（通信与信息系统专业论文）基于以太网的混合视频流监控系统的软件设计与实现.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 网络化和数字化技术推动着视频监控技术的应用领域迅速扩展，在高速公路领 域的应用也倍受关注。视频监控技术已经被极大的应用到高速公路的管理中，但是 如何组建有效的联网监控系统是一个很重要的课题。 本文以某公司高速公路监控管理系统项目为背景，详细分析了当前高速公路的 实际需求情况，设计和实现了一个基于以太网混合视频流的监控系统。这个系统将 位于高速公路路面、收费站和隧道的摄像机所采集的视频图像信号，高质量传输到 收费站或监控中心进行显示和存储，并自动分析视频信号，异常情况下给出告警信 息提醒管理人员注意。 文中对高速公路的实际情况进行了详细的分析，并确定此系统中收费站通过弹 性分组环（rpr）和监控中心连接起来，采用 c/s 模式的分布式管理模型，定义系 统中收费站和监控中心的功能。接着对此系统的关键技术进行了介绍，即混合视频 码流、远程接口方法调用和 snmp（simple network management protocol，简单网络 管理协议）代理服务。其中混合视频流是为了满足满足大屏、监视器、电脑显示器 等不同显示设备对视频质量的不同需求；远程接口方法调用是客户端和服务器通信 的方式；snmp 代理服务是提供了标准的网络管理的接入。最后介绍了此系统主要 是由完成业务接入的硬件、传输节点设备以及调度管理软件系统所组成。在此介绍 了调度系统软件的设计，调度管理服务器和客户端采用远程接口方法调用协议 （rimi）进行通信，调度管理服务器采用了 snmp 代理的方式来实现基于 snmp 协 议的管理，并分析了调服管理服务器的功能实现。最后详细介绍了监控调度客户端 的应用场景以及功能设计，并介绍了监控调度客户端的模块设计。 关键词：关键词：混合视频流 调度系统 远程接口方法调用 简单网络管理协议代理 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract the application field of video monitoring technology has got expanded largely because of the network and digital technology. the application in highway has also got greater attention. video monitoring technology has been applied to the great management of the highway. however, how to set up an effective network monitoring system is an important issue. in this paper, the actual needs of the highway is analysed carefully for the project of highway monitoring management system, and the hybrid stream video surveillance system software based on internet is designed and realized. in this system, all the video signals from the road, toll station and tunnels are collected, and tranmited to the toll station or monitoring center for display and storage. the system also analyse the video signals automatically. when the abnormal situation occurs, the alarm information will be sent to the managers for attention. this paper analyses the actual situation of the highway, and confirms the toll station is connected with monitoring center through rpr. the system use the distributed management model of c/s. at the same time, this paper also defines the ability of the toll station and the monitoring center. next, the critical technology of this system are introduced, such as mixed