隨著計算機網(wǎng)絡技術、多媒體技術、計算機視覺與模式識別技術的發(fā)燕尾服,一種以數(shù)字化、智能化為特點的多媒體遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應運而生,即基于IP的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控到數(shù)字監(jiān)控質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比較,數(shù)字遠程監(jiān)控系統(tǒng)幾個最主要的優(yōu)勢是:可以借助網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控;在遠程不同地點的分控中心或同個分控中心可同時調(diào)看某一個或者幾個監(jiān)控現(xiàn)場的音視頻數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)分布式的音頻頻接入和音視頻數(shù)據(jù)共享,同時,可以與監(jiān)控現(xiàn)場人員進行對講;可以對遠程監(jiān)控現(xiàn)場的云臺、攝像機等外圍設備進行控制。視頻、音頻的實時、分布式傳輸及控制指令的可靠傳輸是遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的一個關鍵問題。本文設計并實現(xiàn)了遠程數(shù)字音頻頻監(jiān)控系統(tǒng),采用IP Multicast技術作為分布式音視頻執(zhí)著入和共享的解決方案,并針對視頻、音頻語音和控制數(shù)據(jù)不同的特點,對其所采用的不同傳輸技術進行了探討,給出了具體實現(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)的總體結構
遠程監(jiān)控系統(tǒng)一般包括三部分:前端監(jiān)控現(xiàn)場、通信設備和后端分控中心。整個系統(tǒng)基于Client/Server(客戶機/服務器)模式。總體結構如圖1所示。
(1)前端監(jiān)控現(xiàn)場由監(jiān)控現(xiàn)場主機及一些外圍設備組成。外圍設備包括攝像機、電動鏡頭、云臺、防護罩、監(jiān)視器、多功能解碼器及報警器。監(jiān)控現(xiàn)場主機運行客戶前端軟件,實現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)的實時采集、壓縮、解壓縮(音頻)(視頻傳輸 單向的,音頻傳輸是雙向的)及打包傳送;對壓縮的視(音)頻數(shù)據(jù)進行經(jīng)存儲(也可在分近中心進行)。存儲方式為循環(huán)存儲、定時存儲、手動存儲及運動視頻檢測啟動存儲。接收來自分控中心的控制指令(也可在本地實施),對云臺動作(上、下、左、右及自動)電動鏡頭的三可變(光圈、焦距和聚焦)。
(2)通信設備是指所采用的傳輸信道和相關設備,通信網(wǎng)絡為LAN及WAN。
(3)后端設備由若干分控中心計算機組成。各分控計算機運行服務器端軟件,接收來自前端壓縮視(音)頻、顯示(播放);通過網(wǎng)絡對前端云臺、攝像機進行控制;采用組播技術,實現(xiàn)分布式視頻執(zhí)著入和分豐式視頻共享:每個分控中心主機可以同時監(jiān)控多個前端,即“一點對多點”;不同分控心也可以同時監(jiān)控同一前端,即“多點對一點”。
2 網(wǎng)絡傳輸模塊的設計與實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)類型的特點及通信協(xié)議的選擇
系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)有:控制數(shù)據(jù)、音頻、視頻數(shù)據(jù)、后端分控中心通過網(wǎng)絡向監(jiān)控現(xiàn)場主機外圍設備云臺及攝像機發(fā)送控制信號,實現(xiàn)云臺動作(上、下、左、右、自動)攝像機光圈、焦距及聚焦三可變,要求控制信號的傳輸準確無誤;音頻、視頻是連續(xù),數(shù)據(jù)量大,允許傳輸中存在一定的數(shù)據(jù)錯誤率及數(shù)據(jù)丟失率,但實時性要求很高。此外,在監(jiān)控系統(tǒng)中,要實現(xiàn)音視頻的分布式接入和數(shù)據(jù)共享,必須進行音視頻的多點傳輸。樣實現(xiàn)上述目標?首先是通信協(xié)議的選擇,TCP/IP協(xié)議是廣泛使用的網(wǎng)協(xié)議,其網(wǎng)絡模型定義了四層(即網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層)網(wǎng)絡通信協(xié)議。傳輸層包含兩個協(xié)議:傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)。IP是國際互聯(lián)協(xié)議,位于網(wǎng)絡層。TCP協(xié)議是面向連接的,提供可靠的流服務;UDP是無連接的,提供數(shù)據(jù)報服務;TCP采用提供確認與超時重發(fā)、滑動窗口機制等措施來保證傳輸?shù)目煽啃裕沁@些措施增加了網(wǎng)絡的開銷。如果用TCP傳輸視(音)頻數(shù)據(jù),大量的數(shù)據(jù)容量引起重傳。,使得網(wǎng)絡負載大并會加大延遲;UDP協(xié)議是最簡單的傳輸協(xié)議,不提供可靠性保證,正因為UDP協(xié)議不進行數(shù)據(jù)確認與重傳國,大大提高了傳輸效率,具有高效快速的特點;Ipv4定義了三種IP數(shù)據(jù)包的傳輸:單播、廣播及組播。