基于SIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要:如何建立遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻連接、實現(xiàn)NAT穿透并進(jìn)行高效的視頻流編解碼是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究難點，基于SIP協(xié)議建立的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用高壓縮比的MEPG4視頻編碼格式，支持IP視頻多路并發(fā)，利用軟交換平臺對視頻流進(jìn)行集中管理，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)視頻連接建立，視頻流編解碼、加密、傳輸，以及智能報警、錄像、抓拍、回放等功能。

關(guān)鍵詞:SIP;IP;MPEG4;軟交換;視頻監(jiān)控

中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)01-74-03

The Design and Implementation of Video Monitoring System Based on SIP

HUANG Lun-wen， CHENG Yong， LI Han

(Anhui Sun Create Electronics Co.， Ltd， Hefei 230088， China)

Abstract: How to set up a remote network video connections， NAT penetration， efficient video stream encoding and decoding is the research in the field of video monitoring. MEPG4 video encoding formats， which is of high compression ratio， is used in the SIP-based network video monitoring system. The system supports multi-channel IP video， using soft-switching platform for centralized management of the video stream to achieve the establishment of a network video connection， video streaming encoding and decoding， encryption， transmission， and intelligent alarm， video capture， playback and other functions.

Key words: SIP; IP; MPEG4; soft switch; video monitoring

近年來，隨著各類如地震、冰雪等自然災(zāi)害和恐怖事件頻繁發(fā)生，公共安全已經(jīng)得到世界各國的高度重視。各級政府和單位投入大量的人力、物力研究新型安全防范系統(tǒng)。其中視頻監(jiān)控是安全防范的重要組成部分，它是一種可靠、防范能力極強(qiáng)的綜合系統(tǒng)[1-2]。

SIP(Session Initiation Protocol)會話初始協(xié)議是IETF制訂的，用于多方多媒體通信，是一個基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，獨立于底層傳輸協(xié)議TCP/UDP/SCTP，用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方多媒體會話[3-4]，與RTP、RTCP、SDP等協(xié)議結(jié)合可實現(xiàn)語音、視頻通訊;SIP協(xié)議可在TCP或UDP之上傳送，由于SIP本身具有握手機(jī)制，可首選UDP。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架和工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該視頻調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)由視頻嵌入式終端、監(jiān)控管理平臺以及SIP服務(wù)器系統(tǒng)三部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中嵌入式終端是基于SIP信令構(gòu)建的系統(tǒng)，在SIP網(wǎng)元中也可以把它看作是包含媒體通訊功能的UA客戶端。主要完成信號的采集、信號處理和前端攝像機(jī)的控制工作。

SIP服務(wù)器系統(tǒng)主要包括信令服務(wù)器(定位、代理、注冊)、媒體服務(wù)器(轉(zhuǎn)發(fā)、存儲等)以及報警服務(wù)器等。當(dāng)有監(jiān)控中心向服務(wù)器發(fā)出監(jiān)控請求時能夠找到相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，并且把請求代理轉(zhuǎn)發(fā)到嵌入式終端。

監(jiān)控管理平臺是一個標(biāo)準(zhǔn)的SIP設(shè)備，用戶除了可以觀看監(jiān)控現(xiàn)場的圖像以外，通過擴(kuò)展SIP信令，還可以支持授權(quán)用戶對云臺系統(tǒng)的控制。這里的管理平臺可分為監(jiān)控中心(外接電視墻或電視機(jī))，軟件管理平臺(其中包括在本地局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端)和支持SIP的移動設(shè)備，如筆記本電腦、可視電話、SIP手機(jī)等。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

嵌入式終端注冊到SIP服務(wù)器，如果監(jiān)控管理平臺需要監(jiān)控某個終端，可以發(fā)出接入請求，SIP服務(wù)器可以找到終端所在地，然后建立連接。連接建立后，嵌入式終端系統(tǒng)采集音視頻的模擬信號，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過編碼器編碼后(如MPEG-4編碼)傳送給視頻監(jiān)控服務(wù)器，視頻監(jiān)控服務(wù)器把視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行IP封裝后發(fā)送到監(jiān)控管理平臺。

2 嵌入式終端設(shè)計

嵌入式終端采用Z228芯片開發(fā)，Z228是上海杰得微電子自主開發(fā)的多媒體應(yīng)用處理器，是中國第一款0.13微米的高度集成的低功耗的具有強(qiáng)大多媒體處理能力的 SoC 芯片，單芯片包含了ARM926EJ CPU和MPEG-4硬件編碼器[5]。嵌入式終端的主要功能是視頻的采集、A/D轉(zhuǎn)換、編碼、發(fā)送等功能。

