基于C/S模式的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉 艷，王雪梅，陶 駿,汪 為，萬家山

(安徽信息工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

1 研究背景

交通運(yùn)輸部于2017年12月19日發(fā)布的研究報(bào)告顯示，2017年由交通事故造成的死亡人數(shù)約6.3萬。遏制交通事故高發(fā)、降低事故傷害任重道遠(yuǎn)。事故發(fā)生后，往往難以調(diào)查事故的責(zé)任，視頻圖像成為解決這個(gè)問題最直觀的方法：如果能對(duì)事故現(xiàn)場的場景進(jìn)行回放，就可以為調(diào)查提供有力的證據(jù)。

在這種情況下，本文提出視頻監(jiān)控的概念，它可以對(duì)被關(guān)注對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控和管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)不同的階段，即第一階段的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)、第二階段的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)和第三階段的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。(1)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。使用模擬設(shè)備，以本地閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV：Closed Circuit TV)為例，主要設(shè)備包括攝像機(jī)、錄相機(jī)、監(jiān)視器等，而傳輸主要采用電纜或光纜。其主要缺點(diǎn)為：有限的地理傳輸范圍，與信息系統(tǒng)無法交換數(shù)據(jù)，監(jiān)控僅僅應(yīng)用于監(jiān)控中心，靈活性較差。(2)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，是伴隨計(jì)算機(jī)處理能力的增強(qiáng)以及視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。由于引入高計(jì)算性能的計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，圖像質(zhì)量比第一代產(chǎn)品明顯提高。其主要缺點(diǎn)為：傳輸范圍有限，系統(tǒng)的建設(shè)成本高，可維護(hù)性較差。(3)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代末，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的增大、計(jì)算機(jī)性能的提高以及嵌入式芯片的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)代到來。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與上兩代系統(tǒng)相比具有可維護(hù)性強(qiáng)、擴(kuò)展能力良好、功能強(qiáng)大、靈活性高的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在以下缺點(diǎn)：在網(wǎng)絡(luò)上以明文傳輸視頻流，安全性差；使用MPEG4而不是H.264來壓縮視頻圖像，具有優(yōu)化的空間；系統(tǒng)的可擴(kuò)展性不強(qiáng)。

針對(duì)上述視頻監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，本文提出一種基于C/S模式的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。首先，使用硬件設(shè)備加解密傳輸?shù)囊曨l信息，可以保障傳輸內(nèi)容的安全性。其次，運(yùn)用H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻流進(jìn)行編解碼，能夠得到較高的數(shù)據(jù)壓縮率和高質(zhì)量的圖像。第三，可以設(shè)置視頻流的來源為遠(yuǎn)程或者本地視頻流，切換為普通的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有較好的可定制性。

2 相關(guān)研究

董向華[1]提出了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理及概念，分析了其特點(diǎn)及總體結(jié)構(gòu)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由圖像監(jiān)控服務(wù)器和客戶端組成。圖像監(jiān)控服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，客戶端是指安裝監(jiān)控軟件的臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦。余臘生[2]提出了一種由分析單元、中心服務(wù)器和客戶端組成的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)方案。通過對(duì)定標(biāo)、DirectShow、TCP/RTP以及Xvid等關(guān)鍵技術(shù)在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的三個(gè)組成部分中作用的介紹來說明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)指出了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)視頻分析的各種關(guān)鍵技術(shù)和方法。張雅楠[3]結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、Java語言和Eclipse開發(fā)編輯工具，設(shè)計(jì)了基于Android智能手機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和闡述，在此基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)服務(wù)器端與客戶端的設(shè)計(jì)流程。魏崇毓[4]介紹了Android系統(tǒng)軟件平臺(tái)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括系統(tǒng)的功能需求和Android應(yīng)用開發(fā)過程中的技術(shù)要領(lǐng)。在此基礎(chǔ)上，利用Java語言和Eclipse開發(fā)編輯工具，設(shè)計(jì)完成基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的特定服務(wù)器的訪問。任克強(qiáng)[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)論述了視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)以及RTP/RTCP協(xié)議重組優(yōu)化方案；并以PC機(jī)作為服務(wù)器采集實(shí)時(shí)視頻，選取Android手機(jī)和Android平板電腦作為不同的客戶端，分別在移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。楊飛[6]提出了基于Android智能終端的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng),介紹了整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，闡述了如何在兩個(gè)Android終端之間實(shí)現(xiàn)移動(dòng)視頻監(jiān)控，并且根據(jù)視頻采集方式的不同介紹了兩種不同的視頻監(jiān)控方案；在無線局域網(wǎng)的環(huán)境下對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)兩種方案測(cè)試結(jié)果差異性的原因進(jìn)行了分析。