video streaming, remote interface method invoked and simple network management protocol agent. the mixed video streaming is used to meet the different video quality needs of the big screen, monitors, computer monitors and other display devices; the remote interface method invoked is the communication way between the client and the server; simple network management protocol agent is to provide the access of the standard network management. the system contains the hardware for business access,equipement for transmission and the scheduling management software system mainly. the design of the scheduling management software is introduced. the rimi protocol is used in the communication between the scheduling management server and client. the scheduling management server uses snmp agent to realize the management based on snmp protocol. the function of the scheduling management server is analysed, too. in the end, the application scene and function design of the monitoring iii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 scheduling client is introduced carefully. the model design and procedural framework are also introduced. keywords：mixed video streaming scheduling system remote interface method invoked simple network management protocol agent 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 本课题是以武汉某公司的高速公路的视频监控系统为背景的。当前高速公路遍 及世界各国，在我国高速公路也是交通运输的主要方式，高速公路的发展直接影响 着我国经济的发展，所以高速公路的建设不容忽视，从而高速公路监控系统的开发 及应用也受到了很多关注。经济的发展促使对于高速公路监控系统的要求更加苛刻， 组建有效的联网监控系统势在必行。 视频监控系统允许管理人员实时的监控道路实际情况，还允许足不出户就了 解高速公路沿线的交通运输情况及异常情况，以此管理人员可以做出正确的判断 和决策，并采取相应正确的控制措施。同时，视频监控对交通事故现场进行录像 并存储相关的时间、地点等附加信息，以备事后分析，所有这些都更加有利于对 交通的管理和控制。 目前视频监控方案已经越来越完善，但是还存在着一些问题。首先，目前的 视频监控方案还停留在比较原始的层面，总是重点解决“想看能看到” 、 “想查能 查到”等问题，但是却忽视了视频监控的更为内在的优势，虽然现在的方案有助 于应对紧急事件和降低再次事故危险，但是还不能做到主动对异常事件的及时告 知，另外当前的视频监控系统使监控人员的工作繁重，不能及时发现交通事故和 道路异常等问题，造成整体的协调能力不高。其次，当前的视频监控方案的信息 传输方面也存在不足。如有一些解决方案把视频图像全部压缩成一种形式进行传 输，这些图像信息传输到监控中心后在大屏上显示不清晰，图像质量差严重影响 了应急指挥的调度。还有的视频解决方案中视频无法直接由计算机接收，不便于 视频的检索及管理。 综上所述，必须对视频监控系统进行更多更好的创新。为了实现高速公路管理 的“想看能看到、要查能查到、有事能知道” ，同时具备管理简单、扩容方便，并发 挥视频监控的巨大潜力，提高高速公路管理的综合协调能力，故提出了基于以太网 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 混合视频流的监控系统的概念。 1.