智能安防视频Web监控系统设计（设计成果+说明书+任务书+开通报告）

摘要随着电子信息技术、网络技术、图像处理等技术的飞速发展，网络视频监控技术应运而生。基于RTCP传输控制协议和MPEG-4压缩技术的智能安防网络视频监控以其灵活性、高集成性、便捷性等诸多优点必将成为市场监控的主流。针对视频监控的实际需求，结合网络编程技术、流媒体技术、图像处理技术，设计并实现了一种可靠性高、成本低的基于RTCP传输控制协议和MPEG-4压缩技术的视频采集及压缩系统。首先描述了视频监控系统研究的背景，分析了国内视频监控系统的现状和发展趋势，并阐述了视频监控系统研究的目的和意义。然后，介绍了视频压缩标准MPEG-4的编码标准，详细阐述了MPEG-4出色的压缩效率和强大功能，并进一步研究了基于MPEG-4标准的编码算法。最终完成了智能安防视频Web监控系统软件设计。关键词视频监控，智能安防，流媒体AbstractWiththerapiddevelopmentofelectronicinformationtechnology,networktechnologyandimageprocessingtechnology,thenetworkvideosurveillancetechnologyhasbeenused.IntelligentsecuritynetworkvideosurveillancebasedonRTCPtransportcontrolprotocolandMPEG-4compressiontechnologyforitsflexibility,highintegration,convenienceandmanyotheradvantageswillbecomethemainstreamofthemarketmonitoring.Accordingtotheactualdemandsforvideosurveillanceandduetonetworkprogrammingtechnology,streamingmediatechnologyandimageprocessingtechnology,ahighreliability,lowcost,basedontheRTCPtransportprotocolandMPEG-4compressiontechnologyvideocaptureandcompressionsystemhasbeendesignedandrealized.Firstly,thebackgroundofthestudyofvideosurveillancesystemshasbeendescribed,andthenthecurrentsituationanddevelopmenttrendofthedomesticvideosurveillancesystemhasbeenanalyzed,andthenthepurposeandsignificanceofthevideosurveillancesystemisdescribed.ThenthecompressionstandardofMPEG-4,elaboratedontheexcellentcompressionefficiencyandstrongfunctionsofMPEG-4hasbeenintroduced,andfurthertheencodingcharacteristicsandcodingalgorithmbasedontheMPEG-4standardhasbeenresearchedon.Finally,theintelligentsecurityvideowebmonitoringsystemhasbeenrealized.KeywordsNetworkVideoSurveillance,StreamingMedia,SmartSecurity目录1绪论.11.1课题研究背景及现状.11.2课题研究目的和意义.31.3本课题主要工作.41.4论文总体结构.42视频采集编码系统的硬件开发平台.52.1硬件平台综述.52.2硬件模块介绍.52.3本章小结.83MPEG-4视频编码标准.83.1MPEG-4标准概述.83.2MPEG-4的功能特点.93.3MPEG-4压缩算法的一般过程.103.4本章小结.144实时传输协议.144.1TCP协议和UDP协议的比较.144.2实时传输/控制协议.154.3RTP数据包格式.164.4RTCP协议.174.5本章小结.185视频采集和编码的软件设计与调试.185.1基于DH-CG400的视频采集设计.185.2本章小结.25总结.26致谢.27参考文献.281绪论1.1课题研究背景及现状1.1.1课题研究背景随着互联网技术的普及和高速发展，信息可视化将是未来发展的重要方向之一。