基于C/S模式的遠程網絡視頻監控系統的設計和實現

劉 艷，王雪梅，陶 駿,汪 為，萬家山

(安徽信息工程學院，安徽蕪湖 241000)

1 研究背景

交通運輸部于2017年12月19日發布的研究報告顯示，2017年由交通事故造成的死亡人數約6.3萬。遏制交通事故高發、降低事故傷害任重道遠。事故發生后，往往難以調查事故的責任，視頻圖像成為解決這個問題最直觀的方法：如果能對事故現場的場景進行回放，就可以為調查提供有力的證據。

在這種情況下，本文提出視頻監控的概念，它可以對被關注對象進行監控和管理。視頻監控系統的發展經歷了三個不同的階段，即第一階段的模擬視頻監控系統、第二階段的數字化監控系統和第三階段的網絡視頻監控系統。(1)模擬視頻監控系統。使用模擬設備，以本地閉路電視監控系統(CCTV：Closed Circuit TV)為例，主要設備包括攝像機、錄相機、監視器等，而傳輸主要采用電纜或光纜。其主要缺點為：有限的地理傳輸范圍，與信息系統無法交換數據，監控僅僅應用于監控中心，靈活性較差。(2)數字化監控系統。出現在20世紀90年代中期，是伴隨計算機處理能力的增強以及視頻壓縮技術的發展而產生的。由于引入高計算性能的計算機對采集到的模擬信號進行壓縮處理，圖像質量比第一代產品明顯提高。其主要缺點為：傳輸范圍有限，系統的建設成本高，可維護性較差。(3)網絡視頻監控系統。20世紀90年代末，隨著網絡帶寬的增大、計算機性能的提高以及嵌入式芯片的發展，網絡視頻監控系統時代到來。網絡視頻監控系統與上兩代系統相比具有可維護性強、擴展能力良好、功能強大、靈活性高的優勢，但仍然存在以下缺點：在網絡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，具有優化的空間；系統的可擴展性不強。

針對上述視頻監控系統的局限性，本文提出一種基于C/S模式的遠程視頻監控系統。首先，使用硬件設備加解密傳輸的視頻信息，可以保障傳輸內容的安全性。其次，運用H.264標準對視頻流進行編解碼，能夠得到較高的數據壓縮率和高質量的圖像。第三，可以設置視頻流的來源為遠程或者本地視頻流，切換為普通的視頻監控系統，具有較好的可定制性。

2 相關研究

董向華[1]提出了網絡視頻監控系統的基本原理及概念，分析了其特點及總體結構，并對網絡視頻監控系統進行了初步的設計和實現。網絡視頻監控系統由圖像監控服務器和客戶端組成。圖像監控服務器是網絡視頻監控系統的數據處理中心，客戶端是指安裝監控軟件的臺式機或筆記本電腦。余臘生[2]提出了一種由分析單元、中心服務器和客戶端組成的智能視頻監控系統的架構方案。通過對定標、DirectShow、TCP/RTP以及Xvid等關鍵技術在智能視頻監控系統的三個組成部分中作用的介紹來說明系統的設計方案，同時指出了實現自動視頻分析的各種關鍵技術和方法。張雅楠[3]結合移動網絡、Java語言和Eclipse開發編輯工具，設計了基于Android智能手機的視頻監控系統；對系統的整體結構進行了分析和闡述，在此基礎上給出了系統服務器端與客戶端的設計流程。魏崇毓[4]介紹了Android系統軟件平臺在視頻監控系統設計中的應用，包括系統的功能需求和Android應用開發過程中的技術要領。在此基礎上，利用Java語言和Eclipse開發編輯工具，設計完成基于Android平臺的智能手機對網絡視頻監控系統中的特定服務器的訪問。任克強[5]設計并實現了基于Android平臺的實時視頻監控系統，介紹了視頻監控系統的組成，重點論述了視頻監控系統主要模塊設計以及RTP/RTCP協議重組優化方案；并以PC機作為服務器采集實時視頻，選取Android手機和Android平板電腦作為不同的客戶端，分別在移動3G網絡和WLAN網絡環境中對系統進行了測試。楊飛[6]提出了基于Android智能終端的移動視頻監控系統,介紹了整個視頻監控系統的體系結構，闡述了如何在兩個Android終端之間實現移動視頻監控，并且根據視頻采集方式的不同介紹了兩種不同的視頻監控方案；在無線局域網的環境下對視頻監控系統進行測試，并對兩種方案測試結果差異性的原因進行了分析。

3 系統需求分析

系統需求分析是定義系統功能不可缺少的部分。開發人員經過深入細致的調研和分析，準確理解用戶和項目的功能、性能、可靠性等具體要求，將用戶非形式的需求表述轉化為完整的需求定義，從而確定系統必須做什么。

