遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊賽女 裘 君

(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧波 315100)

1 引 言

視頻監(jiān)控在安防領(lǐng)域，如在保障人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活的安全中具有重要意義。其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用時間較長且實踐經(jīng)驗已較成熟，而將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中還未得到廣泛的推廣。這主要是因為生產(chǎn)車間環(huán)境比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的模擬設(shè)備使監(jiān)控系統(tǒng)很容易受到干擾，難以發(fā)揮其作用[1]。隨著微處理器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改善、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和壓縮技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控也從早期的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)逐漸地向數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)演變，而且要求也越來越高，能夠完成音視頻信號的采集、壓縮以及網(wǎng)絡(luò)傳輸。數(shù)字通訊技術(shù)通過加密解密可以實現(xiàn)通信的保密性；通過門限電壓技術(shù)、檢驗糾正方法等可以提高信號的抗干擾能力，實現(xiàn)較遠距離的傳輸，也適用于性能較差的線路；通過分時交換技術(shù)，將傳輸和交換進行統(tǒng)一，形成一個綜合數(shù)字通信網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的可靠性以及實時性，同時配置也更加靈活，使得信息的實時傳輸更加流暢，應(yīng)用范圍更廣[2,3]。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的視頻監(jiān)控突破了時間、地域的限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以搭建視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

本文用到的攝像機是?？?DS-2DE7174-A，其自帶軟件可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控；或在網(wǎng)頁輸入默認管理地址：192.168.0.164，輸入默認賬戶名、密碼也可登錄監(jiān)控界面實現(xiàn)視頻監(jiān)控。但這種方法的局限在于只能在連著攝像機的電腦上實行監(jiān)控，外網(wǎng)的用戶看不到監(jiān)控畫面。本文的工作就是基于 C# 來編寫視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程多客戶端視頻監(jiān)控功能。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷史

視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：

第一階段，1984 年到 1996 年，為起步階段。該階段以閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)為主，即第一代模擬電視監(jiān)控系統(tǒng)。其傳輸媒介為視頻線，由控制主機進行模擬處理，主要應(yīng)用于銀行、政府機關(guān)等高檔場所。

第二階段，二十世紀九十年代中期至九十年代末，為初步發(fā)展階段。該階段以基于電腦插卡式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為主，也被業(yè)內(nèi)人士稱為半數(shù)字時代。其傳輸媒介依然是視頻線纜，由多媒體控制主機或硬盤錄像主機(DVR)進行數(shù)字處理和存儲。這個階段的應(yīng)用也多限于對安全程度要求較高的場所。

第三階段，二十世紀九十年代末至今，為數(shù)字時代階段。該階段以嵌入式技術(shù)為依托，以網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)為平臺，以智能圖像分析為特色的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)為主。此時，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的應(yīng)用不再局限于安全防護，逐漸也被用于遠程辦公、遠程醫(yī)療、遠程教學(xué)等領(lǐng)域。其中，2005 年至今為高速發(fā)展階段。

由此可見，視頻監(jiān)控的發(fā)展經(jīng)歷了：模擬視頻監(jiān)控、半數(shù)字監(jiān)控和 IP 數(shù)字監(jiān)控三個階段。數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[4]。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

本文旨在設(shè)計一個遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，把攝像機采集到的視頻信息發(fā)送到遠程電腦上，實現(xiàn)外網(wǎng)實時觀看工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，并且能對攝像機進行遠程監(jiān)控。系統(tǒng)組成框架[5]如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架Fig. 1. The framework of system

3.2 設(shè)計思路

本系統(tǒng)總體模式采用的是服務(wù)器/客戶端(Server/Client)模式，其具體工作如下：

顯示部分：

(1)現(xiàn)場上位機通過網(wǎng)絡(luò)向遠程服務(wù)器發(fā)送連接請求，建立連接；

(2)現(xiàn)場采集到的視頻信息發(fā)送到遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；

(3)遠程客戶端通過調(diào)用 WCF 中的函數(shù)，讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；