作为安防系统的一个重要组成部分，视频监控系统得到了长足发展，尤其是在“平安城市”、全球眼、奥运会、世博会等重大项目的推动下，我国视频监控市场发展迅速1。传统意义上的安防监控系统是需要专门的人员守在监视频幕前，发现火灾的时候人为的发出警报，这样的系统不但耗费了人力并且效率不高。智能视频监控是以数字化、网络化视频监控为基础，但又有别于一般的网络化视频监控，它是一种更高端的视频监控应用。智能视频监控系统能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而能够更加有效的协助安全人员处理危机，并最大限度的降低误报和漏报现象。本课题是来源于淮安市工业发展计划项目：基于WSN和TD-SCDMA物联网技术的火灾视频监控系统研究与开发（HAG-2010030）。本文将介绍将此系统网络化，实现随时随地登录监控并实现报警功能，从真正意义上实现安防监控系统网络化，智能化的要求，提高监控的准确性与效率。智能化、数字化、网络化是视频监控的必然发展趋势。智能视频监控的出现正是这一趋势的直接体现。智能视频监控设备比普通的网络视频监控设备具备更加强大的图像处理能力和智能因素，因此可以为用户提供更多高级的视频分析功能，它可以极大的提高视频监控系统的能力，并使视频资源能够发挥更大的作用。为了推动智能视频产业的发展，达到多方共赢效果，需要将监控设备硬件供应商、智能视频软件供应商、分销商和经销商和系统集成商所有这些参与者合理的组织起来，使他们能够充分发挥各自的优势，创造出能够满足最终用户需求的全面解决方案。1.1.2国内外研究与发展现状由于智能视频监控技术具有广泛的应用前景和重要的经济价值，激发了世界上（尤其是欧、美发达国家的）广大科研工作者、研究机构和企业的浓厚兴趣，现已做了大量的工作并取得了很多成果。例如，美国国防高级研究项目署设立了视觉重大监控项目VSAM，以卡内基梅隆大学为首，麻省理工学院等高校参与，主要研究战场和普通民用场景监控的自动视频理解技术；欧盟赞助研究的PRISMATICA系统：该系统融合了多种智能检测设备（智能摄像机、非接触智能卡、无线视频传输等），用于地铁站的安全监控；国外一些公司近年来相继推出了具备一定智能功能的视频监控系统，如：挪威的DETECAC公司提供的Detec系统；美国ObjectVideo公司提供的ObjectVideoVEW、ObjectVideoForensics。它们实现了在用户定义规则下对监控场景进行监测、跟踪、分类、统计的软件系统，可在诸如有人闯入、盗窃、提包遗失或者未经许可在限制区域闲逛等违反自定义规则的情况下报警。另外还有：ObjectVideoOnBoard构建在DSP处理器上的嵌入式视频监控系统，ObjectVideo技术能够帮助用户确定相关对象，并根据这些对象的活动作出相应判断，例如判断他们是否穿过了视频绊网（VideoTripwire）、闯入特定区域或只是出现在摄像机视角范围之内。智能设备根据有关规则进行处理，以便与视频分析结果进行实时比较2。国内也已有一些具备智能功能的视频监控产品上市，如：北京黄金眼科技的黄金眼，北京行者科技的行者猫王等产品都实现视频的监控。但是，目前国内使用中的视频监控系统大部分均侧重于视频数据的压缩、传输和存储；其报警功能大都利用红外，烟雾等外接传感器实现；视频数据到达终端以后还是需要由人来实时观测分析，或者是存储起来以备事后查阅。系统仍需耗费大量的人力物力，却只能实现部分的预期功能，远远无法满足日益增长的对监控系统智能化的需求。1.2课题研究目的和意义MPEG-4于1998年11月公布，原预计1999年1月投入使用的国际标准MPEG-4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG专家组的专家们正在为MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4标准主要应用于视像电话（VideoPhone），视像电子邮件（VideoEmail）和电子新闻（ElectronicNews）等，其传输速率要求较低，在4800-64000bits/sec之间，分辨率为176144。