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基于IP Multicast的分布式音視頻接幾和共享的監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸和實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2016-12-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IP Multicast技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng),提出了分布式音視頻接入共享的解決方案,能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬;針對(duì)視頻、音頻語音和控制數(shù)據(jù)的不同傳輸特點(diǎn),對(duì)其所采用的傳輸技術(shù)作了詳細(xì)探討,給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞:監(jiān)控系統(tǒng) 分布式接入共享 網(wǎng)絡(luò)傳輸 IP組播 Windows套接字隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)燕尾服,一種以數(shù)字化、智能化為特點(diǎn)的多媒體遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,即基于IP的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)是:可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;在遠(yuǎn)程不同地點(diǎn)的分控中心或同個(gè)分控中心可同時(shí)調(diào)看某一個(gè)或者幾個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的音視頻數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)分布式的音頻頻接入和音視頻數(shù)據(jù)共享,同時(shí),可以與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行對(duì)講;可以對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的云臺(tái)、攝像機(jī)等外圍設(shè)備進(jìn)行控制。視頻、音頻的實(shí)時(shí)、分布式傳輸及控制指令的可靠傳輸是遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)字音頻頻監(jiān)控系統(tǒng),采用IP Multicast技術(shù)作為分布式音視頻執(zhí)著入和共享的解決方案,并針對(duì)視頻、音頻語音和控制數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn),對(duì)其所采用的不同傳輸技術(shù)進(jìn)行了探討,給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般包括三部分:前端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)、通信設(shè)備和后端分控中心。整個(gè)系統(tǒng)基于Client/Server(客戶機(jī)/服務(wù)器)模式。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。(1)前端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)由監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)及一些外圍設(shè)備組成。外圍設(shè)備包括攝像機(jī)、電動(dòng)鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩、監(jiān)視器、多功能解碼器及報(bào)警器。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)運(yùn)行客戶前端軟件,實(shí)現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)壓縮的視(音)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)存儲(chǔ)(也可在分近中心進(jìn)行)。存儲(chǔ)方式為循環(huán)存儲(chǔ)、定時(shí)存儲(chǔ)、手動(dòng)存儲(chǔ)及運(yùn)動(dòng)視頻檢測(cè)啟動(dòng)存儲(chǔ)。接收來自分控中心的控制指令(也可在本地實(shí)施),對(duì)云臺(tái)動(dòng)作(上、下、左、右及自動(dòng))電動(dòng)鏡頭的三可變(光圈、焦距和聚焦)。(2)通信設(shè)備是指所采用的傳輸信道和相關(guān)設(shè)備,通信網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)AN及WAN。(3)后端設(shè)備由若干分控中心計(jì)算機(jī)組成。各分控計(jì)算機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端軟件,接收來自前端壓縮視(音)頻、顯示(播放);通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)前端云臺(tái)、攝像機(jī)進(jìn)行控制;采用組播技術(shù),實(shí)現(xiàn)分布式視頻執(zhí)著入和分豐式視頻共享:每個(gè)分控中心主機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)前端,即“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”;不同分控心也可以同時(shí)監(jiān)控同一前端,即“多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)”。2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)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(luò)向監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)外圍設(shè)備云臺(tái)及攝像機(jī)發(fā)送控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)云臺(tái)動(dòng)作(上、下、左、右、自動(dòng))攝像機(jī)光圈、焦距及聚焦三可變,要求控制信號(hào)的傳輸準(zhǔn)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(cuò)誤率及數(shù)據(jù)丟失率,但實(shí)時(shí)性要求很高。此外,在監(jiān)控系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)音視頻的分布式接入和數(shù)據(jù)共享,必須進(jìn)行音視頻的多點(diǎn)傳輸。樣實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)?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(luò)模型定義了四層(即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。傳輸層包含兩個(gè)協(xié)議:傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)。IP是國際互聯(lián)協(xié)議,位于網(wǎng)絡(luò)層。TCP協(xié)議是面向連接的,提供可靠的流服務(wù);UDP是無連接的,提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù);TCP采用提供確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)、滑動(dòng)窗口機(jī)制等措施來保證傳輸?shù)目煽啃裕沁@些措施增加了網(wǎng)絡(luò)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(luò)負(fù)載大并會(huì)加大延遲;UDP協(xié)議是最簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議,不提供可靠性保證,正因?yàn)閁DP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)與重傳國,大大提高了傳輸效率,具有高效快速的特點(diǎn);Ipv4定義了三種IP數(shù)據(jù)包的傳輸:?jiǎn)尾?、廣播及組播。要系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視(音)頻數(shù)據(jù)的多點(diǎn)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(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞;若用廣播,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)站點(diǎn)都將接收到數(shù)據(jù),不管該結(jié)點(diǎn)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(gè)或多個(gè)發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個(gè)接收者(一次的、同時(shí)的)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。