（计算机系统结构专业论文）基于web的远程数字视频监控系统的设计与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 捅姜 随着计算机网络和多媒体技术的发展，社会对视频监控的需求范围不 断扩大，监控系统正由传统的安防监控向管理监控和生产经营监控发展。 监控系统功能的设计和实现是决定一个监控系统是否实用，是否能够符 合用户需要的关键。论文中设计的系统是基于w e b 的远程数字视频监控 系统，它以计算机为核心，结合了视频处理、通信、网络和存储显示技 术，采用模块化结构设计，并通过k c t i v e x 技术将媒体控制与浏览器相 集成，直接利用w e b 浏览器完成用户与系统的交互，使得监控浏览范围 达到了前所未有的广度，适应了监控系统数字化、网络化，集成化的发 展趋势。 论文回顾了监控系统的发展历程和主要的数字视频压缩、传输、存储 技术，依据m p e g 一4 和监控系统本身的特点分析了m p e g 一4 用于监控领域 的优势。论文中给出了基于w e b 的远程数字视频监控系统的总体设计方 案，对远程监控系统的安全性和可靠性做了比较详细的分析，针对数据 安全性、系统可靠性以及q o s 保障提出了相应的改进措施，其中，在软 件系统可靠性方案中提出了高可用性服务模型，它通过增加服务冗余来 提高系统的可靠性和可用性。论文对系统核心模块的设计与实现做了重 点论述。在网络传输模块中，讨论了数字视频在网络中的传输方案、m p e g 视频流的r t p 封装以及基于简化r t p 协议的数据处理流程；在数据库存 取模块，介绍了中心数据库的结构设计、更新策略及功能实现，并给出 数字视频存储的优化策略。在中控服务器管理平台中，讨论了管理控制 机制和视频传输方案，简述了其工作过程，并在视频播放部分加入了对 f g s s 的解码回放。在远程分控台模块，详细论述了用d i r e c t s h o w 技术 实现远程视频数据的实时播放的过程以及a c t i v e x 控件的设计及其在 w e b 页面中的使用、下载和安装系统在实时视频传输和播放部分使用 了双缓冲队列技术，以确保视频数据的正确接收。论文在最后指出了系 统设计中存在的局限，并且给出了进一步的完善方案。 论文对远程数字视频监控系统做了多方面有益的讨论，进入2 1 世纪 的数字化网络化时代，远程数字视频监控必将拥有更加广泛的应用前景。 关键词：w e b ：a c t i v e x ：w i n s o c k ：d i r e c t s h o w ：视频监控 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k sa n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ，t h e r ei sag r o w i n gn e e df o rv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i ns o c i e t y s u r v e i1 l a n c es y s t e mh a sp r o g r e s s e df r o mt r a d i t i o n a l s e c u r i t yp r e c a u t i o n s t om a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o na n db u s i n e s s s u r v e i l l a n c e t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs u r v e i l l a n c e s y s t e m sf u n c t i o n sa r ek e yp o i n t st od e c i d ew h e t h e rt h es y s t e mi s p r a e t i c a la n de f f e c t i v et om e e tt h ed e m a n do fu s e r s t h es y s t e m d e s i g n e di nt h i st h e s i si sar e m o t ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mo nw e b i tc e n t e r so nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n db r i n g s t o g e t h e r t h e o r i e sa n d t e c h n o l o g y o nv i d e o p r o c e s s i n g ， c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k s ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a y t h es y s t e mi s d e s i g n e di nm o d u l a r i z a t i o ns t y l e m e d i ac o n t r o li n t e g