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。本文研究的目的就是实现视频的高速采集，并利用DH-CG400模块来实现对视频数据的高效压缩编码，具体而言就是在充分研究DH-CG400的体系结构和MPEG-4编码算法的基础上，在保持良好的图像质量、压缩比和编码效率的同时，编写并优化视频采集和压缩的应用程序，以此来减少编码算法的运算量，提高编码效率，最终完成视频采集与压缩系统，实现网络视频实时监控与报警。本文研究的意义在于鉴于目前市场上的监控系统不能实现网络化、智能化以及自动报警等功能的缺陷，本系统所设计的方案不但实现了系统的实时智能监控功能，并且能在监控过程中一旦发现异常情况，如火灾、人体等，则自动发出报警。大大节省了人力、物力资源，真正实现了从人工化向网络化、智能化方向的转变，这必将开创网络视频监控的新起点。1.3本课题主要工作本论文根据视频监控领域的发展趋势，开发一个基于RTCP传输协议和MPEG-4压缩算法的网络视频监控系统。监控前端通过数字摄像机采集视频数据，然后经DH-CG400视频采集卡将数据传输到服务器，再根据MPEG-4算法将数据压缩编码处理后，上传到网络上，终端再有MPEG-4解码程序对收到的视频数据进行解码，实现实时视频监控，再由功能模块根据实时监测到的数据进行分析，如发现火灾、人体等，则自动发出警报。实现视频监控的网络化、智能化的需求。1.4论文总体结构全文共分为五章，各章内容安排如下：第一章绪论。介绍研究的背景，并对视频监控技术的现状及发展情况作简要的说明，提出研究的目的和意义，进一步明确研究目标以及所要完成的工作。第二章视频采集编码系统的硬件开发平台。描述搭建的硬件平台，并详细介绍了CCD摄像机和DH-CG400视频采集卡这两个主要的硬件模块。第三章MPEG-4视频编码标准。介绍MPEG-4的编码标准及功能特点，并分析了三种基于MPEG-4视频压缩编码的一般算法。第四章实时传输协议。首先对TCP和UDP协议作了比较，然后介绍了RTP包格式，最后阐述了RTCP包的分类和控制功能。第五章基于DH-CG400视频采集设计。首先介绍了视频采集的一般流程，然后简要介绍了视频采集以及功能实现的主要代码，接着介绍了基于MPEG-4实时视频传输的体系架构，最后给出了实验相关的主要代码和实验结果截图。2视频采集编码系统的硬件开发平台2.1硬件平台综述本文采用流媒体技术5，以DH-CG400视频采集卡为主控制器，控制CCD摄像机不断采集视频图像，然后压缩编码成视频流，为以后的传输研究作准备。系统整体结构如图2.1所示。远程监视摄像机1摄像机n响应请求发送请求摄像机2网络Web用户服务器图2-1系统设计框图在服务器端，通过多路视频采集卡将采集到的视频数据经过压缩传送到服务器，并在服务器端实时显示监视到的画面，然后服务器端运用流媒体技术将视频数据传送到网络上并设置IP地址再由网络传送到客户端，当用户端想要观看监控视频时，用户首先要登录到预先设置的网址，进入界面之后，用户可以点击网页上的监控功能选项向服务器发送请求，在服务器接收到来自客户端的请求之后响应此请求，将视频数据传送给客户端实现监控功能，若是发现异常情况，如火灾，则自动发出警报。2.2硬件模块介绍2.2.1DH-CG400视频采集卡介绍（1）技术性能及指标支持六路复合视频输入，三路S-VIDEO（Y/C）输入，软件切换。支持PAL，NTSC彩色/黑白视频输入。图像分辨率最高：PAL制：76857624位NTSC制：64048024位。可编程亮度、对比度、色度、色饱和度。支持YUV422、RGB8888、RGB888、RGB565、RGB555及Y8模式。图像数据数值范围，亮度：0-255或16-235可选；色度：0-255或16-240可选。支持计算机内容与图像同屏显示，图形覆盖功能。支持图像的裁剪与比例压缩模式。支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式。硬件支持图像的水平、垂直镜像。