要系統(tǒng)中實現(xiàn)視(音)頻數(shù)據(jù)的多點傳輸,若采用單播,則同樣的音、視頻數(shù)據(jù)要發(fā)送多次,這樣導致發(fā)送者負擔重、延遲長、網(wǎng)絡擁塞;若用廣播,網(wǎng)絡中的每個站點都將接收到數(shù)據(jù),不管該結點否需要數(shù)據(jù),增加了非接收者的開銷;組播是一種允許一個或多個發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個接收者(一次的、同時的)的網(wǎng)絡技術。組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組,而只有屬于該組播組的地址才能接收到數(shù)據(jù)包。由于無論有多少個目的地址,在整個網(wǎng)絡的任何一條鏈路上都只傳送單一的數(shù)據(jù)包。因此組播提高了網(wǎng)絡傳輸?shù)男剩瑯O大地節(jié)省了網(wǎng)絡傳輸。組播方式只適用于UDP。綜上所述,采用TCP/IP傳輸控制信號,即信令通道;采用UDP/IP傳輸音視頻信號,即數(shù)據(jù)通道。
IP組播依賴一個特殊的地址組——“移播址”,即D類地址。范圍在224.0.0.0-239.255.255.255之間(其中224.0.0.0-224.0.0.255是被保留的地址),D類地址是動態(tài)分配和恢復的瞬態(tài)地址。組播地址只能作為信宿地址使用,而不能出現(xiàn)在任何信源地址中。每一個組播組對應于動態(tài)分配 的一個D類地址。組播的特點:組播組的成員是動態(tài)的,主機可以任何時間加入或離開組播組,主機組中的成員在位置上和數(shù)量 舊沒有限制的。
2.2 Windows下,IP組播的Winsock2實現(xiàn)
Windows環(huán)境下組播通信是基于WindowsSocket的。Windows Socket提供兩種不同IP組播的實現(xiàn)方法:Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實現(xiàn)方法:Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺實現(xiàn)VC++6.0開發(fā)工具,在本系統(tǒng)中實現(xiàn)了基于Winsock2的組播通信編程。
發(fā)送端(前端、客戶端)實現(xiàn)步驟:
(1)加載Winsock2庫,完成Winsock2的初始化:
WSAStarup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);(2)建立本地套接字(UDP):
m_socket=WSASocke(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP,NULL,0,WSA_FLAG_MULTIPOINT_C_LEAF|
WSA_FLAG_MULTIPOINT_D_LEAF);
//組播通信具有兩個層面的重要特征:控制層面和數(shù)據(jù)層面。控制層面決定一個多播組建立通信的方式,數(shù)據(jù)層面決定通信成員間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健C恳粋€層面有兩種形式,一種是“有限的”,另一種是“無根的”;數(shù)據(jù)報IP組播在兩個層面上都是“無根”的。任一用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)都將被傳送到組中所有其它成員。最后一個參數(shù)表明新創(chuàng)建的套接字在控制層面與數(shù)據(jù)層面都是“無根的”。
圖2
可以通過setsocket函數(shù)設置套接字的屬性,如地址重用,緩沖區(qū)是接收還是發(fā)送。
M_localAddr.sin_family = AF_INET;
M_localAddr.sin_port=m_iPort;//本地端口號
M_localAddr..sin _addr.S_un.S_addr=m_uLocalIP;//本地IP地址;
(3)綁定(將新創(chuàng)建的套字節(jié)與本地插口地址進行綁定):
bind(m_socket,(PSOCKADDR)&(m_localAddr),sizeof(m_localAddr);
(4)設置生存時間(即數(shù)據(jù)包最多允許路由多少個網(wǎng)段):
WSAIoctl(m_socket,SIO_MULTICAST_SCOPE,//設置數(shù)據(jù)報生存時間;
&iMcastTTL,//生存時間大小;
sizeof(iMcastTTL),NULL,0,&cbRet,NULL,NULL);
(5)配置Loopback,以決定組播數(shù)據(jù)幀是否回送:
int bLoopback=FALSE;
WSAIoct(m_socket,SIO_MULTIPOINT_LOOPBACK,//允許或禁止組播數(shù)據(jù)幀回送;
&bLoopback,sizeof(bLoopback),NULL,0,&cbRet,NULL,NULL);
(6)收發(fā)數(shù)據(jù):
在發(fā)送方(前端、客戶端)響應發(fā)送的消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù):
