多媒体通信技术

1、摘 要远程视频监控集中了多媒体技术、数字图像处理技术、远程网络传输等多方面最新技术，有巨大的市场应用前景，是当前视频监控领域的应用研究热点。本文结合目前的城市“平安工程”项目，针对目前国内外现有的远程视频监控系统在城市治安视频监控应用中产生的网络拥塞、系统扩展性差、不能适应城市范围的大规模监控等问题进行了深入研究，并在研究基础上提出了“基于IP网络的分布式远程视频监控系统”和实现方法。本文的研究结果体现在下面3个方面： (1)提出了基于分布式目录服务方式来实现分布式远程视频监控系统中各结点服务器之间、结点服务器与客户端编码前端之间的协调和管理。实现了分布式体系中无中心管理服务器但能实现资源统一

2、管理的目标，解决了传统远程视频监控系统中需要的中心管理服务器的问题。提高了系统的可扩展性、容错能力和减低了对单机性能的要求。(2)在基于IP网络的分布式远程视频监控系统中，从实用角度提出通过结点服务器之间的单插多发未实现应用层服务器之间端到端的服务器组播。这种组播方式实现了独立于网络层的组播。(3)提出了一种通过系统中各结点设备之间主动询问来自动建立分布式目录的实用方法，该方法自动维护分布式系统中的设备文档，提高了系统自动化管理程度。本系统与传统的视频监控相比，有效的解决了网络拥塞、统一管理和系统扩展性等传统视频监控不能有效解决的问题，适合于城市范围的大规模视频监控系统的建设。关键词：分布式；

3、远程视频监控；组播；单播Distributed remote video surveillance system over IP networkABSTRACTNetworkdigital video surveillance system(NDVSs)blending of the advantage in multimediadigital video processing and the network communicationTherefore，as one of the most perspective applicationsNDVSS has become one of the

4、 hotspot researchCombined with cur-lent“city security project”.this paper conducts indepth research on several basic issues of the current video surveillance system that has something matter,such as network congestion，bad scalability and total managementIn this Paper，“Distributed remote video survei

5、llance system over IP network” and how to take it reality is presentedThe contributions of this thesis are mainly within three areas (1)Each node server and from node server to clientencoding unit in distributed remote video surveillance system，it can be managed with distributed directory management

6、So，it will establish a total architectureThis architecture has not management center serverit do not like traditional distributed architecture that has management center serverNotmanagement center server can up the scalability,reliability and down the requirement of single node server ability(2)In t

7、his distributed network structure，if there is multiple client request video stream on the same node server,this node server copy video packet，then send packet to each client with unicast，but each of the node server has only one video stream，as same as multicastIn this papernamed it as node server mu

8、lticastIt is independent on network layer.(3)In this system，each node server can do is discovering other node that are present on the networkthen，the distributed directory be automatic establishedThis function is typically used to automated service each unit profile in this system，it up the system a

9、utomatic managementKey words：Distributed Remote Video surveillance System；multicast：unicast基于IP网络的分布式远程视频监控研究和实现0 引言随着科技的日新月异，视频监控市场也得到了飞速发展。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着互联网的大范围普及，以及计算机、网络、图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。视频监控已经渗透到教育、政府、娱乐场所、医院、酒店、运动场馆、城市治安等多种领域。早期的视频监控一般为CCTV(闭路电视模拟监控)方式。至九十年代起，由

10、于因特网与PC的普及，以及各种视频、音频编码算法的出现，为基于IP方式的视频监控提供了技术基础，如MPEG2、MPEG4、H。264等标准。视频监控的发展大致经历了以下三个阶段：（1）基于CCTV的模拟监控方式；(2)基于PC的多媒体网络监控系统；(3)基于视频服务器的远程视频监控方案前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是目前视频监控系统公认的发展方向，数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。11研究背景随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种视频信息处理技术的出现，全程数字化、网络化的视频监控系统优势愈发明显

11、，其高度的开放性、集成性和灵活性为视频监控系统和设备的整体性能提升创造了必要的条件，同时也为整个安全防护产业的发展提供了更加广阔的发展空间，崭新的应用模式和市场机遇不断涌现。目前在整个安防领域内网络视频监控系统的市场处于快速发展的阶段，有关专家统计网络视频监控系统的市场发展趋势以3-10倍的速度增长。视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化，因此对视频监控系统的网络化和数字化的研究是具有广阔的应用前景和实用意义的。12目前远程视频监控面临的主要困难随着安全防范技术不断发展，导致目前的视频监控系统应用中，基于CCTV、硬盘录像机和嵌入式视频服务器的多种视频监控系统各成体系，独立使用。使城市的

