互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸與控制分析

鄒 玲，李 麗，鄭 偉

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)述

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐漸滲透各個(gè)領(lǐng)域.利用寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，不但使用方便，而且非常經(jīng)濟(jì).遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立在互聯(lián)網(wǎng)上，將會(huì)使操作維護(hù)更加方便，也增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.

系統(tǒng)基于Internet通過(guò)以太網(wǎng)卡采用TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的存儲(chǔ)與傳輸.應(yīng)用體系采用四層（B／S）結(jié)構(gòu).使得系統(tǒng)管理、更新變得簡(jiǎn)易；使數(shù)據(jù)庫(kù)更加安全，不會(huì)因?yàn)椴僮魇д`而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響.使用IE瀏覽器內(nèi)嵌ActiveX控件調(diào)用客戶端管理模塊，使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)更加靈活穩(wěn)定.任何互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下均可以接入此系統(tǒng).在交互式通信時(shí)采用了多線程技術(shù)，同步進(jìn)行解碼和顯示.

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控的視頻傳輸分析

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸種類(lèi)

目前遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸方式［1］分為：1）視頻基帶傳輸；2）光纖傳輸；3）網(wǎng)絡(luò)傳輸；4）微波傳輸；5）雙絞線傳輸（平衡傳輸）；6）寬頻共纜傳輸.本文采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，這是一種解決城域間遠(yuǎn)距離、點(diǎn)位極其分散的監(jiān)控傳輸方式，具有實(shí)時(shí)性且管理方便，缺點(diǎn)是：受目前網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的限制，動(dòng)畫(huà)延時(shí)明顯.

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸方式

為使實(shí)時(shí)監(jiān)控的延遲最小化，可采用視頻流的方案解決這一問(wèn)題.視頻流不需要監(jiān)控接收端對(duì)監(jiān)控視頻信息進(jìn)行整段的劃分下載，而是在監(jiān)控接收端創(chuàng)建緩沖區(qū)，進(jìn)行接收信息的臨時(shí)存儲(chǔ)，在信息量達(dá)到可以流暢播放之后，監(jiān)控端即可開(kāi)始顯示監(jiān)控視頻.當(dāng)監(jiān)控接收端的緩沖區(qū)接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，就開(kāi)始準(zhǔn)備視頻播放器的加載，此時(shí)緩沖區(qū)繼續(xù)接受其他視頻信息塊，當(dāng)信息量足夠流暢播放視頻時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)即可播放監(jiān)控信息，保證視頻播放的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，一般可以將延遲控制在10s左右.

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸格式和傳輸協(xié)議

基于互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控傳輸一般采用 MPEG2／4、H.264音視頻壓縮編碼格式傳輸監(jiān)控信號(hào).而H.264編碼具有極高的數(shù)據(jù)壓縮比.在同等圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比要比 MPEG－4高1.5～2倍.在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì).在MPEG－2需要6Mbps的傳輸速率匹配時(shí)，H.264只需要1～2Mbps的傳輸速率.因而適用于速率受限的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式.

根據(jù)以上對(duì)傳輸方式和傳輸格式的分析，遠(yuǎn)程監(jiān)控可以采用基于H.264編碼方式的RTP視頻流方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行傳輸.

3 H.264編碼方式的RTP視頻流傳輸方案

H.264編碼分兩層結(jié)構(gòu)，包括視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)適配層（NAL）.其中，視頻編碼層負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)傳輸中所承載的視頻內(nèi)容進(jìn)行描述和定義，它獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)；而網(wǎng)絡(luò)適配層則負(fù)責(zé)使用下層網(wǎng)絡(luò)的分段格式來(lái)封裝數(shù)據(jù)，使其適于網(wǎng)絡(luò)傳輸.其中，NAL由一系列的數(shù)據(jù)單元 NALU（Network Abstraction Layer Unit）組成，根據(jù)NALU的不同，其數(shù)據(jù)量也各不相同.每個(gè)NALU都由NALU頭（NALU Header）和載荷數(shù)據(jù)（RBSP）組成（圖1）.

圖1 NALU單元頭格式

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器通過(guò)把視頻數(shù)據(jù)用RTP進(jìn)行打包封裝.應(yīng)用RTP的封裝規(guī)范［2］（包括同步源和時(shí)戳）對(duì)H.264的視頻編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝.RTP荷載結(jié)構(gòu)通過(guò)荷載的第一個(gè)字節(jié)對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別，也共享為RTP荷載頭.封裝時(shí)將NAL單元（NALU）放入RTP載荷中，并對(duì)RTP的頭標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置（圖2）.

