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1、http:/-1-基于基于 DIRECTSHOW 技术的技术的 MPEG4 编码编码 IP 视频监控系统的设计视频监控系统的设计 张磊，杨杰 武汉理工大学信号与信息处理专业，武汉(430063)E-mail： 摘摘 要：要：IP 监控系统采用新出现的互联网数字技术，并通过有线或者无线 IP 网络把视频信息以数字化的形式来进行传输。由于采用 IP 网络进行信息传输,网络的波动和带宽的限制对视频传输会造成很大的影响。IP 监控系统必须能够适应这些变化，并且对使用者提供不同等级的服务。为解决这个问题，本文以 DIRECTSHOW 技术为基础，提出了一个采用 MPEG4编码并具有稳定的网络适应性的 I
2、P 监控系统框架。关键词：关键词：视频监控,DIRECTSHOW 技术，实时视频流，MPEG4 编码标准，RTP/RTCP 协议 中图分类号：中图分类号：TP2 1引言引言 IP 是 Internet Protocol（因特网协议）的缩写，它是通过计算机网络进行交流的最常用的协议之一。IP 监控解决方案就是通过有线或者无线 IP 网络把视频信息以数字化的形式来进行传输。只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录，并且这种监控还可以与很多其它类型的系统进行完美的结合。在制定 MPEG4 标准之前，运动图像专家组已经制定了两个运动图像的编码标准，即MPEG1 和 MPEG2。CCITT
3、制定了两个运动图像的编码标准，即 H.261 和 H.263。这种编码方案在编码过程中不考虑图像的具体结构，并且由此可能产生以下主要问题：（1）将图像固定地分成相同大小的块，在高压缩比的情况下会产生严重的块效应；（2）不能对图像的内容进行查询、编辑、回放等操作；（3）没有利用人类的视觉系统的特性。MEPG4 编码根据图像的内容将图像分割成不同的视频对像。在编码过程中，前景对像和背景对像采用不同的编码策略：前景对像的编码压缩尽可能保留视频对像的细节和平滑性；对人们不太关心的背景视频对像，采用大压缩比的编码策略，而在解码端用其他的背景拼接成新的背景。基于对像的视频编码，不仅解决了在大压缩比的编码中
4、产生的块效应，而且能实现很高的压缩.本文所设计的 IP 监控系统就采用 MPEG4 编码进行网络传输。IP 监控中视频数据被定义为一对一或一对多的传输，且其目的是提供时间信息和实现流同步，这就需要提供流量控制或拥塞控制的服务。实时传送控制协议 RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和 RTP(Real-time Transport Protocol 能够提供流量控制和拥塞控制。在 RTP 会话期间,各参与者周期性地传送 RTCP 包.RTCP 包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料.因此,服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率
5、，甚至改变有效载荷类型。RTP 和 RTCP 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化1。因而特别适合传送网上的实时数据。本文在设计时就采用了这样一种网络服务机制。接下来的文章组织如下：第二部分介绍了基于 DIRECTSHOW 技术的 IP 监控框架的设计，第三部分是实验结果。本文的结论为第四部分。http:/-2-2基于基于DIRECTSHOW技术的技术的IP监控框架设计与实现监控框架设计与实现 2.1 以以 DIRECTSHOW 技术为核心的框架设计技术为核心的框架设计 视频监控系统一般包括两个部分，监控点和监控中心，通常我们把监控点看成是客户端。负责视频的采集编码发送。监
6、控中心作为服务器，控制的监控端的开关状态，分配监控任务，接收及播放监控点传来的视频。前面提到由于采用 IP 网络作为传输媒介，网络的波动会给接收端播放视频带来延迟和不连续的影响。同时如果所有的视频信息都通过网络来传输，可能会导致网络的拥堵甚至是网络的崩溃。这是 IP 监控系统中所需要解决的一个重要问题3。在实际中如果只是少数几个监控点的话，那么现有的快速以太（100Mbit）就可以满足传输的带宽需求。用户可以根据网络条件来自行调整压缩比及帧率。网络摄像机的智能化功能已经可以根据事件触发、动态检测和预置时间等条件来选择以何种帧率来发送视频。而需要传输的视频信息不会太多，几乎只有%的时间需要传输信
7、息，90%的时间都没有任何视频信息在网络上传输4。本文就这样一个问题提出了一种 DIRECTSHOW 框架下的解决方案，构建了一个智能的 IP 监控系统，实现了在不同的网络条件下自动调整视频的压缩比及帧率以适应网络的传输。在这个 DIRECTSHOW 框架中，我们设计了一组过滤器对视频的压缩比及帧率进行控制并通过 RTP 协议提供了对网络中传输多媒体流的支持。为了优化传输视频的质量，对视频流采用 MPEG4 视频编码标准。在 GRAPHEDT 软件中，按照以上我们所提出的要求，构建了两个过滤器表。图一描述的是用来捕捉，编码并且使用 RTP 协议通过电脑网络发送采集到的视频数据过滤器表。这个过滤
