何樹有

(91550部隊指控中心　大連　116023 )

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基于圖像分塊壓縮技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

何樹有

(91550部隊指控中心大連116023 )

摘要隨著網絡技術的不斷發(fā)展，對計算機信號的遠程監(jiān)控在局域網管理，網絡安全，網絡教學中有著廣泛的應用。在對前輩學者提出的屏幕捕獲、圖像數(shù)據(jù)傳輸及解壓縮方法進行研究的基礎上，論文提出了一種基于圖像分塊壓縮技術的方法，該方法首先將捕獲的屏幕位圖進行均勻分塊，只傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生變化的圖像小塊，使得監(jiān)控畫面的實時性得到進一步的增強，并大大降低了網絡帶寬的占用率。同時為獲得良好的用戶體驗使用無損壓縮的霍夫曼編碼方法，進一步減少了網絡數(shù)據(jù)量。并且根據(jù)用戶需求實現(xiàn)了對遠程計算機軟硬件的控制。

關鍵詞圖像分塊技術; 霍夫曼編碼; 遠程監(jiān)控; 實時性

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1引言

隨著網絡技術的推陳出新，遠程監(jiān)控在實際生產和生活中存在著廣泛的應用，如公司企業(yè)對員工工作情況的考察，網絡多媒體教學等。根據(jù)應用的不同對遠程計算機信號的監(jiān)控手段越來越多，但很大一部分應用程序都只是針對特定的任務或需求而進行設計的，本文提出了一種通過運用圖像分塊和壓縮編碼技術的方法對計算機信號進行實時監(jiān)控，通過對計算機畫面實時處理，使監(jiān)視畫面無論在畫面質量還是在實時性都達到了系統(tǒng)設計要求，并且這種方法對于網絡監(jiān)控、遠程控制、網絡安全等領域都有很強的實用價值。

在遠程計算機信號監(jiān)視與控制中，對遠程計算機的控制分為硬件和軟件控制兩種，硬件控制包括諸如啟動、重啟、關機等操作，軟件控制包括內存資源監(jiān)視、系統(tǒng)進程控制、鍵盤記錄等。這些軟硬件操作技術目前已經相當成熟，但由于拷貝屏幕圖像文件較大，文件傳輸中占用網絡帶寬多，大部分的網絡監(jiān)控系統(tǒng)均采用定時發(fā)送屏幕圖像的方式對目標計算機進行監(jiān)視，這對實時性要求較高的系統(tǒng)比如軍事、工業(yè)等等方面存在致命的缺陷，本文就是針對遠程計算機監(jiān)控中的圖像壓縮傳輸提出一種新的方法，并將其應用到實時監(jiān)控系統(tǒng)中，取得了良好的效果。

實際應用中，屏幕捕捉及畫面的壓縮運算將大量地占用被監(jiān)控主機的系統(tǒng)資源，而傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)也會嚴重消耗網絡帶寬，在網絡繁忙的情況下，無法保證傳輸質量[1]。對遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)來說這是兩個關鍵的技術問題，本文就這兩個方面分別給出了相應的解決方案。

2相關工作

文獻[1]對捕捉屏幕圖像的DC(Device Context)和DirectX方法進行了比較，得出DirectX方法在速度方面明顯優(yōu)于DC方法，考慮到系統(tǒng)的兼容性及DirectX的版本問題，所以本文采用第二種方法。安昌華[2]在其碩士論文中對遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究，在圖像分塊和圖像壓縮方面提出了自己的見解，但是該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)不能對播放的視頻文件進行監(jiān)控。

在文獻[3]中王宇濤提出了一種采用改進的行程編碼法(RLE)和字典編碼法(LZ77)對具有較大冗余信息的圖像進行壓縮的復合算法，在壓縮率和解壓縮速度方面得到了提高。文獻[4～8]使用Winsock技術實現(xiàn)了局域網中對目標計算機進行實時監(jiān)控，屏幕鎖定等。張錦華等[8]在其論文中提出，在屏幕DC方法的基礎上利用內存映射文件技術在處理大數(shù)據(jù)量文件上的優(yōu)勢，提高屏幕圖像采集效率;采用顏色量化技術降低視頻圖像顏色數(shù)據(jù)量，獲得了較好的顯示效果。Java中的Robot類用于截取屏幕和記錄鍵盤等信息更加方便和快捷，文獻[9～10]采用的就是這種方法。