r a t e sw i t h b r o w s e rb yu s i n ga c t i v e xt e c h n o l o g y w e bb r o w s e rr e a l i z e st h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e ra n ds y s t e m i tm a k e st h eb r o w s e rr a n g e r e a c hu n h e a r d o f1 e v e l s t h es y s t e mm a t c h e st h et r e n do f d e v e l o p m e n ti nd i g i t a l i z a t i o n ，n e t w o r k sa n di n t e g r a t i o n t h et h e s i sr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fs u r v e i l l a n c es y s t e m a n dd a t ac o m p r e s s i o n d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t a s t o r a g e t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f m p e g 一4a n ds u r v e i l l a n c e s y s t e m ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n t a g e so fm p e g 一4u s e di nt h e s u r v e i l l a n c ef i e l d t h e nt h et h e s i sp r o p o s e st h eo v e r a l ld e s i g n o fr e m o t ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mo nw e b t h ed a t a s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g yi nt h es y s t e mi sd i s c u s s e d i m p r o v i n gm e a s u r e sa r ep r o p o s e dt og u a r a n t e ed a t as e c u r i t y ，s y s t e m r e l i a b i l i t ya n dq o s i nt h es c h e m eo ft h er e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y o fs o f t w a r es y s t e m 。t h eh i g hu s a b i l i t ys e r v i c e m o d u l ei sp r o p o s e d t h i sm o d u l ea d d ss e r v i c er e d u n d a n c i e st oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t y a n du s a b i l i t yo ft h es y s t e m t h et h e s i sm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g n i i a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ek e r n e lm o d u l e i nt h en e t w o r k st r a n s p o r t m o d u l e ，t h et r a n s m i s s i o ns c h e m eo fd i g i t a lv i d e oi nn e t w o r k s ，r t p e n c a p s u l a t i o no fm p e gv i d e os t r e a ma n dd a t ap r o c e s s i n gb a s e do n s i m p l i f i e dr t pp r o t o c o la r ed i s c u s s e d i nt h ed a t a b a s es t o r a g ea n d a c c e s sm o d u l e ，t h es t r u c t u r ed e s i g n ，u p d a t i n gs c h e m ea n df u n c t i o n i m p l e m e n t a t i o no fc e n t e rd a t a b a s ea r ep r o p o s e d ap o l i c yt o i m p r o v et h ev i d e od a t as t o r a g