3 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析是定義系統(tǒng)功能不可缺少的部分。開發(fā)人員經(jīng)過深入細(xì)致的調(diào)研和分析，準(zhǔn)確理解用戶和項(xiàng)目的功能、性能、可靠性等具體要求，將用戶非形式的需求表述轉(zhuǎn)化為完整的需求定義，從而確定系統(tǒng)必須做什么。

3.1 項(xiàng)目背景

某些單位運(yùn)輸?shù)奈镔Y具有保密性質(zhì)，管理站點(diǎn)要對(duì)運(yùn)輸車的周邊和車內(nèi)的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控圖像傳輸過程中需要進(jìn)行加密和解密，以保障其安全性，防止被破解。當(dāng)運(yùn)輸車出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能準(zhǔn)確定位地理位置信息，及時(shí)進(jìn)行營救。因此，要對(duì)運(yùn)輸車在行駛過程中的溫度、濕度和速度進(jìn)行監(jiān)控，以及時(shí)了解車內(nèi)的實(shí)際情況。下面根據(jù)項(xiàng)目背景整理得到項(xiàng)目的功能和非功能需求。

3.2 功能需求分析

UML是“統(tǒng)一建模語言”的英文縮寫，是一種支持模型化和軟件系統(tǒng)開發(fā)的圖形化語言，為軟件開發(fā)的所有階段提供模型化和可視化支持。因其簡單、統(tǒng)一的特點(diǎn)，而且能表達(dá)軟件設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息，目前已成為可視化建模語言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用UML對(duì)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)有視頻監(jiān)控、音頻監(jiān)控、抓圖、錄像、數(shù)據(jù)監(jiān)控、定位展示、查詢回放、系統(tǒng)配置、介紹產(chǎn)品等功能。

(1)視頻監(jiān)控：用戶登錄后，系統(tǒng)默認(rèn)展示視頻監(jiān)控的界面。系統(tǒng)按照配置參數(shù)、1畫面、2畫面、4畫面、9畫面、16畫面、25畫面等展示監(jiān)控的窗口。

(2)音頻監(jiān)控：用戶登錄后，系統(tǒng)展示視頻監(jiān)控界面的同時(shí)，可以在界面上播放音頻。

(3)抓圖功能：用戶在進(jìn)行視頻監(jiān)控時(shí)，可以右擊視頻監(jiān)控界面，選擇對(duì)感興趣的界面進(jìn)行抓圖。系統(tǒng)將當(dāng)前的界面截圖存放到文件夾下。

(4)錄像功能：用戶在進(jìn)行視頻監(jiān)控時(shí)，可以右擊視頻監(jiān)控界面，選擇對(duì)感興趣的界面進(jìn)行錄像。用戶選擇停止錄像時(shí)，系統(tǒng)將錄制的視頻存放到文件夾下。

(5)數(shù)據(jù)監(jiān)控：用戶登錄后,進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，選擇時(shí)間范圍(開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間)。系統(tǒng)將采集到的溫度、濕度、速度以曲線和表格展示出來。

(6)定位展示：用戶登錄后選擇定位展示，系統(tǒng)將車輛周圍的地理位置和經(jīng)緯度信息和行駛路徑展示出來。

(7)查詢回放：用戶登錄后選擇查詢回放，系統(tǒng)將所有已錄制的視頻文件展示出來。用戶選擇視頻進(jìn)行播放，系統(tǒng)使用播放器播放該視頻文件。

(8)系統(tǒng)配置：用戶登錄后選擇系統(tǒng)配置，系統(tǒng)展示所有的配置選項(xiàng)，包括服務(wù)器配置、主題配置、畫面管理、截圖和錄像的保存位置、音視頻配置等。

