连接方便对该设备( i p 地址) 进行控制 管理，也即通过i p 地址识别、管理、控制该网络视频服务器所连接的视频源，故 其组网只是简单的i p 网络连接，新增一个设备只需要增加一个i p 地址。网络视 频服务器的组网方式有诸多优点，结合中央控制管理软件及服务器模式可以实现 更多的网络应用。 1 3w - e b 服务技术 1 3 1w 曲服务体系结构和运行模式 w 曲服务( w 曲s e n ，i c e ) 是组件模型对i n t e m e t 的扩展。从本质讲，w 曲服务 是可通过i n t e m e t 访问的应用逻辑单元。用户可以从i m e n l e t 上获得的预置的应用 程序逻辑单元来装配应用程序。w 曲服务实际上是一个消息处理框架。其最重要 的优点之一就是允许在不同平台上使用不同编程语言以一种基于标准的技术开发 程序，来与其它应用程序通讯。对w 曲服务的唯一要求是能够使用标准i n t e m e t 协议的组合发送和接收消息。w - e b 服务最常见的形式是调用运行在服务器上的过 程，发送和传递的消息包含着如下含义“采用某某参数调用某某子程序”和“返 回子程序调用。”如图1 1 所示。 w e b 应用程序服务器 i 应用程序代码i = = 蓑耋k = 二 月臣务 监听 者 j 图1 1包含几个重要部件的w e b 服务 上图显示了一个w 曲服务的组成部分。应用程序包含所有的商业逻辑和完成 各项任务的代码。服务监听者( s e r v i c e “s t e n e r ) 使用传输协议( h ，r t p 、s o a p 、 j a b b e r ) 并且接收到来的请求。服务代理( s e e rp r o x y ) 将这些请求解码成对应用 程序代码的调用。服务代理有可能为服务监听者准备一个回答，也可省略。服务 代理和服务监听者组件既可以是独立的应用，也可以运行在其他类型的应用服务 器环境中。如果服务返回一个响应，那么监听者负责把来自业务面的响应封装到 一条消息中，然后把它发回客户端。监听者还处理对w ，e b 服务协约和其他w 曲服 务文档的请求。开发者可以添加一个w 曲服务监听者到表现层中，并且提供到现 第l 章绪论多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 有业务面的访问权限，这样就能够很容易地把一个斯n d o w sd n a 应用程序移植到 w 曲服务中。 w 曲服务的运行不要求一定是服务器环境。w r e b 服务可以部署在任何标准 i n t e m e t 技术被使用的地方，拥有或使用w 曲服务的可以是应用服务商巨大的服务 器机群，也可以是小小的p d a 的任何环境。尽管w 曲服务应用常常采用传统的客 户一服务器模式( 服务器存储和处理数据) 或多层次模式( 数据存储、商业逻辑和 用户界面分离) ，但w r e b 服务并不要求一定采用这种体系结构。w 曲服务可以以任 意的形式、在任何地方、为任何目的而服务。 w e b 服务是独立的、模块化的应用，能够通过i n t e m e t 来描述、发布、定位以 及调用。在w 曲服务的体系架构中包括三个角色：服务提供者( s e i c ep r o v i d e r ) 、 服务请求者( s e i c er e q u e s t o r ) 、服务注册器( s e r v i c er - e g i s 仃y ) 。服务提供者是 指提供服务访问的平台。服务请求者是指查找和调用服务的客户端应用程序。服 务注册器是指用来存储服务描述消息的信息库。角色间主要有三个操作：发布 ( p u b l i s h ) 、查找( f i n d ) 、绑定( b i n d ) 。如图1 2 所示。 w s d 图1 2w e b 服务体系结构 1 3 ，2w e b 服务核心技术 w 曲服务依靠x m l 、s o a p 、u d d i 、w s d l 等几个支持技术，建立在s o a p 、 u d d i 、w s d l 之上。x m l 可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k l 印l a n g u a g e ) 是元语 言中的一种，在w e b 服务架构的各模块间以及模块内部，消息以x m l 格式传递 其原因在于，以x m l 格式表示的消息易于阅读和理解，并且x m l 文档具有跨平台 性和松散耦合的结构特点。它使用服务描述语言w s d l ( w 曲s e r v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 来描述服务，使用通用描述、发现和集成u d d i ( u n j v e r s a ld e s 嘶p t i o n ， d i s c o v e i n t e g r a t i o n ) 来发布、查找服务，而简单对象访问协议s o a p ( s 洫p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c 0 1 ) 被用来执行服务调用。