劉意先++鄒鵬

摘要： 為了在網(wǎng)絡條件較好的局域網(wǎng)或專用網(wǎng)絡上快速開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出一種不需要視頻編碼協(xié)議和特殊監(jiān)控攝像設備的設計方案。該方案在Windows平臺上使用普通攝像頭進行圖像的視頻采集，并使用開源的圖像處理庫程序CxImage對圖像幀進行處理，通過網(wǎng)絡套接字接口進行傳輸并在Windows系統(tǒng)上進行顯示，并能對監(jiān)控系統(tǒng)的接入進行身份驗證。經(jīng)過測試該方案能提供穩(wěn)定的視頻監(jiān)控效果，說明該方法能在網(wǎng)絡狀態(tài)穩(wěn)定的局域網(wǎng)條件下通過無視頻編碼協(xié)議的方式進行應用，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復雜度和成本。

關鍵詞： 視頻監(jiān)控； 局域網(wǎng)； 視頻編碼； JPEG

中圖分類號： TN919?34； TN964?34 文獻標識碼： A文章編號： 1004?373X（2014）08?0035?03

Design and implementation of video surveillance system based on LAN

LIU Yi?xian1， ZHOU Peng2

（1. Information Security and Countermeasure Experiment Teaching Center， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China；

2. Lanzhou Branch Company of Gansu Subsidiary， China Telecom Corporation Limited， Lanzhou 730030， China）

Abstract： For rapidly developing a video surveillance system on LAN or special network which has good condition， a design approach which doesnt need video encoding protocol and special surveillance camera device is proposed in this paper. In this approach， a normal camera is used in Windows platform to capture the video image， the open source image processing library program CxImage to compress the image frames， and then the data is transfered through network socket interface and displayed on Windows operating system. It also can verify the identity of accesser which wants to access the surveillance system. The testing result indicates that the approach can provide stable video surveillance effect， and shows that this approach can be used in the mode without video encoding protocol under the condition of LAN with stable network state. This approach decreased the development complexity and cost.

Keywords： video surveillance； LAN； video encode； JPEG

0引言

隨著網(wǎng)絡技術發(fā)展和相關基礎設施的完善，網(wǎng)絡監(jiān)控技術的應用得到了越來越多的應用。目前視頻監(jiān)控技術研究的方向包括如何對視頻圖像的內容進行智能的處理，提高監(jiān)控的效果[1?3]，另一方面是針對視頻數(shù)據(jù)進行編碼，降低需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[4?7]。而對于基于網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用中，為了保證監(jiān)控的實時性，多將系統(tǒng)架設在網(wǎng)絡條件較好的局域網(wǎng)或專用網(wǎng)上。本文設計并實現(xiàn)了一個在常用的Windows系統(tǒng)下借助高速以太網(wǎng)，利用現(xiàn)有的攝像頭等硬件設備，來實施快速架設的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)利用VFW（Video for Windows）來捕捉視頻。將視頻的每一幀通過CxImage庫壓縮成JPEG圖像格式，很大程度的減小數(shù)據(jù)體積便于網(wǎng)絡傳輸。服務器在進行數(shù)據(jù)鏈接時，還要對客戶端進行必要的質詢握手驗證措施。以保證客戶端用戶為合法用戶防止隱私泄露。

1系統(tǒng)的結構和原理

1.1系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。在整體設計中，整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個大的部分：客戶端和和服務器，在客戶端或服務器上又分為二大模塊：認證模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其中數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)的獲取和還原，數(shù)據(jù)的壓縮和解壓以及數(shù)據(jù)的傳送和接收三個相互配合的模塊。

圖1 系統(tǒng)的總體結構

1.2挑戰(zhàn)握手認證過程

由于本文所設計的是一個在局域網(wǎng)內能快速開發(fā)和搭建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，所以系統(tǒng)要進行必要的身份認證以保證安全。該挑戰(zhàn)響應握手認證過程，類似于PPPoE中的CHAP方式。旨在向用戶提供認證時不需要用戶的明文密碼，或者不需要用戶密碼在不安全的網(wǎng)絡空間內傳輸。該過程如圖2所示。