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(gè)目的地址,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸?shù)男?,極大地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)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(hào),即信令通道;采用UDP/IP傳輸音視頻信號(hào),即數(shù)據(jù)通道。IP組播依賴一個(gè)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(dòng)態(tài)分配和恢復(fù)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(gè)組播組對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)分配 的一個(gè)D類地址。組播的特點(diǎn):組播組的成員是動(dòng)態(tài)的,主機(jī)可以任何時(shí)間加入或離開組播組,主機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法:Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實(shí)現(xiàn)方法:Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺(tái)實(shí)現(xiàn)VC++6.0開發(fā)工具,在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了基于Winsock2的組播通信編程。發(fā)送端(前端、客戶端)實(shí)現(xiàn)步驟:(1)加載Winsock2庫,完成Winsock2的初始化:WSAStarup(MAKEWORD(2,2),%26;amp;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(gè)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(gè)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€(gè)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(bào)IP組播在兩個(gè)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(gè)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(shè)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(hào)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(jìn)行綁定):bind(m_socket,(PSOCKADDR)%26;amp;(m_localAddr),sizeof(m_localAddr);(4)設(shè)置生存時(shí)間(即數(shù)據(jù)包最多允許路由多少個(gè)網(wǎng)段):WSAIoctl(m_socket,SIO_MULTICAST_SCOPE,//設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)生存時(shí)間;%26;amp;iMcastTTL,//生存時(shí)間大小;sizeof(iMcastTTL),NULL,0,%26;amp;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;%26;amp;bLoopback,sizeof(bLoopback),NULL,0,%26;amp;cbRet,NULL,NULL);(6)收發(fā)數(shù)據(jù):在發(fā)送方(前端、客戶端)響應(yīng)發(fā)送的消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù):WSASendTo (m_socket,%26;amp;stWSABuf,%26;amp;cbRet,0,(struct sockaddr*)%26;amp;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(yīng)接收消息函數(shù)中調(diào)用下面函數(shù):WSARecvFrom(m_socket,%26;amp;stWSABuf,1,%26;amp; cbRet,%26;amp;Flag,(struct sockaddr*)%26;amp;stSrcAddr,//源地址;%26;amp;iLen,NULL,NULL);(7)將組播套接字設(shè)置為異步I/O工作模式,在該套節(jié)字上接收事件為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)事件通知:WSAEventSelect(m_socket,m_hNetworkEvent,//網(wǎng)絡(luò)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(gè)事件之一,則將m_hNetworkEvent置為有信號(hào)狀態(tài);(8)在工作線程中設(shè)置:WSAWaitForMultipleEvent(3,//等待事件的個(gè)數(shù));p->m_eventArray,//存放事件句柄的數(shù)組;FALSE,WSA_INFINITE,F(xiàn)ALSE);(9)關(guān)閉組播套字節(jié):closesocket(m_socket);接收端(后端、服務(wù)器端)實(shí)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(biāo)志進(jìn)行創(chuàng)建,否則調(diào)用失??;(PSOCKADDR)%26;amp;(m_stDestAddr,//組播導(dǎo)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(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊流程如圖2所示。發(fā)送端(前端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)、客戶端)監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行客戶端程序。在主線程中,啟動(dòng)視同、音頻兩個(gè)線程分別對(duì)視頻及音頻進(jìn)行采集,放入視(音)頻緩沖區(qū);視頻在本地回放;同時(shí),監(jiān)聽分控中心的連接請(qǐng)求,收到連接請(qǐng)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(hào)(對(duì)應(yīng)視頻及音頻,音頻兩個(gè)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(duì)視(音)頻進(jìn)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(shí)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(wù)器端)分控中心主機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端程序,在主線程中向前端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)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(hào)后,啟動(dòng)視(音)頻兩個(gè)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(shí)現(xiàn)視頻的單向傳輸、音頻的雙向傳輸。一個(gè)后端分控中心可同時(shí)監(jiān)控12路前端視頻及音頻信號(hào),在設(shè)計(jì)服務(wù)器端監(jiān)控程序時(shí),采用多線程技術(shù),每建立一對(duì)前端監(jiān)控主機(jī)與后端分控中心(服務(wù)器)的TCP連接,就開兩個(gè)接收線程(一個(gè)接收視頻線程;一個(gè)接收音頻線程),視頻線程接收視頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓縮及回放;音頻線程接收音頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓縮及播放。對(duì)云臺(tái)及攝像機(jī)的控制指令通過信令通道傳輸。本系統(tǒng)運(yùn)行在Win2000平臺(tái)上,用VC++6.0開發(fā)工具開發(fā)。在遠(yuǎn)程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸模塊設(shè)計(jì)中,根據(jù)音頻頻數(shù)據(jù)傳輸及控制信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),運(yùn)用IP組播技術(shù)極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),避免了資源的浪費(fèi),節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬;利用TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)了信令通道(TCP)和數(shù)據(jù)通道(UDP);運(yùn)用Windows多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、多點(diǎn)傳輸和控制信號(hào)的可靠傳,提高了程序運(yùn)行的效率。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和擴(kuò)展,可以應(yīng)用到遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多種多媒體通信;因此,遠(yuǎn)程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不僅具有監(jiān)控方面的現(xiàn)實(shí)意義,而且對(duì)于許多應(yīng)用都有借鑒和參考價(jià)值。

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