在線環保遠程視頻取證系統①

黃海平,袁仲良

1(肇慶醫學高等專科學校,肇慶 526040)

2(肇慶三欣機電設備有限公司,肇慶 526040)

引言

隨著世界各國經濟的發展,自然環境遭到嚴重破壞,人類的生存環境面臨嚴峻考驗.為了全人類的可持續發展,環境保護已經成為了各國經濟發展過程中必須面對的重要任務.好在,我們國家在經過三十多年的改革開放及經濟發展后,已經意識到保護環境的重要性及緊逼性.在環保排污監控領域,國家強制要求排污企業在排污口安裝污染源在線監測系統,將實時將數據上報到上級環保部門.但由于區域經濟發展水平不同,國民環境意識不高等原因,部分排污企業出于自身利益的考慮,采取偷排、篡改數據等方式來逃避監管;一些排污企業對已經安裝的實時在線監測系統有抵觸情緒,對在線監測設施采取消極管理、消極維護的態度,導致在線監測系統故障頻發,在線監測數據不準確.為了杜絕這種現象,實現視頻監控系統與環保管理信息系統相結合,將數據和視頻集成在同一界面顯示,從而實現對數據和視頻的同屏實時監控,就成為了必要.本項目研究的目的正是為了實現對環保監測數據以及排污口、在線站房、環境治理設施的全方位視頻監控,讓數據監控與視頻監控互補,充分發揮環保在線監控管理平臺的遠程監控取證功能,使環保部門能更直觀地監測污染源的排放情況,進一步提高污染源在線監控設備運行管理水平,為環保部門提供良好、便捷的管理手段[1].

1 項目現狀

視頻監控技術的發展到目前為止,主要經歷了本地模擬視頻監控、計算機多媒體監控、Web遠程視頻監控三個發展階段.

1.1 現場模擬視頻監控系統

在20世紀后期,大部分設備信號的采集和傳輸都以模擬信號為主,其中包括視頻監控設備.攝像機采集模擬視頻信號,然后通過銅軸電纜以模擬信號方式傳輸到附近的監控中心.該技術只能應用于小范圍、近距離的監控,無法實現遠程監控[2].

1.2 計算機多媒體監控系統

在21世紀初期,由計算機系統以及PCI接口的視頻卡構成了計算機多媒體監控系統.在現場監控中,由計算機視頻卡采集多個攝像機的視頻信號,再通過傳輸線路把這些信號傳輸到終端顯示器上顯示.此種監控方式存在圖像穩定性、可靠性差的缺點,但可以通過計算機網絡實現小規模的遠程視頻傳輸及監控,還無法和其他系統集成.

1.3 Web遠程視頻監控系統

Web遠程視頻監控系統就是將現場采集的模擬音頻、視頻、控制信號轉換為數字信號,然后通過通訊網絡傳輸到遠方的監控中心,終端用戶通過Web插件利用瀏覽器實現對現場音視頻的點播瀏覽.經過授權認證的用戶可以使用Web瀏覽器查看現場傳輸過來的實時和歷史視頻及聲音,并可以遠程控制攝像機的動作和實現對講,從而最終實現了音頻視頻的數字化、應用的多媒體化、傳輸的網絡化以及管理的智能化[2].該技術還可以同其它系統相結合,產生許多新的應用,正越來越廣泛地滲透到環保、教育、政府、娛樂、醫療、酒店、家居、工業等各種領域,在各行各業起著舉足輕重的作用.

在21世紀初,網絡通訊傳輸技術得到了很大提升,相繼出現了ADSL寬帶技術以及光纖網絡通訊技術.兩種網絡傳輸技術的發展,使得要求實時性強、傳輸數據量大的遠程視頻監控技術得以實現.

在以上兩種軟硬件技術的支持下,遠程視頻監控技術得到了迅猛發展,但由于音視頻流的數據量非常大,而終端用戶真正需要得到的只是發生概率很少的一些事情.那么如何通過海量的音視頻流數據而獲取到有價值的信息,從而把視頻監控從靜態的變成動態的、事后取證變成實時取證就更加重要[3].在環保在線監測取證方面,能夠結合已有的污染源在線監測數據,實現數據和音視頻的集成取證功能,目前還沒有成熟的先例.本項目正是以環保自動分析設備為核心,以視頻監控設備為輔,以通訊網絡為傳輸媒介,運用自動測量技術、自動控制技術、現代傳感技術、網絡通訊技術以及計算機軟件技術組成的一個綜合性的在線環保遠程視頻取證系統,實現對排污企業現場數據和視頻的取證功能[4].

