基于IP的遠程數字監控系統的研究

摘要:為了滿足各行業對遠程監控的需求，提出基于IP網絡的遠程數字監控系統，系統采用H.264編碼，提高了視頻編碼的效果和壓縮比，降低視頻流，即可達到理想的是實時性。同時利用現有的TCP/IP網絡中的RTP/RTCP的傳輸協議實行實時性保證，采用IP組播滿足視頻監控網絡通信帶寬的不足的瓶頸。解決了傳統模擬系統數據量大，遠程傳輸效率低，實時性差的問題。其中本文重點介紹了IP組播通信和實時性保證的技術。

關鍵詞:遠程數字監控;H.264;IP組播;RTP/RTCP;實時性

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9196-02

IP-based Remote Digital Monitoring System

HONG Feng， NIU Qin-zhou

(Guilin University of Technology College of Mechanical Control Engineering，Guilin 541001， China)

Abstract: In order to meet the needs of remote monitoring ofvarious industries， IP network-based remote digital monitoring system is introduced， sysyem uses H.264 encoding， improve the effectiveness of the video encoding and compression ratio， reducing the video stream， you can achieve the desired real-time are. At the same time using the existing TCP / IP network RTP / RTCP transport protocol to ensure the implementation of real-time， using multicast IP video surveillance network to meet the shortage of communications bandwidth bottleneck. Solve the traditional analog system data volume is very large， long-distance transmission is inefficient and bad real-time problems. This article focuses on one of IP multicast communications and real-time to ensure that technology.

Key words: remote digital monitoring; H.264; IP Multicast; RTP/RTCP; real-time

傳統的模擬監控系統主要是傳輸基帶信號，而其主要缺點是傳輸距離很短，抗干擾能力差，信號存儲或檢索極不方便，已經不能適應現代化數字化的發展要求。現在在大型購物中心，大學校園，工廠，銀行等地方都采用了數字化網絡監控方案，這種需求使數字視頻監控系統應運而生。目前，網絡有其自身的瓶頸，由于這些監控信號的數據量大，因此如何解決視音頻業務的網絡利用率高，傳輸速度快，實現實時性強的問題，對這些問題我們采用IP組播技術，它有其獨特的優越性—即使用戶數量成倍增長，在組播網絡中主干帶寬也不會隨之增加。

1 系統的組網結構

該數字視頻監控系統(如圖1所示)，總體方案及所實現功能分為三部分:前段監控現場，監控中心，后端設備組成。

1.1 前段監控現場

監控現場主要有監控主機及外圍設備組成，其中外圍設備包括攝像機，電動鏡頭，云臺，防護罩，監視器，多功能解碼器及可能有報警器。監控現場主機根據客戶端軟件，實現視頻數據有模擬信號轉換成數字信號，再傳給編碼器，編碼器采用H.264標準對數字信號進行壓縮編碼，通過IP網絡將碼流傳送監控中心，同時接受來自分控中心的控制指令對云臺動作(上、下、左、右及自動)電動鏡頭的三可變(光圈、焦距和聚焦)。

1.2 監控中心

監控中心將通過IP網絡傳送來的碼流數據存放在數據庫服務器上或者通過IP網絡傳送到遠程解碼終端。

1.3 后端設備

由若干分控中心計算機組成。各分控計算機運行服務器端軟件，接受來自前端的壓縮信號、解壓、顯示(播放)。采用IP組播技術，實現分布式視頻信號的接入和共享，通過軟件授權可設置優先級別的監控系統;同時通過授權的IE用戶可以通過Internet實行隨時隨地實時訪問視頻圖像，對整個監控系統進行實時掌握。

2 IP組播和實時性保證關鍵技術

2.1 IP組播技術

2.1.1 概述

組播技術是可以由一個或多個發送者(組播源)發送單一的數據包(Datebag)到多個接收者的網絡技術。組播源只把數據發送到特定組播組中，只有具有該組播組的地址才能接到數據包。組播中的成員是動態的，主機可以隨時加入或者退出一個群組。

