流媒體網絡視頻監控系統的研究與開發

劉宇健

（成都焱之陽科技有限公司 四川省成都市 610000）

視頻監控系統是一種擁有十分強大防御能力的安全預防系統，因其集成計算機、網絡以及通信技術，具備良好的綜合性與包容性，故被廣泛應用于社會各個行業。隨著寬帶網絡越來越普及，網絡監控系統勢必成為人類未來生活的主流。而以流媒體技術為基礎的網絡視頻監控系統也在不斷成熟與發展，將嵌入式處理器和操作系統作為依據，集視頻采集、視頻壓縮與視頻集成為一體，通過計算機網絡實時展示整個視頻情況。此外視頻監控系統借助嵌入式流媒攝像機，不但能夠大大提高系統敏銳度，降低了網絡負擔，還可以增強視頻傳輸的實時性，解決了過去人工值班的缺陷。本文的主要任務是全方位分析流媒體網絡視頻監控系統的設計原理。

1 流媒體技術應用

1.1 流媒體技術原理

流媒體也叫做流式媒體，指的是利用網絡處理待傳輸的音/視頻后，借助流媒體技術傳輸的連續時基媒體，換句話說，在互聯網上通過數據流的方式實時發布像音頻與視頻等多媒體內容。流媒體技術最大的優點是拋棄了過去必須下載才能查看視頻的方式，無需下載視頻就能實現實時播放，甚至可以一邊播放一邊下載。流媒體技術泛指利用計算機網絡傳輸音頻與視頻，也就是借助因特網把指定的音視頻下載至PC，一般實現方式包含兩種，一個是TCP，還有一個是UDP。TCP 的優點是不損壞傳輸質量，缺點是連接成本更高，因其具備首部信息多、三次連接的特性不適合應用在實時數據傳輸中。相反，UDP 則無需連接，且大小已固定，具有十分少的首部信息，因此它可以做到TCP 做不到的實時數據傳輸。故而TCP 常被用來傳輸控制信息，UDP 則用于實時傳送音視頻。

1.2 流媒體技術在視頻監控系統中的應用

將流媒體技術應用于遠程網絡視頻監控，可以有效克服其他傳輸方法的限制，并在安全監測領域取得較大的進步。在真實應用情況中，視頻服務器借助網絡接口把存儲系統里的視頻數據通過視頻流方式傳輸至客戶端，然后響應交互請求，確保視頻流能夠持續不間斷地傳輸。當視頻服務器對客戶端的視頻流做出響應后，立即讀取存儲系統中視頻數據的其中一部分和視頻流的指定緩沖存儲器相對應，接著把緩沖存儲里的內容發送至網絡接口，最后再傳輸至客戶端。

1.3 流媒體傳輸方式

1.3.1 順序流式

流媒體傳輸方式的第一種就是順序流式傳輸，它指的是以順序下載的形式完成媒體文件的流傳輸，其最大的缺陷是無法自適應用戶的連接數量以及連接速率，所以，用戶不得不先下載后觀看文件，或者是先下載某一部分，但用戶只能查看已下載完成的部分，尚未下載的無法預覽，換句話說就是用戶無法實現跳躍性預覽。在網絡傳輸速率相對較差的時候，用戶需要等待的時間相對久一點。由于順序流式傳輸主要是在HTTP 以及FTP 服務器協議基礎上實現文件傳輸的，其優點在于管理便捷，且下載后的文件是完整的，完全能夠確保視頻的高質量。綜上所示，順序流式傳輸方式更適用于對視頻質量要求高的短視頻片段，通常情況下，視頻片頭、片尾或者穿插的廣告片段就是使用這種方式。

1.3.2 實時流式

圖1：實時監控應用系統架構

圖2：系統網絡架構圖

實時流式傳輸是流媒體傳輸方式的另一種，主要是在媒體信號帶寬以及網絡速率相符合的情形下所使用，用戶能夠實時查看媒體文件，同時一邊觀看一邊下載媒體文件。這種傳輸方式有特定的傳輸協議與流媒體服務器。一般來說，指定的流媒體服務相比其他普通的服務器其架構要更加繁雜。傳輸協議主要是RTSP。在這種傳輸方式下，用戶可實現跳躍性預覽視頻文件，完全解決了前者所提的順序流式下載時間太長的缺陷，用戶可隨意選擇觀看視頻的任何一段內容，靈活度高，用戶體驗感良好。綜上所述，實時流式傳輸方式主要用在現場直播中。

2 系統總體設計

2.1 網絡視頻監控系統技術架構設計

圖1所示為流媒體網絡視頻監控系統的架構圖。由圖可以看出網絡視頻監控系統包含了攝像頭、監控前端、流媒體轉發服務器、通信網絡以及客戶端等，這些都是實現實時遠程監控的關鍵所在。借助監控前端的現場攝像頭獲取視頻實時信號，同時把信號傳輸至監控前端的設備匯聚到一起，再通過流媒體轉發服務器處置完成后發送給通訊網絡。局域網監控終端負責管理整個局域網內部的信息以及設備，而廣域網監控終端則負責監控數據傳送，通過無線或者有線傳輸數據信息，系統用戶在客戶端上運行指定視頻監控軟件方可監控攝像頭拍攝范圍內所采集到的實施圖像信息。