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 高速公路视频监控系统的发展是随着视频监控系统的发展而发展的，当前科技 的创新以及网络的普及推动着视频监控系统由模拟视频监控向网络化数字视频监控 方向发展，高速公路的视频监控系统也随之跟进1。监控系统作为安全防范系统的一 部分，以其直观、方便、快速的特点而广泛应用于许多场合，并且也受到越来越多 的人的关注。 在国外高速公路的建设和发展得到了政府的高度重视，高速公路的发展是与国 家的综合实力相对应的，这必然促使各国政府更加重视高速公路视频监控系统的开 发和完善2， 有些政府已通过一些特别的措施来引导特许公司通过自己的经营机制来 发展联网高速公路，进一步完善高速公路的各个方面，同时也以更高的技术标准来 要求，这在某种程度上来说促进了高速公路视频监控系统的功能的完善。在技术方 面，更是在逐步实现信息化高速公路，卫星检测及控制系统也得到了广泛的应用， 这无疑促使科研人员进行更加深入的开发工作来实现更加丰富的功能。当前视频监 控解决方案很多，但是每种视频监控系统的方案都存在一定的局限性，需要以发展 的眼光和长远的思维来科学的发展视频监控系统。 高速公路发展在一定程度上体现了一个国家经济发展水平，中国高速公路的建 设首先是从对高速公路的认识开始的，经历了起步建设阶段和快速发展阶段，到现 在为止，高速公路的发展已经实现了历史性的跨越，但是同世界相比还存在一定的 差距，需要进一步的完善。当前经济发展的需要，使降低运输成本、提高运输效率 的需求越来越迫切，这促进了国内的安防产品公司对高速公路的视频监控系统进行 深入的研究，来实现各种各样的功能来满足高速公路实现多方面管理的需求。 总之，高速公路视频监控系统将越来越向分布和采集集中管理、高品质图像压 缩处理、功能模块化、开放标准统一接口、统一认证、及操作人性化以的方向发展。 1.3 本文的主要内容及章节安排本文的主要内容及章节安排 网络视频监控技术的发展扩展了视频监控的应用范围，各个领域在利用视频监 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 控的同时也推动了视频监控技术的发展。现有的视频监控系统有多种解决方案来实 现不同领域的监控要求，但是如何实现监控系统的有效管理和维护将成为视频监控 的一个重要课题。 本文进行了简单的系统需求分析，并对系统所涉及的关键技术进行了重点介绍， 设计了一个基于以太网混合视频流的监控系统。所谓的混合视频流是基于满足大屏、 监视器、电脑显示器等不同显示设备的对于视频质量的不同需要而提供的多种码流。 在这里给出了调度管理服务器的设计，并详细介绍了监控调度客户端的设计。 论文的主要内容如下： 第一章概述了课题的研究背景及意义，对国内外研究现状进行了介绍。最后介 绍了论文的主要研究内容。 第二章对此系统应用的高速公路需求进行了分析，主要分析了系统的结构需求， 同时给出了系统中节点即控制中心和收费站的功能定义。 第三章对此系统中所使用的关键技术进行了简明扼要的介绍。 第四章论述了系统的总体设计，并介绍了监控调度服务器的设计。 第五章详细论述了监控调度客户端的设计：功能设计、结构设计及模块设计， 并对客户端的功能进行了测试实验。 第六章总结全文并提出展望。 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 系统需求分析系统需求分析 2.1 系统需求描述系统需求描述 高速公路视频监控系统就是要能够实现大量的视频信号的接入，能对操作人员进 行权限管理，能容许操作人员随意调看在权限范围内感兴趣的视频信号并对前端进行 一定的控制，能以集中和分布式两种方式对系统的运行进行管理和控制，并能提供适 当的辅助信号传输通道。高速公路图像监控系统一般包括对道路、服务区、收费站以 及隧道的图像监控 3-4。对道路的监控是每隔一段距离设置一个监控点，每个监控点 的监控信息全部由收费站收集起来，然后由收费站发送到监控中心进行集中存储和控 制；对收费站的图像监控是对所有的收费亭、收费车道、前后广场、收费站监控室和 财务室进行监控，在收费站监控室本地存储这些收费站信息，只选择少量图像上传到 监控中心进行监控；对服务区的图像监控和对隧道的图像监控与收费站的图像监控相 似。在整个系统中，视频信息可以通过大屏、监视器、pc 机进行显示。 2.2 系统结构分析系统结构分析 2.2.1 系统拓扑结构系统拓扑结构 rpr rpr rprrpr收费站收费站 监控中心 收费站 图 2-1 系统环形结构 高速公路的管理站点和设备前端基本上都分布在道路两侧，简单的可将系统理 解成通过通信线缆将管理站点和设备连接起来，这就形成了线形结构，即高速公路 的路段是一个线性拓扑的结构，可是线形结构不容易实现故障保护，所以采取了环 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 形结构， 如图 2-1 所示， 显示了环状结构的连接方式， 各收费站通过弹性分组环 （rpr） 和监控中心连接起来，通过 rpr 技术可以提高系统的故障保护能力5。 