ei sp r o p o s e dt o o i nt h ec e n t r e c o n t r o ls e r v e rm a n a g e m e n tp l a t f o r m ，t h em e c h a n i s mo fm a n a g e m e n t a n dc o n t r o l ，t h es c h e m eo fv i d e oc o m m u n i c a t i o na r eg i v e na n dw o r k p r o c e s si si n t r o d u c e d a n da l s od e c o d i n ga n dp l a y b a c kf o rf g s si s p r o p o s e di nv i d e op l a ym o d u l e i nt h er e m o t ec o n s o l em o d u l e ，i t u s e sd i r e c t s h o wt e c h n o l o g yt od i s p l a yt h er e a l c t i m er e m o t ev i d e o d a t aa n dp o i n t so u th o wt ou s e ，d o w n l o a da n di n s t a l la c t i v e x c o n t r o li f lw e bp a g e i no r d e rt oe n s u r et h ec o r r e c tr e c e i v i n go f v i d e od a t a ，t h es y s t e me m p l o y sd o u b l e b u f f e rq u e u et e c h n o l o g y i n t h ee n do ft h et h e s i s ，l o c a l i z a t i o ni nt h e s y s t e md e s i g ni s i n d i c a t e da n dap l a nf o rf u r t h e rd e v e l o p i n gi sa l s os u g g e s t e d t h i st h e s isd i s c u s s e st h et e c h n o l o g yi nr e m o t ed i g i t a lv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mf r o mm a n ya s p e c t s w i t ht h ec o m i n go fd i g i t a l a n dn e t w o r k s a g e ，t h es y s t e mw i l l h a v eg o o da p p l i e da n d d e v e l o p m e n t a lo u t l o o k k e y w o r d s ：w e b ：a c t i v e x ：w i n s o c k ：d i r e c t s h o w ：v i d e os u r v e i l l a n c e i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：缈! 印5 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝jl也,-必i r , 师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 系统的研究背景 第一章引言 近年来，计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，极大地 推动了监控技术的进步与更新。监控产品也正经历着从模拟化向数字化、 网络化的革命。随着信息化时代的到来和我国国民经济的快速发展，安 防已经成为现代管理的重要手段。特别是进入二十一世纪以后，数字化、 网络化的步伐逐步加快，社会对监控领域的需求范围不断扩大，监控系 统正由传统的安防监控向管理监控和生产经营监控发展。同时，对监控 系统本身的交互性、高效性、灵活性、安全性及稳定性也提出了更高的 要求，以实现对远程视频图像和告警信息的集中化管理和有效监控，提 高管理水平和工作效率。 数字视频监控系统是以计算机为核心，结合视频处理、通信、网络和 存储显示技术的一种监控网络系统，具有视频数字化、系统网络化、应 用多媒体化、管理智能化的特点，是现代信息技术与监控技术的有机结 合，它使自古以来人们就幻想着能够目睹千里之外事物的美好愿望成为 了一种可能。与传统的电缆传输或光缆传输不同，远程监控采用数字化 处理技术，将摄像系统的图像信号转换成计算机所能处理的数字数据， 通过网络或其他媒介将数据传输到计算机或其它数字化设备上，然后再 将数据还原成图像。数字化的图像可以实现在同一线路上传输多路信息。 监控系统的发展大致经历了三个阶段。在九十年代初以前，主要是以 模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。这种系 统多以摄像机、视频矩阵、分割器、录像机为核心，采取手动方式对各 监视点的情况进行切换。