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基于IP Multicast的分布式音視頻接幾和共享的監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸和實(shí)
摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IP Multicast技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)字音視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了分布式音視頻接入共享的解決方案，能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬；針對(duì)視頻、音頻語音和控制數(shù)據(jù)的不同傳輸特點(diǎn)，對(duì)其所采用的傳輸技術(shù)作了詳細(xì)探討，給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)燕尾服，一種以數(shù)字化、智能化為特點(diǎn)的多媒體遠(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即基于IP的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控到數(shù)字監(jiān)控質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比較，數(shù)字遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)是：可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；在遠(yuǎn)程不同地點(diǎn)的分控中心或同個(gè)分控中心可同時(shí)調(diào)看某一個(gè)或者幾個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場的音視頻數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)分布式的音頻頻接入和音視頻數(shù)據(jù)共享，同時(shí)，可以與監(jiān)控現(xiàn)場人員進(jìn)行對(duì)講；可以對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的云臺(tái)、攝像機(jī)等外圍設(shè)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(yuǎn)程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)字音頻頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用IP Multicast技術(shù)作為分布式音視頻執(zhí)著入和共享的解決方案，并針對(duì)視頻、音頻語音和控制數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn)，對(duì)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(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般包括三部分：前端監(jiān)控現(xiàn)場、通信設(shè)備和后端分控中心。整個(gè)系統(tǒng)基于Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
（1）前端監(jiān)控現(xiàn)場由監(jiān)控現(xiàn)場主機(jī)及一些外圍設(shè)備組成。外圍設(shè)備包括攝像機(jī)、電動(dòng)鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩、監(jiān)視器、多功能解碼器及報(bào)警器。監(jiān)控現(xiàn)場主機(jī)運(yùn)行客戶前端軟件，實(shí)現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)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(duì)壓縮的視（音）頻數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)存儲(chǔ)（也可在分近中心進(jìn)行）。存儲(chǔ)方式為循環(huán)存儲(chǔ)、定時(shí)存儲(chǔ)、手動(dòng)存儲(chǔ)及運(yùn)動(dòng)視頻檢測啟動(dòng)存儲(chǔ)。接收來自分控中心的控制指令（也可在本地實(shí)施），對(duì)云臺(tái)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(shè)備是指所采用的傳輸信道和相關(guān)設(shè)備，通信網(wǎng)絡(luò)為LAN及WAN。
（3）后端設(shè)備由若干分控中心計(jì)算機(jī)組成。各分控計(jì)算機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端軟件，接收來自前端壓縮視（音）頻、顯示（播放）；通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)前端云臺(tái)、攝像機(jī)進(jìn)行控制；采用組播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式視頻執(zhí)著入和分豐式視頻共享：每個(gè)分控中心主機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)前端，即“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”；不同分控心也可以同時(shí)監(jiān)控同一前端，即“多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)”。
2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)及通信協(xié)議的選擇
系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)有：控制數(shù)據(jù)、音頻、視頻數(shù)據(jù)、后端分控中心通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控現(xiàn)場主機(jī)外圍設(shè)備云臺(tái)及攝像機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)動(dòng)作（上、下、左、右、自動(dòng)）攝像機(jī)光圈、焦距及聚焦三可變，要求控制信號(hào)的傳輸準(zhǔn)確無誤；音頻、視頻是連續(xù)，數(shù)據(jù)量大，允許傳輸中存在一定的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率及數(shù)據(jù)丟失率，但實(shí)時(shí)性要求很高。此外，在監(jiān)控系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)音視頻的分布式接入和數(shù)據(jù)共享，必須進(jìn)行音視頻的多點(diǎn)傳輸。樣實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)？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(yīng)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）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)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是無連接的，提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)；TCP采用提供確認(rèn)與超時(shí)重發(fā)、滑動(dòng)窗口機(jī)制等措施來保證傳輸?shù)目煽啃裕沁@些措施增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷。如果用TCP傳輸視（音）頻數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)容量引起重傳。，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大并會(huì)加大延遲；UDP協(xié)議是最簡單的傳輸協(xié)議，不提供可靠性保證，正因?yàn)閁DP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)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(shù)據(jù)包的傳輸：單播、廣播及組播。要系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視（音）頻數(shù)據(jù)的多點(diǎn)傳輸，若采用單播，則同樣的音、視頻數(shù)據(jù)要發(fā)送多次，這樣導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)重、延遲長、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(shù)據(jù)，不管該結(jié)點(diǎn)否需要數(shù)據(jù)，增加了非接收者的開銷；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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。由于無論有多少個(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(shù)據(jù)包。因此組播提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男剩瑯O大地節(jié)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(hào)，即信令通道；采用UDP/IP傳輸音視頻信號(hào)，即數(shù)據(jù)通道。
IP組播依賴一個(gè)特殊的地址組——“移播址”，即D類地址。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類地址是動(dòng)態(tài)分配和恢復(fù)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(xiàn)在任何信源地址中。每一個(gè)組播組對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)分配 的一個(gè)D類地址。組播的特點(diǎn)：組播組的成員是動(dòng)態(tài)的，主機(jī)可以任何時(shí)間加入或離開組播組，主機(jī)組中的成員在位置上和數(shù)量 舊沒有限制的。
2.2 Windows下，IP組播的Winsock2實(shí)現(xiàn)
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(xiàn)方法：Windows Socket提供兩種不同的IP組播的實(shí)現(xiàn)方法：Winsock1與Winsock2。在Windows2000平臺(tái)實(shí)現(xiàn)VC 6.0開發(fā)工具，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了基于Winsock2的組播通信編程。
發(fā)送端（前端、客戶端）實(shí)現(xiàn)步驟：
(1)加載Winsock2庫，完成Winsock2的初始化：
WSAStarup(MAKEWORD(2,2),
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