8、器表包括一个用来捕捉视频视频数据的 Video Capture Filter，接着后面链接的是一个用来产生两路视频数据的 Smart Tee Filter。分离出来的一路视频数据被实时传递到 ffdshow Video Codec Filter 中进行视频压缩处理,最后产生的视频压缩数据被传送到 Divx Multicast Sender Filter 中，这个过滤器是用来产生 RTP 包，将其通过电脑网络发送出去。同时此过滤器可以根据检测到的网络状态，自动反馈相应信号到 VIDEO SOURCE 中，控制硬件编码的码流大小。另一路视频在发送端进行播放。图 1 IP 监控系统视频采集，发送端过
9、滤器表 在这组过滤器中定义了 Video Capture Filter,Smart Tee Filter，,ffdshow Video Codec Filter,Divx Multicast Sender Filter 这四个过滤器在使用 RTP 协议的环境下，用来为视频流通过电脑网络构建应用数据通道。以这几个过滤器为基础构建了发送端的过滤器表。这个过滤器表采用视频的主要媒体类型(MAJOR TYPE)是 VIDEO，子类型是(SUBTYPE)自定义的VW_STREAM_TYPE_MP4TS 或者 VW_STREAM_TYPE_MP4Pps MPEG4 数据格式。根http:/-3-据不同的网
10、络状况，通整个过滤器表可以控制视频编码分辨率以及 MPEG 视频编码位速率。图 2 IP 监控系统接收端过滤器表 图 2 表示的是接收端的过滤器表的设计结构，其中的 Divx Multicast Sender Filter 和图 1中的Divx Multicast Receiver Filter是用来实现MPEG4视频流网络发送和接收功能的.这两个过滤器是根据 DSSDK 开发包里的 DSNNETWORK 过滤器设计的，通过改变了原来滤波器的引脚类型，在Divx Multicast Sender Filter里，MAJOR TYPE 是 TIME FORMAT,SUBTYPE是 TIME FO
11、RMAT。这样发送端实际上就可以接收任意形式的视频数据。并以组播的形式发送出去5。并且在发送的同时过滤器可以根据各种不同网络条件调整编码的压缩率和帧率。Divx Multicast Receiver Filter 里的 MAJOR TYPE 是 VIDEO,SUBTYPE 是自定义的CLSID_DIVX.这样就能接收不同压缩率和帧率的 MPEG4 视频数据。ffdshow MPEG4 Video decoder filter 过滤器是用来解码的。通过网络直接接收的 MPEG4 数据流被直接推到 MPEG4解码器中来进行解码。2.2 基于动态基于动态 IP 的的 Internet 视频监控解决方
12、案视频监控解决方案 无论是普通电话线拨号，还是 ISDN、ADSL，只要采用了动态 IP 接入方式，都会遇到这个问题。所谓动态 IP 接入方式是指用户通过虚拟拨号技术动态获得 IP 地址来开展上网业务。每次用户通过普通 MODEM 或者通过 ISDN、ADSL 拨号连接 Internet 时，ISP 通常会分配给用户一个公共 IP 地址，这时候 Internet 上的其他用户就可以通过这个 IP 地址访问该计算机。但是，因为这个 IP 地址是动态的，也就是说一旦断线，下次再连接 Internet 的时候，ISP 将会分配另一个不同的公共 IP 地址。图 3 IP 地址解析服务器方式结构图 ht
13、tp:/-4-如果仅仅是编码端（如 ATM 机）或者解码端（如监控中心）的一方采用了动态 IP 接入方式，问题比较容易解决。在点对点通信的时候，只要有一方能够预先知道 IP 地址，就能够在双方之间建立握手，并获取对方的 IP 地址，进行通信。但是如果双方都采用动态 IP 接入方式，就麻烦了。一个用户拨号连接后，不知道监控中心的 IP 地址，也就无法通知对方自己的 IP 地址，后续操作根本无法进行。参考文献2中提出了两种基于动态 IP 的 Internet 视频监控解决方案：(1)申请动态域名。主要需要解决的问题就是把一个固定的 Internet 域名和动态地址 IP 实时对应起来;(2)定制I
14、P 地址解析服务器。其实现方式是在任何两个用户访问对方的时候，都以别名的方式来访问，访问前软件自动和 IP 地址解析服务器连接，获取相应的 IP 地址 由于第一种方案在实现过程中也有一些不足：1.如果系统规模较大，例如有 100 个监控点，那么每一台计算机每年都需要交纳服务费 N 元，监控系统的服务费就需要 100*N 元，整体费用比较高；2.如果动态域名解析服务器需要一些个性化功能，无法定制。因此本文采用第二种 IP 监控的解决方案。图 3 表示的是结合本文所提出的 IP 监控框架所搭建的 IP地址解析服务器方式结构图。3实验结果实验结果 本文的 IP 视频监控控制框架软件部分是用 Visu