如图1 3 所示。 4 墨旦生壅堕垫查壁垒塑塑丝型墨竺堡型里壅兰堡生蔓! 兰丝丝 l d i 8 c o v e r y i iu d d i ，d i s c oi i d e 8 c r i p t i o n i lw s d l ，x m l ，s c h e m a ，d o c si it r n b p o r tl l 丛卫! ：兰坚堡：磐璺1 2 竺l 图1 3w e b 技术层次 1 3 3w e b 应用服务器的构成 w r e b 应用服务器是创建、部署、运行、集成、维护和管理应用服务( 如消息、 事务、安全、应用集成等) 的运行环境和平台，一般情况下，为满足w 曲计算所 需的特定需求，应用服务器要具有w 曲服务器的功能。利用w 曲应用服务器，用 户只须关心中间层应用服务的业务逻辑，而中间层应用服务的名字解析、路由选 择、负载平衡、事务控制、失效恢复、状态迁移、升级扩展等功能都由w 曲应用 服务器提供。 目前国内外的应用服务器，从遵循的标准和规范来看，主要有两大类：基于 j 2 e e ( j a v a2p l a t f o r me m 唧r i s ee d i t i o n ) 类和微软n e t 类。 1 j 2 e e 是s u i l 公司提出的开发、部署、运行和管理基于j a v a 的分布式应用 的标准平台，它为w - e b 应用的开发、部署、运行和管理提供一系列的规范和标准， 主要包括j a v as e r v l e t s 、j s p 、e j b 、j 1 a 、j t s 、j m s 、j a x p 、j m x 、i i - m i i i o p 、 卟d i 、j c a 、j a v am a i l 和j a f 等规范。j 2 e e 使用e j bs e r v e r 作为商业组件的部署 环境，在e j bs e n ，e r 中提供了分布式计算环境中组件需要的服务，例如组件生命 周期的管理、数据库连接的管理、分布式事务的支持、组件的命名服务、消息服 务等。j 2 e e 的规范和技术为应用服务器的实现提供了一套标准的服务实现参考和 完整的底层框架，为不同厂商的应用服务器产品的标准化提供了可行途径，不同 厂商的j 2 e e 应用服务器之上的应用组件能可以很好地互操作，从而降低移植的风 险性和代价。 2 微软公司将w i n d o w s 操作系统( n 1 佗0 0 0 ) 看作其应用服务器的基础，通 过附加一系列具备中间件功能的软件包来实现应用服务器的平台。微软n e t 构建 在w i n d o w sd n a 技术( 如m i c r o s o rt r a i l s a c t i o ns e r v e r 、c o m + 、m s m q 和s q l s e r v e r 数据库等) 基础上，在n e t 中提供了一系列企业级应用服务，为部署、管 理和建立基于x m l 和w r e b 的应用构筑了n e t 服务器结构，包括a p p l i c a t i o n c e n t e r 、b i 舭s e r v e r 、c o m m e r c es e r v e r 、c o n t e n tm 锄a g e m e n ts e r v e r 、e x d m g e 5 第1 章绪论多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 s e r v e r 等，它们结合、m n d o w s 平台上的一系列开发工具和技术( 包括s u a l s t u d i o n e t 、a sp - n e t 等) ，提供了强有力的应用服务器解决方案。 w 曲应用服务器覆盖了在w r e b 计算环境下计算机软件技术的诸多领域，如分 布式计算、分布式对象和组件技术、事务处理、数据管理、应用集成和网络安全 等技术。 1 4 下一代网络技术 n g n 是基于t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 的p s t n 语音网络和基于i p a t m ( a s y n c h r o n o u st r a l l s m i s s i o nm o d e ) 的分组网络融合的产物，它使得在新一代网 络上语音、视频、数据等综合业务成为了可能。 下一代网络是可以提供包括话音，数据和多媒体等各种业务的综合开放的网 络构架，有三大特征。 第一，下一代网络体系采用开放的网络构架体系。1 ) 将传统交换机的功能 模块分离成为独立的网络部件，各个部件可以按相应的功能划分各自独立发展；2 ) 部件间的协议接口基于相应的标准。