(4)遠程客戶端把讀取到的數(shù)據(jù)通過 picture box 控件顯示出來。

控制部分：

(1)現(xiàn)場上位機通過網(wǎng)絡(luò)向遠程客戶端發(fā)送連接請求，建立連接；

(2)通過發(fā)送方向標志位到現(xiàn)場上位機來調(diào)用攝像機 SDK 函數(shù)包里對應(yīng)的控制函數(shù)來達到遠程控制攝像機。

由于要實行遠程計算機控制，信號的傳輸需建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，因此系統(tǒng)的第一個要解決的問題就是數(shù)據(jù)通訊傳輸。在 UDP 協(xié)議、TCP/IP 協(xié)議和 HTTP 協(xié)議等眾多通訊協(xié)議中，由于UDP 協(xié)議采用了無連接的傳輸策略，在正式通訊前不必與對方先建立連接，即直接向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，所以傳輸不可靠；TCP/IP 是面向連接的傳輸協(xié)議，通訊前需先建立連接，才能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；HTTP 協(xié)議雖然可靠，但它是超文本協(xié)議，故不如 TCP/IP 高效[6,7]。本系統(tǒng)采用 TCP/IP 協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實時通信。系統(tǒng)通訊過程流程圖如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)通訊過程流程圖Fig. 2. The system communication process flow chart

圖3 系統(tǒng)功能模塊框架Fig. 3. The system function module frame

3.3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由三部分組成：現(xiàn)場上位機、遠程服務(wù)器和遠程客戶端[8]。系統(tǒng)功能模塊框架如圖 3 所示。

現(xiàn)場上位機：主要由視頻采集模塊、客戶端網(wǎng)絡(luò)功能模塊、攝像機云臺的控制模塊三部分組成。其中，視頻采集模塊主要對?？禂z像機的SDK 函數(shù)包進行二次開發(fā)，實時截取當前視頻為JPEG 圖片，并保存在本地文件夾中；客戶端網(wǎng)絡(luò)功能模塊主要負責(zé)監(jiān)控前端視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)送：首先通過文件流 FileStream 打開保存在本地的圖片，然后把讀取到的圖片內(nèi)容保存到字節(jié)數(shù)組中，最后通過套接字發(fā)送給遠程服務(wù)器以及對服務(wù)器的請求連接等；攝像機云臺的控制模塊也是通過二次開發(fā) SDK 函數(shù)包、調(diào)用控制命令函數(shù)來控制攝像機。

遠程服務(wù)器：主要負責(zé)監(jiān)聽監(jiān)控前端的連接請求及響應(yīng)和實時接收視頻信息并存儲到本地數(shù)據(jù)庫中。

遠程客戶端：主要用于遠程監(jiān)控攝像機。

4 實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 服務(wù)器動態(tài)域名的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)客戶機訪問處于不同局域網(wǎng)中的服務(wù)器，需要將 TCP/IP 協(xié)議和該服務(wù)器的外網(wǎng) IP地址和端口進行綁定。其中，有兩種實現(xiàn)方式：第一種方法是通過軟件來建立虛擬局域網(wǎng)，雖然它能實現(xiàn)外網(wǎng)連接的功能，但是傳輸速度不理想；第二種方法是借助花生殼第三方軟件的域名綁定功能——現(xiàn)場上位機通過解析花生殼域名獲得外網(wǎng) IP，利用 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議綁定解析后的 IP 和端口，實現(xiàn)連接。由于第二種方法傳輸速度較穩(wěn)定，因此本文采用第二種方法。

4.2 外網(wǎng)接收完整數(shù)據(jù)

外網(wǎng)通過 Socket 接收數(shù)據(jù)，但接收端并不像局域網(wǎng)那樣可以一次性接收完發(fā)送端所發(fā)送的全部數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)通過自定義數(shù)據(jù)幀通訊協(xié)議，將圖片分成多幀數(shù)據(jù)接收，并實現(xiàn)圖片信息的拼接，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的完整接收。

