基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，滿足安防行業(yè)使用需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、先進(jìn)可靠、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，不僅可以高效、安全地遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源的最大化利用，提高視頻編碼質(zhì)量和效率，完全符合預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。希望可以為相關(guān)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字視頻壓縮；流媒體網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

目前，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種重要的安全防范技術(shù)手段，被廣泛地應(yīng)用于社區(qū)、住宅、交通、金融等行業(yè)中，為遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境、保障環(huán)境周邊的安全性提供重要的平臺(tái)支持。傳統(tǒng)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)不具有跨平臺(tái)能力，無(wú)法有效地兼容編碼器碼流，同時(shí)，存在傳輸距離短、傳輸視頻流難度大、信息安全保密性不強(qiáng)等問題，而基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以突破傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的局限性。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、流媒體網(wǎng)絡(luò)播放技術(shù)等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心安全傳輸和發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)圖像，由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警管理，完全滿足數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控需求[1]。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

（一）網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)概述

在數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，為保證來(lái)自不同地區(qū)的用戶可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控情況進(jìn)行有效數(shù)據(jù)通信，需要確保視頻圖像傳輸質(zhì)量達(dá)標(biāo)，以保持系統(tǒng)的監(jiān)控質(zhì)量和效率。為避免因傳輸數(shù)據(jù)量過(guò)大而增加傳輸網(wǎng)絡(luò)擁擠程度，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重延遲、丟失問題，需要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)。該技術(shù)在具體應(yīng)用時(shí)，需要選用合適的網(wǎng)絡(luò)通信通道和通信協(xié)議，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。目前，比較常用的傳輸層協(xié)議是TCP/IP傳輸協(xié)議。

TCP/IP傳輸協(xié)議主要基于現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)而成，其IP層表現(xiàn)出較高的包容性。借助IP地址，可以有效地隱藏和屏蔽底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)開發(fā)人員在不知道底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)問題的情況下，也能正常使用TCP/IP傳輸協(xié)議。

（二）數(shù)字視頻壓縮技術(shù)

在流媒體信息源中，通常會(huì)產(chǎn)生海量的信息數(shù)據(jù)，如果在沒有壓縮信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行直接傳輸和存儲(chǔ)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。因此，在正式傳輸和存儲(chǔ)流媒體數(shù)據(jù)之前，需要先對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，這樣做能夠?yàn)楹笃跀?shù)據(jù)的快速、安全傳輸和存儲(chǔ)提供極大便利。當(dāng)經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)據(jù)傳輸至目的地后，對(duì)其進(jìn)行解壓縮并播放。通過(guò)壓縮信息數(shù)據(jù)，不僅可以節(jié)省存儲(chǔ)空間和CPU運(yùn)行空間，還能縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高數(shù)據(jù)傳輸效率?，F(xiàn)階段，用于數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控的圖像壓縮技術(shù)主要以“MPEG-4”為主。在進(jìn)行數(shù)字視頻壓縮時(shí)，主要運(yùn)用以下兩種壓縮機(jī)制：

1.有損壓縮。有損壓縮主要是指壓縮處理前數(shù)據(jù)與解壓縮后數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差或不一致現(xiàn)象，這說(shuō)明運(yùn)用有損壓縮機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不重要的圖像信息、音頻信息丟失，且這些丟失數(shù)據(jù)是不可逆的，無(wú)法恢復(fù)。

2.無(wú)損壓縮。無(wú)損壓縮主要是指壓縮處理前數(shù)據(jù)與解壓縮后數(shù)據(jù)保持完全相同。

（三）流媒體網(wǎng)絡(luò)播放技術(shù)

通過(guò)構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)據(jù)通道，可以將客戶端與媒體服務(wù)器端進(jìn)行有效地連接，使其結(jié)合為統(tǒng)一整體。單臺(tái)服務(wù)器所提供的數(shù)據(jù)包只能向單個(gè)客戶機(jī)進(jìn)行傳送，這種傳送方式被稱為“單播”。在單播模式下，單個(gè)用戶在查詢相關(guān)信息時(shí)，需將相關(guān)查詢請(qǐng)求發(fā)送至相應(yīng)的媒體服務(wù)器中，由媒體服務(wù)器結(jié)合用戶查詢請(qǐng)求，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息拷貝、加載，并呈現(xiàn)在用戶面前，便于用戶查看和調(diào)用 。這種處理方式會(huì)增加數(shù)據(jù)冗余量，導(dǎo)致服務(wù)器面臨較大的運(yùn)行壓力，同時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定問題。在IP通信中，還用到廣播方式。在廣播方式下，借助源主機(jī)，將所有IP信息包發(fā)送和傳輸至特定的網(wǎng)段中。

