基于ONVIF協(xié)議的井下電視客戶端的研究

嚴正國 魏美麗 呂國強

摘 要： 目前的井下電視在測井速度、耐溫耐壓、視頻的傳輸速率等方面已經(jīng)取得了較高水平，但在客戶端視頻的顯示方面還存在一定差距，比如視頻的分辨率、清晰度和實時動態(tài)的OSD顯示等方面。為了解決不同廠商生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機、XVR/NVR設(shè)備之間的互通問題，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交互順暢，基于ONVIF協(xié)議設(shè)計了一種井下電視客戶端。實驗結(jié)果表明，可以在設(shè)計的客戶端上清晰地看到井下信息，實現(xiàn)實時動態(tài)的OSD顯示，同時實現(xiàn)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、鏈接，視頻的預(yù)覽、存儲、抓圖等功能。

關(guān)鍵詞： ONVIF協(xié)議； 井下電視； 網(wǎng)絡(luò)視頻顯示； 客戶端； OSD顯示； 信息交互

中圖分類號： TN948?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0165?03

Abstract： The current downhole TV has achieved a high level in logging velocity， temperature and pressure resistance， and video′s transmission rate， but there exists a certain gap in display aspects of the client video such as video resolution， definition， and real?time dynamic OSD display. Therefore， a downhole TV client based on the ONVIF protocol is designed to resolve the intercommunication problem between network cameras produced by different manufacturers and XVR/NVR devices， and make the information interaction in the whole monitoring system smooth. The experimental results show that the designed downhole client can display clear information， and realize real?time dynamic OSD display， discovery and link of devices， and functions of video preview， storage， and screenshot.

Keywords： ONVIF protocol； downhole TV； network video display； client； OSD display； information interaction

0 引 言

井下電視作為一種用于石油測井領(lǐng)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從20世紀60年代的模擬測井到后來的成像測井，經(jīng)歷了一段快速的發(fā)展歷程[1]。經(jīng)過查閱相關(guān)資料表明，目前的井下電視在測井速度、耐溫耐壓、視頻的傳輸速率等方面已經(jīng)取得了較高水平，但在客戶端視頻的顯示方面還是有一定差距的，比如視頻的分辨率、清晰度和實時動態(tài)的OSD顯示等方面。所以研究井下電視的客戶端，將多種功能集在一起，不但能播放高清視頻，而且還能實現(xiàn)對攝像頭設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、鏈接，對視頻的預(yù)覽、存儲、抓圖等功能。

為了解決不同廠商生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機、XVR/NVR設(shè)備之間的互通問題，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交互順暢，需要引進ONVIF協(xié)議。

1 整體設(shè)計

本次設(shè)計的思想是，將井下的信息由電纜高速網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊變成網(wǎng)絡(luò)視頻，通過軟件對網(wǎng)絡(luò)視頻解碼成一個復(fù)合視頻流，然后對其字符疊加，加入字符流，再對整個視頻流編碼，Web服務(wù)端通過調(diào)用Web服務(wù)端獲取到視頻流，對其進行處理，從而實現(xiàn)一個客戶端，能夠完成視頻的預(yù)覽、回放，實時動態(tài)的OSD顯示等功能。整體框圖如圖1所示。

1.1 搭建Web服務(wù)框架

ONVIF（Open Network Video Interface Form）是在2008年由索尼等企業(yè)共同創(chuàng)建的一個論壇。在2008年11月，該論壇正式發(fā)布了ONVIF的第一版規(guī)范：ONVIF核心規(guī)范1.0，目前版本為2.5。ONVIF協(xié)議描述了網(wǎng)絡(luò)視頻的模型、接口、數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)交互的模式，致力于解決網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的互連問題。該規(guī)范中包括了多個模塊，如設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備管理、媒體服務(wù)、云臺控制等。ONVIF規(guī)范中設(shè)備管理和控制部分所定義的接口均以Web Service的形式提供[2]。所以在獲取媒體流之前先搭建Web服務(wù)框架。

搭建Web服務(wù)框架選用的是gSOAP工具包。gSOAP是一種提供了一組透明化的gSOAP API編譯工具和一個SOAP/XML關(guān)于C/C++語言的實現(xiàn)，一定程度上簡化了使用C/C++語言開發(fā)Web服務(wù)程序的工作[3]。

ONVIF提供一系列與網(wǎng)絡(luò)攝像機相關(guān)的WSDL文件，如用于設(shè)備管理的Devicemgmt.wsdl，用于媒體服務(wù)的Meida.wsdl，用于搜索設(shè)備的Remotediscovery.wsdl，以及用于公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的ONVIF.xsd等。從官網(wǎng)下載相應(yīng)的WSDL文件，再利用gSOAP工具包提供的wsdl2h和soapcpp2可執(zhí)行程序?qū)SDL文件生成ONVIF.h頭文件和一些C或C++文件。也可直接通過網(wǎng)絡(luò)編譯這些WSD文件，同樣可以達到效果。對這些頭文件和C/C++文件建立工程，就搭建好了Web服務(wù)框架。

1.2 媒體流的獲取

該模塊是基于ONVIF協(xié)議實現(xiàn)的。客戶端發(fā)送SOAP請求。該請求通過HTTP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)端，凡是支持ONVIF協(xié)議的攝像頭（服務(wù)端）都會有Web Service接口。Web Service主要利用HTTP和SOAP協(xié)議使數(shù)據(jù)在Web上傳輸[4?5]，通過配置WSDL文件，調(diào)用相應(yīng)的解析器。最后通過HTTP協(xié)議生成SOAP請求，將媒體流和錄像機設(shè)備的IP地址發(fā)送給客戶端。整個原理見圖2。

