【正文】 的可擴(kuò)展性， IP監(jiān)控逐漸鞏固了其在現(xiàn)有監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用的地位，也 加速了在其他新興行業(yè)的應(yīng)用，具體包括： 教育：遠(yuǎn)程監(jiān)控學(xué)校的操場、走廊、大廳 以及教室，也包括對一些建筑物的監(jiān)控； 交通：遠(yuǎn)程監(jiān)控火車站、鐵路軌道、高速公路以及機(jī)場的安全； 銀行：應(yīng)用于銀行各分支機(jī)構(gòu)或者是街頭的 ATM取款機(jī)，替代繁冗的傳統(tǒng)安全監(jiān)視手段； 政府：安保和監(jiān)視應(yīng)用，通常集成到已有的系統(tǒng)中； 商場：對各大型超市的分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)視和遠(yuǎn)程管理，方便快速高效的管理； 工業(yè)：對生產(chǎn)線、后勤部門、庫房存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，提高了廠區(qū)的安全性。 在嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面一般是考慮系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能，例如小型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，系 統(tǒng)由圖像傳感器、嵌入式處理器、圖像處理器、網(wǎng)絡(luò)接口組成，通過壓縮優(yōu)化算法和背景差分算法 可以使攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像壓縮、傳輸，并能跟蹤目標(biāo)，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性的提高；在 嵌入式操作系統(tǒng)方面，一般集中于嵌入式操作系統(tǒng)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，例如在嵌入式 Linux下對視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的研究等；在對視頻圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难芯恐?，例如?IP組播方式 下的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸 方案，可以大大的節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高視頻的播放效率或者采用流媒體的格式傳 送視頻圖像數(shù)據(jù)，可以更好的實(shí)現(xiàn)視頻的傳輸及播放等；在視頻監(jiān)控領(lǐng)域關(guān)于視頻圖像處理的研究 一般是通過一定的圖形分析算法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別，目標(biāo)跟蹤，以及報(bào)警等功能。 隨著壓縮編碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，以嵌入式視頻服務(wù)器為核心的視頻 監(jiān)控系統(tǒng)開始在市場上嶄露頭角，該系統(tǒng)不需要處理模擬視頻信號(hào)的 PC， 而是把攝像機(jī)輸出的模擬 視頻信號(hào)通過內(nèi)置的嵌入 式視頻編碼器直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，嵌入式視 頻服務(wù)器具備視頻編碼處理、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等強(qiáng)大功能，直接支持網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理， 使得監(jiān)控范圍達(dá)到前所未有的廣度。 3 現(xiàn)階段，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要有以下幾種： 1) 視頻采集芯片 +DSP處理器。方案的主要缺點(diǎn)是控制 不夠靈活，不適合作系統(tǒng)控制，因?yàn)?DSP通常沒有強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。該方案采用由 DSP完成基于 MPEG MJPEG標(biāo)準(zhǔn)的 圖像壓縮，在嵌入式處理器上運(yùn)行嵌入式 OS(如嵌入式 Linux)進(jìn)行系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸。 3) 圖像采集芯片 +嵌入式處理器。方案的主要缺點(diǎn)是：缺乏強(qiáng)大的圖像處理能力，很難滿足高實(shí)時(shí)性要求。 DSP中央處理器完成圖像圖像壓縮編碼、編碼數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和本地存儲(chǔ)，采用 CPLD完成圖像采集的控制邏輯的脫機(jī)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控方案。該服務(wù)器直接接上 Intemet， 網(wǎng)絡(luò)上用戶可 以直接用瀏覽器 IE觀看服務(wù)器上的監(jiān)控圖像。 這種方案是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的方法，使用了近來發(fā)展迅速的嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)以及圖 像處理的技術(shù)，具有較高的技術(shù)水平。這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)除應(yīng)用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中， 也可以應(yīng)用在其它如交通監(jiān)管，醫(yī)院病床監(jiān)護(hù)等各種設(shè)備之間距離較大的情況。這種結(jié)構(gòu)可直接由客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出具體的請求命令，或由服務(wù)器返回信息到客戶機(jī)，而 不必通過 Web服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)端到端控制，能夠滿足一定的實(shí)時(shí)性控制要求，是當(dāng)前流行的一種 網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，論文中也采用了曰 S結(jié)構(gòu)。 采用 C/S結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)在于每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)都有一個(gè)獨(dú)立的嵌入式 Web服務(wù)器，因此每一 個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)都具有獨(dú)立的 IP地址，可以被上層系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)任意訪問。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 111所示。移 植操作系統(tǒng)包括 Bootloader的移植，內(nèi)核移植，文件系統(tǒng)。視頻壓縮也不難 做到。當(dāng) 然這里需要目標(biāo)平臺(tái)能夠上網(wǎng)， EduKitIV采用的是 100M/10M自適應(yīng)的 DM9000， 其驅(qū)動(dòng)在 Linux 內(nèi)核已有支持。 