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

摘要：設計并實(shí)現了一個(gè)基于IP Multicast技術(shù)的遠程數字音視頻監控系統，提出了分布式音視頻接入共享的解決方案，能夠有效地節省網(wǎng)絡(luò )帶寬；針對視頻、音頻語(yǔ)音和控制數據的不同傳輸特點(diǎn)，對其所采用的傳輸技術(shù)作了詳細探討，給出了具體實(shí)現方法。

隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機視覺(jué)與模式識別技術(shù)的發(fā)燕尾服，一種以數字化、智能化為特點(diǎn)的多媒體遠程數字監控系統應運而生，即基于IP的數字監控系統，實(shí)現了由傳統的模擬監控到數字監控質(zhì)的飛躍。與傳統的模擬監控系統相比較，數字遠程監控系統幾個(gè)最主要的優(yōu)勢是：可以借助網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控；在遠程不同地點(diǎn)的分控中心或同個(gè)分控中心可同時(shí)調看某一個(gè)或者幾個(gè)監控現場(chǎng)的音視頻數據，從而實(shí)現分布式的音頻頻接入和音視頻數據共享，同時(shí)，可以與監控現場(chǎng)人員進(jìn)行對講；可以對遠程監控現場(chǎng)的云臺、攝像機等外圍設備進(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程數字監控系統的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文設計并實(shí)現了遠程數字音頻頻監控系統，采用IP Multicast技術(shù)作為分布式音視頻執著(zhù)入和共享的解決方案，并針對視頻、音頻語(yǔ)音和控制數據不同的特點(diǎn)，對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)現方法。

1 系統的總體結構

遠程監控系統一般包括三部分：前端監控現場(chǎng)、通信設備和后端分控中心。整個(gè)系統基于Client/Server（客戶(hù)機/服務(wù)器）模式�？傮w結構如圖1所示。

（1）前端監控現場(chǎng)由監控現場(chǎng)主機及一些外圍設備組成。外圍設備包括攝像機、電動(dòng)鏡頭、云臺、防護罩、監視器、多功能解碼器及報警器。監控現場(chǎng)主機運行客戶(hù)前端軟件，實(shí)現視頻、音頻數據的實(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；對壓縮的視（音）頻數據進(jìn)行經(jīng)存儲（也可在分近中心進(jìn)行）。存儲方式為循環(huán)存儲、定時(shí)存儲、手動(dòng)存儲及運動(dòng)視頻檢測啟動(dòng)存儲。接收來(lái)自分控中心的控制指令（也可在本地實(shí)施），對云臺動(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）通信設備是指所采用的傳輸信道和相關(guān)設備，通信網(wǎng)絡(luò )為L(cháng)AN及WAN。

（3）后端設備由若干分控中心計算機組成。各分控計算機運行服務(wù)器端軟件，接收來(lái)自前端壓縮視（音）頻、顯示（播放）；通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對前端云臺、攝像機進(jìn)行控制；采用組播技術(shù)，實(shí)現分布式視頻執著(zhù)入和分豐式視頻共享：每個(gè)分控中心主機可以同時(shí)監控多個(gè)前端，即“一點(diǎn)對多點(diǎn)”；不同分控心也可以同時(shí)監控同一前端，即“多點(diǎn)對一點(diǎn)”。

2 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊的設計與實(shí)現

2.1 系統傳輸數據類(lèi)型的特點(diǎn)及通信協(xié)議的選擇

系統傳輸數據有：控制數據、音頻、視頻數據、后端分控中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向監控現場(chǎng)主機外圍設備云臺及攝像機發(fā)送控制信號，實(shí)現云臺動(dòng)作（上、下、左、右、自動(dòng)）攝像機光圈、焦距及聚焦三可變，要求控制信號的傳輸準確無(wú)誤；音頻、視頻是連續，數據量大，允許傳輸中存在一定的數據錯誤率及數據丟失率，但實(shí)時(shí)性要求很高。此外，在監控系統中，要實(shí)現音視頻的分布式接入和數據共享，必須進(jìn)行音視頻的多點(diǎn)傳輸。樣實(shí)現上述目標？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(hù)數據報協(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(wú)連接的，提供數據報服務(wù)；TCP采用提供確認與超時(shí)重發(fā)、滑動(dòng)窗口機制等措施來(lái)保證傳輸的可靠性，正是這些措施增加了網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)。如果用TCP傳輸視（音）頻數據，大量的數據容量引起重傳。，使得網(wǎng)絡(luò )負載大并會(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，正因為UDP協(xié)議不進(jìn)行數據確認與重傳國，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數據包的傳輸：?jiǎn)尾�、廣播及組播。要系統中實(shí)現視（音）頻數據的多點(diǎn)傳輸，若采用單播，則同樣的音、視頻數據要發(fā)送多次，這樣導致發(fā)送者負擔重、延遲長(cháng)、網(wǎng)絡(luò )擁塞；若用廣播，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)站點(diǎn)都將接收到數據，不管該結點(diǎn)否需要數據，增加了非接收者的開(kāi)銷(xiāo)；組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）發(fā)送單一的數據包到多個(gè)接收者（一次的、同時(shí)的）的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。組播源把數據包發(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據包。由于無(wú)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據包。因此組播提高了網(wǎng)絡(luò )傳輸的效率，極大地節省了網(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，即信令通道；采用UDP/IP傳輸音視頻信號，即數據通道。

IP組播依賴(lài)一個(gè)特殊的地址組——“移播址”，即D類(lèi)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(lèi)地址是動(dòng)態(tài)分配和恢復的瞬態(tài)地址。組播地址只能作為信宿地址使用，而不能出現在任何信源地址中。每一個(gè)組播組對應于動(dòng)態(tài)分配 的一個(gè)D類(lèi)地址。組播的特點(diǎn)：組播組的成員是動(dòng)態(tài)的，主機可以任何時(shí)間加入或離開(kāi)組播組，主機組中的成員在位置上和數量 舊沒(méi)有限制的。

2.2 Windows下，IP組播的Winsock2實(shí)現

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)現方法：Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實(shí)現方法：Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺實(shí)現VC 6.0開(kāi)發(fā)工具，在本系統中實(shí)現了基于Winsock2的組播通信編程。

發(fā)送端（前端、客戶(hù)端）實(shí)現步驟：

(1)加載Winsock2庫，完成Winsock2的初始化：

WSAStarup(MAKEWORD(2,2),

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