15、al C+完成的，硬件平台以图 3 的拓扑结构为基础搭建。测试时监控点，IP 地址解析服务器以及监控中心通过 ADSL 网络链接起来。同时两个监控点同时运行，并且分别在一天的网络繁忙期，网络使用低峰期观察监控运行情况。图 4 发送端编码前所观察到的视频 图 5 接收端经解码后观察到的视频 图 4 和图 5 是在发送端和接收端分别观察到的视频图像，接收端得到的视频图像画质清晰，实时性很好。实验的结果表明，由于采用了 DIRECTSHOW 技术进行 MPEG4 流媒体的处理，同时在软件设计过程中加入了 RCP/RTCP 协议，本文所提出的 IP 监控系统在无论在网络的繁忙或者空闲期，或者网络带宽波
16、动较大的情况下都能够达到监控端图像连续流畅，与同类监控系统相比有较好的实时性效果。4结论与未来工作的展望结论与未来工作的展望 在这篇论文中，我们的目标是监控效果既达到较高的帧率，又达到较低的码率，所以选用了业届公认在流媒体处理方面有着优秀表现的 DIRECTSHOW 技术，MPEG4 视频编码标准，以及加入了 RCP/RTCP 协议用来改进原有的 IP 视频监控方法。试验结果说明了改进的IP 视频监控系统与原有相类似系统相比，运行的稳定性与实时性更好。目前，采用 H.264 视频编码标准进行数字图像的编码已经非常普遍，如上海市政府，企http:/-5-业机构的监控系统大部分是使用 H.264
17、编码。然而 H.264 编码的码率控制部分对于网络传输来说支持不足，因此未来 IP 视频监控系需要改进 H.264 编码才能达到更好的监控效果，解决好视频编码效率和码率控制的问题是提高监控能力的关键。参考文献参考文献 1 罗 海 龙.基 于 WEB 的 无 线 视 频 监 控 系 统 设 计 EB/OL http:/ 2 吴晓晖.基于动态 IP 的 Internet 视频监控解决方案EB/OL.http:/ Zhaoyu Liu.Communication Protection in IP-based Video Surveillance Systems J.Proceedings of th
18、e Seventh IEEE International Symposium on Multimedia(ISM05),2005.4 Kunkelmann,T.and Reinema,R.,A scalable Security Architecture for Multimedia Communication Standards J,IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems,1997,660-611.5 Griwodz,C.,Merkel,O.,Dittmann,J.and Steinmetz,R.,P
19、rotecting VoD the Easier WayJ,ACM International Conference on Multimedia,1998,21-28.The study and realization of MPEG4 IP-based Video Surveillance Systems based on DirectShow technology Zhang Lei，Yang Jie Department of Signal and Information Processing,WuHan University of Technology,HuBei(430063)Abs
20、tract IP-based Video Surveillance Systems adopt new digital technology in the Internet,and is used to transfer the video information in the digitization form through wired or wireless IP network.Because of using IP networks for information transmission,fluctuation and limitations of network bandwidt
21、h will be a big impact to the video transmission.IP Surveillance system must be able to adapt to these changes,and provide different levels of service for the users.In this paper,a Scheme used in the IP-based Video Surveillance System has been put forward aimed of solving this problem and the system has been realized.Keywords:Video Surveillance,DIRECTSHOW Technology,Real-time Video Stream,MPEG4,RTP/RTCP Protocol