二、嵌入式系統(tǒng)介紹 對于何為嵌入式系統(tǒng)， IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì) )的定義是這樣的：用于控制、監(jiān)控或 者輔助于裝置、機(jī)器和工廠車間運(yùn)行操作的設(shè)施 (Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌 入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的 控制、監(jiān)視或管理等功 能。 圖 111總體結(jié)構(gòu)圖 5 2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。特別是對于軟件系統(tǒng)，其核心是往往 是一個(gè)幾 KB到幾十 KB的微內(nèi)核，可以對其進(jìn)行功能擴(kuò)展和裁減。 嵌入式系統(tǒng)和一般的 PC機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)不同，它有自己的特點(diǎn)： 1) 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。 2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后 的產(chǎn)物。 3) 嵌入式系統(tǒng)的硬、軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，針對具體需求，對系統(tǒng) 進(jìn)行合理配置，達(dá)到理想性能。由于大部分嵌入式系統(tǒng)必須具有較高的實(shí)時(shí)性，因此對程序的質(zhì)量，特別是 6 圖 21嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 入硬系嵌式件紗 一般而言，一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)由四部分組成 :嵌入式微處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操 作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。 可靠性，有著較高的要求。 一般而言，一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)由四部分組成 :嵌入式微處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操 作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。 嵌人式應(yīng)用軟件 嵌入式中間件 嵌入式操作系統(tǒng)7 三、視頻編解碼和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇 盡管 IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年來在網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)速度方面有許多發(fā)展和改善，但相對于傳輸 數(shù)據(jù)量龐大的視頻信息而言，網(wǎng)絡(luò)速度依然是視頻傳輸中的瓶頸所在。 因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和視頻壓縮編碼的選擇成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，將直 接影響到數(shù)字視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能和視頻監(jiān)控的質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)各層次中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路 層是不能通過應(yīng)用程序編程實(shí)現(xiàn)的，編程設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這兩層。應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信，是我們的編程任務(wù)，但無需選擇協(xié)議。 在目前的 IS0網(wǎng)絡(luò)模型中，在 IP之上使用了兩種傳 輸協(xié)議：一種是傳輸控制協(xié)議 TCP 協(xié)議；另一種是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP協(xié)議。 IP協(xié)議負(fù)責(zé)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，不 進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，因此，經(jīng)常發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或失序現(xiàn)象。 TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議，面向連接服務(wù)是電話系統(tǒng)服務(wù)模式的抽象，即每一次完整的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過建立連 接、使用連接、終 止連接的三次握手過程；并且當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)包丟失或者錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)要求 發(fā)送端重新發(fā)送，這樣以來就不可避免引發(fā)了傳輸延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。 UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 /User Datagram Protocol) UDP協(xié)議是建立在 IP協(xié)議的基礎(chǔ)之上的，它是無連接的不可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供無連 接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。無連接服務(wù)不能保證數(shù)據(jù)報(bào)的先后順 序，不進(jìn)行分組出錯(cuò)的恢復(fù)和重傳、流 控制，不保證傳輸?shù)目煽啃?，但它能提供開銷最小的、 快速的端到端通信服務(wù)。 2) 消耗?。?UDP不使用擁塞控制，不保證可靠的交付，因此主機(jī)不需要維持具有許多 參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表。 從以上分析可知， UDP的傳輸延時(shí)低于 TCP， 能與視頻流很好的匹配， UDP相對于 TCP 來說更適合視頻的數(shù)據(jù)傳輸。在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí) ， RTP 被設(shè)計(jì)成緊密相關(guān)的兩個(gè)部分： 1) RTP協(xié)議 (實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議 )，用來傳輸具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 RTP 協(xié)議 （ Realtime Transport Protocol) RTP協(xié)議它只是一種應(yīng)用型的傳輸層協(xié)議，它基于組播或是單播網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供端到端 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，本身并不提供任何傳輸?shù)目煽啃员ＷC和流量的擁塞控制機(jī)制。它在 150網(wǎng)絡(luò)模型中的位置如圖 32所示。 