3總體設計思想及系統(tǒng)架構

應用程序體系結構是指應用程序內部各組件間的組織方式，目前現(xiàn)有的屏幕監(jiān)視系統(tǒng)采用的架構包括瀏覽器/服務器模式(Browse/Server，B/S)和客戶端/服務器模式(Client/Server，C/S)兩種結構，因系統(tǒng)中客戶端程序需要實時對服務器端計算機進行監(jiān)控，所以本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的C/S結構。監(jiān)控系統(tǒng)架構包括三部分，分別為服務器端、客戶端和數(shù)據(jù)庫服務器。服務器端實現(xiàn)對客戶端目標計算機的實時控制與監(jiān)視，將屏幕截圖分割壓縮后發(fā)送到客戶端，客戶端進行數(shù)據(jù)處理，解壓數(shù)據(jù)后，將圖像還原顯示在監(jiān)視器上，客戶端將控制指令發(fā)送到服務器端，服務器端執(zhí)行相應的操作。數(shù)據(jù)庫服務器用于將客戶端所記錄的數(shù)據(jù)進行保存，用于事后察看。

圖1　屏幕監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)編程語言采用C#語言，C#語言是一種最新的，面向對象的編程語言，它的高效、簡潔，易用及其強大功能使之成為開發(fā)Windows應用程序的首選[11]。

在數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇上，同視頻圖像傳輸一樣，計算機監(jiān)控畫面的時間連續(xù)性要求實時傳輸及高帶寬，同時又允許傳輸中存在一定的數(shù)據(jù)錯誤率以及數(shù)據(jù)丟失率，UDP協(xié)議不進行數(shù)據(jù)的確認與重傳，提高傳輸速率，具有高效快速的特點[12]，因此本系統(tǒng)使用UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

為了降低網絡帶寬占用率，系統(tǒng)根據(jù)客戶端顯示監(jiān)視畫面數(shù)量的不同，相應服務器端在捕捉畫面后先降低位圖分辨率，再進行圖像分塊壓縮處理后進行位圖數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制流程圖

4系統(tǒng)軟件功能設計

在對該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)進行需求分析時，針對屏幕監(jiān)控的實時性需求，明確屏幕監(jiān)控系統(tǒng)應具備的功能如下：

1) 監(jiān)視遠程計算機的當前屏幕內容;

2) 監(jiān)視及查看遠程計算機內存資源;

3) 打開、關閉或運行遠程計算機的文件、目錄或程序；

4) 任意操作遠程計算機的周邊設備，比如打印機、攝像頭等;

5) 上傳或下載遠程計算機的文件、目錄;

6) 查看、終止遠程計算機的程序進程;

7) 記錄遠程計算機的鼠標點擊事件和鍵盤事件;

8) 任意修改遠程計算機Windows注冊表;

9) 開啟、終止或暫停遠程計算機的服務;

10) 啟動、關閉、重啟遠程計算機。

5關鍵技術分析

隨著計算機顯示技術的大力發(fā)展，計算機顯示畫面的分辨率越來越高，而屏幕監(jiān)控關鍵在于需要將服務器端計算機顯示畫面實時傳送到服務器上，便于監(jiān)視人員管理和控制，一副標準Windows桌面的捕捉畫面，分辨率為1920*1080時，以壓縮比較高的JPEG格式為例，占用空間都已達到了2.24MB，更不用說其他的PNG，TIFF等圖像格式，如果不對屏幕圖像進行壓縮直接進行傳送，大量的字節(jié)流將會占用帶寬，降低監(jiān)視畫面質量，甚至會引起網絡癱瘓。在對目前主流的圖片格式PNG、JPEG、BMP等進行分析后(見表1)，相同畫面下JPEG格式因為是有損壓縮的方式位圖大小最小，但是也達到了180KB左右，因此若使監(jiān)控畫面達到實時性的要求，還要圖像分塊技術及壓縮編解碼方面進行研究。

