基于SIP的視頻監(jiān)控和電視會議的系統(tǒng)融合設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電視會議系統(tǒng)作為獨立的兩個系統(tǒng)，對于很多有著較高需求的用戶來講存在著投入較多、維護復(fù)雜、資源共享困難等問題。本文提出一種基于SIP的系統(tǒng)融合方案，將視頻監(jiān)控和電視會議兩種功能統(tǒng)一為整體，有助于用戶減少操作和提高效率，符合安防行業(yè)的發(fā)展需求。

引言

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安防系統(tǒng)的重要組成部分，可用于對重點區(qū)域或遠程地點進行監(jiān)視和控制，具有直觀、事實、信息豐富、便于管理等特點。隨著視頻采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)今監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進入了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的時代，其功能不斷豐富，除實時情況的觀察和記錄外，還能夠進行人群流量分析、面部和行為識別、車輛號牌識別、全景視頻拼接等。前端一體化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、處理數(shù)字化、系統(tǒng)集成化和管理智能化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認的發(fā)展方向。

　　電視會議有助于處于不同地點的多個用戶通過通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進行面對面交談的會議。專業(yè)的電視會議系統(tǒng)可以為用戶提供較為穩(wěn)定安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和可靠的音視頻質(zhì)量，適用于要求較高的政府機關(guān)會議、企業(yè)事業(yè)單位的商務(wù)視頻會議等場合。

　　隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，人們的生活生產(chǎn)和公共安全所面對的挑戰(zhàn)也變得更加復(fù)雜。在過去的很長一段時間里，為了實現(xiàn)較為完善的功能，很多用戶需要同時部署包括電視會議和視頻監(jiān)控在內(nèi)的多個系統(tǒng)，這會帶來諸如投入浪費、維護復(fù)雜、資源難以共享、效率難以提高等多種問題?？梢曋笓]調(diào)度系統(tǒng)的提出，意味著視頻監(jiān)控和電視會議系統(tǒng)的融合將成為一種趨勢，這對于公共安全的加強和企業(yè)工廠大規(guī)模生產(chǎn)的安全管理有著重大意義。

1 理論概述

　　SIP (Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議)是IETF標準體系的一部分，是一個應(yīng)用層協(xié)議，可以用來建立、修改和終止多媒體會話，可以在已建立的會話中方便地添加用戶或者增加和刪除多媒體。SIP可以動態(tài)調(diào)整和修改例如帶寬要求、傳輸媒體類型、媒體編解碼格式等會話屬性，具有簡單、易于擴展、便于實現(xiàn)等諸多特點，已經(jīng)逐漸得到業(yè)界的青睞?，F(xiàn)今市場上已經(jīng)有多種支持SIP的軟件和多媒體終端^[1-3]。

　　已經(jīng)制定的GB/T 28181《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》規(guī)定了城市監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的諸多標準，包括互聯(lián)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議結(jié)構(gòu)、傳輸交換控制的安全要求、控制傳輸流程和協(xié)議接口等技術(shù)要求。GB/T 28181以SIP為核心協(xié)議，采用了SNTP、RTSP等協(xié)議，以及多種數(shù)字系統(tǒng)的傳輸標準、音視頻和多媒體系統(tǒng)的編碼標準和技術(shù)要求^[4]。由此可見，SIP將在日后的安防系統(tǒng)建設(shè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。

　　目前，安防市場上已經(jīng)提出了多種融合方案。由于需要基于已有的視頻監(jiān)控和電視會議兩類平臺，其中部分方案采用第三方視頻矩陣、融合網(wǎng)關(guān)等設(shè)備進行兩個系統(tǒng)的互聯(lián)。這種融合方案成本較低，實現(xiàn)較為簡單，但系統(tǒng)整體性較差，多媒體數(shù)據(jù)由于經(jīng)過多次傳輸和處理，在延時控制、音視頻質(zhì)量等方面表現(xiàn)不佳^[5]。

　　進行視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電視會議系統(tǒng)的方案設(shè)計符合多媒體指揮調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展要求以及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文將基于現(xiàn)有的SIP實用技術(shù)，進行統(tǒng)一的融合方案設(shè)計。

2 方案設(shè)計

　　統(tǒng)一融合方案以現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為主體，對監(jiān)控系統(tǒng)和電視會議系統(tǒng)進行有機整合，并能夠在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)指揮調(diào)度功能。指揮調(diào)度功能有多種調(diào)度方式，包括點對點、單點對多點、多組并存、多組之間相互插入?yún)f(xié)調(diào)等方式，以實現(xiàn)上級用戶對于下級現(xiàn)場的遠距離、多層次指揮和調(diào)度，這有利于實現(xiàn)各級用戶的快速決策和即時溝通，有助于提高應(yīng)急處理效率。