圖2 挑戰(zhàn)響應握手認證過程

1.3通過VFW對圖像數(shù)據(jù)進行采集

在VFW中，可以有三種方式實現(xiàn)視頻錄像[8]。其中，最簡單的方式是調用capFileSetCaptureFile函數(shù)和capCaptureSequence函數(shù)。該種方式存在許多缺點，例如，在錄像時無法響應用戶界面，無法實現(xiàn)視頻壓縮等。第二種方式是調用capCaptureSetSetup函數(shù)，將CAPTUREPARMS結構的fYield成員設置為TRUE，啟動后臺線程來實現(xiàn)錄像，然后調用capDlgVideoCompression函數(shù)讓用戶選擇壓縮器進行壓縮，最后調用capFileSetCaptureFile函數(shù)和capCaptureSequence函數(shù)開始錄像。第二種方式的缺點是每次錄像時都需要彈出一個對話框，讓用戶選擇一種壓縮器。第三種方式是注冊回調函數(shù)capSetCallbackOnVideoStream，在回調函數(shù)中壓縮數(shù)據(jù)并寫入AVI文件。相對于前兩種方式，第三種方式更為靈活和實用，因此在進行視頻錄像時，通常采用該種方式實現(xiàn)。

1.4圖像數(shù)據(jù)的壓縮

捕捉后的數(shù)據(jù)流每幀大約有230 KB。若直接將此數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸，帶寬需求為6 MB/s左右（25 f/s）。對于局域網(wǎng)普遍100 Mb/s和10 Mb/s的帶寬來說，占用資源較為明顯。因此考慮要對數(shù)據(jù)進行壓縮。本文通過使用開源CxImage類庫進行處理。使用它可以輕松的進行圖片的各種格式轉換。

CxImage類庫是一個優(yōu)秀的圖像操作類庫[9]。它可以快捷地存取、顯示、轉換各種圖像。CxImage類庫是完全免費的，而且作者完全公開了源代碼?？梢院芊奖愕靥幚韴D像并理解相關原理。系統(tǒng)采用CxImage將捕獲到的位圖文件壓縮為JPEG格式，數(shù)據(jù)約為原來的5%，完全能滿足網(wǎng)絡資源狀況。

1.5圖像的顯示

本文設計的系統(tǒng)是在Windows平臺上進行應用，要在Windows對話框上畫圖，使用DrawDibDraw是一種比較簡單的方法。它只需要三步就可以簡單的將圖像顯示在屏幕上。首先，需要一個HDRAWDIB類型的變量來存儲操作過程中的句柄。然后調用DrawDibDraw函數(shù)來真正實現(xiàn)繪圖。在調用完該函數(shù)繪圖完畢后還需調用DrawDibClose函數(shù)來釋放資源[10]。

2系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1服務器端的實現(xiàn)

服務器端運行連接到視頻設備后，將開始監(jiān)聽對遠端用戶進行身份驗證。驗證結束后將進行下一步數(shù)據(jù)發(fā)送工作，首先要進行VFW的初始化工作。由函數(shù)完成：

capCaptureGetSetup（pDlg?>m_hWndVideo，?ms，sizeof（params））；

在通過設定回調函數(shù)并開始捕獲之后，VFW會在捕捉到視頻后開始自動調用指定的回調函數(shù)VS_JPEGCallback。在VS_JPEGCallback函數(shù)中通過capGetVideoFormat來獲取給予參數(shù)的數(shù)據(jù)情況如分辨率色深等信息。將這些信息通過重新組合合并為一個BMP位圖格式的數(shù)據(jù)流。將此數(shù)據(jù)流用CxImage的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來重新進行編碼，從而得到經(jīng)過壓縮的JPEG數(shù)據(jù)流。將每一幀的數(shù)據(jù)流前加入其長度。然后將此數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2客戶端的實現(xiàn)

