【毕业学位论文】（Word原稿）某小区视频监控系统设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 某小区视频监控系统设计与实现 二一年十月 姓 名： 学 号： 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一三年九月 in 2013 of 某小区视频监控系统设计与实现 同济大学 位论文版 权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 近年来随着社会经济和科学技术的飞速发展，人们对安全技术防范的要求也越来越高，小区视频监控系统可以实现维护社会治安和防止破坏的作用，是目前比较主流的安全防范技术之一。 本文分析了在运用 现视频采集应用技术的基础上，研究了基于 讨了 #语言 )实现音视频实时数据采集、传输、回放和全双工数据传输的可行性，建立了在 计算机对多视频设备的视频实时控制，实时采集和实时处理乃至实时传输等方法，详细描述了该方法的编程实现，并通过实例验证该方法的正确性和可行性。 现视频采集 为 一个子集，它为用户提供了强大、方便的多媒体开接口，并且它拥有直接操作硬件的能力，这使得它的效率远胜于用 图形方式编写的多媒体程序。 本文 结合实践中运用 现视频采集（ 加深对 理解和操作能力。通过对本课题的研究，从而进一步了解有关视频 捕捉技术的发展和在实际应用中采取的一些常用视频捕捉方法。 依照软件工程定义的软件开发流程，从需求分析开始，经过需求调研形成需求规格说明书， 并 在此基础上 对系统进行了 系统总体设计、各功能模块的设计，最终实现了一个区视频监控系统。 关键词： 频捕捉，实时监控，视频信息处理 n of s is of to (C# to in of of as a a it to it DI of is to on of be of to of is on a of of a in is 济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1章 引言 . 1 题背景 . 1 内外研究现状 . 1 文主要研究内容 . 2 文结构 . 3 第 2章 相关技术 . 4 . 4 述 . 4 台的基本思想 . 5 要开发技术 . 5 层次结构 . 7 频传输技术 . 9 频编码技术 . 10 频捕获技术 . 12 术介绍 . 13 术介绍 . 14 种常用技术（ 比较 . 20 第 3章 系统需求分析和总体设计 . 22 求分析 . 22 . 23 统的架构需求 . 23 功能需求 . 24 系统的用例图 . 25 统总体设计 . 26 统的任务与原则 . 26 统总体结构 . 27 系统中的模块设计 . 27 备枚举模块 . 27 频捕捉模块 . 29 同 济大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 视频信息处理模块 . 32 . 33 . 33 第 4章 系统的详细设计与实现 . 34 于 视频捕捉的设计 . 34 发平台简介 . 34 . 42 备枚举类的设计 . 43 . 45 于 视频信息处理的设计 . 47 频数据信息的种类介绍 . 47 频图像的基本处理 . 48 . 50 频捕捉及视频信息处理类的设计 . 51 备枚举功能的实现 . 55 频捕捉的功能实现 . 55 建图表中的 . 55 建图表 . 56 频信息处理的功能实现 . 58 . 58 获单帧数据并处理数据 . 59 视频通信功能实现 . 60 . 60 . 62 第 5章 系统使用 . 69 统概述 . 69 成熟性 . 69 . 69 . 70 统优势 . 70 . 71 统界面 . 72 同济大学 硕士学位论文 目录 V . 72 . 72 . 73 . 74 第 6章 总结与展望 . 75 结 . 75 望 . 75 致谢 . 77 参考文献 . 78 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果 . 79 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 题背景 近年来，随着社会经济和科学技术的飞速发展，城乡居民生活水平有了显著的提高，居住条件不断改善，人们对安全技术防范的要求也越来越高，但是犯罪手段也在不断变化。