2 技術路線

項目技術路線

(1)根據環保視頻取證系統的特點以及工程實際,并對系統功能需求做深入的分析和研究,在此基礎上提出了在線環保遠程視頻取證系統的總體設計方案及軟件實現的方法.

(2)整個監控系統采用分布式組件設計,包括流媒體服務、視頻存儲服務、客戶端監控組件、視頻節點認證服務、服務器端的管理服務.

(3)根據省市環保管理平臺的具體要求,設計和省市環保平臺視頻對接的函數接口,以實現環保平臺能夠集成視頻監控并實現對視頻系統的遠程控制.

(4)通過對大批量數據遠程傳輸方式的綜合比較以及TCP/IP 網絡傳輸的特點,結合本系統對遠程數據傳輸的要求,設計采用基于 TCP/IP 的網絡傳輸方式,作出了音視頻轉輸的優化設計方案,使得采用ADSL通訊方式的音視頻在終端用戶面前也很流暢和清晰,滿足了用戶的要求.

(5)根據方案的功能設計要求,提出基于 C/S 和B/S 混合模式體系結構的設計方案,設計開發軟件使用微軟.NET 平臺,硬件方面主要給出了存儲服務器、通訊服務器以及音視頻系統的配置要求.

(6)根據音視頻流傳輸安全要求,本系統使用了XML-RPC遠程過程調用協議及票據作為身份認證的設計方案,實現了用戶對音視頻數據的安全訪問.

2.1 項目的創新點

2.1.1 采用 XML-RPC 協議實現票據數據交換

XML-RPC 的全稱是 XML Remote Procedure Call,即 XML 遠程方法調用,XML-RPC是一套規范及其一系列的實現,它允許運行在不同操作系統、不同環境的應用程序基于TCP/IP網絡進行的遠程過程調用.XML-RPC是工作在Internet上的遠程過程調用協議,它使用http 作為傳輸協議,XML作為傳送信息的編碼格式.定義簡單的XML-RPC協議能夠傳送、處理、返回復雜的數據結構.一個XML-RPC消息就是一個請求體為xml的http-post請求,被調用的方法在服務器端執行并將執行結果以xml格式編碼后返回[5].

XML-RPC協議過程調用的參數類型包括標量、數值、字符串、日期以及復雜的記錄或列表結構(數組類型)等[5].在本項目中,實時視頻權限集成接口等函數接口使用了XML-RPC協議.

2.1.2 采用票據驗證方式實現權限驗證

目前,市場上現有的視頻監控系統的登錄認證方式還是比較簡單的口令形式,即通過用戶輸入的登錄信息與系統事先保存的登錄信息相比較去判斷用戶身份的合法性.這種用戶身份認證方式極其簡單,存在著極大的安全隱患:一方面,其安全性完全取決于用戶口令的保密性,它不能有效的抑制口令猜測攻擊;另一方面,登錄信息以明文方式在網絡傳輸,攻擊者通過監聽網絡來獲得合法用戶的登錄信息,并利用這些信息對系統進行非法訪問,極易遭受重放攻擊[6].

鑒于上述存在的問題,在本項目中,根據系統的數據及音視頻流傳輸安全要求,視頻點播中采用了票據認證服務的方式,將客戶端監控組件的要求和中心節點視頻服務器連接起來,實現實時、歷史視頻的數據交換的安全認證功能.視頻點播要通過獲取票據和使用票據兩個流程來實現,每個票據由中心節點視頻服務器生成并發送給請求票據的客戶端使用,每個票據只允許使用一次,使用完畢后會被注銷,不能再使用[7].使用這種票據驗證方式,克服了傳統密碼保密性差、易失密等缺點,兼顧密碼方式的方便、靈活、安全、可靠,實現了音視頻數據的安全轉輸和瀏覽.

