基于SIP的視頻監控和電視會(huì )議的系統融合設計

摘要：傳統的視頻監控系統和電視會(huì )議系統作為獨立的兩個(gè)系統，對于很多有著(zhù)較高需求的用戶(hù)來(lái)講存在著(zhù)投入較多、維護復雜、資源共享困難等問(wèn)題。本文提出一種基于SIP的系統融合方案，將視頻監控和電視會(huì )議兩種功能統一為整體，有助于用戶(hù)減少操作和提高效率，符合安防行業(yè)的發(fā)展需求。

引言

　　視頻監控系統是安防系統的重要組成部分，可用于對重點(diǎn)區域或遠程地點(diǎn)進(jìn)行監視和控制，具有直觀(guān)、事實(shí)、信息豐富、便于管理等特點(diǎn)。隨著(zhù)視頻采集、網(wǎng)絡(luò )傳輸、數據存儲等技術(shù)的飛速發(fā)展，現今監控系統已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )視頻監控的時(shí)代，其功能不斷豐富，除實(shí)時(shí)情況的觀(guān)察和記錄外，還能夠進(jìn)行人群流量分析、面部和行為識別、車(chē)輛號牌識別、全景視頻拼接等。前端一體化、傳輸網(wǎng)絡(luò )化、處理數字化、系統集成化和管理智能化是視頻監控系統公認的發(fā)展方向。

　　電視會(huì )議有助于處于不同地點(diǎn)的多個(gè)用戶(hù)通過(guò)通信設備和網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行面對面交談的會(huì )議。專(zhuān)業(yè)的電視會(huì )議系統可以為用戶(hù)提供較為穩定安全的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境和可靠的音視頻質(zhì)量，適用于要求較高的政府機關(guān)會(huì )議、企業(yè)事業(yè)單位的商務(wù)視頻會(huì )議等場(chǎng)合。

　　隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步，人們的生活生產(chǎn)和公共安全所面對的挑戰也變得更加復雜。在過(guò)去的很長(cháng)一段時(shí)間里，為了實(shí)現較為完善的功能，很多用戶(hù)需要同時(shí)部署包括電視會(huì )議和視頻監控在內的多個(gè)系統，這會(huì )帶來(lái)諸如投入浪費、維護復雜、資源難以共享、效率難以提高等多種問(wèn)題?？梢曋笓]調度系統的提出，意味著(zhù)視頻監控和電視會(huì )議系統的融合將成為一種趨勢，這對于公共安全的加強和企業(yè)工廠(chǎng)大規模生產(chǎn)的安全管理有著(zhù)重大意義。

1 理論概述

　　SIP (Session Initiation Protocol，會(huì )話(huà)初始協(xié)議)是IETF標準體系的一部分，是一個(gè)應用層協(xié)議，可以用來(lái)建立、修改和終止多媒體會(huì )話(huà)，可以在已建立的會(huì )話(huà)中方便地添加用戶(hù)或者增加和刪除多媒體。SIP可以動(dòng)態(tài)調整和修改例如帶寬要求、傳輸媒體類(lèi)型、媒體編解碼格式等會(huì )話(huà)屬性，具有簡(jiǎn)單、易于擴展、便于實(shí)現等諸多特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸得到業(yè)界的青睞?，F今市場(chǎng)上已經(jīng)有多種支持SIP的軟件和多媒體終端^[1-3]。

　　已經(jīng)制定的GB/T 28181《安全防范視頻監控聯(lián)網(wǎng)系統信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》規定了城市監控聯(lián)網(wǎng)系統中的諸多標準，包括互聯(lián)結構和通信協(xié)議結構、傳輸交換控制的安全要求、控制傳輸流程和協(xié)議接口等技術(shù)要求。GB/T 28181以SIP為核心協(xié)議，采用了SNTP、RTSP等協(xié)議，以及多種數字系統的傳輸標準、音視頻和多媒體系統的編碼標準和技術(shù)要求^[4]。由此可見(jiàn)，SIP將在日后的安防系統建設中有著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。

　　目前，安防市場(chǎng)上已經(jīng)提出了多種融合方案。由于需要基于已有的視頻監控和電視會(huì )議兩類(lèi)平臺，其中部分方案采用第三方視頻矩陣、融合網(wǎng)關(guān)等設備進(jìn)行兩個(gè)系統的互聯(lián)。這種融合方案成本較低，實(shí)現較為簡(jiǎn)單，但系統整體性較差，多媒體數據由于經(jīng)過(guò)多次傳輸和處理，在延時(shí)控制、音視頻質(zhì)量等方面表現不佳^[5]。