5.1圖像分塊技術

本屏幕監(jiān)控系統(tǒng)所提到位圖分塊技術與傳統(tǒng)意義上圖像分割技術概念是不一樣的。傳統(tǒng)意義中的圖像分割，指的是將圖像劃分為與其中含有的真實世界的物體或區(qū)域有強關聯(lián)的組成成分[13]，而本系統(tǒng)的圖像分塊技術指的是，將整個屏幕均勻分成若干個小塊，也就是進行矩形劃分。為什么要在本系統(tǒng)開發(fā)中使用分塊技術呢？這是基于減少網絡傳輸量，優(yōu)化系統(tǒng)性能，達到實時監(jiān)控的目的出發(fā)的。因為在監(jiān)控端向客戶端發(fā)送的整個屏幕信息的過程中，相鄰幾次發(fā)送的屏幕信息中，有大部分信息是相同的，這樣就沒有必要每次都發(fā)送整個屏幕的信息。采用的方案就是將整個屏幕均勻的劃分成若干個小塊，本項目采用9*9格式，把原來一塊屏幕分成了81 塊，每次進傳輸前，都先比較此次要傳輸?shù)钠聊恍畔⒅校心男┬》謮K與上次傳輸?shù)男》謮K是基本相同的，這樣每次就只用傳輸發(fā)生了較大變化的小分塊的圖像的數(shù)據(jù)信息，大大減少了網絡的傳輸量[2]。在對小分塊位圖數(shù)據(jù)進行比較時可以采用兩種方法：一是直接比較法，對前后兩小塊位圖數(shù)據(jù)內存數(shù)據(jù)按字節(jié)進行比較；二是CRC比較，保存前一幅圖像的CRC值，通過判斷兩幅圖像的CRC值判斷圖像是否發(fā)生變化[1]。經比較直接比較方法在時間和CPU占用率上均優(yōu)于CRC方法，因此本監(jiān)控系統(tǒng)采用直接比較法。

表1　各種截圖格式對比(1920*1080)

5.2圖像壓縮技術

對于實時性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)來說，如果直接將位圖數(shù)字化，其數(shù)據(jù)量非常驚人，會給傳輸帶來了很多不便，舉例來說，一副圖像180K，若要達到實時性要求，每秒需傳送24副位圖圖像，假設系統(tǒng)可監(jiān)視20臺計算機，那么在一秒鐘網絡中流量為180K*24*10，接近84.375MB，無論是對監(jiān)控端計算機還是對網絡來說都有相當大的壓力，如果不采取措施，容易造成網絡堵塞，甚至癱瘓。因此在本系統(tǒng)的設計中使用了圖像壓縮技術。從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去掉確定的信息(可推知的) ，也就是用一種更接近信息本質的描述來代替原有冗余的描述。

圖像壓縮根據(jù)其對原始圖像信息的處理方式可以分為有損壓縮和無損壓縮。為達到良好的監(jiān)控顯示效果，本系統(tǒng)采用無損壓縮霍夫曼方法，其基本原理是將頻繁使用的數(shù)據(jù)用較短的代碼代替，較少使用的代碼用較長的代碼代替，每個數(shù)據(jù)的代碼各不相同[2]。經過霍夫曼編碼壓縮后能夠有效地減少圖像塊字節(jié)流大小。

5.3其他技術

1) 遠程喚醒功能

本監(jiān)控系統(tǒng)中，客戶端軟件通過服務器端軟件自動對接入監(jiān)控網絡的設備計算機網卡Mac地址進行收集，通過遠程發(fā)送Magic Pack進行遠程開機操作，這一功能實現(xiàn)需要服務器端計算機主板支持遠程喚醒功能。Magic Pack中格式為12個連續(xù)16進制F加上16個連續(xù)的48位MAC地址。

2) 重啟與關機操作

在客戶端發(fā)送操作指令，服務器端在收到操作指令后，調用“shutdown.exe”和“reboot.exe”實現(xiàn)關機和重啟操作。

3) 獲取進程信息

服務器端首先創(chuàng)建系統(tǒng)快照，之后枚舉服務器端進程信息，將進程名稱及其相關信息編碼后發(fā)送至客戶端供用戶查看。

6系統(tǒng)測試及問題分析

在進行系統(tǒng)測試時，屏幕監(jiān)控系統(tǒng)架構采用客戶監(jiān)控端計算機一臺，服務器端十六臺，數(shù)據(jù)備份計算機一臺的方式，系統(tǒng)軟硬件環(huán)境為如表2所示。