2.1.3 視頻傳輸中 ADSL 網絡帶寬的優化

隨著人們對圖像觀感要求的不斷提高,視頻監控產品的圖像清晰度做得越來越高,視頻流傳輸所需的帶寬要求也就越來越高.國內外大的安防企業都在對前端視頻采用更為高效的壓縮技術,盡力在保證視頻質量的前提下降低視頻傳輸流量,但也難以完全解決視頻數據遠程傳輸對通訊網絡的壓力[8].在當前的技術條件下,通訊網絡的帶寬始終制約著遠程視頻監控技術的發展.

使用ADSL通訊,由于其帶寬小,大量的音視頻流對網絡產生了極大的壓力,使得最終呈現在終端用戶面前的視頻流暢度不好或清晰度不高,達不到遠程監控的要求.針對目前有些排污企業由于經濟或地域問題,還沒法完全使用光纖作為轉輸介質,只能使用ADSL網絡進行通迅的實際情況,我們通過調整相關的視頻參數,適當降低音視頻流傳輸流量,使呈現在終端用戶面前的畫面清晰度和流暢度達到一個最佳效果,從而減輕了眾多音視頻傳輸時對通訊網絡的壓力,很好的解決了視頻傳輸中由于采用ADSL傳輸網絡而造成帶寬不足的問題[9].

2.1.4 采用 Web 客戶端組件實現視頻點播

本項目通過“現場—市級—省級”三級網絡架構,“現場節點、視頻服務節點、市級用戶節點、省級用戶節點”[7]四個網絡節點,開發Web客戶端監控組件實現對現場監控點的實時視頻監控和歷史視頻取證功能.Web客戶端視頻監控組件是最終呈現在用戶面前供用戶監控使用的組件,它通過 IE 插件的方式集成在環保平臺上.Web客戶端可以嵌入到IE頁面中,提供二次開發功能,通過Web Service獲取各個服務組件的各種服務,用于顯示實時視頻和回放錄像、云臺控制、鏡頭動作等監控動作,亦可以在一個 IE 頁面中同時顯示幾十個以上不同的實時圖像或歷史圖像而互不干擾,并且通過對視頻傳輸中 ADSL 網絡帶寬的優化使得實時和歷史視頻能夠流暢播放和控制,實現對視頻點的并發訪問.

3 設計方案

3.1 工藝流程

本系統采用ADSL、MSTP等寬帶形式和各監控節點進行組網通訊,并利用TCP/IP協議作為數據傳輸標準,通過“現場-市級-省級”三級網絡架構,“現場節點、視頻服務節點、市級用戶節點、省級用戶節點”[7]四個網絡節點,再通過將數據和視頻集成在一個頁面上,實現對現場監控點的實時視頻和歷史視頻監控取證功能.具體見圖1所示.

圖1 工藝流程

流程說明:

(1)視頻監控數據由現場的視頻設備進行采集、編碼、壓縮,再通過TCP/IP網絡傳輸到上級的視頻服務節點.

(2)視頻服務節點由放置在視頻監控中心的一套視頻服務軟件、網絡防火墻、視頻服務器等組成.視頻監控中心能夠實現視頻數據的采集、儲存、分發以及對遠程現場視頻監控設備的控制和管理.

(3)在市級、省級中心平臺軟件集成IE客戶端視頻控件.通過集成在中心平臺軟件中的視頻控件,與市級監控中心的視頻服務節點直接相連,使用XMLRPC協議實現視頻接口函數,再采用票據方式和視頻服務器實現點播實時視頻和歷史錄像的權限驗證,省市級系統用戶不用直接連接到現場的監控設備,減輕了對現場端設備的負荷和網絡擁堵.

系統構成:

遠程視頻監控管理系統采用分布式組件設計,包括IE客戶端監控組件、視頻節點認證服務組件、流媒體服務組件、視頻存儲服務組件、服務器端管理系統以及現場端的硬件采集設備.如圖2所示.

圖2 系統構成圖

3.2 軟件設計

軟件部分是由IE客戶端監控組件、視頻節點認證服務組件、流媒體服務組件、視頻存儲服務組件、服務器端管理系統五大部分組成的遠程視頻監控管理軟件.本軟件可對各監測點的視頻數據進行自動采集、自動處理并存儲;同時,根據遠程客戶端的需求,將采集接收到的視頻數據通過寬帶網絡傳輸給遠程IE客戶端,并能接收遠程IE客戶端發出的控制指令控制視頻設備的狀態.