3.1 項目背景

某些單位運輸的物資具有保密性質，管理站點要對運輸車的周邊和車內的實時狀況進行監控。監控圖像傳輸過程中需要進行加密和解密，以保障其安全性，防止被破解。當運輸車出現故障時，應能準確定位地理位置信息，及時進行營救。因此，要對運輸車在行駛過程中的溫度、濕度和速度進行監控，以及時了解車內的實際情況。下面根據項目背景整理得到項目的功能和非功能需求。

3.2 功能需求分析

UML是“統一建模語言”的英文縮寫，是一種支持模型化和軟件系統開發的圖形化語言，為軟件開發的所有階段提供模型化和可視化支持。因其簡單、統一的特點，而且能表達軟件設計中的動態和靜態信息，目前已成為可視化建模語言的工業標準。使用UML對系統的功能需求進行分析，得到系統有視頻監控、音頻監控、抓圖、錄像、數據監控、定位展示、查詢回放、系統配置、介紹產品等功能。

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

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

(3)抓圖功能：用戶在進行視頻監控時，可以右擊視頻監控界面，選擇對感興趣的界面進行抓圖。系統將當前的界面截圖存放到文件夾下。

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

(5)數據監控：用戶登錄后,進行數據監控，選擇時間范圍(開始時間和結束時間)。系統將采集到的溫度、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，系統將車輛周圍的地理位置和經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，系統將所有已錄制的視頻文件展示出來。用戶選擇視頻進行播放，系統使用播放器播放該視頻文件。

(8)系統配置：用戶登錄后選擇系統配置，系統展示所有的配置選項，包括服務器配置、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)關于產品：用于登錄后選擇“關于產品”，系統展示產品的簡介、版權和版本信息。

3.3 非功能需求分析

(1)客戶端一般響應時間不超過1秒。

(2)支持200個客戶端的并發使用，并保證性能不受影響。

4 系統總體設計

完成系統的需求分析階段后，系統需要完成的功能已經確定。在系統的總體設計階段，需要確定系統應該怎樣完成這些需求。本系統的總體設計包括硬件平臺和軟件平臺的設計。

4.1 硬件平臺設計

系統的硬件平臺是整個系統的基礎。在本系統中，采集端的硬件設備采集攝像頭的音視頻信息，經過硬件加密模塊和定制的基站傳輸到接收端的硬件設備。此設備解密音視頻信息，并且為服務端訪問這些音視頻提供服務接口。硬件平臺拓撲圖如圖1所示。

4.2 軟件平臺設計

完成硬件平臺的設計后，需要對整個軟件的平臺進行設計，為系統的實現做好準備。本系統的軟件平臺使用C/S模式。C/S，即客戶端/服務器，是大多數網絡編程使用的軟件架構。通過它可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到客戶端和服務端，降低系統的通信開銷。

接收端的硬件設備接收到音視頻后，使用硬件模塊進行解密，然后為服務端提供獲得視頻圖像的回調接口。服務端使用此接口實時獲取視頻圖像，并廣播到所有連接的客戶端。客戶端使用播放器播放接收到的圖像。

5 系統實現

系統實現是將系統設計的成果變成可實際運行的系統的過程。系統實現的主要工作包括人員培訓、系統平臺的建立、數據庫的建立、應用程序設計與編碼、程序測試與系統調試、試運行等。下面從服務端軟件實現和客戶端軟件實現兩個方面進行闡述。

5.1 服務端軟件實現

服務端的編程語言使用C++，與客戶端進行通信的協議是UDP協議。服務端軟件負責調用接收端的硬件設備提供的回調接口獲得視頻圖像，并轉發給所有連接的客戶端。流程圖如圖2所示。

5.2 客戶端軟件實現

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、現代的和面向對象的語言。客戶端主要負責接收服務端的視頻圖像并進行展示。流程圖如圖3所示。

其中，接收圖像并設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 服務端軟件流程圖

圖3 客戶端軟件流程圖

當啟動系統后，顯示登錄界面。輸入用戶名和密碼，顯示視頻監控的主界面，其中左側展示了攝像頭列表。分別拖拽攝像頭到監控區，得到實時監控界面，如圖4所示。

圖4 實時視頻監控界面

6 結語

本文在傳統的網絡視頻監控系統的基礎上，提出一種新型的遠程網絡視頻監控系統，能夠有效解決傳輸過程中的安全性問題。經過6個月的開發工作，系統已經成功部署到客戶的生產環境中。實踐證明，系統運行穩定，可以推廣到其他類似的應用場景的設計。未來的研究方向包括優化服務端視頻存儲的設計和客戶端視頻播放的算法，保障視頻播放的流暢性。