??? 摘 要：為了機(jī)房的安全以及更好地管理,，設(shè)計(jì)了機(jī)房實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)。采用H26x視頻編碼技術(shù)和RTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn),，并且討論了基于RTP/RTCP協(xié)議的視頻實(shí)時(shí)傳輸中的控制方法,。
??? 關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議；RTP／RTCP,；H．26x ,；G.729
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??? 視頻監(jiān)控一直是人們十分關(guān)注的應(yīng)用技術(shù)熱點(diǎn)之一，它以其直觀,、方便,、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于安保、生產(chǎn)管理等場(chǎng)合,成為金融,、商業(yè),、交通乃至住宅、社區(qū)等領(lǐng)域安全防范監(jiān)控的重要手段,它為這些行業(yè)的安全防范和環(huán)境監(jiān)控起到了不可忽視的作用,。傳統(tǒng)的機(jī)房都只能安排工作人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理,，不能遠(yuǎn)程監(jiān)控、自由指揮,，費(fèi)時(shí),、費(fèi)力，而且不能周密,、全方位的監(jiān)視每個(gè)使用者,，因此，為了機(jī)房的安全和更有效的管理,，本文設(shè)計(jì)了機(jī)房實(shí)時(shí)視頻管理系統(tǒng),。該系統(tǒng)需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題，一個(gè)是視頻圖像的編碼問(wèn)題,，另一個(gè)是其在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸問(wèn)題,，而且兩方面是緊密聯(lián)系的。本研究提出基于RTP/RTCP協(xié)議構(gòu)建的機(jī)房實(shí)時(shí)視頻傳輸控制系統(tǒng),，傳輸層通信使用 UDP Socket 完成,。
1 系統(tǒng)的組成與功能詳述
??? 機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)是由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控服務(wù)器和監(jiān)控客戶端構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī),、控制云臺(tái)、矩陣主機(jī)和模擬數(shù)字化設(shè)備,、紅外線,、雷達(dá)等。而監(jiān)控服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行驗(yàn)證,、分發(fā),、處理和保存,，并同時(shí)可以讓監(jiān)控客戶端通過(guò)視頻或通過(guò)Internet查看現(xiàn)場(chǎng)信息。這樣大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋面和靈活性,。系統(tǒng)模型如圖1所示,。
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2 傳統(tǒng)的TCP和UDP協(xié)議
??? TCP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議，該協(xié)議首先要通過(guò)三次握手來(lái)建立連接,，再利用“發(fā)送-等待確認(rèn)-再發(fā)送”機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是顯然造成了對(duì)寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，降低了傳輸效率,，而且因?yàn)檫@種控制機(jī)制的時(shí)延太長(zhǎng),，靈活性太差，不能滿足實(shí)時(shí)的音視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求,。而UDP協(xié)議,，即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，它為應(yīng)用程序之間提供面向無(wú)連接的,、不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸服務(wù),。它是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的協(xié)議，沒(méi)有使用確認(rèn)機(jī)制來(lái)確保報(bào)文到達(dá),，沒(méi)有對(duì)傳入的報(bào)文重新排序的功能,，也不提供反饋信息來(lái)控制機(jī)器之間信息流動(dòng)的速度。所以UDP的報(bào)文傳輸可能出現(xiàn)丟失,、重復(fù),、延遲以及亂序的錯(cuò)誤。所以說(shuō)單獨(dú)的UDP協(xié)議也不適合實(shí)時(shí)的音視頻數(shù)據(jù)的傳輸,。
3 RTP/RTCP協(xié)議及其傳輸控制方法
3.1 RTP/RTCP協(xié)議[1]
??? RTP協(xié)議主要是用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)音/視頻數(shù)據(jù)，它包括RTP和RTCP兩種數(shù)據(jù)包,。RTP包用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)端到端傳輸,，RTP包最大的特點(diǎn)就是其提供了時(shí)間戳(即發(fā)送數(shù)據(jù)塊首字節(jié)的創(chuàng)建時(shí)間)和序列號(hào)，以達(dá)到數(shù)據(jù)的同步和重組,。而在RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量,、丟失數(shù)據(jù)包的情況和數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)延抖動(dòng)等信息，通過(guò)該信息可以計(jì)算出如下有關(guān)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)：數(shù)據(jù)包丟失比,、數(shù)據(jù)包時(shí)間片丟失比,、數(shù)據(jù)包丟失率、數(shù)據(jù)包時(shí)間片丟失率,、有效數(shù)據(jù)傳輸率,、數(shù)據(jù)包傳輸率、吞吐量,、吞吐率數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)延抖動(dòng),、往返傳播時(shí)延等等,。通過(guò)這些參數(shù)可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、通信帶寬以及網(wǎng)上傳送的信息,。