3.2.1 流媒體服務組件設計

流媒體技術就是把連續的影像和聲音信息經過壓縮處理后放在網站服務器上,讓用戶邊一邊下載一邊觀看、收聽,而不需要等整個文件全部下載完畢后才可以觀看的技術.該技術先在使用者端的電腦上創造一個緩沖區,在播放前預先下載一段資料作為緩沖,當網絡實際連線速度小于播放所耗用資料的速度時,播放程序就會取用這一小段緩沖區內的資料,這樣可以避免播放的中斷,也使得播放品質得以保證[10].具體特點如下:

(1)流媒體經過了特殊的壓縮編碼后很適合在Internet 上傳輸,流媒體技術實現了在低帶寬環境下提供高質量的音視頻信息.

(2)客戶端嵌入瀏覽器中,初次使用時自行下載安裝,以后直接打開瀏覽器就可以點播觀看,極其方便.

(3)流媒體技術可以保證在不同的網絡連接速率下,各用戶能夠得到不同質量的音頻、視頻效果,從而保證滿足不同用戶的需求.

(4)采用先進的機群技術,可對大規模的并發點播請求進行分布式處理,使其能適應大規模的點播環境[11],亦可以大大減少服務器端的負荷,避免出現系統宕機,同時最大限度地節省帶寬.

如圖3所示.

圖3 流媒體中間件

基于流媒體技術存在以上的優點,針對目前部分地區寬帶網絡帶寬低,速度慢,網絡不穩定的實際情況,本設計方案里采用了流媒體技術實現現場視頻的采集、傳輸和分發.流媒體技術服務功能的實現分為實時流媒體技術服務功能模塊和回放流媒體技術服務功能模塊.實時流媒體技術服務功能模塊實現對遠程現場的實時視頻數據流進行上傳、轉發,回放流媒體技術服務功能模塊用于對儲存在本地的歷史視頻數據流進行轉發.在本項目中,設計的流媒體程序如圖4所示.

圖4 流媒體中間件實現界面

3.2.2 IE 客戶端監控組件設計

IE客戶端視頻監控組件是最終呈現在用戶面前供用戶監控使用的組件,它通過 IE 插件的方式集成在環保平臺上.IE客戶端監控組件通過WebService獲取各個服務組件提供的各種服務,用于顯示實時視頻和回放歷史視頻或錄像、實現云臺控制、控制鏡頭動作等監控操作.IE客戶端監控組件與現場視頻設備的所有數據交換如云臺控制、鏡頭控制、音視頻流等,都必須通過中間的視頻服務節點進行[7],IE客戶端監控組件不能與現場的視頻監控設備進行直接網絡連接,而是通過視頻點位ID與視頻服務組件唯一關聯.一個視頻點位ID只對應一路音頻、視頻、云臺.

IE客戶端監控組件的安裝包使用cab文件封裝,可以在網頁上通過JavaScript調用.其控件運行穩定可靠,不會影響到被嵌入的監控平臺網站.

在本項目中,IE客戶端監控組件設計了以下功能:客戶端初始化控件、客戶端顯示模式設置、實時視頻播放開始/停止、云臺或鏡頭開始/停止動作、打開/關閉聲音、音量調整、截圖、錄像開始/停止、歷史視頻回放開始/停止、回放模式設置等等14個功能函數.

在本項目中,實時視頻和數據集成到IE中的設計界面中,如圖5所示.

視頻監控頁面,左側選擇監控站相應視頻點,顯示視頻,并可對視頻設備進行控制.視頻圖像下方顯示該監控站下所有監測點位的實時數據.

在本項目中,歷史視頻和數據集成到IE中的設計界面,如圖6所示.

左側工具欄中,在日歷上選擇查看哪天的歷史視頻,下方顯示當天的歷史視頻列表.歷史視頻列表中點擊某個時間段,右側視頻監控面板可播放該段視頻.