客戶端在系統(tǒng)啟動的時候也需要初始化socket。然后會顯示界面，等待用戶輸入IP地址、用戶名和口令等數(shù)據(jù)。當用戶點擊連接按鈕時。程序會初始化套接字并試圖連接遠程計算機。當連接成功后就開始認證過程。程序會在驗證成功后，來啟動數(shù)據(jù)處理線程recivethread來處理接收到的數(shù)據(jù)。recivethread所做的工作是接收數(shù)據(jù)、解壓縮數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，因此需要一個無限循環(huán)來反復調用。收取數(shù)據(jù)難點是要保證圖像的前后可分辨，因為各幀數(shù)據(jù)是連在一起的，當recv返回后在返回的地址空間里不僅有第一幀的數(shù)據(jù)還有可能有第二幀甚至第三幀的數(shù)據(jù)。因此需要程序根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的長度信息，來界定每一幀的開始和結束。具體方法如圖3所示。

圖3 循環(huán)取幀的方法

2.3系統(tǒng)測試

測試時先通過本地回環(huán)的方法單機測試，然后再通過單機虛擬機的方式進行測試，最后又在局域網(wǎng)內不同終端上測試，都能得到穩(wěn)定的測試效果，圖像顯示穩(wěn)定。本地回環(huán)測試的的圖像效果如圖4所示。

圖4 測試效果

在局域網(wǎng)內進行測試，局域網(wǎng)帶寬為100 Mb/s，經(jīng)網(wǎng)絡測試工具測試，每秒可傳數(shù)據(jù)為8 MB。 監(jiān)控系統(tǒng)所采集原始圖像大小為320×240，圖像質量為24位，所采集的數(shù)據(jù)量為5.5 MB，經(jīng)壓縮后每秒需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為249 KB，可以看出若不進行圖像壓縮對網(wǎng)絡的傳輸壓力較大，經(jīng)壓縮后，僅占帶寬的3%左右，完全能夠滿足需求。

3結語

本文提出了一種基于局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案并加以實現(xiàn)，該方案主要特點是能在網(wǎng)絡條件較好的局域網(wǎng)或專用網(wǎng)絡上快速開發(fā)并構建一個實用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件設備和相關資源的要求較低，實用性強，并且簡化了視頻圖像編碼的過程。下一步的研究工作是優(yōu)化該方案在無線網(wǎng)絡下的應用效果，并開發(fā)出能夠支持移動終端的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

參考文獻

[1] PARK Su?Wan， HAN Jong Wook， SHIN Sang?Uk. Secure service mechanism of video surveillance system based on H.264/SVC [C]// 2011 International Conference on Information Technology and Multimedia. Kuala Lumpur： [s.n.]， 2011： 1?4.

[2] SHEININ V， ALLMAN L， JAGMOHAN A， et al. Digital video surveillance platform based on cell processor and H.264 video compression [J]. SPIE Proceedings， 2006， 6209?： 111?117.

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[8] 宋坤，劉銳寧，馬文強.Visual C++視頻技術方案[M]：北京：人民郵電出版社，2008.

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CxImage類庫是一個優(yōu)秀的圖像操作類庫[9]。它可以快捷地存取、顯示、轉換各種圖像。CxImage類庫是完全免費的，而且作者完全公開了源代碼。可以很方便地處理圖像并理解相關原理。系統(tǒng)采用CxImage將捕獲到的位圖文件壓縮為JPEG格式，數(shù)據(jù)約為原來的5%，完全能滿足網(wǎng)絡資源狀況。