稳定接收录像机信号。N路（04MHz。图像清晰度400线。电源功耗5V0)CameraForm.SendMessage(this.hHwnd,0x435,-1,0);CameraForm.SendMessage(this.hHwnd,0x434,0x42,0);CameraForm.SendMessage(this.hHwnd,0x432,-1,0);CameraForm.SetWindowPos(this.hHwnd,1,0,0,intWidth,intHeight,6);elseCameraForm.DestroyWindow(this.hHwnd);点击运行后，实验结果如下图所示：图5-1视频采集运行界面点击开始选项，触发this.OpenCapture()事件，开始视频采集，实验结果如下图所示：图5-2视频采集界面点击停止选项，触发CameraForm.DestroyWindow(this.hHwnd)事件，停止视频采集。5.1.3MPEG-4实时视频传输体系架构首先在发送端，原始的数据流通过采集后，进入MPEG-4编码器进行编码，接着视频信息在应用层由RTP进行封装，并把视频信息的特征（如时间戳和顺序号）写入RTP数据报中，交给下层UDP处理，UDP对RTP数据报进行封装，并把源端口地址、目标端口地址和校验值等写入自己的数据报中，RTP和UDP一起共同完成传输层协议所应完成的任务，UDP数据报被交给IP网络层处理，IP网络层协议对UDP数据报进行封装，在IP层确定网络的寻址方式，由路由表把视频数据传输到其他的主机。对于要发送的视频，其发送比特率可以依据RTCP反馈控制协议反馈回的信息进行动态分配。在网络传输中，数据包可能因为网络阻塞在路由器/网关被丢失，或由于超过延迟时间在目的端被丢弃。我们将Intenret看成一个“黑箱”，所有的丢包和时延都不受我们控制。虽然我们更希望将网络拥塞定位并反馈拥塞点，如一个路由/交换的瓶颈等。在这种条件下，可以在交换节点设计一个功能强大的网络速率算法，用来精确估计可用带宽并反馈到发送端。但是，在目前的网络条件下，IP交换机/路由器都无法主动参与这种反馈控制，所有流控制和差错恢复功能都留给终端系统的上层去完成。其次在接收端，成功传输到目的端的数据包首先以逆序通过RTP/UDP/IP层，再进入MPEG-4解码器进行解码。接收端的QoS监控器将依据所到达包的情况（如丢包和延迟）判断网络阻塞状况，这些信息被反馈控制协议RTCP反馈回发送端，发送端根据这些信息估计网络的可用带宽，并控制MPEG-4编码器的输出速率。图5-315是实时通信的传输体系结构图。图5-4是MPEG-4数据包在网络中传输的数据封装的格式。图5-3视频传输体系结构IP包头UDP包头RTP包头MPEG-4包头MPEG-E载荷图5-4MPEG-4数据封装格式UDP数据包格式有首部和数据两个部分。首部很简单，共8字节。包括：源端口（SourcePort）：2字节，源端口号。目的端口（DestinationPort）：2字节，目的端口号。长度（Length）：2字节，UDP用户数据报的总长度，以字节为单位。QoS控制QoS控制原始视频流编码RTP封装UDP封装RTCP反馈IP封装InternetIP分析UDP分析RTCP封装RTP分析缓冲序列解码显示检验和（Checksum）：2字节，用于校验UDP数据报的数字段和包含UDP数据报首部的“伪首部”。其校验方法同IP分组首部中的首部校验和。伪首部，又称为伪包头（PseudoHeader）：是指在TCP的分段或UDP的数据报格式中，在数据报首部前面增加源IP地址、目的IP地址、IP分组的协议字段、TCP或UDP数据报的总长度等共12字节，所构成的扩展首部结构。此伪首部是一个临时的结构，它既不向上也不向下传递，仅仅只是为了保证可以校验套接字的正确性。下图为UDP数据包及IP分组格式：字节：44112源IP地址目的IP地址017UDP长度字节：122222伪首部源端口目的端口长度检验和首部数据UDP用户数据IP分组首部IP分组数据IP分组图5-5UDP数据包及IP分组格式5.1.4登录界面设计的主要代码及实验结果登录界面主要由用户名、密码、登录按钮以及重置按钮构成。只有当输入正确的用户名和密码之后，点击登录按钮时，用户才能进行登录，观看监控视频；若输入的用户名或密码不正确时，则会提示用户名或密码有误，点击重置按钮，重新进行输入。