图 2-2 为系统的总体结构图， 图中可以看到有收费站、 桥梁所、 隧道所、 服务区、 控制中心、分控中心、省厅控制中心等节点，道路上的图像都是由离它最近的收费 站进行收集和管理的，总的来说整个系统是以控制中心为核心的，通过环形网络将 收费站、隧道所、服务区这些管理站点连接起来，通过星形网络连接分控中心，再 通过专用网或者公用网连接到省厅控制中心，这样可以确保控制中心所管路段具备 故障保护能力，提高了系统的稳定性和可靠性。 通信网 rpr/ge rpr/ge rpr/ge 控制 中心 控制 中心 省厅控 制中心 省厅控 制中心 分控 中心 分控 中心 收费站收费站 服务区服务区 桥梁所桥梁所 隧道所隧道所 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 收费站收费站 分控 中心 分控 中心 ge ge fe fe 图 2-2 系统结构图 图 2-2 中的每个管理站点定义为网络中的一个节点， 每个节点都可独立成一个系 统，这些系统实行分级管理控制。省厅控制中心可以接入多个控制中心，往往会接 入全省境内全部路段的控制中心，是控制中心的上级管理节点。由于省厅控制中心 不属于路段监控系统，在此不对其进行详细说明。除省厅控制中心外，系统中其他 节点都以控制中心为核心。分控中心从控制中心申请得到相应的信息，如视频和音 频信号，必要时通过控制中心对关注的前端设备进行控制。其他节点向监控中心提 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 供信息，并接受监控中心的控制。各级控制中心以外的节点间，没有直接的信号交 换，即只允许其他节点的信号从某个节点经过，并不从这个节点输出。 2.2.2 系统管理结构系统管理结构 根据当前高速公路的环境需求， 从整个管理系统的角度出发， 可以用图 2-3 来抽 象高速公路的分布式管理模型6。 监控中心 收费站收费站 监控点监控点监控点监控点 客户端 客户端客户端 图 2-3 高速公路管理模型 根据模型可以知道高速公路采用了分层管理模型，在这里省厅监控中心被忽略 掉，主要研究监控中心和收费站两个层次。收费站的概念还包括隧道所、桥梁所以 及服务区等一些平级的单位，而监控点包括接入设备、编码设备、解码设备、检测 设备、存储设备。同时还可以更进一步的将参与管理的设备分为两种级别即管理对 象和被管理对象，监控中心和收费站属于管理对象，收费站和监控点是被管理对象， 需要注意的是收费站既是管理对象也是被管理对象，更进一步说也就是收费站向监 控中心提供服务，监控点向监控中心提供服务，所以收费站和监控中心之间需要有 服务器来完成管理和被管功能，而监控点设备必须实现被管功能，那么按照 c/s 的 概念来划分7，提供服务的服务器，请求服务的为客户端，则可以得到以下如图 2-4 的服务器客户端模型。在这个模型中，监控点向监控中心提供服务，所以充当了服 务器。 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 服务器服务器服务器服务器 客户端 客户端客户端 客户端 服务器 客户端 服务器 客户端 服务器 图 2-4 服务器客户端模型 2.3 系统节点定义及说明系统节点定义及说明 2.3.1 控制中心控制中心 控制中心是以交换为核心的， 如图 2-5 所示。 中心交换设备主要是完成各种功能 单元间的信息交流，功能单元主要可分成几类：信号接入类，包括路段信号接入、 本地信号接入和辅助信号接入等；视频显示类，包括各种视频直接显示、信息发布 和视频及相关信息记录；控制管理类，包括智能事件检测和控制台；分控类，包括 连接省厅控制中心和主要道路运营维护部门。各功能单元都通过以太网与中心交换 设备连接，除辅助信号接入采用快速以太网连接外，其他都通过千兆以太网连接。 记录和信息发布与其他功能单元不同，他们可以有两个信息来源：一个是直接从中 心交换设备获得；一个是从功能单元获得。 中心交换的核心其实就是千兆以太网交换机，交换机通常只有有限的专用级 联接口，这样的级联系统的无阻塞交换能力也就受阻，所以一般采用独立大容量 交换机。路段信号接入是指将在收费站、服务区、隧道所和桥梁监控所得信号接 入到控制中心。以收费站为例，收费站集中收费监视信号和路段信号后，通过由 干线光纤连接而成的 rpr（弹性分组环） ，根据控制中心的要求，向中心发送相关 信号。由于信号在收费站进行了收集和处理，在 rpr 上除会传输标准视频信号外， 同时必然还要传输监视视频信号、记录视频信号和发布视频信号，还有辅助信号以 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 及控制管理信号等。rpr 具有单点故障保护能力，当出现故障时 rpr 会由双向环变 成单向环来保护业务。 图 2-5 控制中心结构图 当控制中心需要将附近路段上的信号接入时，就会有本地信号的接入，本地信 号的接入包括模拟视频信号接入和辅助信号接入，模拟视频信号接入是首先将模拟 视频信号变换成标准视频信号，然后接入到中心交换设备进行调度和处理。辅助信 号接入指将独立的或与模拟视频信号关联的音频、异步数据和开关量等信号进行适 配，然后接入到中心交换设备进行调度和处理。