人们在解决了居住问题后，日益关心的是居住安全，因为对于那些流窜作案的犯罪分子往往选择居民住宅区作为作案目标，入室盗窃、抢劫案频频发生，以往依靠小区保安以人防为主的防范措施已远远不能满足人们的安全需求。为了打击各种各样的经济刑事犯罪，保护国家和人民群众的生命安全，保证各行各业和社会各部门的正常运转，采用高科技手段预防和制止各种犯罪已成为安全防范领域的发展方向。 小区视频监控系统可以实现维护社会治安和防止破坏的作用，及时地把一切可能发生的或即将发生的案件和险情的图像资料传送到监控中心，使监控中 心的值班员可以直接观看到被监视场所的情况，一目了然，同时它可以把被监视场所的图像记录下来，可以为日后对某些情况的处理提供方便条件及重要的依据。可以把这些危害和隐患扼制在萌芽状态，杜绝财产损失、确保人员生命安全，能更好地为管理服务 1。 鉴于住宅小区视频监控系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，也是目前比较主流的安全防范技术之一 2，它可以有效地降低物业管理人员的工作量，提高工作效率，保障小区的安全防范。因此小区视频监控系统的设计与应用研究具有一定的理论价值和使用价值。 内外研究现状 在国 内外市场上，主要推出的是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，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中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而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展 3。 目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。视频监控系统的发展方向前端一体化、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，同 济大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 2 网络化又是系统集成化的基础 4，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 数字化，数字化是 21 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）从模拟状态转为数字状态，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 5。 网络化，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，容错可靠等优点。 未来在视频监控系统中最为核心的部分的将是视频监控管理平台，随着视频监控系统的进化，以及视频监控采集点的增多，数字化监控趋势正坚定不移地朝前迈进，视频监控管理平台也越来越引起人们的关注。 文主要研究内容 本课题是在研究国内外一些住宅小区已经应用的视频监控系统和一些应用在已经实施的视频监控系统上的成熟技术，结合自身所学，立足于中房印象住宅小区的业务实际，做出的对住宅小区视频监控系统部分模块的需求分析和实现的初步研究，主要涉及以下内容： 1、对国内外已经处于 应用阶段的住宅小区视频监控系统的框架研究； 2、对一些广泛应用于视频监控系统中的技术的研究，如视频数据采集技术，视频数据传输技术已经视频数据压缩技术等； 3、对中房印象住宅小区现有业务需求的研究分析； 4、对住宅小区视频监控系统的架构设计和研究； 5、对住宅小区视频监控系统的实现研究；。 本课题设计是在 #语言开发，以 现一个小区视频监控系统。 第 1 章 引言 3 文结构 本文的章节做如下安排： 第 1 章：引言。介绍课题的来源、目的和 意义，国内外研究现状以及论文研究的主要内容。 第 2 章：相关技术。主要介绍了 术，视频传输技术，以及视频捕获相关技术。 第 3 章：系统需求分析和总体设计。对系统进行了需求分析，并对系统进行了整体结构设计。 第 4 章：系统的详细设计与实现。对系统进行详细设计，并实现了系统的各个主要功能。 第 5 章：系统使用说明。对系统的使用进行详细说明，并对一些具体的参数进行了说明。 