　　圖1所示為融合系統(tǒng)的功能模塊示意圖。作為多點對多點連接、切換和廣播的核心，MCU(Multipoint，多點控制單元)是電視會議功能中必不可少的一部分。在設(shè)計方案中，MCU可以以軟件實現(xiàn)的方式，與整個融合系統(tǒng)的控制管理系統(tǒng)融為一體。監(jiān)控客戶端在實現(xiàn)服務(wù)器登錄、設(shè)備列表獲取、監(jiān)控圖像和監(jiān)控錄像獲取、服務(wù)器和鏡頭參數(shù)配置等功能的基礎(chǔ)上，和電視會議客戶端結(jié)合成為一個軟件整體，這有利于用戶在同一客戶端內(nèi)實現(xiàn)現(xiàn)場情況的掌控以及實時決策和指揮，有利于工作效率的提高。上級和下級用戶之間的權(quán)限差異可以采用不同等級的用戶帳號進行區(qū)分。

　　圖2所示為系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。得益于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和移動互聯(lián)網(wǎng)的高速普及，下級用戶可以采用筆記本電腦、智能手機、平板電腦等設(shè)備進行現(xiàn)場的移動辦公，可以進一步提高融合系統(tǒng)的適用工作環(huán)境和用戶的工作效率。

3 功能設(shè)計實現(xiàn)

　　設(shè)計方案中的MCU采用軟件方式實現(xiàn)。作為電視會議系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，MCU起到多媒體信息交換的作用，可以進行多點呼叫和連接，實現(xiàn)視頻廣播、視頻選擇、音頻混合、數(shù)據(jù)廣播等功能。MCU應(yīng)當布置在監(jiān)控控制中心，在拓撲結(jié)構(gòu)上處于星型網(wǎng)絡(luò)的中心位置。MCU在功能上可以分為多點控制器MC和多點處理器MP，前者負責呼叫定位、路由控制、通信參數(shù)控制等功能，后者負責音視頻流和數(shù)據(jù)流的交換、混合、處理等功能。具有最高權(quán)限的上級用于可以控制MC，采用SIP消息主動邀請終端加入已經(jīng)建立的多點會議，或接受終端發(fā)出的加入會議的SIP請求消息。圖3所示為兩種會話建立方式的過程示意圖。

　　SIP在建立會話的過程中采用三次握手機制。會話呼叫的發(fā)起方采用INVITE請求建立會話，其INVITE消息中包含一個SDP會話描述協(xié)議以進行會話級、時間、媒體類型和格式等描述。如果被叫方同意建立會話，則發(fā)送200 OK消息進行響應(yīng)，消息的SDP中列出被叫支持的一系列參數(shù)，主叫會再次發(fā)送ACK請求來證實已經(jīng)收到被叫方發(fā)送的200 OK響應(yīng)。當會話完成后，其中一方可以發(fā)送BYE請求，而對方會以200 OK響應(yīng)，會話完成并結(jié)束^[1-2]。

　　圖4所示為融合系統(tǒng)的工作過程示意圖。融合系統(tǒng)的終端內(nèi)集成SIP UA、RTSP端、多媒體播放等功能模塊，其中RTSP端由編碼器、解碼器、播放器等構(gòu)成。用戶還可以通過融合終端進行MCU控制、服務(wù)器配置、云臺控制、鏡頭參數(shù)配置、錄像計劃管理、多媒體數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作，可以根據(jù)自己的實際需求進行傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和電視會議，也可以在緊急或重大事件發(fā)生時進行多功能指揮調(diào)度。

　　當需要啟用多點會議并進行指揮調(diào)度時，用戶可以使用終端中的SIP模塊和服務(wù)器中的MCU模塊建立會話，擁有最高權(quán)限的上級用戶也可以操控MCU邀請其他用戶或準許其他用戶加入多點會議，會話建立方式如上文所述以及圖3所示。建立多點會議之后，各個終端對于流媒體的控制交由RTSP端，并將多媒體流以及控制數(shù)據(jù)等傳遞給MCU，MCU可以將數(shù)據(jù)傳遞給流媒體服務(wù)器進行壓縮、存儲等處理，可以將數(shù)據(jù)按上級用戶配置發(fā)送給各個后總段。當與會用戶需要獲取現(xiàn)場監(jiān)控視頻時，可以向統(tǒng)一控制平臺發(fā)出請求，監(jiān)控前端收到信息后將視頻流發(fā)送給流媒體服務(wù)器，并經(jīng)由MCU以單播、組播、廣播等方式提供給相應(yīng)與會用戶。在融合終端中，用戶可以將多個會議視頻和監(jiān)控視頻進行任意組合、排列和切換，以提高工作效率。