基于流媒體的網絡視頻監控系統應用C/S 與B/S 架構。監控管理模塊采用C/S 架構，工作內容是管理系統操作權限以及視頻監控，系統整體響應速度極快，提供友好的交互界面，完全符合用戶的各種需求。此外，設備、網絡以及其他資源配置等工作的實現則是借助B/S 架構實現的，具體服務內容有視頻監控報警與服務器運行監測，管理員借助瀏覽器就能完成系統更新、查詢等操作。網絡視頻監控系統基于TCP/IP 通信協議、流媒體技術傳輸規范實現數據傳輸，應用當下最先進的富媒體與Web Service 等技術。所以，本次設計基于流媒體網絡視頻監控系統在技術層面上可分為以下幾個層次，如表1所示。

表1：系統技術架構層次圖

圖3：監控設備數據配置模塊流程圖

圖4：監控設備數據配置模塊時序圖

圖5：系統設備數據配置模塊界面

2.2 網絡視頻監控系統功能模塊設計

本文詳細分析了網絡視頻監控系統的需求，提出本系統由以下四個功能模塊構成。

（1）第一個功能模塊是系統權限模塊，具體指的是對用戶進行管理，本系統中的超級管理員可對系統其他用戶的系統操作權限進行增、刪、改等。

（2）第二個功能模塊是視頻監控管理模塊，這一個模塊是本系統運行的關鍵模塊，依據用戶需求還可以劃分成查看、模糊查找、視頻截圖、錄像回放以及系統監控設備數據配置等子功能。

（3）第三個功能模塊是視頻監控報警模塊，該模塊的核心是“報警”服務，當系統檢測到某一個設備發生了故障，根據視頻監控報警需求，便于及時發現問題并報警處理。此外，報警功能的設計還需借助監控報警設備數據配置模塊。

圖6：服務器運行監測管理模塊設計流程圖

圖7：服務器運行監測管理模塊時序圖

圖8：服務器運行監測管理模塊實現界面圖

（4）最后一個功能模塊為服務器運行監測管理模塊，用來管理和維護網絡視頻監控系統，為本系統設備和數據信息管理員提供運行信息。對流媒體網絡視頻監控系統進行了功能需求分析與劃分后，明確各功能模塊之間關聯以及架構。

2.3 網絡視頻監控系統網絡架構設計

流媒體網絡視頻監控的整體網絡架構用來實現系統連接基礎。圖2 是本系統網絡架構圖，由圖可知，本系統前端由DVR、DVS、NVR、攝像機、報警平臺服務器以及IVS 服務器構成；系統中間服務器由流媒體服務器、WEB 服務器、應用程序服務器、報警控制器構成。通過三層交換機、管理站以及磁盤陣列連接起來，借助視頻切換矩陣與電視墻展示給用戶。

該網絡架構中包含有多個功能的服務器集群：

（1）應用服務器是通過各種協議完成對各模塊的信息通信功能，是保障系統各部分相互協作實現視頻監控功能的重要部分之一；

（2）WEB 服務器一般指網站服務器，通過WEB 接口連接外部可供查閱的設備，用戶可通過該服務器接入IE 瀏覽器完成對相應功能界面的操作；

（3）流媒體轉發服務器可完成對視頻信息存儲和轉換功能，并將視頻信號轉換為可供系統內部傳輸的視頻流，接著借助網絡系統傳輸該視頻信息；

（4）視頻監控區域報警控制機是保障系統安全的重要服務器，可對外部非法入侵、安全運行問題進行檢測和實時報警。

3 網絡視頻監控系統開發

3.1 視頻監控系統監控設備數據配置模塊開發

3.1.1 監控設備數據配置模塊運行流程圖設計

監控設備數據配置模塊流程圖如圖3所示。

3.1.2 監控設備數據配置模塊實現

在用戶執行數據配置的時候，發送獲取監控設備數據的請求，觸發DataMgrAction 類中GetRtspServer()、GetCamera()或GetDvr()方法，然后返回至列表消息。用戶完成新增服務器信息后，儲存數據，觸發DataMgrAction 類中AddRtspServer()方法執行服務器的增、刪、改操作。接著觸發DataMgrAction 類中AddDvr()方法后執行DVR 的增、刪、改操作。新增攝像頭信息，觸發DataMgrAction 類中AddCamera()方法不斷提交新數據。具體內容見圖4。

對視頻監控的布置有多個DVR 設備，而設備的正常運行依賴于對每個設備的合理配置，在進行網絡視頻監控之前需要對設備的配置信息進行管理，如圖5所示。

3.2 視頻監控系統服務器運行監測管理模塊開發

3.2.1 服務器運行監測管理模塊運行流程圖設計

流媒體轉發服務器是本系統實現的關鍵部分，可完成獨立組網過程，在運行網絡視頻監控系統時，首先要進行二級服務器的管理，設置二級服務器的監測時間間隔、手動控制間隔，接著調取“SE_Info 表”，根據監測時間間隔查詢轉發服務器有關數據信息；網絡視頻監測過程按照監測時間間隔運行監控管理程序，并將視頻監測的相關信息以信息列表的形式進行展示，該過程的額流程圖如圖6所示。

3.2.2 服務器運行監測管理模塊具體實現

服務器運行監控管理模塊的具體實現過程中，首先要獲取監測設備的列表，通過轉發服務器反饋用戶請求完成該項操作。接著激活TLServerAction 類中的GetServerInfo()方法，由此顯示視頻監控的相關信息，再觸發Timer()方法確定視頻信息獲取的時間間隔，得到已被激活視頻監控的相關信息，并對視頻監控信息進行封裝處理，再由TLServerDTO 類反饋狀態信息，如圖7所示。

當用戶對服務器監測進行操作的時候，在系統的監測管理界面對流媒體轉發服務器的網絡連接情況、網絡服務信息、網絡運行時間和服務程序等進行監測，具體實現界面見圖8。