1.5圖像的顯示

本文設計的系統(tǒng)是在Windows平臺上進行應用，要在Windows對話框上畫圖，使用DrawDibDraw是一種比較簡單的方法。它只需要三步就可以簡單的將圖像顯示在屏幕上。首先，需要一個HDRAWDIB類型的變量來存儲操作過程中的句柄。然后調用DrawDibDraw函數(shù)來真正實現(xiàn)繪圖。在調用完該函數(shù)繪圖完畢后還需調用DrawDibClose函數(shù)來釋放資源[10]。

2系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1服務器端的實現(xiàn)

服務器端運行連接到視頻設備后，將開始監(jiān)聽對遠端用戶進行身份驗證。驗證結束后將進行下一步數(shù)據(jù)發(fā)送工作，首先要進行VFW的初始化工作。由函數(shù)完成：

capCaptureGetSetup（pDlg?>m_hWndVideo，?ms，sizeof（params））；

在通過設定回調函數(shù)并開始捕獲之后，VFW會在捕捉到視頻后開始自動調用指定的回調函數(shù)VS_JPEGCallback。在VS_JPEGCallback函數(shù)中通過capGetVideoFormat來獲取給予參數(shù)的數(shù)據(jù)情況如分辨率色深等信息。將這些信息通過重新組合合并為一個BMP位圖格式的數(shù)據(jù)流。將此數(shù)據(jù)流用CxImage的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來重新進行編碼，從而得到經(jīng)過壓縮的JPEG數(shù)據(jù)流。將每一幀的數(shù)據(jù)流前加入其長度。然后將此數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2客戶端的實現(xiàn)

客戶端在系統(tǒng)啟動的時候也需要初始化socket。然后會顯示界面，等待用戶輸入IP地址、用戶名和口令等數(shù)據(jù)。當用戶點擊連接按鈕時。程序會初始化套接字并試圖連接遠程計算機。當連接成功后就開始認證過程。程序會在驗證成功后，來啟動數(shù)據(jù)處理線程recivethread來處理接收到的數(shù)據(jù)。recivethread所做的工作是接收數(shù)據(jù)、解壓縮數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，因此需要一個無限循環(huán)來反復調用。收取數(shù)據(jù)難點是要保證圖像的前后可分辨，因為各幀數(shù)據(jù)是連在一起的，當recv返回后在返回的地址空間里不僅有第一幀的數(shù)據(jù)還有可能有第二幀甚至第三幀的數(shù)據(jù)。因此需要程序根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的長度信息，來界定每一幀的開始和結束。具體方法如圖3所示。

圖3 循環(huán)取幀的方法

2.3系統(tǒng)測試

測試時先通過本地回環(huán)的方法單機測試，然后再通過單機虛擬機的方式進行測試，最后又在局域網(wǎng)內不同終端上測試，都能得到穩(wěn)定的測試效果，圖像顯示穩(wěn)定。本地回環(huán)測試的的圖像效果如圖4所示。

圖4 測試效果

在局域網(wǎng)內進行測試，局域網(wǎng)帶寬為100 Mb/s，經(jīng)網(wǎng)絡測試工具測試，每秒可傳數(shù)據(jù)為8 MB。 監(jiān)控系統(tǒng)所采集原始圖像大小為320×240，圖像質量為24位，所采集的數(shù)據(jù)量為5.5 MB，經(jīng)壓縮后每秒需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為249 KB，可以看出若不進行圖像壓縮對網(wǎng)絡的傳輸壓力較大，經(jīng)壓縮后，僅占帶寬的3%左右，完全能夠滿足需求。

3結語

本文提出了一種基于局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案并加以實現(xiàn)，該方案主要特點是能在網(wǎng)絡條件較好的局域網(wǎng)或專用網(wǎng)絡上快速開發(fā)并構建一個實用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件設備和相關資源的要求較低，實用性強，并且簡化了視頻圖像編碼的過程。下一步的研究工作是優(yōu)化該方案在無線網(wǎng)絡下的應用效果，并開發(fā)出能夠支持移動終端的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