圖2 服務(wù)器端打包流程

系統(tǒng)采用IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸（圖3），發(fā)送端需要在使用IP／UDP／RTP的協(xié)議時(shí)，將各報(bào)頭數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，包括IP頭（20字節(jié)以上），UDP頭（8字節(jié)以上）和RTP頭（12字節(jié)以上）.然后按照RTP的信息格式放入視頻數(shù)據(jù)，對(duì)RTP包頭進(jìn)行配置，包括Timestamp（時(shí)間信息），SSRC（同步源）以及Sequence Number（數(shù)據(jù)包序列）等參數(shù)，形成IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送，接收端通過(guò)對(duì)RTP數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，接收有效RTP包中的NALU數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從發(fā)送端到接收端的視頻流數(shù)據(jù)傳輸.

圖3 RTP遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控傳輸方式

系統(tǒng)采用QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，是用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問(wèn)題的一種技術(shù)）的反饋信息［3］，探測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)速率動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送端的采集編碼參數(shù)設(shè)置，從而保證傳輸?shù)腝oS.對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率進(jìn)行反饋控制，即接收端對(duì)丟包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后發(fā)給傳輸端，發(fā)送方根據(jù)丟包率調(diào)整傳輸速率，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞的一種策略.此處使用RTP協(xié)議進(jìn)行反饋控制，RTP信息流在傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，由接收端統(tǒng)計(jì)接收狀況以及發(fā)射機(jī)報(bào)告（SR）而生成接收機(jī)報(bào)告（RR），反饋給傳輸端.根據(jù)此反饋信息，傳輸端會(huì)對(duì)視頻流信息傳輸速率進(jìn)行控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而避免網(wǎng)絡(luò)阻塞.［4］

3.2 視頻的傳輸差錯(cuò)控制和速率控制［5］

ASP.Net開(kāi)發(fā)Web應(yīng)用時(shí)，主要是通過(guò)ADO組件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，具有易用、高速、占用內(nèi)存和磁盤(pán)空間少的特點(diǎn).系統(tǒng)B／S結(jié)構(gòu)在交互式通信時(shí)采用了多線程技術(shù)，同步進(jìn)行解碼和顯示的工作.［7］

因?yàn)椴捎昧诉h(yuǎn)程視頻流緩沖方式傳輸視頻，要保證接收的數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確并且流暢，需要對(duì)傳輸差錯(cuò)速率進(jìn)行控制.差錯(cuò)控制是在傳輸中利用編碼方法對(duì)傳輸中產(chǎn)生的差錯(cuò)進(jìn)行控制，以提高數(shù)字消息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，這是一種重要的數(shù)字通信保障技術(shù).一般來(lái)說(shuō)，差錯(cuò)控制的方法有兩種：自動(dòng)請(qǐng)示重發(fā)（ARQ）和前向糾錯(cuò)（FEC）.

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸糾錯(cuò)一般通過(guò)校驗(yàn)來(lái)處理，如CRC－5CRC－12校驗(yàn)算法［6］，以檢查發(fā)送端發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到接收端是否正確.發(fā)送方有一個(gè)CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)），接收方比較計(jì)算出的CRC和接收到的CRC是否一致即可判斷網(wǎng)絡(luò)是否出錯(cuò).

4.1 通信控制流程

首先控制臺(tái)對(duì)服務(wù)器端發(fā)送accept（）請(qǐng)求信息，服務(wù)器在通過(guò)accept（）返回的信息后與監(jiān)控前端進(jìn)行通信，對(duì)監(jiān)控器發(fā)送信號(hào)，監(jiān)控端接收到信號(hào)后進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將圖像結(jié)果反饋給用戶（圖4）.

在信息量過(guò)大時(shí)如果不加以限制，超額的網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)導(dǎo)致設(shè)備反映緩慢，造成網(wǎng)絡(luò)延遲.因此，有必要在傳輸中引入速率控制.系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)信息初步確定發(fā)送速率，然后由RR反饋信息動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整視頻分辨率來(lái)改變速率，當(dāng)視頻分辨率略微降低，在傳輸同等時(shí)間的視頻時(shí)可以明顯降低傳輸速率，只要達(dá)到較高的客觀視頻質(zhì)量即可，沒(méi)有必要為了降低傳輸率而降低幀數(shù).