部件化使得原有的电信网络逐步走向开放， 运营商可以根据业务的需要自由组合各部分的功能产品来组建网络。部件间协议 接口的标准化可以实现各种异构网的互通。 第二，下一代网络是业务驱动的网络。1 ) 业务与呼叫控制分离；2 ) 呼叫与 承载分离。分离的目标是使业务真正独立于网络，灵活有效的实现业务。用户可 以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承载业务的网络形式以及终端类型。 使得业务和应用的提供有较大的灵活性。 第三，下一代网络是基于统一协议的分组的网络。现有的信息网络，无论是 电信网、计算机网和有线电视网不可能以其中某一网络为基础平台来生长信息基 础设施，近几年随着i p 的发展，电信网络、计算机网络及有线电视网络将最终汇 集到统一的i p 网络。i p 协议使得各种以i p 为基础的业务都能在不同的网上实现 互通，为三大网都能接受的统一的通信协议，从技术上为n i i ( n a t i o n a li r 血r i n a t i o n i n 行a s t r u c t u r e 国家信息基础设施) 奠定了最坚实的基础，成为n i i 和g i i ( g l o b a l i n f o 姗a t i o ni n f r a s t m t l 鹏) 全球信息基础设施的核心。 1 5 本文主要内容 1 5 1 本文的研究内容 6 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 第1 章绪论 本文在目前数字视频技术日趋广泛应用的发展潮流下，探讨了多用户远程访 问实时动态视频图像系统的解决方法，构造了一个多用户实时动态网络视频控制 系统的实例，将i p 网络摄像机的访问和控制嵌于w 曲应用程序中，支持多用户在 异地通过浏览器访问和控制i p 网络摄像机来捕捉实时动态视频图像。在该系统方 案设计中，主要运用了具有优先服务权的排队算法、面向对象的分析与设计方法、 形式化语言z 规约语言描述的形式化方法和类的数据封装、抽象数据类型、信 息隐藏等技术，对系统的实现方案和系统的算法性能进行了全面分析、设计和研究。 本文从用户对实时动态视频捕获的局部细节做了详细的分析，在计算机技术 应用领域中，可以利用w 曲服务技术，将实时动态视频捕获系统置于众多的综合 业务平台上，如高速公路交通、智能楼宇、百货超市连锁店等许多远程实时跟踪 监控管理领域，使计算机技术应用的意义更为深远。 1 5 2 本文的主要工作 本文运用多种计算机技术对多用户实时动态网络视频控制系统进行分析、设 计、研究，主要工作如下： 1 运用w e b 服务技术，将网络视频直接置于浏览器，突破了局域网的限制。 使得多个系统用户可以从任何地方通过i n t e r n e t 对网络摄像机云台和镜头进行远程 操纵，并捕获到实时动态视频图像。 2 采用u m l ( 统一建模语言) ，应用了面向对象分析与设计的o o s e 方法， 通过用例驱动，对系统进行分析、建模，给出了多用户实时动态网络视频控制系 统模型。 3 将运筹学中排队理论应用于系统的分析、设计，建立系统的算法模型。 4 从形式化方法的角度，用z 规约语言对系统主要模块的构造进行了描述和 分析；从软件工程的思想出发，将数据封装、抽象数据类型、信息隐藏运用于系 统的模块设计，有利于系统的维护和系统模块的重用。 5 通过对系统算法性能的分析，提出了排队模型的优化策略，并给出了一个 利用统计模型提取面部特征的新算法，提高了应用系统的科学性。 1 5 - 3 本文的组织结构 本篇论文共分成六章。 第一章绪论。说明研究动机、研究目的、研究范围和本论文所做的工作。 第二章多用户实时动态网络视频控制系统分析。采用切l 建模语言，建立 7 第l 章绪论 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 了多用户实时动态网络视频控制系统模型。 第三章多用户实时动态网络视频控制系统的排队模型分析。运用排队理论， 构建科学的系统排队模型。 第四章多用户实时动态网络视频控制系统的排队算法解析。对系统排队模型 中队列管理模块和排队算法，采用z 规约语言来描述，运用数据封装和信息隐藏 技术来实现。 第五章多用户实时动态网络视频控制系统的算法性能分析。对排队算法性能 进行分析，提出了系统最优策略。对系统人物监控中面部检测算法进行分析，给 出了提取面部特征的的最优算法。 第六章总结与展望。对本论文做出总结，归纳研究心得，并对未来研究方向 给出简要建议，以备后续研究者参考。 8 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计第2 章系统分析 第2 章多用户实时动态网络视频控制系统分析 本文运用面向对象分析与设计方法中o o s e 法对多用户实时动态网络视频控 制系统进行分析设计，并采用u m l 对w 曲应用程序建模。 