九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和 视频技术的发展，人们利用计算机对视频进行控制和切换，采用直接电 缆方式进行传输，通过显示器实现图像的多画面显示，这种基于p c 机的 多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控系统。由于有线模拟 视频信号的传输对距离十分敏感，布线工程量大，而且通信协议的多样 化和专用化难于统一，因而很难组建大规模的监控系统。九十年代末， 山东大学硕士学位论文 网络带宽、计算机处理能力和存储容量显著提高，各种实用视频处理技 术相继出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，网络用户可以通过 浏览器对信息进行远程监控和管理，称为第三代远程视频监控系统。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，使监控技术的发展达到了一个新的高度。 由于模拟监控系统的网络结构主要是种单功能、单向、集总方式的 信息采集网络，采用专用介质，成本耗费大，查询取证相当繁琐，因而 在监控区域、可靠性能以及系统扩展等方面存在很大的局限性，无法形 成有效的报警联动。数字视频监控顺应了当前信息社会数字化、网络化、 智能化的发展趋势，具有无法比拟的优势。 第一，视频图像数字化，便于充分利用计算机的快速处理能力对其进 行压缩、分析、存储和显示。并通过视频分析，及时发现异常情况，实 现联动报警。 第二，数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，基 本上不受现场环境及地域、距离等条件的限制，可以大幅度提高图像品 质和稳定性。 第三，数字视频监控系统采用大容量磁盘阵列或光盘存储器，可以节 省大量的磁带介质，同时有利于系统方便快捷地实现多媒体信息查询。 第四，数字视频通过计算机网络互连，网络带宽可以复用，能够实现 多路控制，提高了监控效率。 第五，数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度高，体积小， 易于安装、使用和维护。 从目前来看，监控系统正向着前端一体化、视频数字化、监控网络化、 系统集成化的方向发展。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。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) 从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破 “经典闭路电视系统以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视 频监控系统数据信息采集、处理、传输以及系统控制的方式和结构形式。 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，并在统一的操作平台上实现管理和 控制，这也是系统集成化的含义 2 山东大学硕士学位论文 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构由集总式向集散式过渡。 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 设备的配置具有通用性强、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、系统的安装调试和维修简单、系统运行 稳定、容错性能可靠等功能特点。系统的网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，将实现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。 1 2 课题意义 论文中提出的基于w e b 的远程数字视频监控系统以计算机为核心，结 合了目前较为先进的视频处理、通信、网络和存储显示技术，充分考虑 了系统的安全性和可靠性，通过a c t i v e x 技术将媒体控制与浏览器相集 成，直接利用w e b 浏览器完成用户与系统的交互，实现对监控现场的远程 实时控制，将监控浏览范围推至前所未有的广度。另外，系统采用模块 化结构设计，易于更新和扩展，也可以有效降低系统集成的困难和成本。 由此，本系统适应了监控系统数字化、网络化、集成化的发展趋势，具 有良好的应用前景。 山东大学硕士学位论文 第二章数字视频的关键技术 2 1 数字视频压缩技术 2 t 1 视频压缩的必要性 视频压缩是远程数字视频监控系统的关键技术。 众所周知，视频图像的信息量是巨大的，按照c c i r 6 0 1 的标准，广播 质量的数字视频的码率为2 1 6 m b s ，而高清晰电视h d t v 达到1 2 g b s 。虽 然c p l i 、磁盘、传输信道的性能近年来取得了迅猛发展，但是，无论是从 经济还是从技术的角度，单纯靠硬件的支持并不能满足人们的需要。信 息压缩的优点显而易见，如节约存储空间、节省c p i j 空间、节省传输时间 等等。 显然，视频压缩数字化是压缩技术的关键，也是实现视频高效传输和 存储的前提。目前，用于远程视频监控的图像压缩的主要技术有h 2 6 1 ， m p e g l 和m p e g 一4 。