基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)搭建遠(yuǎn)程教育平臺的應(yīng)用設(shè)計

強(qiáng)發(fā)軍 周榮娟 韓冷 苗南南 馮騰 高子龍

摘要：在有限的經(jīng)費支持下，以視頻會議的模式，依托當(dāng)前在用的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備方便快捷建立起一套簡單適用的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，滿足我單位教育學(xué)習(xí)由中心向邊遠(yuǎn)小單位同步擴(kuò)展的需要，達(dá)到面對面互動的效果。同時對該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行管理配置，優(yōu)化網(wǎng)路傳輸質(zhì)量，確保網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);遠(yuǎn)程教育;平臺搭建;網(wǎng)絡(luò)配置

中圖分類號：TN948.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0154-04

0引言

會議，是人類社會經(jīng)濟(jì)生活中不可或缺的一部分，研究表明，通信的有效性約55%依賴于面對面（face-to face）的視覺效果，38%依賴于說話語音，試聽是人們獲取信息的最重要的形式，而面對面（face to face）的討論是人類表達(dá)思想最豐富的形式。科技的發(fā)達(dá)使得通信技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，電話和電視的發(fā)明，使遠(yuǎn)地的人們可以立即傳送聲音和文檔。然而，除了言語的溝通外，人類更注重的表睛和肢體的表達(dá)，僅僅是聲音的傳送已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人交流的需求，即時并且互動的影像更能真實自然的傳送信息。

視頻會議系統(tǒng)正是在這種迫切需要的推動下產(chǎn)生的，通過各種電氣通訊傳輸媒體，將人物的靜態(tài)和動態(tài)圖像、語音、文字、圖片等多種信息分送到各個用戶的終端設(shè)備上，使得在地理上分散的用戶可以共聚一處，通過圖形、聲音等多種方式交流信息，增加雙方對內(nèi)容的理解能力，使人們猶如身臨其境在同一會場中參加會議一樣。

我單位下屬小單位多并且距離遠(yuǎn)，長期以來，很難在同一個會場組織會議、理論學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)討論交流，采取一種相對簡單但相對有效的措施即利用現(xiàn)有專用調(diào)度設(shè)備聆聽聲音，適時展開討論交流，如圖1所示。這種形式的缺陷在于看不到對方是誰，不能領(lǐng)會對方肢體語言，沒有面對面的效果，讓會議本該應(yīng)有的一些精彩也變?yōu)榱丝菰锓ξ丁榇耍瑢σ砸曨l會議的形式搭建遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)平臺進(jìn)行了探索設(shè)計。

1系統(tǒng)設(shè)計

最初設(shè)想方案是采購電視電話會議專用設(shè)備的方式搭建教育平臺，經(jīng)市場調(diào)研，設(shè)備及系統(tǒng)價格高昂，成本過高，不具備可行性。依托我單位現(xiàn)有視頻監(jiān)控局域網(wǎng)，利用現(xiàn)有裝備，采購部分設(shè)備進(jìn)行設(shè)計搭建遠(yuǎn)程教育平臺，也可實現(xiàn)相應(yīng)功能，且此方案經(jīng)濟(jì)高效，具有良好的可實施性。

遠(yuǎn)程教育平臺由控制中心、局域網(wǎng)、分會場三個模塊組成。

控制中心建設(shè)在中心站點，包含視頻服務(wù)、調(diào)度語音服務(wù)、園區(qū)廣播服務(wù)三個服務(wù)平臺和主會場授課平臺。視頻服務(wù)采集處理圖像信息，為遠(yuǎn)端站點提供視頻服務(wù);調(diào)度語音服務(wù)為主會場及各站點保障語音同步;園區(qū)廣播服務(wù)實現(xiàn)中心站點與各遠(yuǎn)端站點的園區(qū)廣播聲音共享。遠(yuǎn)程教育平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

局域網(wǎng)依托現(xiàn)有的視頻監(jiān)控網(wǎng)，對其進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置。局域網(wǎng)具有組網(wǎng)簡單，傳輸速率高等特點，其上運行的視頻會議系統(tǒng)也較容易實現(xiàn)好的運行效果。

分會場布設(shè)在各遠(yuǎn)端站點，監(jiān)控攝像頭負(fù)責(zé)采集會場圖像回傳到主會場，監(jiān)控計算機(jī)為分會場提供主會場畫面。