o o s e ( o b j e c t o r i e n t e ds o n w a r ee n g i n e e r i n g ) 是面向对象软件工程，是用例 驱动的方法( u s ec a s ed r i v e n a p p r o a c h ) 。它组合了面向对象编程术( o b j e c t o r i e n t e d p r o 伊a m 血n g ) 、概念建模法( c o r l i l c 印t u 出m o d e l i n g ) 、块设计法( b l o c kd e s i g r l ) 三种 已经被使用了很长时间的技术。 1 o o s e 吸收了面向对象编程技术的封装、继承、类和实例间关系等概念。 2 o o s e 采用概念建模法分析系统、建立各种不同模型，并应用面向对象概念 和动态行为建模来扩充模型，提供了一个定义良好、易于理解的系统体系结构。 3 o o s e 采用块设计使模块有自己的功能、良好的接口，可以彼此连接。提高 软件的可更改性和可维护性。 o o s e 方法的开发过程如图2 1 所示。 图2 10 0 s e 方法开发过程 下面对多用户实时动态网络视频控制系统的一个实例进行面向对象的分析与 设计，并用u m l 语言为系统建模。 2 1 系统需求 9 第2 章系统分析多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 i p 网络摄像机是集视频压缩技术、计算机技术、网格技术、嵌入式技术等众 多先进的i t 技术于一体的数字摄像设备。它适用于实时捕获动态图像，它集成云 台控制系统、摄像头、内建网络服务器，可自带独立i p 地址，无需安装特殊或专 用软件，视窗系统通过浏览器i e 或n e t s c a p e 直接浏览。管理者建立一个w e b 应用 程序，用密码控制使用者的权限，可具有三层密码防护，远端控制高速球或普通 云台、镜头。 眨蜀嵌 网络摄像机台云台 一 茅凰 臣篓固 近f 譬m 川j 一国留一目i 耋l 出涩 w e b 应用服务器 一 。，- ； j 一圄赛嫩。一i j 豢，渤一篇旧卡0 u 蘩麓。j j * 囊j 量i 4v 一 黑肿 手禽户一一鹰o 舭 图2 2 多用户实时动态网络视频控制系统图 多用户实时动态网络视频控制系统的硬件设备有：i p 网络摄像机( 主要部件 有摄像头、云台、内嵌网络服务器等) 、w 曲应用服务器、p c 机或笔记本电脑。 如图2 2 所示。应用软件：浏览器i e 或n e t s c a p e 、w e b 应用程序( 多用户实时动 态网络视频控制平台软件) 。 多用户实时动态网络视频控制系统运用i p 网络摄像机，通过将前端( 摄像头) 采集的视频信号和接收云台、镜头的受控信号直接转换为可以传输的数字信号， 通过i n t e m e t 上的任何一台被授权的计算机在基于w | e b 服务软件平台上观看图像和 控制云台。浏览器只要添加简单的安装程序便可实现连接，通过浏览器进入其主 界面便可运用和各个控制功能。w | e b 应用程序用密码控制用户权限，并创建用户 队列管理，根据用户优先权取得独占网络摄像机的权限，实现远端控制云台和镜 头。 第黛 e 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 第2 章系统分析 通过对上述描述的系统基本需求进行分析后，可知一个多用户实时动态网络 视频控制系统至少应该具有如下功能性需求： 1 用户有权限之分，即超级用户和一般用户。 2 超级用户可以进行系统维护如添加、修改、删除所有用户信息，包括修改 所有界面登录密码。 3 超级用户获得i p 网络摄像机控制权，可以抢占式优先使用i p 网络摄像机 控制权，控制i p 网络摄像机向下、向上、向左、向右转动，并观看视频信息。 4 一般用户可以添加、修改、删除用户自已的基本信息。 5 一般用户根据优先级有高级用户和普通用户。一般用户登录后进入相应的 用户队列，根据排队算法获得i p 网络摄像机控制权，控制i p 网络摄像机向下、向 上、向左、向右转动，并观看视频信息。 2 2 需求分析 分析阶段先确定参与者，然后根据识别出的参与者分析系统需求，来确定系 统中的用例。 2 2 1 识别参与者 通过对系统进行需求分析可以确定系统有至少一个参与者：用户( u s e r ) 。 参与者的描述： 名称：u s e r ( 用户) 描述：用户可以通过该视频控制系统进行用户系统维护，操纵i p 网络摄像机 观看视频图像。 示例：超级用户、一般用户 2 2 2 识别用例 用例是从用户的角度描述系统的功能，即站在系统外部观看系统的功能，是 一个用户使用系统的某项功能时交互过程的文字描述。每个用例是使用系统的不 同方式，每个用例完成产生不同的结果。 