【2 7 】 2 1 2 图像压缩的基本思想 压缩机制通常可以分为两种，即有损压缩和无损压缩。在无损压缩中， 我们关心的是精确重建没有信息损失的数据，它通常被用于文本文件的 压缩中 有损压缩允许压缩后产生质量上的误差。有损压缩机制的优点是可以 得到比无损压缩高的多的压缩比，但是它只能用于可以用近似的数据代 替原始数据，而这种相近数据又容易被压缩的情况 任何压缩机制的根本思想都是去除数据中存在的相关性。所谓相关 性，就是能够根据给出的一部分数据来判断出其相邻的数据。实际中存 在着很多种数据相关性，常见的有空间相关性、频率相关性和时间相关 性等。 有损压缩的标准过程是变换编码。压缩是通过数据变换，把域值以下 的系数置零，对非零的数据进行无损编码来实现的。l 4 山东大学硕士学位论文 2 i 3 视频压缩标准 2 1 3 1h 2 6 1 h 2 6 l 标准简称p 6 4 ( 其中p 为6 4 k b s 的取值范围，是1 到3 0 的可变参 数) ，适合在6 4 - - 3 8 4 k b p s 的低带宽下传输实时视频图像，由国际电报电 话咨询委员会( c c i t t ) 专家组在1 9 9 0 年1 2 月制定。该标准最初是针对在 i s d n 上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会议而设计 的。实际的编码算法类似于m p e g 算法，但不能与后者兼容。h 2 6 1 在实时 编码时比m p e g 所占用的c p u 运算量少得多，引进了在图像质量与运动幅度 之间的平衡折中机制以优化带宽占用量，也就是说，剧烈运动的图像比 相对静止的图像质量要差，属于恒定码流可变质量编码。 2 1 3 2m p e g - 1 m p e g 一1 标准制定于1 9 9 2 年，是运动图像和声音的编码，适用于码率在 8 0 0 k b p s 一2 m b p s 的数字存储媒体，主要用于多媒体存储与再现。m p e g i 采用c i f 视频格式，其算法压缩率为l 1 0 0 1 2 0 0 ，分辨率为3 6 0 2 8 8 2 5 帧s ( p a l ) 或3 6 0 2 4 0 3 0 帧s ( n t s c ) 。该标准是一个面向家庭的电 视质量级的音视频压缩标准，我们所熟悉的v c d 采用的就是这个标准。此 外，m p e g 一1 还被广泛应用于视频点播( v o d ) 及多媒体教育等领域 h 2 6 1 和m p e g 一1 的核心技术都是离散余弦变换和运动补偿算法，主 要思想是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关性信息来 压缩视频数据量。这些视频压缩标准没有充分考虑监控数据的实际特点， 编码中仍然保留了大量的数据冗余：在传输中无法根据网络情况自适应 地调节传输码率；同时，也不具备良好的用户交互性。因而，在实际应 用中受到一定的局限。【1 2 】 2 1 3 3m p e g - 4 m p e g 一4 是第一个具有交互性、综合性的动态图像标准。它将众多的 媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供 标准的算法及工具，用于实现音视频( a v ) 数据的有效编码及更为灵活的 存取。m p e g 一4 的主要特点体现在： 1 、基于内容的交互性。 这是m p e g - 4 提供的全新功能。基于内容的交互性允许用户修改、增加、 删除或重定位一个视频场景中的对象，甚至可以转换场景中对象的行为， 山东大学硕士学位论文 这与前几个m p e g 标准中基于帧的交互完全不同。该性能使基于内容的码 流操纵、编辑和多媒体数据存取以及增强的时间域随机存取得以实现， 并支持自然与合成视频对象的混合编码。 2 、高效的压缩。 m p e g - 4 标准的主要目标之一是在i n t e r n e t 、移动通讯网络等环境下 实现有限带宽的中低比率多媒体传输，因而，数据压缩效率是非常重要 的因素。m p e g 一4 提供了多种工具( 如基于视频对象的混合编码、场景编 码等) 用以有效地改善编码效率。它的核心工具和扩展工具可以提供从 5 k b s 到5 0 m b s 的编码速率，这囊括了从s q c i f 分辨率的低帧率视频到 符合i t u rr e c 6 0 1 的高质量数字视频。 3 、错误恢复和时空可伸缩性 音视频对象的引入及错误恢复工具使m p e g - 4 获得了在错误多发环境 下的健壮性，用户可以通过多种传输媒介，如有线网络或移动网络访问 m p e g 一4 的编码内容。基于对象的时空可伸缩性使系统可以方便地实现码 率控制，对网络带宽的变化具有很好的自适应性，满足了很多多媒体应 用对时域、空域及质量的伸缩性的需要。这对于未来i n t e r n e t 、移动网 络的实时多媒体应用具有非常重要意义。【1 5 】 2 1 4m p e g - 4 用于视频监控 m p e g 一4 的特点能够被很好地用于视频监控系统，其优势具体体现在 如下几个方面： 1 、节约存储空间 由于监控系统前端采集的视频信号数据量大，而服务器的存储空间有 限。所以如何在有限的空间里存储更多的数据就成为监控系统中一个十 分重要的问题，也是评估监控系统性能的一个重要标准。 m p e g 一4 在编码过程中对不同对象根据其特点并结合人眼的视觉神经 特性和主观感受区别对待，改进了编码效率，并实现了对并发数据流的 编码。 