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1.5圖像的顯示

本文設計的系統(tǒng)是在Windows平臺上進行應用，要在Windows對話框上畫圖，使用DrawDibDraw是一種比較簡單的方法。它只需要三步就可以簡單的將圖像顯示在屏幕上。首先，需要一個HDRAWDIB類型的變量來存儲操作過程中的句柄。然后調用DrawDibDraw函數(shù)來真正實現(xiàn)繪圖。在調用完該函數(shù)繪圖完畢后還需調用DrawDibClose函數(shù)來釋放資源[10]。

2系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1服務器端的實現(xiàn)

服務器端運行連接到視頻設備后，將開始監(jiān)聽對遠端用戶進行身份驗證。驗證結束后將進行下一步數(shù)據(jù)發(fā)送工作，首先要進行VFW的初始化工作。由函數(shù)完成：

capCaptureGetSetup（pDlg?>m_hWndVideo，?ms，sizeof（params））；

在通過設定回調函數(shù)并開始捕獲之后，VFW會在捕捉到視頻后開始自動調用指定的回調函數(shù)VS_JPEGCallback。在VS_JPEGCallback函數(shù)中通過capGetVideoFormat來獲取給予參數(shù)的數(shù)據(jù)情況如分辨率色深等信息。將這些信息通過重新組合合并為一個BMP位圖格式的數(shù)據(jù)流。將此數(shù)據(jù)流用CxImage的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來重新進行編碼，從而得到經(jīng)過壓縮的JPEG數(shù)據(jù)流。將每一幀的數(shù)據(jù)流前加入其長度。然后將此數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2客戶端的實現(xiàn)

客戶端在系統(tǒng)啟動的時候也需要初始化socket。然后會顯示界面，等待用戶輸入IP地址、用戶名和口令等數(shù)據(jù)。當用戶點擊連接按鈕時。程序會初始化套接字并試圖連接遠程計算機。當連接成功后就開始認證過程。程序會在驗證成功后，來啟動數(shù)據(jù)處理線程recivethread來處理接收到的數(shù)據(jù)。recivethread所做的工作是接收數(shù)據(jù)、解壓縮數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，因此需要一個無限循環(huán)來反復調用。收取數(shù)據(jù)難點是要保證圖像的前后可分辨，因為各幀數(shù)據(jù)是連在一起的，當recv返回后在返回的地址空間里不僅有第一幀的數(shù)據(jù)還有可能有第二幀甚至第三幀的數(shù)據(jù)。因此需要程序根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的長度信息，來界定每一幀的開始和結束。具體方法如圖3所示。

圖3 循環(huán)取幀的方法

2.3系統(tǒng)測試

測試時先通過本地回環(huán)的方法單機測試，然后再通過單機虛擬機的方式進行測試，最后又在局域網(wǎng)內不同終端上測試，都能得到穩(wěn)定的測試效果，圖像顯示穩(wěn)定。本地回環(huán)測試的的圖像效果如圖4所示。

圖4 測試效果

在局域網(wǎng)內進行測試，局域網(wǎng)帶寬為100 Mb/s，經(jīng)網(wǎng)絡測試工具測試，每秒可傳數(shù)據(jù)為8 MB。 監(jiān)控系統(tǒng)所采集原始圖像大小為320×240，圖像質量為24位，所采集的數(shù)據(jù)量為5.5 MB，經(jīng)壓縮后每秒需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為249 KB，可以看出若不進行圖像壓縮對網(wǎng)絡的傳輸壓力較大，經(jīng)壓縮后，僅占帶寬的3%左右，完全能夠滿足需求。

3結語

本文提出了一種基于局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案并加以實現(xiàn)，該方案主要特點是能在網(wǎng)絡條件較好的局域網(wǎng)或專用網(wǎng)絡上快速開發(fā)并構建一個實用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件設備和相關資源的要求較低，實用性強，并且簡化了視頻圖像編碼的過程。下一步的研究工作是優(yōu)化該方案在無線網(wǎng)絡下的應用效果，并開發(fā)出能夠支持移動終端的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

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