基于IP網絡的數字音視頻監控系統設計與實現

l 系統需要解決的問題

1．1 數字音視頻壓縮標準以及壓縮方式的選擇

現有的壓縮算法有H．263系列，M-JPEG，MPEG-1 VCD壓縮標準，MPEG-2 DVD壓縮標準，WAVELET小波變換，MPEG-4標準。這些算法各有優缺點，也決定了其應用于不同行業的適用性，H．263適合用于可視電話及視頻會議等對圖像大小和質量要求不是很高的應用領域；MJPEG，MPEG-1，MPEG-2由于實時性差以及數據量大的缺點不適合網絡傳輸；MPEG-4視頻壓縮技術的出現引發了壓縮領域的一場革命，他基本上克服了其他壓縮算法的缺點，利用很窄的帶寬，通過幀重建技術壓縮和傳輸資料，以求以最少的數據獲得最佳的圖像質量。MPEG-4試圖達到2個目標：

(1)低比特率下的多媒體通信；

(2)是多工業的多媒體通信的綜合。

據此目標，MPEG-4引入AV對象(Audio／Visaul Objects)，使得更多的交互操作成為可能。盡管MPEG-4并不是專為視頻監控壓縮領域而設計的，但同樣也適合CIF(352×288)或者更高清晰度(768×576)情況下的視頻壓縮。

實現壓縮算法的方式有2種，軟件壓縮和硬件壓縮，其中硬件壓縮實時性好，性能可靠，市場上也存在專用的MPEG-4壓縮芯片或板卡。

為了達到實時性的要求，本系統采用MPEG-4壓縮算法的硬件壓縮方式。

1．2 信道環境以及實時性的考慮

目前可供選擇的信道有PSTN，N-ISDN，以太網等。而監控系統大多數的應用場合是在一個相對較小的地域內進行視頻監控，因而可以使用已經廣泛使用的以太網作為數字硬盤錄像系統視頻傳輸的信道。目前100BASE-T以太網的帶寬已經達到100Mb／s，可以滿足數字硬盤錄像系統提供高質量清晰圖像、多路視頻同時傳輸的要求。因此本文選用100BASE-T以太網作為主要傳輸信道。

本文的任務主要是圍繞以太網來解決數字視頻的實時傳輸和組播問題。考慮在某些應用場合需要遠距離傳送視頻碼流，為此在設計網絡傳輸系統時就充分考慮了信道帶寬的限制，引人碼流和幀率動態可調機制，較好地滿足了遠程監控場合對圖像質量和圖像連續性的要求。

為了達到實時性，不光音視頻采集部分要實現實時性，傳輸部分也要達到實時要求，根據試驗，采用MPEG-4要達到25幀／s，需要256kb／s的帶寬，可見100Mb／s的以太網
可以滿足多路傳輸要求。

1．3 網絡協議和傳輸機制的控制

ISO組織制訂的OSI網絡參考模型中，運輸層建立在IP層之上，包含2種傳輸協議：一種是傳輸控制協議TCP，他是面向連接的網絡協議；另一種是用戶數據報協議UDP，他是無連接的。其中TCP不適合實時傳輸音視頻資料，常用的是基于UDP的RTP協議。

由于UDP沒有差錯控制，屬于不可靠的分組遞交，為了實現可靠交付和流量控制，IETF(因特網工程部)提出了RTP和RTCP兩個協議。所有的實時媒體資料都使用RTP進行傳輸，RTCP提供接收方向發送方反饋信息的功能。他們都是基于UDP的。

2 系統設計

2．1 數字監控系統網絡傳輸的功能設計

系統原理框圖如圖l所示。

他由9個模塊組成，音視頻采集和壓縮處理由視頻采集卡硬件完成，采集卡通過附帶的SDK函數接口和網絡傳輸模塊之間通信，當視頻采集卡完成視頻捕捉和壓縮處理后，RTP協議封裝模塊對數據塊進行封裝和排序，然后交給UDP網絡傳輸模塊在IP網絡上傳輸；對于接收端所做的工作和發送端基本類似，只是負責把網絡傳輸過來的音視頻資料包重組和譯碼回放出來。

2．2 系統硬件構成

圖2所示是整個系統的硬件組成，包括攝像頭、前端采集計算機和中心服務器3個主要部分，前端采集計算機中裝有視頻采集卡，根據采集卡的路數多少可以配備相應數量的攝像頭。

2．3 軟件設計

系統工作為C／S方式，包括3個部分：采集、傳輸、服務器顯示和控制。

音視頻采集的軟件開發是在采集卡廠商提供一個SDK軟件包的基礎上進行的。由于視頻資料包和碼流的大小會影響到視頻在網絡中傳輸的實時性和視頻在接收端回放時抖動的程度，因此該音視頻資料包大小和碼流設置應該是傳輸時的實時性和與回放時的抖動情況的折衷。

發送端的取流、封裝和發送過程采用了32位操作系統搶先式多線程任務機制以解決CPU并行效率低等問題，整體上分為三緩沖區多線程結構，即采用取流緩沖區、封裝緩沖區和發送緩沖區等3個緩沖區，分配了取流封裝線程、內存切換線程、視頻圖像發送線程和程序主線程等4個線程，利用了取流緩沖區空、取流緩沖區滿、封裝緩沖區空、封裝緩沖區滿、發送緩沖區空、發送緩沖區滿及允許發送等7個事件，提高了視頻圖像傳輸的效率。

在使用RTP協議對視音頻復合流進行封裝時，通行的做法是：在Windows操作系統中裝載RTP協議的動態鏈接庫(DLL)，然后將發送端的視頻編碼器輸出的數據流進行相應的成幀算法，形成適合于RTP協議格式的視頻流封裝，遞交給RTP協議分組處理模塊，加上此協議的分組報文頭，并根據當前的采樣時鐘打上時間戳，標記順序號，并給定幀頻、分辨率、相應的壓縮格式等參數，經多目地址傳輸來完成。在接收端，當實時視頻資料到達后，去掉該層協議的頭標，根據套接字應用的埠號向上層遞交。RTP分組模塊處理遞交的資料分組，根據其會話標識和序列號進行鑒別，將有效的分組傳遞給相應的譯碼緩沖區，實現視頻流內部的同步。

為了避免引起廣播風暴，采用了在PC平臺上實現IP組播，為此量身定制了一個基于微軟基本類庫MFC的IP組播類CMulticastSocket。IP組播類CMulticastSocket是在異步Socket類CAnsycsocket的基礎上派生出來的，分組中的每一個成員都可以動態地加入和退出；組中的某個成員發出的信息，分組中其他所有的授權成員都能收到，他是UDP Sockets的一個分支。

由于數字硬盤錄像系統(DVR)還需要給客戶端提供網絡控制功能和傳送系統信息，在具體的網絡編程應用中，采取UDP Socket和TCP Socket并存的編程機制。

3 性能指標

本系統性能指標如下：