圖5 實時 IE 客戶端實現界面

圖6 歷史 IE 客戶端實現界面

3.2.3 存儲服務組件設計

存儲服務組件用于在閑時自動循環下載現場端硬盤錄像機的歷史視頻到中心節點視頻服務器,以供IE客戶端調用點播.本組件的設計特點是:系統自動檢測IE客戶端是否在點播某一企業現場點實時視頻,如果沒有點播,則執行自動下載現場端硬盤錄像機的歷史視頻到中心節點視頻服務器.這一設計思路很好的解決了在實時視頻點播及歷史視頻下載時搶用帶寬的問題,在采用 ADSL 寬帶時,這一設計尤其重要.在本項目中,歷史視頻下載設計界面,如圖7所示.

圖7 存儲服務組件實現界面

3.2.4 視頻節點認證服務設計

(1)實時視頻數據交換模型

實時視頻的播放,主要經過兩個流程:獲取票據、使用票據.客戶端通過監控中心平臺向視頻服務器節點請求點播實時視頻的要求,視頻服務器節點生成并發放票據給對應的客戶端使用,每個票據只允許使用一次,使用完畢后會被注銷,不能再使用[7].具體的方法如圖8所示.

(2)歷史錄像數據交換模型

歷史錄像的播放,主要經過三個流程:獲取歷史視頻列表、獲取票據、使用票據,其中后面兩個流程與實時視頻的流程類似.客戶端要求監控中心平臺向視頻服務節點查詢某一點位在某個時間段的歷史視頻列表,供客戶端選擇.客戶端請求播放某一時間段的歷史視頻后,視頻服務器節點再生成并發放票據給對應的客戶端使用,每個票據只允許使用一次,使用完畢后會被注銷,不能再使用[7].具體的方法如圖9所示.

(3)具體實現方法

在視頻服務認證節點環節,服務器端集成并提供符合要求的Web服務,環保監控中心平臺按照統一的接口標準,調用視頻服務節點上的Web服務,從而實現視頻數據交換[7].采用XML-RPC方法,調用視頻服務節點上的Web服務[7].視頻服務節點實現的部分接口函數如實時權限集成接口、歷史權限集成接口、列表檢索接口、開關燈集成接口等等.

以下是實時視頻接口的XML-RPC請求和響應示例,其它命令的XML-RPC請求和響參考此示例.

圖8 實時視頻數據交換模型

3.2.5 服務器管理程序設計

服務器端管理組件用于基礎信息設置、實時視頻監控、歷史視頻回放即點播功能、云臺控制、鏡頭動作、本地錄像或截圖、通迅記錄查詢等操作,以及遠程視頻設備管理與本地設置管理等.具體見圖10.

圖10 視頻系統功能框架圖

4 應用情況

4.1 在環保行業的應用

目前,該項目已經在肇慶市環境保護局環保監控平臺和省環保廳環保監控平臺投入使用.到目前為止,肇慶市有200多家污染源企業已經接入了遠程視頻集成監控管理軟件,并穩定、及時、準確的將視頻數據上傳到肇慶市和廣東省環保監控平臺.圖11為部分企業的實時視頻抓取畫面及在環保平臺上的應用.

圖11 環保行業應用

4.2 在其他行業的應用

本項目產品應用范圍廣闊,除了應用于環保行業以外,還可以應用到其他需要視頻監控的行業中去.隨著視頻遠程監控需求的不斷上升,在環保、交通、工業、家居、銀行、零售業等行業市場,以遠程視頻監控為基礎的視頻監控將獲得長足發展,因此本項目遠程視頻監控管理系統的市場前景廣闊,特別適合對數據和視頻要集成在一起的應用場合.圖12為本系統在其它行業方面的具體應用.

圖12 其他行業應用

5 結束語

本系統采用先進的流媒體分發技術、票據身份安全驗證技術、音視頻流優化技術,實現了遠程視頻監控的目的.在線環保遠程視頻取證系統是環保在線監測系統中的一部分,是用于環保遠程視頻監控取證的平臺,它主要針對目前環保部門對排污企業不達標排放取證難的問題,通過本系統對企業污染源排放口實時監控,實現了遠程視頻的取證功能,有效震懾了部分污染源企業存在的偷排現象,支持了各級環保部門的環境監理與環境監測工作.

本項目很好的實現了設計的目的,實現了企業現場和市、省環保平臺的無縫接入,滿足不同層級用戶的管理需求.本項目屬于廣東省創新資金重點支持領域,已通過驗收并取得良好的社會和經濟效益.