2系統(tǒng)的搭建

2.1服務(wù)平臺的搭建

服務(wù)平臺均在中心站點搭建，為中心站點和遠(yuǎn)端用戶提供有效服務(wù)。

2.1.1視頻服務(wù)平臺搭建

視頻監(jiān)控服務(wù)器是視頻監(jiān)控局域網(wǎng)的核心，采集、處理、存儲遠(yuǎn)端備備信息。中心站點現(xiàn)有大華視頻監(jiān)控服務(wù)器1臺，支持Tcp/Ip、組播等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持Onvif網(wǎng)絡(luò)視頻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可通過Web瀏覽器對其進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和管理，如圖3所示。可常年運行，運行穩(wěn)定可靠。在線用戶可使用監(jiān)控客戶端，根據(jù)權(quán)限級別查看需要的實時圖像和回放圖像，客戶端界面如圖4所示。在邊遠(yuǎn)站點學(xué)習(xí)室安裝1只攝像頭和1臺計算機(jī)。通過攝像頭可采集會議室視頻和音頻信號，上傳服務(wù)器，計算機(jī)可通過客戶端訪問服務(wù)器，觀看所需圖像源，通過FTP訪問服務(wù)器下載上傳所需資料。

2.1.2園區(qū)廣播服務(wù)器的搭建

在中心站點增加1臺IP網(wǎng)絡(luò)園區(qū)廣播系統(tǒng)音頻采集主機(jī)，采集音頻信號，將其編碼為數(shù)字信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)端終端，突破距離限制，實現(xiàn)園區(qū)廣播信號的共享。在遠(yuǎn)端單位廣播室安裝園區(qū)廣播終端，由音頻線可連接至室外音響，收聽服務(wù)器端廣播聲音。

2.1.3調(diào)度系統(tǒng)搭建

將一臺淘汰閑置的某型號調(diào)度主機(jī)接入該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)會議調(diào)度與專用調(diào)度業(yè)務(wù)剝離，互不影響。邊遠(yuǎn)單位學(xué)習(xí)室的調(diào)度單機(jī)也由專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接入改為視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入，降低網(wǎng)絡(luò)相互交叉的概率。

視頻監(jiān)控局域網(wǎng)為內(nèi)部獨立網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)等其它數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)物理隔離，已延伸至各個邊遠(yuǎn)站點，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

2.2主會場授課平臺搭建

主會場原有LED屏1塊、計算機(jī)多臺以及附屬音響設(shè)備1套，在此基礎(chǔ)上搭建授課平臺。在主會場使用2臺計算機(jī)分別作為授課計算機(jī)和圖像點播計算機(jī)。將授課計算機(jī)輸出信號一分為二，其中一路送徂.ED屏顯示，另一路送往HDMI信號編碼器，經(jīng)過編碼后送入大華監(jiān)控服務(wù)器。圖像點播計算機(jī)可通過訪問服務(wù)器實時觀看分會場以及授課計算機(jī)圖像，可多畫面顯示。將監(jiān)控計算機(jī)輸出信號一分為二，一路送往LED屏顯示，另一路送入編碼器經(jīng)過編碼后入大華監(jiān)控服務(wù)器。向LED屏投送信號源時可自主切換選擇授課主畫面或監(jiān)控畫面。設(shè)備連接示意圖見圖6所示。

2.3網(wǎng)絡(luò)配置管理

網(wǎng)絡(luò)配置管理屬于網(wǎng)絡(luò)管理中很重要的一項內(nèi)容，目的在于改善網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)某個特定功能或使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)。

2.3.1網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為連接4個片區(qū)的小型內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和主機(jī)數(shù)量都較小。根據(jù)IP地址和子網(wǎng)掩碼編址規(guī)范，在確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部IP地址不沖突的情況下，充分利用地址資源，同時兼顧管理員對終端和地址管理的便利性，對IP地址不間斷劃分。

（1）有4個片區(qū)，地址段分別使用192.168.1.X- 192.168.4.x。

（2）有3種業(yè)務(wù)，即可將每段地址劃分不同的子網(wǎng)。監(jiān)控終端主機(jī)數(shù)量在120以內(nèi)，使用25位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.0/25，調(diào)度業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)主機(jī)數(shù)量在個位數(shù)，使用27位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.128/27和192.168.X.160/27。

（3）每段未劃分子網(wǎng)部分可作為后續(xù)擴(kuò)展業(yè)務(wù)需要。

具體劃分如表1所示。

2.3.2基于端口劃分VLAN

VLAN即Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)，是將—個物理LAN邏輯上劃分成多個虛擬LAN的以太網(wǎng)技術(shù)，可以達(dá)到實現(xiàn)縮小廣播域的目的。VLAN是對連接到第二層交換機(jī)端口的網(wǎng)絡(luò)用戶的邏輯分段，是不受網(wǎng)絡(luò)用戶物理位置的限制而根據(jù)用戶需求進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)分段。劃分不同的VLAN，在信息交換過程中，廣播信息只能在同一個VLAN中復(fù)制，無法跨越不同的VIJAN，能夠更方便、有效地阻隔廣播，使交換機(jī)的性能得以提高。使用VLAN技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的交換設(shè)備可搭建安全可靠的網(wǎng)絡(luò)。