主要设计代码如下：智能安防Web视频监控系统用户名密码点击程序“运行”按钮，则登录页面运行结果如下：图5-6登录界面输入正确的用户名和密码之后，点击登录按钮，则跳转到用户监控页面，实验结果如下图所示：图5-7视频播放界面5.1.5局域网内网站的测试与发布课题用到的局域网网站发布软件为CassiniDev,下图为发布的软件界面图5-8局域网内网站发布软件界面设置好PhysicalPath,并在IPAddress选项中选择Specific选项，并在下拉列表中选择本机的IP，实验结果如下图所示：图5-9软件设置界面点击Start，左下角会自动生成本机的IP地址和网络的端口号,实验结果如下图所示：图5-10设置成功界面点击蓝色链接地，则会出现DirectoryListing页面，实验结果如下图所示：图5-11网址链接界面点击login.aspx，则会跳转到图5-6所示的登录界面。5.2本章小结本章节一开始介绍了视频采集的一般过程，然后介绍了视频采集和具体功能实现的主要代码，接着又给出了MPEG-4视频传输的网络体系结构和MPEG-4数据包的封装格式并且给出了相应的框图，最后给出课题实验的登录界面设计及实验结果截图。本章的是课题研究的核心部分，是课题功能实现的具体方案步骤。总结MPEG-4视频实时传输是网络监控系统的一个重要的课题。由于目前的Internet只能提供“尽力而为”服务，无法控制IP分组的吞吐量、丢包率、时延和抖动，不能为MPEG-4视频的流式传输提供服务质量保证。解决办法主要是通过RTP/RTCP协议实现应用级别的QoS控制。具体的做法是利用RTP对视频数据进行封装，利用RTCP监视网络服务质量、通信带宽以及网上传送的信息，并将其通知给发送端。目前对MPEG-4视频流的组包策略主要有两种，一种是固定包长封装MPEG-4视频流，这种办法会增加包间的相关性;还有一种是以宏块为单位进行组包，这种办法的效率太低。根据MPEG-4视频编码特性，文献20提出了以VOP为单位进行打包，不仅提高了效率，还能提高接收端的解码效果。但是该文献所提出的策略中规定每个RTP包只能装载一个VOP，由于大多数VOP通常比MTU要小很多，所以这种组包策略还有进一步提高效率的空间。对于以VOP为单位的组包策略，本文作了如下地改进：为了最大限度减少包数同时兼顾监控系统的实时性要求，采用一个RTP包装载多个VOP的策略。本文还给出了MEPG-4视频流的RTP包的具体载荷格式。在数据库建设方面是本课题设计的一个不足之处，因为对此方面的知识掌握不足，所以在设计中采用了静态数据库实现网页的登录选择。这种设计方法在一定层面上限制了用户的数量。另外，系统完成的“网络版”功能只能在本地资源读取已有的视频数据，而通过摄像头采集到的实时视频数据只能通过设置窗体控件在本地观看，没有完成预计的网络版监控功能，这是本文的严重不足之处，今后的工作应当在此方面做进一步的扩展与研究，不断地完善系统的功能。致谢本文的工作从研究方向的确定、论文的选题到定稿都是在导师顾相平讲师的悉心指导下完成的。在校期间，始终得到顾老师的悉心指导和无微不至的关怀，顾老师为我提供了良好的学习、实验环境和大量实践机会，使我能够顺利的完成学士阶段的学业和学习任务。顾老师为人师表、严谨治学的态度深深地激励着我不断钻研、力图创新。在论文完成之际，向顾老师表示衷心的感谢。同时感谢同实验室的李敏浩、周靓、卢萌、刘丹丹等同学，在我的学习论文的完成过程中，他们给予了我诸多帮助，当我遇到困难时跟我一起研究探讨，一起努力寻求真理。我还要感谢各位关心我的同学以及我在外出实习阶段一起帮助过我的同事，在本科生阶段的生活和学习中，在本论文的完成过程中，他们给予我诸多的帮助，没有他们的鼎力帮助，我的毕业设计是无法这么快顺利完成的，在此，祝他们早日实现各自的梦想。最后，我要衷心地感谢我的父母和家人。谢谢他们给予我的爱和关怀。感谢所有帮助我的人!参考文献1陆鹏飞,王艳敏,宋镇江.网络监控视频系统的应用和发展J.建筑电气,2011,（11）2西门子.远程视频监控背景及意义.EB/OL.2011-8-5./clcb924e8b8f67view/ec98cde9193张益贞.Visua1C+实现MPEG/TLPEG编解码技术.人民邮电出版社，20024DaPengWu,Yiwei,ThomasHuo,WenwuZhu,