与视频信号接入不同，辅助信号接 入还包括从中心交换设备取出相应的信号，并还原成要求的格式或接口形式输出。 视频信号的显示有四种方式，既分别是通过大屏、电视墙、监视器和计算机显 示。由于大屏尺寸大，甚至可以由多块屏组合成一个更大的屏幕，因此对视频信号 的要求较高。电视墙和监视器的尺寸不会太大，对视频信号的要求不太高。用计算 机显示时，这些信号都必须在网络内传输，特别是向互联网进行信息发布，网络带 宽严重限制了视频信号的质量，所以这种信号的质量最差。 控制台是用户与监控系统的接口，系统所有功能都能通过控制台向用户展现， 控制台既可以是监视器加控制键，也可以直接是一台计算机，主要实现对系统设备 中心交换 路段 信号 接 入 本地 信号 接 入 辅助 信号 接 入 显示 信息发布 控制台 智能事件 检测 记录 省厅信号 适配 连接分控中心 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的配置管理和操控应用两个功能。配置管理控制台完成第一个功能，信息调度控制 台完成第二个功能。智能事件检测器是从信号中分析出异常情况，并将异常情况以 参数的形式表示出来，并将这些参数报告给相应的报警管理服务器，同时在输入的 视频信号上叠加相应的异常标示，形成一种新的视频信号源，称为异常视频信号。 报警管理服务器收到告警信号后，立即向相关控制台发出告警处理提示信息，并启 动相应的报警联动程序。报警联动通常包括将异常视频信号在指定的大屏上显示、 要求以较高质量记录该视频的标准视频信号同时记录告警参数、必要时输出声光警 示。控制台接到相关报警后，执行相应的处理，做好事件记录。 省厅信号适配是指每个路段应向省厅控制中心提供几个视频信号通道，并接受 省厅控制中心的控制，但是省厅监控中心是一个独立的系统，且其通过广域网与各 路段的控制中心连接，其所要求的信号格式可能与控制中心能提供的不一致，这样 就需要对信号进行适当的转换或处理，以实现省厅中心对每个路段的控制。 2.3.2 收费站收费站 收费站是分布在高速公路上的特殊信息收集点，与其类似的还有服务区、隧道 所和桥梁所等。收费站通常收集收费亭及前后广场前端产生的信息，同时收集该收 费站管理中心的本地信息，大多数情况下还收集该收费站附近的路段上前端产生的 信息。收费站只监控与收费相关的信息，并按要求从提供适当数量的通道给控制中 心选择监控这些信号，路段上的信号在收费站不做任何处理，直接传输到控制中心。 服务区几乎是一个独立的系统，甚至不会收集路段上的前端信号，只是给控制中心 提供适当数量的监控通道，是收费站的一个子集。隧道所和桥梁所完全相同，只是 所监控的对象不同，分别对应隧道和特大桥梁，因此他们监控的对象都属于路段前 端信号。由于隧道通常都需要监控，实际情况下更多见隧道所，桥梁所相对较少见， 特别是目前常只针对隧道群设置隧道所，单个隧道的监控信号会当作普通路段信号 集中到附近的收费站，桥梁所就更少见了。 如图 2-6 所示收费站监控子系统的基本结构。 收费站的主要功能是收集并监控本 地接入的信号。收费站通过 rpr 节点与其他收费站连接，但并不从其他收费站获得 业务信息。本地信号主要分为两大部分，一部分是与收费相关的信号，另一部分是 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 来自路面前端的信号。所有这些信号首先都将以标准视频信号的形式接入到收费站 交换设备，然后都经过压缩编码产生记录视频信号，根据收费站和控制中心的监控 要求产生监视视频信号。显示功能模块只对收费相关信号进行显示，也分大屏、监 视器/电视墙和控制台三种，路面前端信号不在收费站显示。记录功能模块完成对收 费相关信号的记录，不记录路面前端信号。 路面前端信号通过单点或多点远程接入方式接入到收费站， 信号以标准视频信号 形式进入收费站交换设备后，全部进行压缩编码产生记录和发布视频信号，根据控 制中心要求产生监视视频信号。产生的全部压缩编码视频信号以及控制中心选择的 标准视频信号都通过 rpr 节点送往控制中心。 控制台功能模块与控制中心的类似， 只是其作用范围仅限于本收费站与收费相关 的设备和业务，可实现对本收费站的设备进行配置管理，以及进行业务信号的选择 和对前端的控制等。 图 2-6 收费站系统总图 收费站也可以根据需要设置智能事件检测功能， 在这个系统中智能事件检测器只 需要对路面前端信号进行分析，这是因为收费站的主要场所都有人在现场，当然对 于一些对特殊位置会在特定时段进行智能事件检测，如收费管理中心的财务室和停 车场等位置。智能事件检测模块的工作方式与控制中心的基本相同，只是当事件与 收费站交换 rpr 节点 本地信号接入辅助信号接入 显示 控制台 智能事件检测记录 连接另一个收费站或监控中心 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 收费相关时则在本收费站实现联动，与路面前端信号相关时，是将相应的分析结构 上传到控制中心进行统一联动。 