談虛擬攝像頭技術在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

前言

　　網(wǎng)絡攝像頭簡稱WEBCAM，一般通過USB與電腦連接，或直接嵌入在筆記本電腦屏幕的上方，主要在網(wǎng)絡會議、即時通訊、IP電話等軟件中應用。虛擬攝像頭顧名思義，就是用軟件手段在計算機中模擬出一個網(wǎng)絡攝像頭硬件，它本身不具備視頻采集的功能，但可以將圖片、視頻文件或其它設備采集到的視頻做為虛擬攝像頭的輸出，并可加入各種個性化的特效。例如，在沒有真實網(wǎng)絡攝像頭情況下，也可以通過虛擬攝像頭軟件進行視頻聊天，只不過對方看到的不是真實的視頻，而是一些預設的錄像或圖片。

　　目前網(wǎng)上的一些用虛擬攝像頭技術開發(fā)的軟件，多被用來在網(wǎng)絡聊天軟件中欺騙對方。實際上，虛擬攝像頭有效克服了真實網(wǎng)絡攝像頭內(nèi)容單一、依賴硬件的缺點，使用領域非常寬廣。本文以兩個虛擬攝像頭技術與監(jiān)控系統(tǒng)結合使用的項目為例，具體分析系統(tǒng)的開發(fā)思路和效果，希望能對虛擬攝像頭技術的推廣應用起到拋磚引玉的效果。 限于篇幅，本文重點在于分析設計思路，未有涉及太多技術細節(jié)，只對關鍵技術作簡要的描述，具體實現(xiàn)方式感興趣的讀者可以通過網(wǎng)絡查找相關資料。

　　虛擬攝像頭驅(qū)動開發(fā)路線

　　虛擬攝像頭驅(qū)動的開發(fā)可以遵循以下3條路線：

　　1.傳統(tǒng)的WDM驅(qū)動的開發(fā)模式，WDM是微軟為Windows2000及后續(xù)操作系統(tǒng)提供的通用驅(qū)動程序模型，一個驅(qū)動程序可以看作是一個運行在系統(tǒng)底層的DLL，采用WDM的方式開發(fā)虛擬攝像頭需要從驅(qū)動整體入手，在操作系統(tǒng)中虛擬出一個設備，需要開發(fā)者具備豐富的計算機接口和Windows驅(qū)動開發(fā)經(jīng)驗。

　　2.基于DirectShow平臺的開發(fā)模式，DirectShow是微軟推出的基于COM的流媒體處理開發(fā)包，與DirectX開發(fā)包一起發(fā)布，用DirectShow開發(fā)虛擬攝像頭無需涉及驅(qū)動程序編寫，體積小巧、安裝過程不會引起安全軟件和操作系統(tǒng)的警告，且視頻處理效率比WDM高。

　　3.利用DSF框架平臺開發(fā)，微軟DSF框架利用小端口驅(qū)動把一個虛擬的USB設備控制器驅(qū)動接在計算機上，涉及驅(qū)動層面的內(nèi)容DSF已經(jīng)做好了，開發(fā)者只需按DSF接口標準開發(fā)一個動態(tài)鏈接庫用來模擬設備功能，再開發(fā)一個腳本文件用于模擬設備的物理插拔動作，一個虛擬設備就做好了。

　　上述3條開發(fā)路線中，路線1、2對開發(fā)者的要求較高，開發(fā)時間也相對較長；方案3則相對簡單，基本不需要與驅(qū)動打交道，但利用DSF框架開發(fā)的軟件，在客戶的機器上部署相對繁瑣，不利于商業(yè)推廣。剛入門的開發(fā)者建議在網(wǎng)上搜索虛擬攝像頭的開源代碼，以加快開發(fā)進度。

　　無論哪種方式開發(fā)的虛擬攝像頭驅(qū)動，都必須有一個外部數(shù)據(jù)傳入的接口（建議做成COM形式方便調(diào)用）。其它軟件（如下文所述的數(shù)據(jù)轉發(fā)軟件）可以通過這個接口，傳入RGB格式的位圖數(shù)據(jù)，虛擬攝像頭將傳入的位圖作為拍攝到的影像，通過QQ、MSN、Netmetting等軟件顯示出來。RGB是一種工業(yè)標準的位圖數(shù)據(jù)存儲方式，每一幅位圖就是一幀，當每秒傳入25幅以上的位圖，虛擬攝像頭就會顯示出流暢的視頻了。