基于交換式以太網(wǎng)劃分VLAN主要有3種方法：基于端口、基于MAc地址和基于IP地址。基于端口的VIAN劃分方法是以交換機(jī)端口為單位，一個VLAN對應(yīng)于交換機(jī)的一組端口，VLAN內(nèi)的通信在這組指定端口范圍內(nèi)進(jìn)行，并限制與其它端口的連通，其優(yōu)點是配置簡單。故該網(wǎng)絡(luò)使用基于端口的VLAN劃分方式，如圖7所示。

2.3.3IP地址和MAC地址綁定

在網(wǎng)絡(luò)使用過程中，經(jīng)常發(fā)生個別人隨意修改自己主機(jī)IP地址的現(xiàn)象，修改后的IP地址雖然仍屬于規(guī)劃的網(wǎng)段，可能連接成功不影響網(wǎng)絡(luò)使用，但也有可能出現(xiàn)占用他人地址的情況影響網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障。

使用IP與MAC綁定的好處在于：（1）只有綁定的設(shè)備才可以接入網(wǎng)絡(luò)，有效的防止私接設(shè)備。（2）實現(xiàn)有效的上網(wǎng)記錄和上網(wǎng)統(tǒng)計。（3）節(jié)省IP資源，防止IP盜用。（4）減少ARP攻擊，杜絕IP地址沖突。

為了確保局域網(wǎng)內(nèi)各計算機(jī)通信順暢，有必要對局域網(wǎng)內(nèi)的計算機(jī)IP地址NMAc地址進(jìn)行綁定，對隨意修改IP地址和企圖非法接人局域網(wǎng)的用戶進(jìn)行限制。

2.3.4組播配置

IP組播通信是將IP報文從一個源發(fā)出，被轉(zhuǎn)發(fā)到一組特定的接收者。相對于傳統(tǒng)的單播和廣播，IP組播可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，特別是在某些帶寬受限的網(wǎng)絡(luò)上更能凸顯其作用。

在建設(shè)中，因光端機(jī)能力限制，某些網(wǎng)絡(luò)線路帶寬比較小，圖5所示網(wǎng)絡(luò)連接中，光端機(jī)A至光端機(jī)B、c、D帶寬僅有20M，網(wǎng)絡(luò)中使用高清圖像源最高可達(dá)8M/路，假如在交換機(jī)SWE端接人一圖像源，在中心端接收者可能會有服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)、普通計算機(jī)瀏覽器等以單播方式接收該圖像源，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，因此，以組播方式傳送很有必要。

為實現(xiàn)組播傳輸，IP網(wǎng)中的組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播，主要包括以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)的TCP/IP實現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播;

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口支持組播;

（3）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)上聯(lián)的交換機(jī)支持組管理協(xié)議;

（4）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)上聯(lián)的交換機(jī)支持組播IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址;

（5）數(shù)據(jù)收發(fā)接口軟件具備IP組播能力。

服務(wù)器和攝像頭均支持IP組播，交換機(jī)為華為S5700-Ei系列交換機(jī)，支持IGMMPv3因特網(wǎng)組管理協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中大流量為終端至中心服務(wù)器之間的圖像流，采用SSM（指定源組播）模型。

3結(jié)語

在該平臺下，在保持調(diào)度語音傳輸系統(tǒng)確保語音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，授課聲音同時送至HDMI編碼器，經(jīng)編碼后送入大華監(jiān)控服務(wù)器，在分會場可通過監(jiān)控系統(tǒng)收聽主會場聲音，在調(diào)度系統(tǒng)故障的情況下，為收聽語音提供了另一手段。

平臺搭建完畢后，對各個設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，特別是在對遠(yuǎn)端攝像頭碼流選擇上。因當(dāng)前中心站點至邊遠(yuǎn)單位網(wǎng)路傳輸帶寬僅為10～20M，設(shè)置碼流越大所需帶寬越大，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬和清晰度兩方面因素合理選擇了參數(shù)配置。進(jìn)行現(xiàn)場驗證，效果良好，主會場、分會場通過監(jiān)控客戶端收看各會場以及教育內(nèi)容的實時圖像流暢，收聽實時聲音清晰，達(dá)到了預(yù)期目的。