2.4 监控系统软件结构分析监控系统软件结构分析 在第二节分析了系统的整体管理结构，整个系统采用了 c/s 模式的管理模型， 因此监控软件系统采用 c/s/m（客户端/服务器/被管对象）架构模式，支持多用户 通过网络远程接入到调度管理服务器，完成多用户接入和并行操作的目的，其网络 连接拓扑如图 2-7 所示。 以太网 客户端客户端 服务器服务器 客户端客户端 以太网 被管对象被管对象被管对象被管对象被管对象被管对象 图 2-7 网络连接拓扑图 图中描述了客户端、服务器和被管对象三者之间的连接和管理关系，多个客户 端可以同时接入到服务器上，并行完成各自的业务请求，根据管理域划分数个被管 对象由某一台服务器管理，客户端则通过服务器完成对被管对象的操作和管理，不 允许绕过服务器直接访问被管对象，也就是说所有的请求和回应必须逐级传递完成， 绝对不允许跨越层次越权访问管理8-10。 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.4.1 c/s/m 三层架构三层架构 软件系统采用了 c/s/m 三层架构设计，将系统分离成客户端、服务器和被管对 象三个主要的层次，如图 2-8 所示，这是个分层的管理结构11。 c/s/m 三层架构图的左半部分中，多种客户端实体（包括调度管理客户端、网 络管理客户端、事件告警客户端和视频检索客户端）构成了架构中的客户应用层， 而调度管理服务器构成了管理服务层，最后所有的业务功能盘（包括标准视频编码 盘、标准视频解码盘、标准音频编码盘、标准音频解码盘、网络视频记录器等）构 成了被管对象层。 c/s/m 三层架构图的右半部分是左半部分的直接抽象，将每一个层次中的实体 均抽象成为一种对应的角色。客户应用层所包含的实体均充当客户端的角色，而管 理服务层所包含的实体均充当服务器的角色，最后被管对象层所包含的实体均充当 被管对象的角色。充当某种角色的实体同时亦隶属于某个层次，必须履行角色所定 义的职责，同时参与层内和层间的交互与协作，组成完整系统向用户提供所承诺的 功能。 调度管理 客户端 网络管理 客户端 事件告警 客户端 视频检索 客户端 调度管理服务器调度管理服务器 svrsvr 标准视 频编码 标准视 频编码 监视视 频编码 监视视 频编码 网络视 频记录 网络视 频记录 server client managedobject * +access1 +manage1 * 图 2-8 c/s/m 三层架构图 根据 c/s/m 三层架构图得到 c/s/m 层次接口图。如图 2-9 所示，采用了 mvc 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的设计模式12，分别对应着客户应用层、管理服务层、被管对象层。 server client managedobject * +access1 +manage1 * view controller model design pattern 客户应用层 cal 管理服务层 msl 被管对象层 mol 分布式中间件 rimi operator 用户接口 ui 硬件接口 hi +interact 图 2-9 c/s/m 层次接口图 从最上层来看， 操作员 operator 通过与客户端的用户接口 ui 进行交互来使用本 系统，ui 属于所对应的客户端系统，是用户直接感知本系统的入口和关键，ui 设计 的友好性直接影响着用户对系统的使用和评价。 在客户应用层和管理服务层之间以及管理服务层和被管对象层之间存在着两个 层次的交互接口，该交互接口属于程序接口，通过特定的分布式中间件 rimi 完成对 程序接口的分布化，在这两个层间采用了相同的分布式中间件，是为了能够降低开 发难度、避免开发重复性和提高系统一致性，统一层间对象交互机制和形式。 最下层直接关系到被管对象和硬件环境的交互接口，一般情况下硬件接口均采 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 用设备驱动程序的形式提供，为了屏蔽不同硬件设备和驱动程序的多样性和复杂性， 在被管对象中需要引入硬件抽象层（hal）来统一同类硬件的管理和操作接口。 2.5 本章小结本章小结 本章主要分析了高速公路的监控系统的需求。首先对高速公路的实际情况进行 了需求描述，指出高速公路监控系统应该完成的功能；其次对高速公路监控系统的 拓扑结构和管理结构进行了详细的分析，确定各收费站以弹性分组环（rpr）的形 式与监控中心相连，并确定系统采取基于 c/s 模式的分布式管理模型，此外，详细 描述了系统中节点监控中心和收费站的信号接入和输出情况；最后对监控系统软件 结构进行了分析。 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 系统关键技术系统关键技术 3.1 混合视频流混合视频流 此监控系统为了满足大屏、监视器、电脑显示器等不同显示设备的对于视频质 量的不同需要，系统提供了多种视频码流。其中标准音视频是高清数字非压缩 656 码流，监视音视频是采用 mpeg-2 压缩形成的 8mbps 的码流，存储音视频是采用 h.264 压缩形成的 2mbps 码流。 