IP組播技術解決了無論有多少接收者，無論有多少目標地址，在整個網絡上任何一條鏈路上只傳送單一數據包，最大限度地節約了網絡帶寬資源。

2.1.2 IP組播中關鍵技術

在視頻媒體中，為保證傳輸的質量控制，在應用層質量控制上，采用內容分發網絡CDN。通過在應用層的內容分發降低了主干網絡的流媒體流量，由分布在網絡邊緣的流媒體服務器，避免了擁塞鏈路，提高了流媒體傳輸的性能和響應時間。CDN最初用于分發web內容，即主要實現web、cache的功能，隨著寬帶接入的普及以及基于流媒體技術發展，CDN被發現是一種能有效緩解流媒體傳輸吞吐量對骨干網絡帶寬的壓力。

為了克服傳統的視頻傳輸，基于單一的流媒體服務器，而且在性能上不可擴展，傳輸質量受低層網絡傳輸質量的制約，通過采用連續媒體分布服務提高質量和高效的媒體傳輸，有網絡過濾、內容分發網絡等。

同時為確保數據不被篡改，未經授權的播放和復制。數字版權管理(DRM)通過對數字內容進行加密和附加使用規則，對數字內容進行保護。其中Microsoft有完整的DRM解決方案，也可采用數字水印加密和解密。由于篇幅有限，這里就不再贅述。

2.2 實時性保證關鍵技術

2.2.1 RTP/RTCP協議

RTP(Realtime Transport Protocol實時傳輸協議)是主要針對Internet上多媒體數據流的一個傳輸協議，由IEIF(Internet工作任務組)作為RFC1889發布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或者ATM等其他協議之上工作。RTP本身只保證實時數據的傳輸，并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。作為應用層媒體協議棧，RTCP根據其機制，提供質量服務QoS，為網絡運營商監視網絡情況提供參數。

RTCP(Realtime Transport Control Portocol實時傳輸控制協議)負責管理傳輸質量在當前應用進程之間交換控制信息。在RTP連結會話期間，各參與者周期性地傳RTCP包，包中含有已經發送數據包的數量、丟失的數據包的數量等資料，所以，服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速度，有效載荷類型。RTSP是一個多媒體流化表示控制協議，用于在客戶機/服務器(Client/Server，簡稱C/S)之間建立和控制具有實時特性的數據傳輸。以最優的情況傳輸，節省大量時間，也減少了容錯性。RTP和RTCP配合使用，能以有效地反饋和最優開銷是傳輸效率達到最理想，特別適合傳送網上實時數據。系統中流媒體棧協議實現如右圖2。

2.2 壓縮算法H.264

目前視頻監控系統中采用較多的圖像壓縮標準為MPEG-4、H.263、H.264等幾個標準，本文中主要采用H.264標準，因為H.264標準與其它的視頻標準相比，在相同的帶寬下提供更加完美的圖像質量。H.264的主要優點有低碼流，高質量的圖像壓縮技術，容錯能力好，網絡適應性強，這些優點決定遠程視頻監控系統中應用將越來越普遍。

2.3 基于流媒體的實時瀏覽

対上面幾點的實時性可以說是將各種視頻信息給傳輸出來是對數據本身而言，然而實時性對用戶來說我們在LAN上通過流媒體轉發服務器，對在INTERNET上的IE瀏覽，使具有權限的管理員能夠實時的對整個監控系統進行實時掌握。我們可以采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，簡稱B/S)和C/S模式相結合的結構，在該模式下只需安裝企業內容網中央服務器終端不論在什么地方，都可以用普通web瀏覽器實現對企業數據庫的操作。

3 結論

本文主要概述了一種基于IP網絡的遠程數字監控系統。該系統實時性強，實現監控端對視頻圖像的控制與交互，圖像信號無衰減，嵌入式結構穩定，成本低。系統在數據發送時采用IP組播技術，保證發送帶寬的限制。視頻壓縮方面采用H.264對信號進行采集，同時利用RTP/RTCP協議實現對視頻流的實時傳輸，具有帶寬占用小、實時性好等優點。今后，視頻監控系統應向著前端一體化、視頻數字化、監控協同網絡化、系統集成智能化的方向發展。

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