4.3 多個客戶機觀看視頻

由于套接字外網(wǎng)實現(xiàn)的是點對點的數(shù)據(jù)傳輸，一個套接字只能綁定一個域名，所以它的弊端是不能把現(xiàn)場的視頻信息傳送給多個客戶機。本文采用的方法先通過套接字把數(shù)據(jù)傳到遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器把讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)功能的函數(shù)通過 WCF 發(fā)布到本地 IIS 上，然后通過花生殼映射功能，實現(xiàn)外網(wǎng)調(diào)用函數(shù)，使多個客戶機都能讀取到視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時顯示的功能。圖 4 為 WCF 中服務(wù)器與客戶端的關(guān)系圖。

圖4 WCF 中服務(wù)器與客戶端的關(guān)系Fig. 4. The relationship between the server and client in WCF

服務(wù)端是一組向客戶端提供可用功能的端點(Endpoints)。而端點(終結(jié)點)則是網(wǎng)絡(luò)上的一個能將消息送達的資源。在服務(wù)端，定義一個接口，它通過 OperationContract 公開了獲得圖片的方法 GetDate_jpeg()?？蛻舳藨?yīng)用程序使用標準的 Internet 協(xié)議向這些方法發(fā)送請求并調(diào)用這個web 方法，從而獲得服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中的視頻數(shù)據(jù)。

4.4 遠程控制攝像機的實現(xiàn)

基本思路是遠程客戶機與現(xiàn)場視頻采集 PC 機建立 Socket 連接，遠程客戶機把“上”“下”“左”“右”“縮放”“調(diào)焦”“光圈”的標志位寫到本地 XML 文件中；然后通過 Socket 發(fā)送到現(xiàn)場視頻采集 PC 機上，通過這些標志位來調(diào)用相對應(yīng)的控制函數(shù)來達到遠程控制攝像機的功能?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖5 遠程控制攝像機結(jié)構(gòu)Fig. 5. Remote control camera structure

具體操作如下：

(1)定義現(xiàn)場模式和遠程模式的標志位，遠程模式＝“0”，現(xiàn)場模式＝“1”，寫入本地XML 文件；

(2)確定各項動作的標志位。如“上”的標志位，鼠標向上時為“4”，向下時為“3”，依次設(shè)置好其他六個動作標志位，寫入本地 XML文件；

(3)從本地 XML 文件讀取模式和動作標志位，組成一個 string 類型的字符串，并把字符串轉(zhuǎn)化為 byte[]，通過 Socket 發(fā)送到現(xiàn)場視頻采集PC 機；

(4)現(xiàn)場上位機解析接收到的 byte[]；

(5)分別判斷各個標志位，例如“上”操作，如果“上”的標志位為“3”，則調(diào)用 SDK函數(shù)包里的 PtzControl(CHCNetSDK.TILT_UP, 0)函數(shù)，使攝像機向下運動；如果“上”的標志位為“4”，則調(diào)用 SDK 函數(shù)包里的PtzControl(CHCNetSDK.TILT_UP, 1)函數(shù)，使攝像機停止向下運動。

XML 用來傳送及攜帶數(shù)據(jù)信息，即說明數(shù)據(jù)是什么以及攜帶數(shù)據(jù)信息。XML 處理指令以 結(jié)束。元素的基本結(jié)構(gòu)由開始標記，數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)束標記組成。本文的 XML 信息如下所示：

表示的是遠程模式，正在進行向“上”操作。

5 具體系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 主要流程圖

5.1.1 視頻采集和發(fā)送

視頻的采集主要采用二次開發(fā) SDK 函數(shù)包來實現(xiàn)。采集到的視頻通過 TCP/IP 協(xié)議進行傳輸。而通過讀取保存在本地的視頻圖片，用Timer 控件，即可實時傳輸當前視頻數(shù)據(jù)到遠程服務(wù)器。視頻采集和發(fā)送的流程圖[9,10]如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 視頻采集流程圖Fig. 6. Video capture flow chart