3.1.1 非压缩的非压缩的 656 码流码流 itu-r bt.656 是国际电信联盟(international telecommunication union)无线 通信部门（itu-r）指定的编码标准13-15。标准音视频数据就是非压缩的 656 码 流，它是由 656 编码器产生，可能会被 656 解码器、8m 编码器、2m 编码器、视 频检测器所接收，标准音视频码流统一采用链路层多播方式进行传输和交换。如 图 3-1 所示，首先管理对象为每一路需要传输标准音视频数据分配一个唯一的多 播 mac 地址，然后通知接收者加入到该多播组中准备接收数据，通知发送者向 该地址发送多播数据，结束本地调度的只需要逆向定制发送者和接收者的动作就 可以了。 为了节约网络传输带宽和交换容量使用多播的方式进行音视频数据的传输。在 以太网中无论单播还是多播均提供了对应的支持， 只是由于以太网多播采用的是端 口广播的方式来实现的，和上面所提到的一样虽然数据能够正确地到达接收者，但 是同样会占用大量的端口带宽，不能很好的适应大数据量的视频传输应用。通过 igmp snooping16功能交换机可以很好的解决这个问题，igmp snooping 的基本原 理就是建立起端口和多播地址之间的一对多关系，当多播数据到达时，首先判断哪 些端口对该多播地址感兴趣，对于感兴趣的端口才转发数据包，这样就很好的避免 了不必要的数据复制和带宽浪费问题。 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 管理对象标准视频源标准视频宿 entermultigroup 交换设备 igmp membership report rebind address to i/f sendmulticast send data recvmulticast stopmulticast stop leavemultigroup igmp leave group unbind address to i/f stopmulticast 开始发送结束发送 图 3-1 标准视频调度 igmp 协议属于网络层协议，是一种特殊的 ip 报文，igmp snooping 功能表示在 数据链路层监听网络层的 igmp 报文，获得多播地址，从而完成端口多播的映 射关系的建立。 igmp snooping 功能主要监听两种 igmp 报文：成员报告、成员离开。这两个报 文都是由 dte 设备发起的，简单的说“成员报告”报文表达一个 dte 设备要加入 到某个多播组中，而“成员离开”报文表达一个 dte 设备现在要离开某个多播组。 为了使得igmp snooping功能正确地运行就必须让dte设备发送两种igmp的报文， 也就是在需要接收多播数据时发送“成员报告”报文，在不需要接收报文时发送“成 员离开”报文就可以了。 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3.1.2 采用采用 mpeg-2 压缩的压缩的 8mbps 码流码流 mpeg-2 标准是针对标准数字电视（sdtv）和高清晰电视（hdtv）在各种应 用下的压缩方案和系统层的详细规定，广播级的数字电视的编码和传送经常用这个。 mpeg-217-19在 mpeg-1 的基础上进一步完善了系统和传送方面的问题。 mpeg-2 图 像压缩主要就是图像中存在大量的冗余信息，只要将这些冗余信息去除，只传输少 量的非相关信息就可以大大节省传输频带。 管理对象监视视频源监视视频宿 entermulticast 交换设备 igmp membership report rebind address to i/f sendmulticast send data recvmulticast stopmulticast stop leavemulticast igmp leave group unbind address to i/f stopmulticast 开始发送结束发送 图 3-2 监视视频调度 监视音视频是采用 mpeg-2 标准的 8m 编码器产生的码流，由对应的 8m 解码 器接收，考虑到该码流所占带宽并不是太大基本上会由 cpu 集中处理，不方便直接 操纵链路层数据通信，所以采用网络层多播作为传输和交换的手段。该过程和标准 18 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 视频调度过程基本一致，仅仅只是需要将 8m 码流封装到网络层数据包中后再通过 链路层传输。如图 3-2 所示，其调度过程和标准视频的调度相似，首先管理对象为 每一路需要传输标准音视频数据分配一个唯一的多播 mac 地址， 然后通知接收者加 入到该多播组中准备接收数据，通知发送者向该地址发送多播数据，结束本地调度 的只需要逆向定制发送者和接收者的动作就可以了。 