12、安防体系由很多独立的体系构成，彼此毫无联系，相互不能资源共享，并不能带来更大的社会经济效益。随着计算机技术、尤其是宽带数字传输网络技术的应用和快速发展，安防观念和相应的高技术安防产品也不断创新。在宽带多媒体视频传输技术的支持下，将种类繁多、规模小、建设分散、功能单一、互不联网的系统联瞬，构建覆盖面积大、布控点多、音像结合、智能调控、造价合理的网络视频监控系统成为可能。对于小范围内的视频监控，可以自行组建局域网来建设IP方式的视频监控系统。采用集中服务器模式管理整个网络内的所有视频、音频流，通过建设集中的视频管理中心服务器，将所有的视频监控点通过口网络上传到视频管理中心服务器，在中心服务器进行统

13、一的权限分配、图像存储等工作。当监控点数量增大到一定规模后，中心服务器接入主干网络数据严重拥塞，导致系统瘫痪，不能扩展，不适合用于建设城市级规模的远程监控系统。为了改善网络拥塞，采用分散层次结构的视频流管理模式。按监控区域把监控点划分为多个子网，每个子网内架设自己的视频管理服务器。通过合理划分IP子网，能将布控区域内的监控视频流控制在子网内，不对骨干网络造成拥塞。但规模扩大后，大量的服务器和登陆用户将造成了整个系统管理混乱，设备检修、维护困难等情况，网络信息安全得不到保障。设备安全管理、网络信息安全管理、登陆用户的权限管理、设备故障管理等问题在分散模式的体系中没有很好的解决，制约着系统规模的扩

14、大。2.视频流的编码、解码技术标准2.1视频流的编码、解码技术的选择本文提出的远程视频监控是以IP网络为传输介质的系统，视频流的编码、解码标准的选择对本系统的实用性十分关键，视频编码方式要满足网络的特性。远程视频监控中的视频流的传输主要依靠数据交换网络，网络中多媒体数据的传输取决于用户需求、信道特征和终端处理能力。由于视频传输对实时性有严格要求，而用户终端和用户对服务质量需求具有异构的特点，为了在时变、带宽受限的网络中高效地传输视频，视频编码需要对算法的复杂度、压缩效率、容错能力、可扩展能力等方面做综合的考虑。2.2视频流网络传输编码特点视频流在网络中传输，由于受网络的各种客观限制，要求视频流

15、需要满足下面这些特性：1、必须能适应网络带宽的动态变化，实现码率可扩展：2、能满足终端在处理能力、显示尺寸等方面存在异构性的要求，实现复杂度可扩展；3、能根据用户在显示尺寸、帧率、质量等方面的个性化需求，实现时间、空间、质量的可扩展。23 编解码设备在本文的应用特点视频监控对实时要求很高，网络延时和压缩效率要求高。所以，本文的系统中前端视频压缩设备采用嵌入式视频服务器，压缩标准主要为H264，同时从资源节约的角度考虑到对一些原有的基于局域网的系统的兼容性，对已经存在的子系统也支持MPEG4，H263等标准。由于嵌入视频编码服务器把视频信号压缩和网络传输功能集成到一个体积很小的设备内，所以可以直

16、接连入以太网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆，安装方便(仅需设置一个IP地址)。综上所述，在本系统中，对前端编码设备的要求和应用特点如下所述。(1)视频图像在压缩后的码流率要适应网络的异构性，必须能根据不同的视频网络传输环境选择不同的码流率。在本系统中，根据接入点的网络条件将图像质量分为qcif,cif,2cif,4cif四种分辨率，根据网络情况选择不同的分辨率来传输视频图像。(2)前端视频编码设备必须与网络设备一体化，这样才能将视频数据通过IP网络远程的传输到管理它的接点服务器上，同时要求该前端编码设备能长期稳定的在较差的工作环境下工作。(3)在视频流的传输中，允许因为网络的原因选择性的丢

17、掉一些不重要的帧或视频数据包而不影响视频流的解码还原显示过程，只有这样才能真正做到实用的网络视频数据传输。3.分布式结构设计31媒体服务器体系发展与存在问题基于IP方式的远程视频监控中视频服务器的功能与VOD系统的视频服务器虽然要解决的问题有所不同，但主要矛盾一样，要解决的问题都是提供更多的视频数据存储量和增加视频数据传输能力。其它的诸如验证、管理、控制等问题并不是问题的主要矛盾，本文先从主要矛盾入手。从现有的体系来看，视频服务器的发展经历了从单服务器到多服务器的发展过程，大型的系统都是多服务器体系。分布式和层次结构都是在视频服务器发展的过程中提出来的新的设计思路，加州大学伯克利分校最早提出分