视频监控的原始图像有一个显著的特点，即大量的背景对象是静止不 动或极少运动的。采用m p e g 一4 的s p r i t e 编码思想，首先将背景即背景 全景图传送到解码端并生成s p r i t e 背景图，其后仅需要传输少量的运动 参数。这显然可以在很大程度上减少需要存储的数据量，实现很高的压 6 山东大学硕士学位论文 缩比，节省了硬盘存储空间，同时也减少了由于硬盘长时间、大数据量 写盘而可能导致的诸多故障。 2 、占用网络传输带宽少 m p e g 一4 与传统传输系统的最大区别是有关对象的概念。在m p e g 一4 中，可以将某一确定场景的不同部分作为音视频对象分别予以编码和传 送，在接收端由解码器混合集中或重新组合。每个不同的对象类型可以 使用最适合它的工具进行编码，用户也可以有选择地只对感兴趣的对象 进行传输。 在监控领域中，一般要求下的监控效果即使在传输图像的分辨率和帧 率不是很高时也可以达到。因此，采用m p e g 一4 的基于对象的分层传输思 想，即可方便地实现码率控制，不仅实现了对网络带宽变化良好的自适 应性，在极低码率的情况下保持良好的监控效果。而且，用户根据实际 需要适当地对分辨率和帧率做出选择，也可以有效地节省网络带宽，更 加合理地利用网络资源。 另外，m p e g - 4 的压缩比是同质量m p e g - i 的十倍以上，所以网络传输时 占用的带宽仅为同质量m p e g 一1 的i 1 0 。如在6 4 k 的带宽上，m p e g - i 平均只 能传送i 2 帧，而m p e g 一4 可以传送5 - 7 帧。 3 、错误恢复能力强 视频监控数据具有实时性和同步性的特点，因此，对错误处理的鲁棒 性( r o b u s t n e s s ) 有较高的要求，希望实现低比特率视频信号在高误码 率环境下的存储和传输。实验证明，在误码达到1 时，m p e g l 已经无法 播放，而m p e g - 4 只会有轻微的边缘模糊；当网络传输出现瞬间丢包现象 时，m p e g l 恢复至少需要1 0 秒以上，而m p e g 一4 只需要卜3 秒。可见， 作为一个基于低码率设计理念的国际标准，m p e g 一4 提供了很强的容错能 力。 2 4 m p e g 一4 提供的容错工具主要有以下几种： ( 1 ) 重新同步( r e s y n c h r o n i z a t i o i l ) 重新同步的目的在于当码流中出现错误或者检测到错误时，重新实现 解码器和码流之间的同步。m p e g - 4 采用了视频包方法和固定间隙同步 法。 视频包方法基于在整个码流中提供的周期性重新同步标志，通过数据 包中比特数预定的门限值来判断是否需要重新同步。 山东大学硕士学位论文 固定间隙同步法要求只在码流中合法的固定间隙位置才能出现v o p 开始码和重新同步标志，这有助于避免与开始码相关的错误。 ( 2 ) 数据分割( d a t a p a r t i t i o n i n g ) m p e g 一4 通过数据分割将运动数据中的误码和纹理信息中的误码严格 分离。当纹理信息发生错误并且被丢弃的时候，可以通过保留的运动信 息来隐藏这些错误。这不仅有助于错误隐藏，也使错误定位更加容易。 ( 3 ) 可逆的可变字长编码( r v l c ) r v l c 的基本思想是使接收端实现双向解码。这样，当一个方向的解 码出现错误时，解码器还能从另一个方向继续解码。 ( 4 ) 头扩展码( h e c ) h e c 是一个单比特的标志位，当h e c 置”l ”时，一些视频头信息就 在这个视频数据包头中被重复这些信息可用于对每个视频数据包进行 独立解码、纠正被传输错误所破坏的v o p 头信息以及为丢失帧同步的数 据重新建立同步。 ( 5 ) 自适应帧内更新( a i r ) 一般来说，a i r 适用于矩形v o p ，它用于编码器对运动区域从矩形v o p 中的分离。a i r 通常以帧内模式对其进行编码，有利于迅速恢复由传输 错误而引起的该区域的质量下降 ( 7 ) n ew p r e d n ew p r e d 是使用反向信道帧间编码来防止错误传播的技术。其基本 思想是将检测到的信道误码信息通过反向信道传输到编码端，编码器根 据传输信道的误码环境来转换参考v o p ，从而避免帧间编码的误码传播 4 、图像质量高 m p e g 4 的最高图像清晰度为7 6 8 5 7 6 ，远远优于m p e g - i 的3 5 2 2 8 8 ， 可以达到接近d v d 的画面效果，能够使监控系统获得良好的监控质量。 另外，由于m p e g 4 采用基于对象的识别编码模式，即使在画面中出现 物体快速运动的情况下，仍然可以保证良好的清晰度。 5 、用户交互性强 m p e g 一4 基于对象的编码模式赋予了它基于内容的伸缩性( c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y ) ，这主要表现在时域、空域及重建图像质量上。 m p e g 一4 通过场景描述和交互可以实现很强的用户交互功能。场景描述 山东大学硕士学位论文 说明了各种对象的时间位置关系以及场景坐标，并采用动态的树状结构 以增强其编辑和交互功能。这些功能用于远程监控可以在很大程度上提 高监控系统的灵活性及监视效果。 另外，分级编码的引入使得接收机可依据具体的信道带宽、系统处理 能力、显示能力及用户需求进行多分辨率的解码及回放，使网络输出速 率在5 6 k 一3 8 4 k 范围内可调。