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

如圖2所示，攝像頭連接到視頻輸入接口，采集到的模擬視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入高性能處理芯片，高性能處理芯片集成了硬件編碼芯片和ARM處理器，數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件編碼后成為高壓縮比的MPEG4數(shù)據(jù)，通過RJ45接口傳送到網(wǎng)絡(luò)上。攝像頭連接到云臺上，使云臺帶動攝像頭移動，攝像頭以及云臺的控制接口和控制器相連，控制器再和集成電路板上的485接口相連，這樣就可以用485協(xié)議通過控制器對云臺進(jìn)行移動控制以及對攝像頭進(jìn)行變焦等操作。

2.2 MPEG-4編碼

系統(tǒng)采用的視頻編碼格式是MPEG-4。

編碼的過程如圖3所示:

1)初始化階段:初始一個實例，調(diào)用函數(shù):MP4EncInit;

2)選項配置:對編碼的碼率等參數(shù)進(jìn)行配置，調(diào)用函數(shù):MP4EncSetRateCtrl、MP4EncSetCodingCtr、MP4EnSetUsrData、MP4EncSetSmooth、MP4EncSetCrop;

3)采集視頻流:獲取產(chǎn)生MPEG4碼流的頭信息，調(diào)用函數(shù):MP4EncStrmStar;

4)數(shù)據(jù)編碼:每次得到Y(jié)UV的圖像幀后，產(chǎn)生這一幀的碼流。調(diào)用函數(shù):MP4EncStrmEncode;

5)輸出數(shù)據(jù):把編碼過的數(shù)據(jù)打包，經(jīng)過RTP傳到SIP服務(wù)器;

6)停止數(shù)據(jù)流:一個碼流數(shù)據(jù)的結(jié)束，調(diào)用函數(shù):MP4EncStrmEnd;

7)釋放資源:釋放初始化的實例，調(diào)用函數(shù):MP4EncRelease。

2.3 媒體數(shù)據(jù)的發(fā)送

SIP連接建立成功以后，雙方視頻通道建立，在IP層上進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳遞，利用RTP(實時傳輸協(xié)議)和RTCP(實時傳輸控制協(xié)議)通過UDP傳輸數(shù)據(jù)。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)[6]。

RTP提供具有實時特征的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。在視頻數(shù)據(jù)前插入包含有載荷標(biāo)識、序號、時間戳和同步源標(biāo)識符的RTP包頭，然后利用數(shù)據(jù)報套接字(UDP)在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸RTP包。

RTCP負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料。SIP服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。

3 SIP服務(wù)器

SIP用來建立，改變，認(rèn)證和終止基于IP網(wǎng)絡(luò)的多個SIP的視頻接入。在此接入過程的基礎(chǔ)上很容易的實現(xiàn)多方的音視頻、文本等各種類型的媒體會話。參與會話的成員可以通過組播方式、單播連網(wǎng)或者兩者結(jié)合的形式進(jìn)行通信。SIP服務(wù)器包括信令服務(wù)器、媒體服務(wù)器、監(jiān)控服務(wù)器。

3.1 信令服務(wù)器

信令服務(wù)器用于響應(yīng)SIP終端注冊以及連接建立，圖4是一個完整的SIP視頻的建立流程[7-8]。

嵌入式終端和監(jiān)控管理平臺首先向Sip Proxy(SIP注冊服務(wù)器)發(fā)起注冊;當(dāng)監(jiān)控中心要接入某路視頻時，監(jiān)控軟件經(jīng)SIP服務(wù)器向特定嵌入式終端發(fā)起包含SDP(Session Description Protocol 會話描述協(xié)議)結(jié)構(gòu)的INVITE請求，嵌入式終端返回180響鈴消息，然后嵌入式終端返回包含SDP結(jié)構(gòu)的200OK數(shù)據(jù)包表示同意接聽，并且進(jìn)行媒體協(xié)商，最后監(jiān)控軟件向嵌入式終端發(fā)送ACK確認(rèn)包，此時通話建立;啟動媒體和485總線的相關(guān)線程。

當(dāng)斷開某路視頻時，監(jiān)控軟件向嵌入式終端發(fā)BYE消息，嵌入式終端返回200OK，則連接斷開。

3.2 媒體服務(wù)器

媒體服務(wù)器的主要作用是媒體流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、錄像、點播等功能。