4 QoS控制

　　QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)是指多媒體網(wǎng)絡(luò)利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)通信提供更優(yōu)秀、更安全的服務(wù)能力，包括用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一系列技術(shù)。未來的多功能指揮調(diào)度系統(tǒng)將應(yīng)用于公共安全、大規(guī)模生產(chǎn)、突發(fā)事件應(yīng)對等場合，具有規(guī)模大、距離遠、層級多等特點，并將面臨大量用戶同時接入和多路高清視頻同時傳輸?shù)忍魬?zhàn)。這不僅要求統(tǒng)一融合系統(tǒng)的多種設(shè)備的互聯(lián)和多種功能的實現(xiàn)，而且對QoS控制有著很高的要求。本文主要采用擁塞控制和差錯控制兩種方式保證融合網(wǎng)絡(luò)的QoS。

　　對于傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)擁塞，除了在硬件基礎(chǔ)上改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)更高的傳輸帶寬，有效控制傳輸速率也十分重要。在多媒體網(wǎng)絡(luò)中，音視頻多媒體占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的大部分數(shù)據(jù)信息。為了有效控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，需要根據(jù)實際需要進行速率調(diào)整，以取得傳輸質(zhì)量和速率的平衡。在傳輸前端發(fā)送給與會用戶音視頻信息時，為了保證用戶對現(xiàn)場情況的準確和有效掌控，需要保證較高的多媒體質(zhì)量，而對于用戶之間的溝通交流，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能對傳輸質(zhì)量進行適當調(diào)整，以有效利用帶寬、加強系統(tǒng)適應(yīng)性。同時，高性能的視頻編解碼技術(shù)可以在保證視頻質(zhì)量的前提下有效降低對于傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求和時延。H.264標準作為新一代數(shù)字視頻編碼標準，具有碼率低、圖像質(zhì)量高、容錯能力強、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力強等特點，目前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提高，更高清晰度的視頻文件將會在不遠的將來得到普及，這對于編解碼技術(shù)、數(shù)字存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將會是巨大的挑戰(zhàn)。目前ITU已經(jīng)制定了新的H.265視頻編碼標準，旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，并支持超過1080P的超高清視頻。對最新的視頻編解碼技術(shù)進行研究和更優(yōu)秀的算法設(shè)計，對于提高包括融合系統(tǒng)在內(nèi)的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的QoS有著巨大的幫助。

　　對于網(wǎng)絡(luò)傳輸中出現(xiàn)的誤碼、丟包等現(xiàn)象，為降低對視頻質(zhì)量的影響，需要進行一定的差錯控制，以提高傳輸正確性和有效性的技術(shù)。差錯控制包括差錯檢測、前向糾錯和自動請求重發(fā)。由于融合系統(tǒng)在使用過程中有很高的實時性要求，因此可以考慮采用選擇性重傳的方式進行差錯控制。圖5所示為選擇性重傳的流程示意圖。發(fā)送端可以將多媒體數(shù)據(jù)封裝成包并加入根據(jù)特有規(guī)則生成的識別代碼，在發(fā)送給接收端的同時進行一定時間的暫存。而接收端在收到數(shù)據(jù)包后對識別碼進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)丟包或誤碼出現(xiàn)后，立即向發(fā)送端請求重傳。由于實時性的要求，發(fā)送端的暫存和接收端等待重傳都有一定的時間限制，當超出時間限制后接收端將不再等待重傳并繼續(xù)處理流程。接收端可以增加一定的分析和差錯處理機制，在多媒體數(shù)據(jù)損失較小的情況下可以自行處理而無需重傳，以提高效率、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。

5 結(jié)論

　　本文提出了一種基于SIP的視頻監(jiān)控和電視會議的系統(tǒng)融合方案。方案中包含了系統(tǒng)的功能框架、互聯(lián)方式以及一些關(guān)鍵功能的實現(xiàn)方式，并提出了QoS控制策略的一些實施方法。該方案在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)和電視會議系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行整合，有利于用戶在指揮調(diào)度時有效地進行交流和磋商，有利于維護公共安全，符合安防系統(tǒng)的發(fā)展需要。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第62頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。