在IP廣播包中，目標(biāo)地址含有主機(jī)部分和網(wǎng)絡(luò)部分，其中，主機(jī)部分被統(tǒng)一設(shè)置為“1”；網(wǎng)絡(luò)部分被統(tǒng)一設(shè)置為“子網(wǎng)地址”，利用主機(jī)部分，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息包的有效識(shí)別，同時(shí)，借助本子網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廣播地址信息包的統(tǒng)一化接收。IP組播通信方式具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以向任意主機(jī)上發(fā)送和傳輸相關(guān)IP信息包，避免各個(gè)機(jī)器資源被大量消耗。

在IP協(xié)議的應(yīng)用背景下， 通過(guò)采用組播的方式 ，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)視頻數(shù)據(jù)的安全化傳送，當(dāng)某客戶端需要接收和應(yīng)用所需要的視頻流時(shí)，借助傳輸斷，可向接受者一次性發(fā)送和傳輸相關(guān)信息，這種傳輸方式降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源充分利用，同時(shí)，還簡(jiǎn)化了發(fā)送端編程流程。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用B/S設(shè)計(jì)思想，本文將系統(tǒng)架構(gòu)劃分為軟件控制層、視頻信號(hào)層、硬件數(shù)據(jù)層三個(gè)組成部分。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為一種綜合系統(tǒng)，不僅涉及計(jì)算機(jī)軟件和硬件，還涉及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。其中，系統(tǒng)硬件部分主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、完整地采集視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行編碼、解碼和傳輸。系統(tǒng)軟件部分主要用于對(duì)硬件部分工作流程的實(shí)時(shí)化管控。總之，在整個(gè)系統(tǒng)模塊中，軟件部分具有重要的領(lǐng)導(dǎo)地位[2]。

（二）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

要想借助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的增刪改查，離不開系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。在數(shù)據(jù)庫(kù)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文選用“MySQL”關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)采用結(jié)構(gòu)化方法，能夠有序地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)通常含有若干張數(shù)據(jù)表，每張數(shù)據(jù)表均定義好各個(gè)字段，然后，結(jié)合表結(jié)構(gòu)有序存入數(shù)據(jù)，有效地提高數(shù)據(jù)表的穩(wěn)定性和可靠性[3]。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要是由攝像頭、視頻編解碼器、網(wǎng)絡(luò)接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通信總線等部分組成。視頻編解碼器作為本文系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵組成部分，主要借助專用集成電路邏輯關(guān)系進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，該解碼器主要包含視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器、視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主編解碼芯片、網(wǎng)絡(luò)接口四個(gè)組成部分[4]。

其中，主編解碼芯片主要選用型號(hào)為Hi3510芯片；視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器和視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要選用由TECHWELL公司研發(fā)的TW2835芯片，該芯片功能如下：采集所需要的視頻模擬信號(hào)，通過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換的方式將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并采用BT656格式向主編解碼芯片傳輸和發(fā)送數(shù)字信號(hào)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖及劃分

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃榉?wù)器端軟件模塊、客戶端軟件模塊兩大組成部分。在系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中，用戶界面是由客戶端提供的，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的邏輯處理，同時(shí)，借助數(shù)據(jù)服務(wù)器，對(duì)客戶端所發(fā)送的SQL語(yǔ)句進(jìn)行接收和執(zhí)行，并快速查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中所需要的數(shù)據(jù)，然后將最終查詢結(jié)果直接反饋給用戶。此外，借助客戶端，可以將獲取圖像數(shù)據(jù)的請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)端，并采用本地服務(wù)器，完整顯示由服務(wù)端所發(fā)送的屏幕圖像。服務(wù)端主要用于對(duì)客戶端所發(fā)出請(qǐng)求的實(shí)時(shí)響應(yīng)和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕圖像的精確化抓取和發(fā)送[5]。

（二）系統(tǒng)服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.服務(wù)器系統(tǒng)介紹

服務(wù)器端軟件主要包含以下兩個(gè)部分：

（1）前端軟件。前端軟件作為一種常用軟件，主要安裝和部署于多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集、顯示、傳輸?shù)忍幚砹鞒痰膶?shí)時(shí)化監(jiān)控，并包含報(bào)警控制模塊和文件回收模塊。