第 6 章：结论与展望。提出了系统的特点、不足和展望。同 济大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 4 第 2 章 相关技术 略 述 架是 台 ， 它主要包括以下四个部分 ： （ 1）客户端。它指用于个人计算机以及移动和嵌入设备的各种操作系统。例如 ， P、 P 是实现 架的新一代软件客户端。 （ 2）服务。这些服务允许应用程序相互共享数据，并调用其他应用程序的功能，而不必考虑这些程序是如何构建的、它们在哪种操作系统或平台上运行以及使用哪种设备访 问它们等。 （ 3）服务器。服务器用于驻留和部署 及 台。000 支持 可缩放功能。 （ 4）程序员开发工具。这些工具用于在 台的核心上创建 司推出了 提供的框架可以采用四种核心语言进行应用程序开发 ： +和然 是 一部分，但仍然可以用来创建 而也是一种有效的 架开发人员工具。 架中最重要的一个组成部分，它用于创建作为 体应用程序一部分的可编程 。 仅可以生成动态 ，而且可以针对用户使用的浏览器自定义这些页面。在 开发更加容易，因为它包含大量可在应用程序中使用 的面向对象的服务器端控件。 台包括用于创建和操作新一代服务的基础结构和工具；可以启用大量客户机的 于启用新一代智能互联网设备的 备软件。 包括 同建立积木式服务的核心集成套件； 人订购服务； 第 2 章 相关技术 5 于 78。 境中的突破性改进在于： （ 1）使用 统一的 准（如 不同的系统对接； （ 2）这是 首个大规模的高度分布式应用服务架构； （ 3）使用了一个名为“联盟”的管理程序，这个程序能全面管理平台中运行的服务程序，并且为它们提供强大的安全保护后台。 台包括如下组件： （ 1）用户数据访问技术。其中包括一个新的基于 、以浏览器为组件的混合信息架构，叫做“通用画板” 9； （ 2） 基于 000 的构建和开发工具； （ 3）一系列模块化的服务，其中包括认证、信息传递、存储、搜索和软件送递功 能； （ 4）一系列驱动客户设备的软件。 台的基本思想 台侧重点从连接到互联网的单一网站或设备上，转移到计算机、设备和服务组上，使其通力合作，提供更广泛更丰富的解决方案。用户将能够控制信息的传送方式、时间和内容。计算机、设备和服务将能够相辅相成，从而提供丰富的服务，而不是像孤岛那样，由用户提供唯一的集成。企业可以提供一种方式，允许用户将它们的产品和服务无缝地嵌入自己的电子构架中。这种思想将扩展 20 世纪 80 年代首先由 予的个人权限。 开创互联网的新局面，基于 显示信息将通过可编程的基于 信息得到增强 10。 经“万维网联盟”定义的受到广泛支持的行业标准 1112， 览器标准也是由该组织创建的。微软公司为开发它投入了大量精力。但它并不是 专有技术。 供了一种从数据的演示视图分离出实际数据的方式。这是新一代互联网的关键，提供了开启信息的方式，以便对信息进行组织、编程和编辑；可以更有效地将数据分布到不同的数字设备；允许各站点进行合作，提供一组可以相互作用的“ 务” 1314。 要开发技术 （ 1）革新的 据库技术 在 基础上发展起来的，但又和 很大区别，最重要的一点区别是 循更通用的原则，不再专门面向数据库。 大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 6 集合了所有允许数据处理的类，这些类中拥有典型数据库功能（如索引、排序和视图）的数据容器对象 15，可以说 据库应用程序的权威解决方案，尽管如此，但从总体设计上来看，它不象 型那样以数据库为中心，这是 一大特点。 同时 保持着与以前的 型有关的一些主要概念，不过这些概念在 已经得到了更好的完善，并且将不同的数据源统一成同一种结构化的数据，然后从数据库管理系统获得相关数据或者是分级的 据。可以说在 所有数据库连接都按照一个相容的、标准化的设计模型来执行，这就使得数据处理简单得多。 （ 2）全新的 术 使用 架提供的类库构建而成的，它提供了一个 用程序模型，该模型由一组控件和一个基本结构组成。有了它， 用程序的构建变得非常 容易。开发人员可以直接使用 件集，该控件集封了公共的、用于超文本标记语言 （ 用户界面和各种小组件（如文本框、下拉菜单等）。实际上，这些控件运行在 务器上，它们将用户界面转换成 式后再发送给浏览器 16。在服务器上，控件负责将面向对象的编程模型呈现给 种编程模型能提供面向对象的编程技术拥有的丰富功能。 