通过对视频控制系统的进一步分析可以识别出以下4 个用例： 1 l 0 9 i n ( 登录) 本用例提供了验证用户身份的功能。 2 m a i n t a j nu s e ri n f 0 珊a t i o n ( 维护用户信息) 本用例提供了添加、修改、删除用户信息，包括修改界面登录密码的功能。 第2 章系统分析多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 参与者“u s e r 与用例“l o g i n 、“m a j n t a i nu s e ri n f o 瑚a t j o n ”、w i l lp r i v i l e g e 6 。歹3 啪 二己 二) u s e r 队长限度) ，系统显示提示信息，终止该用例。 该用例的活动图如图2 8 所示。 图2 8 “获得i p 网络摄像机控制权”活动图 1 6 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计第2 章系统分析 ( 4 ) “c o n t r o li pn e t w o r k c a n l e r a ”( 使用i p 网络摄像机) ( 4 - 1 ) 前置条件( p r e c o n d i t i o n s ) 在这个用例开始前，系统状态变量( s t a t e ) 为t ，且u s e r 的用户信息中控制 权码为“t ”。 ( 4 2 ) 后置条件( p o s t c o n d i t i o n s ) 如果这个用例成功，则用户可以控制i p 网络摄像机向下、向上、向左、向右 转动的功能( 即调用一个c o m 组件一a c t i v e x 控件) ，并观看视频图像。否则， 系统状态不变。 ( 4 - 3 ) 扩充点( e x t e n s i o np i o n t s ) 无 ( 4 - 4 ) 事件流 ( 4 - 4 1 ) 基流( b a s i cf l o w ) 当u s e r 获得i p 网络摄像机控制权( 即系统状态变量( s t a t e ) 为t ，且用户信 息中控制权码为“t ”时) 后，用例启动。 用户可以控制i p 网络摄像机，观看网络视频图像( e 1 ) 。 使用完毕，将s t a t e 置t ，用户信息中控制权码置f 。 ( 4 - 4 2 ) 代替流 e 一1 ：若用户鼠标和键盘静止5 分钟时，置状态变量s 纨为t ，且控制权码为 “f ，系统显示提示信息，用例终止。 该用例的活动图如图2 9 所示。 2 3 静态结构模型 图2 。9 “使用i p 网绍摄像机。控制权”活动图 1 7 第2 章系统分析 多用户实时动态网络视频控制系统模型研究与设计 需求分析完成后，进行问题域分析。在这个阶段，要进一步分析系统的需求， 发现类以及类之间的关系，确定它们的静态结构和动态行为，也是面向对象分析 的基本任务。系统的静态结构模型主要用类图或对象图描述。 2 3 1 定义系统对象类 定义了系统需求后，根据系统需求识别系统中所存在的对象。系统对象的识 别可以通过寻找系统域描述和需求描述中的名词来进行，从前述的系统需求描述 中可以找到的名词有u s e r 、d e 0 0 b t a i 衄e m g u i 、m o u s e ( k e y b o a r d ) 这些都是对象 图中的候选对象，如果这些候选对象有与该对象相关的身份和行为，那么候选对 象应该是一个存在于模型中的对象，则为之创建类。 1 类u s e r 类u s e r 描述了客户的信息，包括姓名、地址、邮政编码、身份证号、电话号 码、优先码、控制权码等。这个类与参与者u s e r 是不同的，参与者u s e r 代表了系 统外的物理人，而类u s e r 则代表了系统中存储的物理入的信息，也就是说代表了 物理人在系统中的用户。 ( 1 ) 私有属性( p r i v a t ea c t 曲u t e s ) n a n l e ：s t r i n g z i p c o d e ：s t r i n g u s e r i d ：s t r i n g t e l e n u m b e r ：s t r i n g a d d r e s s ：s t r i n g e m a i l ：s t r i n g p r i v i l e g e c o d e ：s t r i n g c o n _ t r o l l a b l e ：b o o l e a n 、v a i t i n g t i m e ：f 1 0 a t ( 2 ) 公共操作( p u b l i co p e r a t i o n s ) g e t h 0 1 d e r s o ：u s e r 口 n e w u s e r ( n a m e ：s t r i i l g ，z i p c o d e ：s 仃i i l g ，u s e