在醫(yī)療領域的應用

　　某醫(yī)院進口的醫(yī)療設備，其所附帶的軟件，可以在記錄病人生理數(shù)據(jù)的同時，具備同步錄像功能，但該軟件只有一個網(wǎng)絡攝像頭接口，無法實現(xiàn)一臺設備同時監(jiān)管多個病床；且安裝軟件的電腦與病房相隔較遠，網(wǎng)絡攝像頭鞭長莫及。另外在病房內(nèi)原已安裝了多個監(jiān)控模擬攝像機，護士中心可使用聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件，通過局域網(wǎng)連接到硬盤錄像機觀察到病房內(nèi)的情況。因此，為了有效提高這種昂貴的進口設備利用率，使其軟件能與現(xiàn)有的監(jiān)控設備結合，我們設計了如下的虛擬攝像頭技術方案：

　　目前國內(nèi)主流的IP攝像機和硬盤錄像機均有SDK開發(fā)包，這里以?？低曄盗挟a(chǎn)品為例說明開發(fā)過程：開發(fā)一個數(shù)據(jù)轉發(fā)軟件，先調(diào)用?？档脑O備網(wǎng)絡SDK接收從IP攝像機或硬盤錄像機端傳來的壓縮視頻流，收到壓縮流后，立即調(diào)用播放庫SDK中的相應函數(shù)，對壓縮流進行解壓，獲得YUV格式的圖像數(shù)據(jù)，再將YUV轉換為RGB格式（轉換算法在網(wǎng)上很多，選擇時需注意算法的效率），最后通過虛擬攝像頭的數(shù)據(jù)傳入接口，將圖像在醫(yī)療軟件上顯示出來。數(shù)據(jù)轉發(fā)軟件可以根據(jù)使用者的要求，自動或手動切換監(jiān)控攝像機，將不同監(jiān)控攝像機采集到圖像顯示在同一套軟件中。

　　作為進一步完善，我們通過虛擬攝像頭實現(xiàn)了畫中畫功能，具體做法是：同時從2臺攝像機獲取壓縮流并解碼；將其中一臺攝像機的位圖數(shù)據(jù)按比例縮?。磩h減一部分像素），作為子畫面；將主畫面的位圖數(shù)據(jù)中一部分，更換為子畫面的位圖數(shù)據(jù)，形成畫中畫，再傳入到虛擬攝像頭。這樣，在主畫面切換到某一病床時，子畫面仍監(jiān)控著整個病房的總體情況，達到了全貌和細節(jié)同時兼顧的效果。

　　在視頻會議中的應用

　　某大型企業(yè)分支機構遍布全省，各地的營業(yè)現(xiàn)場均安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該企業(yè)經(jīng)常通過視頻會議軟件組織全省范圍的會議。使用者希望通過視頻會議軟件，除了能看到參會者外，在會議討論過程中，還經(jīng)常需要將一些生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)場的畫面調(diào)出來顯示，供大家討論。由于視頻會議軟件具有網(wǎng)絡攝像頭接口，我們開發(fā)了一套適用于視頻會議的虛擬攝像頭軟件：

　　滿足客戶需求的關鍵，是在上一章節(jié)的畫中畫功能基礎上，實現(xiàn)一個畫面是真實的網(wǎng)絡攝像頭采集到的圖像（一般是參會者），另一個畫面是視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸過來的圖像（一般是生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)場），相結合形成畫中畫后，通過虛擬攝像頭顯示出來。獲取真實網(wǎng)絡攝像頭采集到的圖像有WIA， DirectShow， VFW等幾種技術，通常的手段是通過剪貼板從緩存中獲取圖像并轉換為位圖，但這種方式存在幀率低、不兼容多線程等問題。經(jīng)研究，我們通過VFW的回調(diào)函數(shù)功能，獲取攝像頭采集到的位圖，可達到高幀率、低CPU占用的效果。

　　隨著視頻會議功能的深入使用，用戶又提出了新的問題：開會期間，臨時需要將一些沒有安裝監(jiān)控攝像機的場景，在視頻會議上展示出來。為此系統(tǒng)增加了智能手機設備的支持：在Android或IPhone手機上安裝專用的軟件，即可將手機攝像頭拍攝到的圖像，通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)诫娔X上，數(shù)據(jù)轉發(fā)軟件可以將收到的手機圖像轉換為RGB格式，并傳送給虛擬攝像頭。由此，視頻會議徹底擺脫了地域、環(huán)境和設備的限制。