利用RTP數(shù)據(jù)報(bào)的序列號(hào)，發(fā)送方在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候生成一個(gè)初始隨機(jī)數(shù)，之后發(fā)送的數(shù)據(jù)按照順序序列號(hào)依次遞增.這樣，接收方就可以在收到Qos信息后，自動(dòng)核對(duì)RTP的傳輸序列號(hào)，統(tǒng)計(jì)丟包情況.通過(guò)Qos對(duì)RTP數(shù)據(jù)報(bào)序列號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合視頻流傳輸方案對(duì)視頻接收對(duì)象進(jìn)行替換，將按照RTP數(shù)據(jù)報(bào)序列號(hào)接收的視頻依次進(jìn)行交替，保證視頻接收的順序正確無(wú)誤.

圖4 通信流程

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻傳輸?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)

嵌入式web客戶端采用數(shù)據(jù)報(bào)式的sockets和客戶機(jī)通信發(fā)送基于RTP／UDP／IP協(xié)議的視頻數(shù)據(jù).要對(duì)遠(yuǎn)程視頻傳輸進(jìn)行控制，需要通過(guò)socket進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用C＃語(yǔ)言與ASP.Net進(jìn)行web程序和管理類(lèi)庫(kù)的設(shè)計(jì)，基于Sockets的底層通信實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制.使用

服務(wù)器根據(jù)客戶端的accept（）將建立一個(gè)會(huì)話Session，使用兩個(gè)端口分別進(jìn)行RTP傳輸和RTCP傳輸.對(duì)于不同的會(huì)話，根據(jù)客戶方的網(wǎng)絡(luò)地址和端口進(jìn)行UDP調(diào)用，需要分別為rtp和rtcp創(chuàng)建兩個(gè)socket套接字rtp＿socket和rtcp＿socket.并通過(guò)sendto（）接口，使用rtcp＿socket和rtp＿socket分別發(fā)送數(shù)據(jù)流信息和報(bào)告信息.

4.2 信息流字段定義

會(huì)話結(jié)構(gòu)定義如下所示.

typedef SessionStruct

｛struct｛PayloadProfile＊profile； ／／負(fù)載屬性

float payload＿type； ／／負(fù)載的類(lèi)型定義

unsigned float ssrc； ／／源標(biāo)識(shí)符定義

｝send，recv； ／／會(huì)話的發(fā)送與接收

RtpStream rtp＿msg； ／／數(shù)據(jù)流信息

RtcpStream rtcp＿msg； ／／報(bào)告流信息

｝SessionDef；

信息流結(jié)構(gòu)定義如下所示.

typedef StreamStruct

｛socket＿Rtp socket； ／／信息流socket

struct addr＿in addr＿remote； ／／發(fā)送目標(biāo)

unsigned long send＿num； ／／序列標(biāo)識(shí)

stream＿states＿msg states； ／／記錄狀態(tài)信息

unsigned float send＿msg＿last； ／／有效發(fā)送時(shí)間信息

unsigned float recv＿msg＿first； ／／收到信息時(shí)間

｝StreamDef；

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Internet瀏覽器與服務(wù)器端架構(gòu)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作管理平臺(tái)以ActiveX插件形式嵌入在web當(dāng)中，免去了下載并使用安裝程序的繁瑣步驟.同時(shí)，為互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的查看與控制提供了更及時(shí)更方便的管理.其主要問(wèn)題在于對(duì)大量視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸.視頻監(jiān)控的傳輸可根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀況和應(yīng)用場(chǎng)景選擇或構(gòu)建相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，包含網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇（局域網(wǎng)／廣域網(wǎng)）、傳輸方式選擇（有線／無(wú)線）、傳輸介質(zhì)選擇（網(wǎng)線／光纖）.隨著TD－LTE、Wi－Fi、專(zhuān)網(wǎng)等無(wú)線、有線寬帶技術(shù)的成熟和應(yīng)用，大流量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送更加方便，這也掃除了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在大范圍應(yīng)用中的傳輸障礙.目前，在金融聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等項(xiàng)目中通常采用自建光纖網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)1000M帶寬網(wǎng)絡(luò).這種千兆帶寬資源，在前端安裝100路1080P全實(shí)時(shí)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（即使按每路占用資源4Mbps計(jì)算），占用總帶寬資源不到50%；如果采用720P傳輸，帶寬還可以減少一半.這樣，完全可以有效支持網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間.

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