18、布式视频服务器的体系结构，如图3.1所示。多种低端的视频服务器产品采用了这种体系结构。图3.1 分布式视频服务器体系结构单纯的分布式服务器结构也有其缺点。在服务用户大量增加时，最先达到瓶颈的将是网络容量。图3.2 分布式层次体系结构在文献中提出了一种解决办法如图32所示，根据网络的具体分布情况，将服务器放在不同的网络层次中，建立一种有层次的网络体系。这种层次结构是建立在分布式的基础之上。简单的两级层次的视频服务器体系可以应用到小的系统如酒店、中小企业网络中，多层次则可设计大型甚至城域网范围的体系。但是这样的结构仍然需要一个总的站点管理服务器，因为站点管理服务器的存在，会减低系统抗差错性能和扩展

19、性能，而且，视频监控系统中每个视频文件服务器的内容是不同的，这种结构也不能直接用于视频监控系统。综上所述，目前的分布式体系结构在远程视频监控中的应用存在的问题，归纳下来有下面几方面： (1)随着系统规模的不断扩大，系统资源不能很好的统一管理，影响到整个系统的用户权限管理、设备资源的统一协调管理、系统可扩展性能、原有资源的共享能力等，当系统规模很大时，整个系统性能急剧下降，在城市规模的远程视频监控中不可使用。(2)在分布式基础上产生的层次结构优化了网络资源的利用率，但管理服务器仍然是物理集中管理模式，在城市级的大范围内，物理集中的用户权限管理模式仍然会给使用带来不便，特别是降低了系统的可扩展性和

20、系统抗出错能力。为了体现分布式的优点，同时能适应城市治安行政管理结构，本文提出了下面的分布式结构。消除中心管理服务器的问题可以在软件设计上得到解决。32分布式树型结构远程视频监控研究本文的基于IP网络的远程视频监控系统，在视频管理服务器的组织上采用分布式树形层次结构的分布如图33所示。图3.3 分布式服务器网络分布结构图33中A、B、C分别代表远程视频监控系统中的根结点服务器、中间结点服务器、叶子结点服务器。在整个体系中，每一层要完成的功能是不同的。首先，本文将整个网络按其自身的最佳处理范围划分为11个子网。将图43中的C类服务器放置到对应的每个子网中，就得到Cl，C2，Ci(i从1到n)与子

21、网n对应的C类服务器。结点服务器a的作用是管理第i子网中的所有接入设备和视频流，包括视频编码、解码设备，相关的报警设备，远程浏览用户的管理以及视频流的本地存储和游览等最基本的功能。在本系统的实际应用中网络是租用中国电信的城域网，子网n的逻辑划分规则是以电信的宽带接入向为单元划分的。这样对于子网n中的所有监控视频都集中在该局向管理的网络中，在视频没有远程调用的情况下，数据不会对主干网的产生影响。在实际的远程视频监控业务中，系统需要管理和协调从C1到Cn的网络中的所有设备和视频流，对于一个城市而言，Cn对应在城市中各派出所的级别。在此基础上，假设按城市的行政管理区划分，将一个城市划分为k个行政管理

22、区，对应到图43中，可以得到B1，B2，B个区域，实际应用中它对应到各个区公安分局级别中。由它来负责管理协调区域内的所有c类服务器。所以B类服务器的主要功能是管理功能。最后，为了完成整个体系的协调管理工作，在网络中设置了一个根结点服务器A，它对应实际应用中的市级公安局，A服务器协调所有的B类服务器。这样就在物理结构上形成了一个统一的分布式树型层次结构体系。这样的体系继承了分布式和层次结构的优点。在实际的应用中，与传统的视频监控系统相比，该结构有效的解决了网络拥塞、统一管理和系统扩展性等传统视频监控不能有效解决的问题。软件开发上，每一个结点服务器都同时具备A、B、C三类功能服务，这样在网络结构中消除了各结点的功能的差异，整个网络中就没有中心管理服务器了。4 结束语本文在研究了视频编码技术、视频流网络传输技术和分布式视频服务器服务体系等技术后，提出了满足城市范围的分布式远程视频监控系统