1) RTP的數(shù)據(jù)包格式 RTP數(shù)據(jù)報(bào)的包頭格式如圖 33所示： 圖 33 RTP包頭格式 RTP數(shù)據(jù)協(xié)議負(fù)責(zé)對流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行封包并實(shí)現(xiàn)媒體流的實(shí)時(shí)傳輸，每一個(gè) RTP數(shù)據(jù) 報(bào)都由頭部 (Header)和負(fù)載 (Payload)兩個(gè)部分組成，其中頭部前 12個(gè)字節(jié)的含義是固定的， 而負(fù)載則可以是不定長連續(xù)音頻或視頻數(shù)據(jù)。例如，接收端的應(yīng)用程序接收到的 RTP包流中在順序號(hào) 86和 89之間有一個(gè)間隔，接收端就知道信息包 87和 88已經(jīng)丟失，并且采取措施來處理 相應(yīng)的措施處理丟失的數(shù)據(jù)。接收方 利用時(shí)間戳可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的同步，包括同一數(shù)據(jù)流的流內(nèi)同步和不同數(shù)據(jù)流的流間同步， 完成對數(shù)據(jù)包的重組，并按照正常的速率回放數(shù)據(jù)。僅靠時(shí)間戳，不足以恢復(fù)數(shù)據(jù)包的順序， RTP利用提 供的序列號(hào)以恢復(fù)數(shù)據(jù)包的順序，實(shí)現(xiàn)包丟失檢測，為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)擁塞等信息。在 RTP會(huì)話期間，各參與者周期性地傳送 RTCP包，包中含有己發(fā)送 的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地 改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 567 版本 補(bǔ) 齊 擴(kuò)展 位 CSRC 數(shù) 標(biāo) 釵荷類馭 PT) 序列兮 （ Sequence Number) 時(shí)間戲 （ Timestamp) 32位 同步源標(biāo)識(shí) (SSRC) 32位 CSRC標(biāo)識(shí)符 (32位 ______________________ 我荷數(shù)據(jù) （ Payload) 32位 _________________ 10 0 丨 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1』 3 4 5 6了 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 23 4 567 V=2 P RR count 錢荷類型 (PT) Message length _________ __________________________SSRC OF report sender __________________________ ___ NRP timestamp(two 32bit words) RTP timestamp Send’s cumulative packet count Send39。結(jié)構(gòu) 元素的意義由 RTCP報(bào)文的類型決定，因?yàn)橥ǔ?RTCP包非常小，一般把多個(gè) RTCP包合并 為一個(gè) RTCP包，然后利用一個(gè)底層協(xié)議所定義的報(bào)文格式 (例如 UDP格式 )進(jìn)行發(fā)送。 （ 2)RR:接收報(bào) 告，非活動(dòng)發(fā)送者接收統(tǒng)計(jì)。（ 4)BYB:表示結(jié)束。 其中最主要的 RTCP報(bào)文是 SR和 RR: (1) SR(SenderReport)： 發(fā)送方報(bào)告。 (2) RR(ReeeiverReport)： 接收方報(bào)告。 RTCP協(xié)議 功能 根據(jù)上面的 RTCP報(bào)文， RTCP可以完成以下功能： (1) 擁塞控制和 QOS監(jiān)測。用 反饋信息的方法來提供分配數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量，這種反饋可以用來進(jìn)行流量的擁塞控制，也可 以用來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和用來診斷網(wǎng)絡(luò)中的問題。 RTeP11 消息包含一個(gè) SDES(信息源描述， SoureeDescription)， 用于保存一些文本形 式的信息，例如，會(huì)議參與者的全局惟一標(biāo)識(shí)符、用戶名稱、 Email地址、電話號(hào)碼等。前兩種功能要求所有參加者發(fā)送 RTCP 包，因此，為了 RTP擴(kuò)展到大規(guī)模數(shù)量，速率必須受到控制。 原因是 RTP設(shè) 計(jì)成允許應(yīng)用自動(dòng)擴(kuò)展的模式，連接數(shù)可從幾個(gè)到上千個(gè)，如果每個(gè)參加者以固定速率發(fā)送 接收報(bào)告，控制流量將隨參加者數(shù)量線性增長，因此，速率必須按比例下降。參與會(huì)話的每個(gè)成員周期性地發(fā)送 RTCP包，各站點(diǎn) 可據(jù)此估計(jì)或計(jì)算出參與通信的人數(shù)，以便及時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)控制的信息量，使得控制信息量和 媒體業(yè)務(wù)量達(dá)到平衡。在發(fā)送端，必須把執(zhí)行 RTP協(xié)議的程序?qū)懭氲絼?chuàng)建 RTP信息包的應(yīng)用程序中，然后應(yīng) 用程序把 RTP信息包發(fā)送到 UDP的套接接口；同樣，在接收端， RTP信息包通過 UDP套接 接口輸入到應(yīng)用程序，需要把執(zhí)行RTP協(xié)議的程序?qū)懭氲綇?RTP信息包中抽出媒體數(shù)據(jù)的 應(yīng)用程序中。 根據(jù)協(xié)議規(guī)定 ， RTP 和 RTCP選用不同的網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)， RTP選擇一個(gè)偶數(shù)的端口號(hào)，而 RTCP則選用下一個(gè)奇數(shù) 的端口號(hào)。在一次 RTP會(huì)話中參與者周期的發(fā)送 RTCP包，用來傳遞關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量 的反饋信息。 RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等 統(tǒng)計(jì)資料。 RTP和 RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適 合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒂锌刂浦噶?、視頻數(shù)據(jù)。 1) 控制指令需要點(diǎn)對點(diǎn)的安全可靠的傳輸。 2) 視頻數(shù)據(jù)是一種實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)，需要點(diǎn)對對點(diǎn)的實(shí)時(shí)傳輸。經(jīng)過 RTP協(xié)議封裝后的數(shù) 據(jù)在傳輸層用 UDP封裝，然后經(jīng)過 IP層打包發(fā)送到12 客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。 1) 單播 (Unicast)： 主機(jī)之間采用 “一對一 ”的通訊模式，網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和路由器對 數(shù)據(jù)只進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)不進(jìn)行復(fù)制。 2) 廣播 (Broadcast)： 主機(jī)之間采用 “一對所有 ”的通訊模式，允許主機(jī)把一個(gè) IP報(bào)