WSASendTo (m_socket,&stWSABuf,&cbRet,0,(struct sockaddr*)&stDestAddr,//發(fā)送的目的地址;
sizeof(struct(sockaddr),NULL,NULL);
在發(fā)送方(前端、客戶端)響應接收消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù):
WSARecvFrom(m_socket,&stWSABuf,1,& cbRet,&Flag,(struct sockaddr*)&stSrcAddr,//源地址;
&iLen,NULL,NULL);
(7)將組播套接字設置為異步I/O工作模式,在該套節(jié)字上接收事件為基礎的網(wǎng)絡事件通知:
WSAEventSelect(m_socket,m_hNetworkEvent,//網(wǎng)絡事件句柄;將此套字節(jié)與該事件句柄并聯(lián)在一起;
FD_WRITE|FD_READ);//發(fā)生此兩個事件之一,則將m_hNetworkEvent置為有信號狀態(tài);
(8)在工作線程中設置:
WSAWaitForMultipleEvent(3,//等待事件的個數(shù));
p->m_eventArray,//存放事件句柄的數(shù)組;
FALSE,WSA_INFINITE,F(xiàn)ALSE);
(9)關閉組播套字節(jié):
closesocket(m_socket);
接收端(后端、服務器端)實現(xiàn)步驟:
(1)-(3)與發(fā)送端(客戶端)相同;
(4)調(diào)用WSAJLoinLeaf加入組播組:
SOCKET NetSock=WSAJoinLeaf(sock,//必須為組播標志進行創(chuàng)建,否則調(diào)用失敗;
(PSOCKADDR)&(m_stDestAddr,//組播導址,與發(fā)送方的目的地址相同;
sizeof(m_stDestAddr),UNLL,NULL,NULL,NULL,
JL_BOTH));//允許接收和發(fā)送;
(5)與客戶端(6)相同;(6)與客戶端(7)相同;(7)與客戶端(8)相同;(8)離開組播組;closesocket(NewSock);//NewSock是調(diào)用WSAoinLeaf()返回的套節(jié)字。
2.3 在監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡傳輸模塊的設計
網(wǎng)絡傳輸模塊流程如圖2所示。
發(fā)送端(前端監(jiān)控現(xiàn)場主機、客戶端)監(jiān)控主機運行客戶端程序。在主線程中,啟動視同、音頻兩個線程分別對視頻及音頻進行采集,放入視(音)頻緩沖區(qū);視頻在本地回放;同時,監(jiān)聽分控中心的連接請求,收到連接請求,TCP三次握手,建立TCP連接(信令通道);通過信令通道,向分控心發(fā)送二組組播地址及端口號(對應視頻及音頻,音頻兩個線程;分別在視(音)頻線程中完成;利用Winsock2建立視(音)頻數(shù)據(jù)通道(UDP)(源碼前已述及);對視(音)頻進行壓縮編碼、組播發(fā)送;音頻線程接收分控中心的音頻數(shù)據(jù)包,解碼并播放;實現(xiàn)視頻的單向傳輸和音頻的雙向傳輸。
接收端(后端分控中心、服務器端)分控中心主機運行服務器端程序,在主線程中向前端監(jiān)控現(xiàn)場主機發(fā)出連接請求(CALL),三次握手建立TCP連接(信令通道);后端接收到組播地址及端口號后,啟動視(音)頻兩個線程,完成;利用Winsock2建立視(音)頻數(shù)據(jù)通道(UDP),加入視(音)頻組播組,接收壓縮視(音)頻包,并解碼顯示(播放);其中音頻線程,還要完成音頻數(shù)據(jù)包解碼顯示(播放);其中音頻線程,還要完成音頻數(shù)據(jù)包的壓縮、發(fā)送;實現(xiàn)視頻的單向傳輸、音頻的雙向傳輸。
一個后端分控中心可同時監(jiān)控12路前端視頻及音頻信號,在設計服務器端監(jiān)控程序時,采用多線程技術,每建立一對前端監(jiān)控主機與后端分控中心(服務器)的TCP連接,就開兩個接收線程(一個接收視頻線程;一個接收音頻線程),視頻線程接收視頻數(shù)據(jù)包進行解壓縮及回放;音頻線程接收音頻數(shù)據(jù)包進行解壓縮及播放。對云臺及攝像機的控制指令通過信令通道傳輸。
本系統(tǒng)運行在Win2000平臺上,用VC++6.0開發(fā)工具開發(fā)。
在遠程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸模塊設計中,根據(jù)音頻頻數(shù)據(jù)傳輸及控制信號傳輸?shù)奶攸c,運用IP組播技術極大地減輕了網(wǎng)絡負擔,避免了資源的浪費,節(jié)省了網(wǎng)絡帶寬;利用TCP/IP協(xié)議設計了信令通道(TCP)和數(shù)據(jù)通道(UDP);運用Windows多線程機制實現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的實時、多點傳輸和控制信號的可靠傳,提高了程序運行的效率。在該系統(tǒng)的基礎上進行改造和擴展,可以應用到遠程教學、遠程醫(yī)療等多種多媒體通信;因此,遠程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)不僅具有監(jiān)控方面的現(xiàn)實意義,而且對于許多應用都有借鑒和參考價值。
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