3.2實(shí)時(shí)傳輸控制的方法
??? 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸不可靠性主要表現(xiàn)在[2]:
??? (1)數(shù)據(jù)包“亂序到達(dá)”,，先發(fā)送數(shù)據(jù)包有可能后到；
??? (2)在Internet環(huán)境下,，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬變動(dòng)會(huì)引起發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失,；
??? (3)數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)延過(guò)大而產(chǎn)生抖動(dòng)會(huì)引起數(shù)據(jù)的失真。
3.2.1 利用RTP/RTCP進(jìn)行傳輸控制
??? RTP/RTCP能很好地解決上述問(wèn)題,。發(fā)送端和接收端應(yīng)遵循以下步驟：
??? (1)在接收端緩沖區(qū)中依靠RTP包中的序列號(hào)來(lái)調(diào)整到達(dá)數(shù)據(jù)包的順序,，使之與發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)順序一致。
??? (2)分析RTCP控制包,。
??? (3)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),。采用某種判斷依據(jù)，評(píng)估實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況,，以決定是否對(duì)帶寬需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以改善服務(wù)質(zhì)量,。
??? (4)調(diào)整所需帶寬。如接收端用戶可以設(shè)置可接受的最大和最小帶寬,。
??? 為了改進(jìn)遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，需建立一個(gè)傳輸控制模型，這樣可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)狀況的反饋及時(shí)調(diào)整采樣頻率以及編碼格式以適應(yīng)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求,。RTCP利用主要的兩種控制包SR和RR反饋的信息如數(shù)據(jù)包丟失比,、數(shù)據(jù)包丟失率、吞吐量和吞吐率,、數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)延抖動(dòng)J(interarrival jitter)和往返傳播時(shí)延等來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)傳輸,，并調(diào)整系統(tǒng)的打包格式、發(fā)包速率來(lái)保證流暢地傳輸數(shù)據(jù)和清晰地播放視頻,。其服務(wù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)反饋控制的原理如圖2所示,。
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3.2.2 利用TCP進(jìn)行的新型傳輸控制
??? TCP不適合實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。但是RTP協(xié)議可以利用TCP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男碌目刂?，這種控制方法很獨(dú)特,、新穎。因?yàn)槔肦TCP雖然可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，但其主要是在源端和接收端之間的參數(shù)交流,，因而只能大概、初略地估計(jì)線路的阻塞程度,，從而調(diào)整發(fā)送速率,。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，擁塞控制機(jī)制的目標(biāo)從單獨(dú)地避免擁塞趨向于怎樣有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,。RTCP中的控制將丟包和傳輸延遲的增長(zhǎng)作為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的指示,，沒(méi)有依賴于網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn),。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，引起網(wǎng)絡(luò)擁塞的因素是很多的：可能由于中間節(jié)點(diǎn)隊(duì)列溢出引起丟包,，也可能是由于設(shè)備故障或者鏈路干擾導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)錯(cuò)誤引起丟包,；可能由于中間節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長(zhǎng)度增長(zhǎng)引起延遲增加，也可能由于傳輸路徑很長(zhǎng)(如衛(wèi)星鏈路)或者鏈路層數(shù)據(jù)包重傳引起延遲增加,。因此,，利用TCP協(xié)議，可以反映網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)對(duì)擁塞的影響程度,，從而采用多種擁塞控制機(jī)制來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量,。可以大致地將其劃分為3類：(1)基于丟包反饋地協(xié)議LCA(loss-based congestion avoidance); (2)基于路徑延時(shí)反饋地協(xié)議DCA(delay-based congestion avoidance); (3)基于顯式反饋的協(xié)議ECN(explicit congestion notification),。
??? 即在源端發(fā)送一些TCP探測(cè)包,，經(jīng)過(guò)中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，到達(dá)接收端,，接收端再發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包,，與源端進(jìn)行交流，從而達(dá)到傳輸控制,。TCP用于RTP傳輸控制如圖3所示,。