圖7 視頻發(fā)送流程圖Fig. 7. Video transmission flow chart

現(xiàn)場監(jiān)控運行界面如圖 8 所示。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)控運行界面Fig. 8. The interface of on-site monitoring operation

5.1.2 視頻接收

由于外網(wǎng)通過 Socket 接收數(shù)據(jù)，每次只能接收 1024 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以需要循環(huán)接收數(shù)據(jù)。首先定義發(fā)送端發(fā)送的 byte[]數(shù)組，下標值為 2～7 的元素用來存放圖片大小，下標值為 8以后的元素用來存放圖片內(nèi)容；然后通過 Socket發(fā)送至服務(wù)器后，把圖片長度轉(zhuǎn)換為 int 類型讀取出來，之后循環(huán)接收圖片數(shù)據(jù)，直到接收到的數(shù)據(jù)大小等于實際圖片的大小為止。

數(shù)據(jù)接收和存儲流程圖見圖 9。

圖9 數(shù)據(jù)接收及存儲流程圖Fig. 9. The data receiving and storing flow chart

遠程服務(wù)器的運行界面如圖 10 所示。

圖10 遠程服務(wù)器運行界面Fig. 10. The remote server operating interface

遠程監(jiān)控端通過 WCF 來調(diào)用 GetDate_jpeg()函數(shù)，讀取遠程服務(wù)器中的視頻數(shù)據(jù)，然后通過 PictureBox 控件把視頻數(shù)據(jù)以圖片的形式顯示出來。遠程監(jiān)控端的運行界面如圖 11 所示。該監(jiān)控界面有四個監(jiān)控窗口，可以進行攝像機的擴展，同時顯示多個地區(qū)攝像機采集的視頻信息，實現(xiàn)同時監(jiān)控多個攝像機。

圖11 遠程客戶端運行界面Fig. 11. The remote client operating interface

5.2 監(jiān)控系統(tǒng)運行結(jié)果分析

安裝在工業(yè)現(xiàn)場的攝像機將現(xiàn)場采集到的視頻信息，通過本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，實時地顯示到外網(wǎng)的客戶端上，實時性較好。并且外網(wǎng)的客戶端也可以對現(xiàn)場的攝像機進行上下左右全方位的遠程控制，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控功能。而當今大部分用戶采用的攝像機自帶的客戶端軟件，只能實現(xiàn)在局域網(wǎng)下的視頻監(jiān)控，比如在一個小區(qū)內(nèi)進行視頻監(jiān)控，這具有區(qū)域局限性。而本系統(tǒng)能實現(xiàn)外網(wǎng)視頻監(jiān)控，攝像機安裝在工業(yè)現(xiàn)場，處于異地的用戶也能監(jiān)控，具有實際應(yīng)用價值。本文采用的傳輸協(xié)議是 TCP/IP 協(xié)議，與一些其他監(jiān)控系統(tǒng)相同。但是不同的一點是，其他監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)場端與遠程端直接進行套接字連接，點對點的傳輸，這樣只有和監(jiān)控端連接的遠程端可以實現(xiàn)監(jiān)控功能，擴展性不好。而本系統(tǒng)現(xiàn)場端和遠程服務(wù)器建立連接，把現(xiàn)場端的視頻數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，多個遠程端通過 WCF 調(diào)用讀取視頻數(shù)據(jù)的函數(shù)，實現(xiàn)多個監(jiān)控端監(jiān)控。

6 結(jié) 論

遠程視頻監(jiān)控技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，起著非常重要的作用。本文主要完成了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)外網(wǎng)多臺電腦遠程監(jiān)控的功能，針對視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)展開了重點深入的研究。本文研究的重點集中在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控，實現(xiàn)了多工業(yè)現(xiàn)場下位機—服務(wù)器—多客戶機的視頻傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過實際驗證，系統(tǒng)搭建簡單，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，達到了客戶的監(jiān)控需求。如何提高多客戶端數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?、引入高性能的視頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是后續(xù)進一步研究的重點。

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