用户可以通过交互功能选择分辨率和帧率， 以获得更好的视频效果或获得某一对象局部的细节。 6 、可扩展性好 灵活性和可扩展性由m p e g 一4 句法描述语言( m s d l ) 提供。根据m s d l 的规范文件，m s d l 对解码器编程能力定义了三个级别：0 级为不可编程 级，解码器仅具有一种标准算法，该算法在商议阶段需经编码器同意；1 级为灵活级，解码器能够提供系列标准化的工具，编码器在编码过程 中可以灵活地将其配置成某种算法；2 级为扩展级，解码器能为编码器 提供一种可以下载新工具和新算法的机制。因此，m p e g 一4 具备了吸纳新 技术从而保持发展的能力，在用户设备升级时可以最好地保护用户投资。 2 2 数字视频传输技术 2 2 1 视频监控系统中数据通信的特点 多媒体数据具有类型多样、数据量大、速率变化大以及同步性、连续 性要求高的特点。不同类型的媒体数据对通信网络的性能和服务具有不 同的要求，这些要求由具体应用所决定。网络服务需要给不同的数据流 问提供同步机制，或者使用系统中其他部件提供的原语来实现同步另 外，多媒体通信必须与现有的广泛使用的通信协议保持兼容。 在远程视频监控系统中，为了使不同地理位置的用户能够同时实现远 程控制，并根据监控现场情况做出反应，要求数据通信具备实时性、同 步性和分布性的特点。 实时性即要对视频数据进行实时处理，如实时压缩、解压缩、传输、 显示等分布性是指系统内各视频源、服务器和显示终端等位于不同地 点，通过计算机局域网或广域网互连。同步性是指尽管视频信息具有分 布性，但用户终端的显示信息必须保持与视频信息同步，声音与视频也 必须保持同步。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 2 数字视频传输的相关通信协议 2 2 2 1t c p i p 协议 目前，t c p i p 网络通信协议已经广泛应用于各种网络。远程视频监 控系统构架于i n t e r n e t i n t r a n e t 之上，当然必须遵循该协议。 t c p i p 协议最初是为提供非实时数据业务制定的，所以实时传输能 力较差。i p 协议只负责数据传输，并不进行检错、纠错。将t c p 用于i p 数据传输，可以提高接收端的检错、纠错能力，有效避免数据丢失、失 序等现像，保证数据的可靠传输。但是，接受端检测到数据包丢失或错 误就会要求发送端重新发送，这种机制必然会引起传输时延和网络带宽 的浪费。比如，网络传输数据包时，虽然可保证其准确到达目的地，却 不能保证其在特定时间内到达，通信链路可能存在长达数小时的时延。 在视频监控领域，如此长的时延显然不能满足实时性的需要。 2 2 2 2r t p r t c p 协议 实时传输协议r t p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 被定义为在一对 一或一对多的传输情况下工作，提供时间信息和实现流同步。r t p 是一 种传输层上的应用协议，图2 一l 体现了它在协议中的位置。通常，r t p 使用u d p 来传送数据，但也可以工作在t c p 或a t m 等其它协议上。 应用层( a p p l i c a t i o n ) 瑚呼 传输层 m 圩 f i p 数据链路层( d a t al i n k ) 物理层( p h y s i c a l ) 围2 - im 在协议中的位置 数据包是r t p 对数据传输的封装单位，典型的数据包由包头和负载组 成。在r t p 协议中仅定义了包头的数据结构而没有限制负载大小，使负 载与应用相关，这为不同的媒体和应用环境提供了灵活的空间。 通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序 代码的一部分。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机 1 0 山东大学硕士学位论文 制，也不提供流量控制或拥塞控制，实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m e t r a n s p o r tc o n t o lp r o t o c 0 1 ) 为其提供了这些服务。当应用程序开始 一个r t p 会话时将同时使用两个端口，分别分配给r t p 和r t c p 。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的数 据包数量、丢失的数据包数量等统计资料，可以给发送端提供q o s ( q u a - 1 i t yo fs e r v i c e ) 反馈，发送端利用这些信息动态地改变传输速率，甚 至改变有效载荷类型。r t p r t c p 的配合使用能够以有效的反馈和最小的 开销使传输效率最佳化，因而特别适合网络实时数据的传输。 2 2 2 3r s v p 协议 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c l ) 是为改善网络对业务流的控制能 力而设计的资源预留协议，它在网络的各个节点之间交换信息，数据发 送端将其服务请求通过r s v p 协议发送给网络，服务请求通过网络中的路 由协议传递到目的节点，目的节点根据r s v p 协议在传递过程中收集的各 节点可用资源情况以及接收到的q o s 请求通过返回信息在各个节点上申 请预留资源，并在无法提供足够的资源预留时发出错误信息。