（2）監(jiān)控端軟件。監(jiān)控端軟件主要用于對(duì)所需圖像的實(shí)時(shí)接收、存盤、檢索以及前端的實(shí)時(shí)化控制[6]。

2.視頻采集模塊設(shè)計(jì)

視頻采集模塊運(yùn)行流程如下：打開和啟用視頻設(shè)備，科學(xué)地設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式，并打開芯片進(jìn)行運(yùn)行。同時(shí)，還要做好對(duì)視頻邏輯采集通道各個(gè)屬性的科學(xué)設(shè)置，并啟用邏輯通道，完成對(duì)所需視頻信息的全面化采集，并向緩沖區(qū)存儲(chǔ)所采集好的視頻數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)處于存滿狀態(tài)，則需要進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，并喚醒整個(gè)圖像處理進(jìn)程，確保該進(jìn)程指向下一個(gè)緩沖區(qū)。

3.視頻編碼模塊設(shè)計(jì)

視頻編碼流程如下：首先，啟動(dòng)并打開通信線程，然后從視頻采集模塊中獲取所需數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到視頻編碼器中，當(dāng)編碼完成后，需要打包處理碼流。其次，借助網(wǎng)絡(luò)接口，將最終打包結(jié)果傳輸和發(fā)送至客戶端，以達(dá)到快速解碼的目的。當(dāng)客戶端發(fā)送控制命令后，需要暫停編碼處理，此時(shí)，編碼操作全部停止[7]。

（三）系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.客戶端設(shè)計(jì)

客戶端軟件作為一種重要的應(yīng)用軟件，具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)配置、遠(yuǎn)程回放、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)覽等基本功能?？蛻舳塑浖诰唧w設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用C/S模式，完成對(duì)跨平臺(tái)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，從而提高數(shù)據(jù)操作效率，保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和安全性，完全適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使用需求。

2.視頻解碼模塊設(shè)計(jì)

視頻解碼模塊主要運(yùn)用多線程方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，運(yùn)用多線程方式，向指定的解碼器發(fā)送和傳輸相關(guān)碼流信息。同時(shí)，采用輔線程方式，利用視頻解碼器，對(duì)解碼處理后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一化抽取和釋放。在應(yīng)用主線程時(shí)，需對(duì)解碼器進(jìn)行初始化處理，并科學(xué)設(shè)置視頻解碼器的參數(shù)，如緩沖區(qū)大小等。此外，從創(chuàng)建好的解碼通道中，獲取和調(diào)用所需要的碼流通道信號(hào)。

輔線程在具體運(yùn)用時(shí)，需要傳送解碼后的數(shù)據(jù)，并將解碼好的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在用戶面前，供用戶查詢和調(diào)用。

3.視頻輸出模塊設(shè)計(jì)

視頻輸出模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，通常離不開DirectDraw組件的應(yīng)用。該模塊具體設(shè)計(jì)流程如下：首先，初始化處理DirectDraw組件，并將該組件直接綁定在窗口上，確保兩者形成良好的綁定關(guān)系。其次，從解碼處理好的數(shù)據(jù)中獲取所需要的信息，并利用函數(shù)接口，對(duì)該信息進(jìn)行縮放處理。最后，通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制和拷貝， 將縮放后的圖像信息存儲(chǔ)到DirectDraw對(duì)象中，然后對(duì)該對(duì)象進(jìn)行刷新處理，并向屏幕傳輸和顯示最終數(shù)據(jù)結(jié)果。在這個(gè)過(guò)程中，如果需要停止控制，則暫停刷新操作，并釋放相關(guān)數(shù)據(jù)資源。視頻輸出流程如圖1所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：借助攝像頭，將所采集到的圖像數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸和發(fā)送至計(jì)算機(jī)中；計(jì)算機(jī)采用編碼壓縮處理技術(shù)，將所接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、壓縮處理，降低圖像數(shù)據(jù)量；當(dāng)圖像數(shù)據(jù)壓縮完成后，將其存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，便于后期相關(guān)人員查詢和調(diào)用這些數(shù)據(jù)；可以實(shí)時(shí)播放傳輸過(guò)來(lái)的圖像數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。盡管本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得了較高的成效，但是仍然存在以下需要完善的地方：首先，目前僅設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟件個(gè)別模塊，尚未完成系統(tǒng)全部模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；其次，系統(tǒng)對(duì)音頻的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，有待后期優(yōu)化和補(bǔ)充。

作者單位：仇申海 萊西市職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校

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