提供一些基本结构服务（如会话状态管理和进程循环），这些服务进一步减少了开发人员要编写的代码量，并使应用程序的可靠性得到了大幅度提高。 允许开发人员 将软件作为一项服务进行传送。通过使用 务功能，发人员只需进行简单的业务逻辑编程，而由 本结构负责通过送服务。 （ 3）其它重要技术（如 程技术） 系中采用的带有革命性、创新性的技术远远不止前面提到的那些。 系中还包括了许多其他关键技术，例如 超集 )、 这些技术和上面提到的技术相配合，构成了现在可以看到的 架 17。请注意， 这些技术并不是相互分离的。 另外贯穿 系的 相关技术（例如 将在本书的后面详细介绍。在 系中，大量的开放标准和技术被采用，并渗透到整个体系结构的底部，这是 略的一个明显特征 18。 还使用标准的 议、 议来实现开发和使用 能力。基于这些开放标准的 术将可以和任意平台的 集成。 第 2 章 相关技术 7 系不仅采用大量开放的工业标准，还 将走上一条标准化的道路。当前而言， 司已将 C#语言规范草案提交到 织，同时被提交到该组织的还有 8。 层次结构 以前所谓的 它的目标是成为新一代基于 分布计算应用开发平台。其大体结构如图 示： 图 系结构 括了两个最基本的组成部分 ， 即通用语言运行库（ 环境和 库。 (1) 架的目的是使你更容易建立网络应用程序和网络服务。上图显示了 架的体系。建立在操作系统最上层的服务，是管理运行时代码需求的 些代码可以用任何现代编程语言所写。 供了许多服务，这些服务有助于简化代码开发和应用程序的开发，同时也将提高应用程 序的可靠性。 括一套可被开发者用于任何编程语言的类库。在此之上是许多应用程序模板，这些模板特定地为开发网络站点和网络服务提供高级组件和服务 19。 （ 2） 运行库 （ 调入并用任何运行感知编程语言所写的代码。以运行为目标的代码被称为受控（ 码，受控代码只是意味着内部可执行代码同 济大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 8 与运行自身间存在已定义好的合作契约。对于像生成对象、调用方法等这样的任务，被委托给了运行库，这使得运行库能为可执行代码增加额外的服务 20。 运行库以交叉语言集成、自描述组件、简单配制和版本化及集成安全服务为特点。 运行库使用一种新的能表达大部分现代编程语言语义的通用类型系统，通用类型系统定义了一套标准类型及生成新标准的规则。运行库知道怎样生成、执行这些类型。编译器和解释器使用运行库服务定义类型、管理对象、进行方法调用，而不是使用工具或特定于语言的方法。 类型系统的主要设计目的是使多种语言能深度集成。用一种语言所写的代码能继承用另一种语言所写的类的实现，用一种语言所写的代码抛出的异常能被用另一种语言写的代码捕获，像调试和剖析之类的操作会在完全封闭 下工作，而不用考虑代码所用的语言。这就意味着编写可重用类库的开发者，不再需要为每一种编程语言或编译器生成一个版本，并且使用类库的开发者不再受到为他们使用的编程语言开发的库的限制。 （ 3）基类库 在 上是基类库框架，此框架提供能被任何现代编程语言调用的类。所有的类都遵循一套命名和设计方针，以大大减小开发人员在学习上所走的弯路。 框架包括一套开发人员希望在标准语言库中存在的基类库，例如：集合、输入 /输出，字符串及数据类。另外，基类库提供访问操作系统服务如图画、网络、线程、全球化和加密的类。服务框架也包括数据访问类库，及开发工具，如调试和剖析服务，能够使用的类 21。 （ 4）数据访问服务（ 几乎所有的网络服务都需要查询和更新永久性数据，不论是以简单文件，还是以相关数据库，或是以其他的存储类型存在。为了提供对数据的访问，服务框架包括 库。如同名字所暗示的那样， 展而来。 设计为基于网络的可扩展的应用程序和服务提供数据访问服务。 连接的指针风格的数 据访问，同时也为更适合于把数据返回到客户端应用程序的无连接的数据模板提供高性能的 就像其余几个部分一样， 义了那些链接数据仓库、对数据仓库发送命令及从中获取结果的类。这些类由受控制数据提供者（ 现。 链接和命令对象看上去和 的是一样的，并且一个名为 新类提供了通过高性能 获取结果的能力 22。第 2 章 相关技术 9 功能上和 录集（ 等同的，但是 设计用来最小化内存中生成的对象的数量，以提高性能，避免垃圾积累。在 包含了针对 受控数据提供者以及可通过问的任何数据仓库。 （ 5）网络服务 通常来说，作为一个网络服务可以通过 准服务与其他网络服务集成在一起，并能发布简单的应用程序。换句话说，它是可以通过 位的自动将信息返回到需要它的客户端那是的一种资源。网络服务一个重要的特点是客户不需要知道一种服务是怎样实现的。 同组件一样，网络服务提供“黑匣子”函数，它 可以被再次作用而不用关心此服务是怎样实现的。网络服务提供被契约的精确定义的接口，此接口描绘了所提供的服务。开发人员可以将远程服务、本地服务和定置代码组合在一起而集成应用程序。例如，某公司可以使用如下服务组建一个在线商店：微软护照服务以验证用户身份，第三方个人化服务以使网页匹配每一个用户的参数，信用卡处理服务，销售税服务，对每个运输公司的包裹跟踪服务，链接公司内部库存管理程序的内部目录服务，以及少量定置代码以使他们的商店能脱颖而出。 频传输 技术 时传输协议 (，是 多媒体传输小组在 1996 年在 公布的，它是为传输音频、视频、模拟数据等实时数据的传输定义的协议。 时传输控制协议，是 控制部分，是用来保证服务质量和成员管理的，这两个协议是密切相连的。 实时应用提供端到端的数据传输服务，但不提供任何服务质量的保证。 议在面向连接或者无连接的下层协议上工作，通常是与 同完成运输层协议功能。 议只是传输数据包 ，是不管数据包传输的时间顺序，需要与 起配合完成实时数据传输 媒体数据经过压缩处理后，首先用 议标准对数据封装，然后将封装好的 据包再进行 装，最后由 络层封装为 据包进行传输。 议提供的服务包括时间载量标识、数据序列、时戳、传输控制等。 循应用级框架 (统一层处理 (原则，它与应用程序结合的非常紧密，通过对应用的特点及要求进行分析来构造控制策略，既提高了会话质量，又实现了网络服务 的公平性。具体来说， 议同 济大学 硕士学位论文 某小区视频监控系统设计与实现 10 的特点主要有以下几个方面： . 1)灵活性 议的控制报文与数据报文使用了相邻的不同端口，从而实现了控制流与数据流分离，提高了协议的灵活性。 2)简单性 身没有提供任何的机制来确保实时的传输或其他的服务质量保证，而是由底层的服务来完成的。它不保证传输或防止乱序传输，也不假定下层网络是否可靠，是否按顺序传送数据包。 文甚至不包括长度和报文边界的描述，而是依靠下层控制协议提供长度标识和长度限制。 议通过将部分运输层协议功能上移至应用层，减轻了运输层处 理工作量，进而提高了该层的传输效率。 3)可扩展性 提供协议框架，根据应用的具体要求，设计人员可对协议进行充分的扩展。 4)适用性 尽管， 议是为多媒体数据流传输而设计的，但是，它的应用场合还包括交互式分布仿真、连续数据存储、部分控制和测量功能实现等。 频编码 技术 20 世纪 90 年代以来，随着 移动通信的迅猛发展，视频信息和多媒体信息在网络中的处理和传输成为了我们信息化的热点。如何既能解决视频信息压缩编码问题，又能保证视频质量，成了我们迫切需要解决的问题。国际电信联盟 (国际标准组织陆续颁布了一系列视频压缩编码的国际标准，按时间的先后大体有 归属于第一代压缩编码技术，而基于对象的 第二代压缩编码技术。在相同的质量下， 数码率比数码率降低一半左右，换言之，在相同的码率下， 信噪比较信噪比明显提高。所以，在本文所述的系统中，采用 为视 频压缩标准。 态图像专家组， 频编码专家组， 合开发的一个高度压缩数字视频编解码器标准，于 2003 年 3 月正式被 过并在国际上颁布， 名第 10 部分。为了适应高清视频以及不同码率和质量的需求，人们不断的完善提高 术标准。 第 2 章 相关技术 11 技术上， 中了以往标准的优点，在相同失真率条件下， 编码效率提高了 50%左右，在 所有码率下都能持续提供较高的视频质量。 适应不同延时模式下的应用，可以在低延时下进行实时通信，也能在没有延时下实现视频存储等。 用“网络友好”的结构和语法，加强了对各种信道的适应能力，以适应不同速率、不同解析度以及不同传输 (存储 )场合的需求 23。 就算法概念而论， 编码结构可分为两个层面 :视频编码层， 络抽象层， 在这两层之间， 出了一个新的概念，进行概念性分割， 前者负责表述视频内容中的核心压缩内容，后者负责通过特定的网络以恰当方式对数据进行打包和传送，这样的结构便于信息的封装，并且对信息实现有更好的优先级控制。 系统框图如图 示。 图 系统框图 与 重点性不同， 此应用范围十分广泛。具体说来， 基本部分