(9)關(guān)于產(chǎn)品：用于登錄后選擇“關(guān)于產(chǎn)品”，系統(tǒng)展示產(chǎn)品的簡介、版權(quán)和版本信息。

3.3 非功能需求分析

(1)客戶端一般響應(yīng)時(shí)間不超過1秒。

(2)支持200個(gè)客戶端的并發(fā)使用，并保證性能不受影響。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)的需求分析階段后，系統(tǒng)需要完成的功能已經(jīng)確定。在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)階段，需要確定系統(tǒng)應(yīng)該怎樣完成這些需求。本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

4.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在本系統(tǒng)中，采集端的硬件設(shè)備采集攝像頭的音視頻信息，經(jīng)過硬件加密模塊和定制的基站傳輸?shù)浇邮斩说挠布O(shè)備。此設(shè)備解密音視頻信息，并且為服務(wù)端訪問這些音視頻提供服務(wù)接口。硬件平臺(tái)拓?fù)鋱D如圖1所示。

4.2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

完成硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)整個(gè)軟件的平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)做好準(zhǔn)備。本系統(tǒng)的軟件平臺(tái)使用C/S模式。C/S，即客戶端/服務(wù)器，是大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)編程使用的軟件架構(gòu)。通過它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)端，降低系統(tǒng)的通信開銷。

接收端的硬件設(shè)備接收到音視頻后，使用硬件模塊進(jìn)行解密，然后為服務(wù)端提供獲得視頻圖像的回調(diào)接口。服務(wù)端使用此接口實(shí)時(shí)獲取視頻圖像，并廣播到所有連接的客戶端?？蛻舳耸褂貌シ牌鞑シ沤邮盏降膱D像。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成果變成可實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)的過程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要工作包括人員培訓(xùn)、系統(tǒng)平臺(tái)的建立、數(shù)據(jù)庫的建立、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與編碼、程序測(cè)試與系統(tǒng)調(diào)試、試運(yùn)行等。下面從服務(wù)端軟件實(shí)現(xiàn)和客戶端軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

5.1 服務(wù)端軟件實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端的編程語言使用C++，與客戶端進(jìn)行通信的協(xié)議是UDP協(xié)議。服務(wù)端軟件負(fù)責(zé)調(diào)用接收端的硬件設(shè)備提供的回調(diào)接口獲得視頻圖像，并轉(zhuǎn)發(fā)給所有連接的客戶端。流程圖如圖2所示。

5.2 客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

客戶端的編程語言使用C#，C#是一種從C++和Java繼承而來的、簡單的、現(xiàn)代的和面向?qū)ο蟮恼Z言?？蛻舳酥饕?fù)責(zé)接收服務(wù)端的視頻圖像并進(jìn)行展示。流程圖如圖3所示。

其中，接收?qǐng)D像并設(shè)置圖像的代碼如下所示：

IntPtr[]p=new IntPtr[3];

Marshal.Copy(plane,p,0,3);

byte[]rgbs=new byte[width * height * 3];

Marshal.Copy(p[0],rgbs,0,(Int32)(width * height * 3));

Bitmap currentFrame=MonitorUtils.BytesToBmp(rgbs,(Int32)width,(Int32)height);

if(_imageMap.ContainsKey(devid.ToString()))

{

_imageMap.Remove(devid.ToString());

}

_imageMap.Add(devid.ToString(),currentFrame);

圖2 服務(wù)端軟件流程圖

圖3 客戶端軟件流程圖

當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)后，顯示登錄界面。輸入用戶名和密碼，顯示視頻監(jiān)控的主界面，其中左側(cè)展示了攝像頭列表。分別拖拽攝像頭到監(jiān)控區(qū)，得到實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控界面

6 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效解決傳輸過程中的安全性問題。經(jīng)過6個(gè)月的開發(fā)工作，系統(tǒng)已經(jīng)成功部署到客戶的生產(chǎn)環(huán)境中。實(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以推廣到其他類似的應(yīng)用場景的設(shè)計(jì)。未來的研究方向包括優(yōu)化服務(wù)端視頻存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)和客戶端視頻播放的算法，保障視頻播放的流暢性。