在獲取媒體流之前必須先發(fā)現(xiàn)服務(wù)端（攝像頭），通過采用WS?Discovery文檔實現(xiàn)自動搜索服務(wù)端，并獲取服務(wù)端的IP地址，該過程是基于組播技術(shù)完成的。由加入網(wǎng)絡(luò)的每個服務(wù)端向客戶端所在的網(wǎng)絡(luò)多播發(fā)送Hello，客戶端則多播發(fā)送Probe，能夠匹配Probe報文中的Types和Scopes內(nèi)容的服務(wù)端單播回復(fù)ProbeMatch；當(dāng)服務(wù)端攝像頭離開該網(wǎng)絡(luò)時，則需要多播發(fā)送Bye消息[6?7]。整個過程中，攝像頭可以隨意加入或離開網(wǎng)絡(luò)。通過這種通信方式就能發(fā)現(xiàn)服務(wù)端設(shè)備。

媒體流的獲取需要通過定義一個media profile來實現(xiàn)。該媒體文檔是媒體信息的集合，包括音視頻源、音視頻編碼等。服務(wù)端包括音頻編碼配置、視頻編碼配置等[8]。當(dāng)客戶端發(fā)送獲取媒體流請求時，服務(wù)端會返回給客戶端一個profile后，等待修改請求，如果無需修改profile，繼續(xù)返回設(shè)備的服務(wù)能力集，然后給出點播地址URL開始傳輸碼流，從而獲得媒體流[9]。整個獲取媒體流程見圖3。

1.3 編解碼實現(xiàn)

目前市場上的大多數(shù)攝像機都已經(jīng)被集成化了，攝像頭采集到媒體后，對視頻進行A/D轉(zhuǎn)化，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后對數(shù)字媒體進行壓縮，直接輸出就是壓縮后的媒體流，所以要對媒體流操作，必須先進行解碼。本設(shè)計中選用開源的VLC解碼器，其高效的解碼能力，能支持多種視頻格式，穩(wěn)定的跨平臺性能保證了整個系統(tǒng)的實時性和流暢性。VLC解碼實際上是利用其解碼庫實現(xiàn)的，該解碼庫能支持多種視頻格式的解碼，如H.264，MPEG?4，MxPEG等格式。解碼流程見圖4。

視頻編碼是實現(xiàn)視頻壓縮的過程。視頻壓縮可以縮小視頻信號傳輸?shù)膸?，也能降低視頻信號數(shù)字化后所需的存儲容量。當(dāng)解碼后的媒體流加上字符流后，形成一個含有音視頻和字符的混合媒體流，該混合流只有通過編碼后才便于存儲。常見的編碼技術(shù)有MPEG系列和H.26系列，相比之下，H.26系列的編碼技術(shù)比MPEG系列的有以下優(yōu)勢，如CPU占用量小、更好的圖像質(zhì)量、節(jié)省帶寬和存儲空間、編碼效率高等，所以選用H.26系列的H.264編碼技術(shù)。本文選用的是H.264 視頻壓縮技術(shù)。該技術(shù)引入了分層結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)于不同網(wǎng)絡(luò)間的視頻傳輸。VLC提供了一個libdvbpsi獨立庫，專門用來解析和編碼。只要調(diào)用該庫就能實現(xiàn)視頻流和字符流的編碼。

1.4 構(gòu)建客戶端

利用VLC進行客戶端開發(fā)。VLC是videoLAN計劃的開源多媒體播放器，支持眾多音頻與視頻解碼器及文件格式，也支持DVD影音光盤、VCD影音光盤及多種流媒體協(xié)議。該播放器的核心是LibVLC，其提供了大量接口，如流訪問、音視頻輸出、插件管理、線程系統(tǒng)，可用于二次開發(fā)。其主體編程流程圖如圖5所示。

1.5 開發(fā)平臺的選擇

本設(shè)計開發(fā)平臺選擇的是Windows 7操作系統(tǒng)。Windows以其友好的界面和簡單的操作而被廣泛使用，所以使用此操作系統(tǒng)進行研究具有很大的發(fā)展前景。利用VLC提供的開源庫和ONVIF提供的WSDL搭建本文的開發(fā)框架和Web框架。在開發(fā)過程中用到的編程語言有C++，HTML，XML，JS，用到的編譯工具有Microsoft Visual Studio 2008（VS2008）和ONVIF測試工具。

2 系統(tǒng)測試

利用ONVIF官方提供的測試工具ONVIF Device Test Tool，該工具提供對所有接口測試的功能，以檢測系統(tǒng)的ONVIF協(xié)議是否符合官方規(guī)定。打開Discovery模塊，點擊Discovery Devices后，能搜索到同一網(wǎng)段內(nèi)支持ONVIF協(xié)議的攝像頭。打開Diagnostic模塊，可以對系統(tǒng)的某一功能進行測試。打開Media模塊，通過Get獲取Media URL，MediaProfile等配置，最終獲取得到RTSP流媒體服務(wù)器地址，并播放視頻。打開Device Management模塊，該模塊提供了設(shè)備管理功能，可以獲得設(shè)備信息、服務(wù)地址、時間設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等，同時可以對其進行設(shè)置。在瀏覽器上輸入從媒體流獲取模塊中獲得的設(shè)備IP地址號，可以通過網(wǎng)頁瀏覽該客戶端，播放測井視頻。

3 結(jié) 語

本文是在基于ONVIF協(xié)議的基礎(chǔ)上研究了井下電視的客戶端，通過ONVIF協(xié)議獲取到井下的視頻流，對視頻流進行視頻的編解碼，再利用VLC的源碼，對其進行二次開發(fā)，即可實現(xiàn)一個客戶端。該客戶端可實現(xiàn)實時動態(tài)的OSD顯示，設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，媒體播放、存儲、回放等功能。

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