表2　屏幕監(jiān)控系統(tǒng)測試環(huán)境表

系統(tǒng)測試從監(jiān)視畫面數(shù)量入手，分別對畫面質量、流暢度和網絡流量三個方面進行評測，如表3所示。

如表3所示，在客戶端同時監(jiān)控8臺以上計算機時，監(jiān)視畫面就不夠清晰，不能分辨服務器端某些操作，并且存在丟幀現(xiàn)象，網絡流量在經過編碼壓縮后十六畫面同時進行監(jiān)控時網絡流量為31.5MB/s，對現(xiàn)如今流行百兆千兆網來說，還是可以接受的。測試中，服務器端進行鼠標操作時，右鍵菜單畫面并沒有被捕獲下來，導致服務器端某些操作并沒有被記錄下來。經分析認為在使用DC進行屏幕捕捉時，右鍵菜單并不屬于屏幕畫面，這一缺點有待改進。

表3　系統(tǒng)測試結果

7結語

該屏幕監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)視畫面的不同，利用圖像分塊壓縮技術，基本實現(xiàn)了對遠程計算機畫面的實時監(jiān)視，同時運用多種技術實現(xiàn)了對遠程計算機的啟動、重啟和關機等硬件操作，完成了對系統(tǒng)資源監(jiān)視、進程控制、軟件啟動、記錄鍵盤操作等系統(tǒng)軟件操作，最后給出了系統(tǒng)測試結果。本文提出的針對屏幕監(jiān)視圖像的高效傳輸方法，對網絡監(jiān)控、遠程教學、局域網管理等方面有很強的實用價值。

參 考 文 獻

[1] 肖道舉,劉洪峰,陳曉蘇.面向遠端屏幕監(jiān)控的一種圖像壓縮傳輸方法[J].計算機工程與設計,2005,26(12):3356-3357.

[2] 安昌華.基于Windows平臺的遠程屏幕監(jiān)控技術的研究與應用[D].武漢:華中科技大學,2007:25-28.

[3] 王宇濤.適用于局域網教學的圖像壓縮算法研究[J].西北農林科技大學學報,2002,30:145-147.

[4] 林粵偉,魏權利,李麗萍等.基于VC++的局域網監(jiān)控軟件的研制[J].計算機時代,2005(4):23-27.

[5] 高照恒,陳家琪.基于WinSock通信的屏幕監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用,2011,20(4):132-137.

[6] 徐永新,陸寶春.利用Winsock通信實現(xiàn)遠程控制[J].計算機應用研究,2003(1):159-163.

[7] 趙玲.基于Winsock網絡通信的遠程屏幕鎖定技術[C]//The 2011 Asia-Pacific Youth Conference of Youth Communication and Technolog,2011:65-70.

[8] 張錦華,許慧雅.基于MVF和顏色量化的監(jiān)控屏幕圖像采集方法[J].計算機應用與軟件,2014，31(6):213-219.

[9] 閻秀英,周亞建,胡正名.基于Java的網絡實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].計算機工程,2009,35(5)：74-78.

[10] 侯金彪,郭長友.基于Java的遠程屏幕監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究[J].計算機工程與科學,2010，32(2)：74-78.

[11] 李銘譯.Christian Nagel ,BillEvjen, Jay Glynn. C#高級編程[M].北京：清華大學出版社,2010:3-4.

[12] 徐京,魯士文.TCP/IP網絡環(huán)境下的視頻圖像傳輸[J].計算機工程與應用,1999,12:98-100.

[13] 艾海舟，蘇延超等譯.Milan Sonka, Vaclav Hlavac, Roger Boyle.圖像處理、分析與機器視覺[M].北京：清華大學出版社,2011：124-135.

收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月1日

作者簡介：何樹有，男，工程師，研究方向：地理信息、圖像處理。

中圖分類號TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.025

Design and Realization of Remote Monitoring System Based on Image Block Compression Technology

HE Shuyou

(Command Center, No.91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractWith the continuous development of network technology, the remote monitoring of computer signals has a wide range of applications in the management of LAN, network security, network education. On the basis of the screen capture, image data transmission and compression method proposed by senior scholars, a method is proposed based on image block and compression technology. In this method, the captured screen bitmap uniform block only transport data on the occurrence of changes in the image block, making real-time monitor screen are further enhanced, and greatly reduce the occupancy rate of network bandwidth. At the same time, a good user experience is obtained using the lossless compression of the Hoffman encoding method, to further reduce the amount of network data. And the control of remote computer hardware and software is realized according to the need.

Key Wordsimage block technique, Huffman coding, remote monitoring, real-time