當(dāng)監(jiān)控管理平臺和嵌入式采集終端連接成功后，媒體服務(wù)器建立起映射關(guān)系，嵌入式采集終端采集現(xiàn)場實時圖像，進(jìn)行編碼打包后發(fā)送到媒體服務(wù)器，媒體服務(wù)器根據(jù)該連接的映射關(guān)系，把IP視頻包轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控管理平臺;而監(jiān)控管理平臺通過同樣的方法實現(xiàn)對嵌入式采集終端的各種控制命令的發(fā)送。

媒體服務(wù)器的另一個重要功能是視頻流的存儲點播。媒體服務(wù)器可以把經(jīng)過該服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)保存到硬盤中，用戶可以對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和回放。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)比較龐大，一臺媒體服務(wù)器無法滿足整個系統(tǒng)需求時，可以對媒體服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)展，使用多臺媒體服務(wù)器并發(fā)協(xié)作執(zhí)行。

3.3 監(jiān)控服務(wù)器

當(dāng)攝像機(jī)收集到異常信號(如探測到了高溫信號，認(rèn)為發(fā)生了火災(zāi))后，將其通過監(jiān)控系統(tǒng)傳至報警聯(lián)動裝置，再由報警聯(lián)動裝置通過某種通信手段(如手機(jī)短信、E-mail等)自動向監(jiān)控人員發(fā)出報警信號，或者系統(tǒng)自動地處理現(xiàn)場(如火災(zāi)時斷電等)。

4 監(jiān)控管理平臺

SIP監(jiān)控平臺的主要作用是連接并控制遠(yuǎn)程視頻，視頻流接收、解碼、回放等。

4.1 平臺構(gòu)成

監(jiān)控管理平臺包含SIP模塊、RTP模塊、XVID模塊、遠(yuǎn)程控制模塊等。分別實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻連接的建立、視頻流接收、解碼播放、遠(yuǎn)程控制等功能。每個監(jiān)控平臺可以同時監(jiān)控多路視頻，能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行拍照或錄像，對攝像頭和云臺進(jìn)行操控。對指定區(qū)域的情況實時監(jiān)測報警。

監(jiān)控平臺另一個重要的功能是通過圖像處理算法對比一段時間間隔的圖像數(shù)據(jù)的相似性，來識別指定區(qū)域是否有異常活動，實現(xiàn)自動報警、抓拍、跟蹤等功能。

4.2 MPEG-4解碼

從SIP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過來的的視頻流，需要解碼后，才能呈現(xiàn)圖象，解碼包含Decoder 和VPD 2 部分。其中Decode 用于數(shù)據(jù)的讀取和解碼，而VPD 用于圖像縮放、格式轉(zhuǎn)換等處理。

解碼流程如圖5所示:

1)初始化:初始化Decoder和VPD實例，調(diào)用函數(shù):MP4DecInit、VPDInit;

2)取數(shù)據(jù)頭信息:啟動接收MPEG-4數(shù)據(jù)流，解出視頻數(shù)據(jù)的頭信息，調(diào)用函數(shù):MP4DecDecode;

3)預(yù)留視頻圖象處理空間;

4)配置VPD:根據(jù)頭信息中碼流的寬高等，配置VPD模塊。根據(jù)需要，將輸出配置為Framebuffer或者內(nèi)存。調(diào)用函數(shù):VPDGetConfig、VPDSetConfig;

5)解碼:根據(jù)頭信息接收解碼單元(一段數(shù)據(jù))，解碼單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。一幀圖像解碼完畢則輸出顯示，否則繼續(xù)解碼，調(diào)用函數(shù):MP4DecDecode;

6)釋放資源:結(jié)束時候，釋放相關(guān)實例，調(diào)用函數(shù):VPDRelease、MP4DecRelease。

5 結(jié)束語

該文設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于SIP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用嵌入式設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸方式采用了集中管理代替點對點的方式，提高了監(jiān)控設(shè)備的可靠性、靈活性、易管理性。SIP監(jiān)控適合應(yīng)用于大規(guī)模分布式監(jiān)控，具有IPV4/IPV6雙協(xié)議棧，不僅應(yīng)用于現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)，也可平滑過度到下一代網(wǎng)絡(luò)。隨著SIP相關(guān)技術(shù)的成熟，SIP將成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域主流信令控制協(xié)議之一，具有廣闊的發(fā)展空間。

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