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4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
??? 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在Visualc++6.0環(huán)境下[3-4]，采用H.263/H.264視頻編碼,，G726音頻壓縮編碼,。傳輸控制子系統(tǒng)是基于RTP/RTCP協(xié)議構(gòu)建，通過(guò)傳輸層的UDP Socket完成實(shí)時(shí)傳輸,。
4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的實(shí)現(xiàn)
??? 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)初始化后,，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接。通過(guò)監(jiān)控設(shè)備開(kāi)啟錄音和攝像程序,，不間斷地采集現(xiàn)場(chǎng)音視頻信息,然后經(jīng)過(guò)G.729音頻,、H.263/H.264視頻編碼壓縮，再經(jīng)過(guò)封包并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給服務(wù)器,。待監(jiān)控設(shè)備收到數(shù)據(jù)采集結(jié)束的信息通知后,，才停止采集過(guò)程,。該部分主要是完成數(shù)據(jù)的采集,、打包、壓縮以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)送,。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)構(gòu)如圖4所示,。系統(tǒng)的模塊組成框圖如圖5所示。
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4.2 監(jiān)控服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
??? 監(jiān)控服務(wù)器端是本智能系統(tǒng)的核心部分,，功能多,，設(shè)計(jì)復(fù)雜[5-6],。主要是根據(jù)監(jiān)控信息進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理并完成對(duì)監(jiān)控客戶端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控。服務(wù)器端主要分為如下模塊：網(wǎng)絡(luò)管理,、協(xié)議分發(fā),、代理模塊、管理模塊,、登錄管理,、終端管理、監(jiān)控端管理,、文件管理,、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、日志管理及UI(用戶接口)等模塊,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,。
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4.3 監(jiān)控客戶端的實(shí)現(xiàn)
??? 監(jiān)控客戶端主要包括兩類用戶：常規(guī)固定監(jiān)控客戶端和移動(dòng)手機(jī)監(jiān)控客戶端。主要負(fù)責(zé)日常的監(jiān)控管理,，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)Web和手機(jī)監(jiān)控播放器兩種模式查看現(xiàn)場(chǎng)信息,。如進(jìn)行視頻監(jiān)控、保存回放,、連續(xù)錄像,、文件檢索以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N功能綜合的多元化需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示,。
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5 監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用
??? 本系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)形式就是直接使用機(jī)房的計(jì)算機(jī),，通過(guò)安裝攝像頭或紅外線探頭，采集視頻圖像,，壓縮編碼后,，通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)房管理控制中心，方便機(jī)房管理人員了解機(jī)房?jī)?nèi)學(xué)生上機(jī)的情況,。另一種形式是把視頻采集編碼程序通過(guò)DSP編譯和優(yōu)化[7-8],，然后移植到DSP平臺(tái)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端實(shí)時(shí)顯示[9-10],。在Internet網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)傳送,，需要進(jìn)行QOS服務(wù)質(zhì)量控制，否則傳輸質(zhì)量滿足不了要求,，效果也很差,。本系統(tǒng)由于采用RTP/RTCP協(xié)議進(jìn)行傳輸質(zhì)量控制，在Internet網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的效果也非常好,，在家里,、網(wǎng)吧等也可以實(shí)時(shí)看到機(jī)房的情況，滿足了機(jī)房實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視的需要[11],。
??? 針對(duì)機(jī)房的安全以及機(jī)房使用的管理情況設(shè)計(jì)了機(jī)房實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過(guò)在局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)上的多次實(shí)驗(yàn),，表明在局域網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通信較為簡(jiǎn)單,，傳輸質(zhì)量較好,，在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，跳幀現(xiàn)象明顯,，通過(guò)有效的傳輸質(zhì)量控制,，傳輸幀率一般保持在每秒15～30幀，圖像效果很好,，當(dāng)視頻背景快速移動(dòng)時(shí),，運(yùn)算復(fù)雜度增大，傳輸幀率會(huì)降低,，須即時(shí)調(diào)整,，確保傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定。
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