r s v p 会话 的建立是q o s 的核心。 2 2 3 多媒体通信模型 2 2 3 1c s 结构 客户机朋艮务器( c 1 l e n t s e r v e r 、简称c s ) 体系结构是一种分布式的 处理模式。服务器通常采用高性能的p c 机、工作站或小型机，并采用如 o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 等大型数据库系统。客户端 需要安装专用的客户端软件 客户机和服务器之间通过网络协议进行通讯。首先，客户机向服务器 发出数据请求，服务器将数据传送给客户机进行处理，客户机处理后将结 果返回给服务器。 c s 结构通常建立在专用的网络上，其突出优点是能够充分发挥客户 端p c 机的处理能力，客户端响应速度比较快。由于c s 结构一般面向相 对固定的用户群，因而对信息安全的控制能力比较强，适宜高度机密的 信息系统。 山东大学硕士学位论文 i i 2 2 3 2b i s 结构 浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r 、简称b s ) 结构，是随着i n t e r n e t 技术的兴起，对c s 结构的一种变化和改进。它利用不断成熟的w w w 浏 览器技术，结合浏览器的多种s c r i p t 语言( v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等) 和a c t i v e x 技术，用通用浏览器实现了原来需要复杂的专用软件才能实 现的强大功能。 b s 架构于广域网之上，不需要专门的网络和硬件环境，用户界面完 全通过w w w 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻 辑在服务器端实现，形成所谓的3 - t i e r 结构。b s 结构能够在很大程度 上节约开发成本，是一种全新的软件系统构造技术 2 3 视频数据存储技术 2 3 1r a i d 可以把r a i d ( r e d u n d e n ta r r a yo fi n e x p e n s i w ed is k s ，廉价冗余磁 ，盘阵列，简称“磁盘阵列”) 理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它将一 组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器 来使用。在r a i d 系统中，允许多个磁盘驱动器同时传输数据，从而达到 单个磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率另外，r a i d 可以提供 良好的容错功能。r a i d 的容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能 之上的，因而能够提供更高的安全性。与传统的大直径磁盘驱动器相比， 在同样的容量下，r a i d 的价格要低很多。 现在常用的r a i d 级别有r a i d o ( 无冗余无校验的磁盘阵列) 、r a i d l ( 镜 象磁盘阵列) 、r a i d 2 ( 纠错海明码磁盘阵列) 、r a i d 3 和r a i d 4 ( 奇校验或 偶校验的磁盘阵列) 、r a i d 5 ( 无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列) 此 外最近又发展出0 + 1 ，0 + 3 、0 + 5 级。 2 3 2n a s n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，网络附加存储) 是一种专业的网 络文件存储及文件备份设备，或称为网络直联存储设备、网络磁盘阵列， 它可以应用在任何的网络环境当中一个n a s 里包括核心处理器，文件服 务管理工具，以及一个或者多个用于数据存储的硬盘驱动器。主服务器 和客户端可以非常方便地在n a s 上存取任意格式( 包括s m b 、n f s 、c i f s 1 2 山东大学硕士学位论文 等) 的文件，并对文件实施管理。n a s 独立于操作平台，通过浏览器界面 进行操作和管理。它可以实现不同类型文件的共享，具有交叉协议用户 安全性和许可性，可以不中断网络地增加和移除服务器。 2 3 3s a n s a n ( s t o r a g ea r e an e t v o r k ，存储局域网) 以数据存储为中心，采用 可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高传输速率的光通道的直接连接方式， 提供s a n 内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管 理集中在相对独立的存储区域网内。由于s a n 独立出一个数据存储网络， 因而网络内部的数据传输率很快，但操作系统仍停留在服务器端，用户 并非直接访问s a n 的网络，这就造成s a n 在异构环境下不能实现文件共享 2 4 服务质量o o s c c i t t ( 现称i t u t ) 曾给出如下定义：“q o s ( q