3.1.3 采用采用 h.264 压缩的压缩的 2mbps 码流码流 管理对象存储视频源存储视频宿 tcp connect recvunicast sendunicast stopunicast relink recvunicast send stopunicast stop stop unlink tcp disconnect 开始发送结束发送 图 3-3 存储视频调度 扩展的互联网应用使得传统的视频编码已经无法满足需要， h.26420视频编码标 准就这样产生了，h.264 使图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，这是因为它能够 19 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 在较低的宽带上提供高质量的传输。h.264 在制定时就充分考虑了各种实际的需求， 并使用了许多已经研究出来的视频标准的研究成果，相比之下，具有很明显的优势。 存储音视频是采用 h.264 标准 2m 编码器产生的码流，由对应的 nvr（网络视 频记录器）接收码流并存储。综合考虑码流大小和存储的可靠性要求，如图 3-3 所 示，选择采用 tcp 方式进行码流的传输和交换。 3.2 远程接口方法调用（远程接口方法调用（rimi） 分布式系统具有高度的内聚性和透明性，这主要是因为分布式系统是建立在网 络上的软件系统。当前远程视频监控系统就是一个分布式系统，是通过网络将监控 信息进行远程传输，以实现在不同的分控中心查看某一个或者某几个监控音视频信 息，实现分布式的音视频信息的接入和共享。 3.2.1 远程接口方法调用（远程接口方法调用（rimi）机制）机制 计算机之间对象可以互相调用对方函数， 启动对方进程的机制是一种远程方法调 用（rmi）21机制，在这种机制下，某一台计算机上的对象在调用另外一台计算上 的方法时，两台计算机使用的程序语法规则是一样的。这种机制极大的方便了分布 式系统的设计及编程，只要按照 rmi 规则设计程序，可以不必再过问 rmi 之下的网 络细节。 在上一章中已经讨论了系统的分布式管理模型，系统主要采用的是客户端服 务器模型。为了简化收费站、监控中心等节点之间交互信息的复杂性，如果客户 端能够像调用本地函数那样调用服务器上的函数，那么客户端在实现功能时就不 会感知到该函数到底是由自身实现还是由服务器实现，这样就能极大地减少协议 处理的难度和工作量，同时也能够用描述本地接口的方法来描述服务器所提供的 功能服务。 一般情况下用 c+语言来定义系统的功能接口，如： interface imath virtual int32_t abs( int32_t val ) = 0; 20 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ; imath 接口中定义了一个用于计算绝对值的方法，那么为了实现 abs 这个方法如 下： class cmath : public imath public: virtual int32_t abs( int32_t val ) if ( val = 0 ) return +val; else return val; ; 有了这样的一个实现， 用户就可以调用这个 abs 方法来对一个有符号数求取其绝 对值了，过程如下： imath *math = new cmath; int32_t v = math-abs( -1 ); 现在分析两种情况：cmath 被实现于调用者进程中,cmath 被实现于服务器进程 中。如果是第一种情况，由于 cmath 的实现体和调用者处于同一个地址空间中，所 以可以采用上面直接的调用方法就可以完成服务的请求过程，并可以直接通过函数 返回值得方法来获取服务的结果。 但是如果是第二种情况，由于 cmath 的实现体和调用者处于不同的地址空间中 （包括跨进程边界和跨机器边界两种情况） ，所以不能直接获取对象的接口指针（或 引用） ，也就是说 imath *math = new cmath 这句话是不能工作的，没有了接口指针 就没有办法去访问接口中的方法了。那么唯一的办法就只能是请求服务器代为执行 abs 方法，并且将执行的结果返回给客户端，所以客户端就必须通知服务器获取对象 的接口指针，并将调用 abs 方法所需要的参数传递给服务器，通知服务器执行 abs 函 21 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 数，服务器执行完成后将返回值返回给客户端，这样就完成了对一个数求绝对值的 操作。可是这个执行过程和第一种情况下的执行过程是完全不同的，可以说是一个 完全的协议交互处理过程，不再是接口方法的调用过程，复杂度和工作量随之增大 了好几倍22。其实我们仍然可以将这样的一个过程还原成为第一种情况下的调用过 程，只要将所有和协议有关的处理全部隐藏起来，由一个统一的机制来实现就可以 了，这个机制就是远程接口方法调用机制（rimi） 。 如图 3-4 所示，servant 就是服务器上的 cmath 对象，他才能够实际执行客户所 需要的功能 abs，在调用者（也就是常说的客户端）那一端如何才能够像调用本地接 口那样调用服务器上的接口呢？在这里我们引入了一个 proxier 对象， 它作为 servant 的一个代理用于收集调用者所发起的请求，然