　　進(jìn)行視頻監控系統和電視會(huì )議系統的方案設計符合多媒體指揮調度系統的發(fā)展要求以及網(wǎng)絡(luò )傳輸系統的發(fā)展趨勢。本文將基于現有的SIP實(shí)用技術(shù)，進(jìn)行統一的融合方案設計。

2 方案設計

　　統一融合方案以現有的視頻監控系統為主體，對監控系統和電視會(huì )議系統進(jìn)行有機整合，并能夠在此基礎上實(shí)現指揮調度功能。指揮調度功能有多種調度方式，包括點(diǎn)對點(diǎn)、單點(diǎn)對多點(diǎn)、多組并存、多組之間相互插入協(xié)調等方式，以實(shí)現上級用戶(hù)對于下級現場(chǎng)的遠距離、多層次指揮和調度，這有利于實(shí)現各級用戶(hù)的快速決策和即時(shí)溝通，有助于提高應急處理效率。

　　圖1所示為融合系統的功能模塊示意圖。作為多點(diǎn)對多點(diǎn)連接、切換和廣播的核心，MCU(Multipoint，多點(diǎn)控制單元)是電視會(huì )議功能中必不可少的一部分。在設計方案中，MCU可以以軟件實(shí)現的方式，與整個(gè)融合系統的控制管理系統融為一體。監控客戶(hù)端在實(shí)現服務(wù)器登錄、設備列表獲取、監控圖像和監控錄像獲取、服務(wù)器和鏡頭參數配置等功能的基礎上，和電視會(huì )議客戶(hù)端結合成為一個(gè)軟件整體，這有利于用戶(hù)在同一客戶(hù)端內實(shí)現現場(chǎng)情況的掌控以及實(shí)時(shí)決策和指揮，有利于工作效率的提高。上級和下級用戶(hù)之間的權限差異可以采用不同等級的用戶(hù)帳號進(jìn)行區分。

　　圖2所示為系統互聯(lián)結構示意圖。得益于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速普及，下級用戶(hù)可以采用筆記本電腦、智能手機、平板電腦等設備進(jìn)行現場(chǎng)的移動(dòng)辦公，可以進(jìn)一步提高融合系統的適用工作環(huán)境和用戶(hù)的工作效率。

3 功能設計實(shí)現

　　設計方案中的MCU采用軟件方式實(shí)現。作為電視會(huì )議系統的中心控制設備，MCU起到多媒體信息交換的作用，可以進(jìn)行多點(diǎn)呼叫和連接，實(shí)現視頻廣播、視頻選擇、音頻混合、數據廣播等功能。MCU應當布置在監控控制中心，在拓撲結構上處于星型網(wǎng)絡(luò )的中心位置。MCU在功能上可以分為多點(diǎn)控制器MC和多點(diǎn)處理器MP，前者負責呼叫定位、路由控制、通信參數控制等功能，后者負責音視頻流和數據流的交換、混合、處理等功能。具有最高權限的上級用于可以控制MC，采用SIP消息主動(dòng)邀請終端加入已經(jīng)建立的多點(diǎn)會(huì )議，或接受終端發(fā)出的加入會(huì )議的SIP請求消息。圖3所示為兩種會(huì )話(huà)建立方式的過(guò)程示意圖。

　　SIP在建立會(huì )話(huà)的過(guò)程中采用三次握手機制。會(huì )話(huà)呼叫的發(fā)起方采用INVITE請求建立會(huì )話(huà)，其INVITE消息中包含一個(gè)SDP會(huì )話(huà)描述協(xié)議以進(jìn)行會(huì )話(huà)級、時(shí)間、媒體類(lèi)型和格式等描述。如果被叫方同意建立會(huì )話(huà)，則發(fā)送200 OK消息進(jìn)行響應，消息的SDP中列出被叫支持的一系列參數，主叫會(huì )再次發(fā)送ACK請求來(lái)證實(shí)已經(jīng)收到被叫方發(fā)送的200 OK響應。當會(huì )話(huà)完成后，其中一方可以發(fā)送BYE請求，而對方會(huì )以200 OK響應，會(huì )話(huà)完成并結束^[1-2]。

　　圖4所示為融合系統的工作過(guò)程示意圖。融合系統的終端內集成SIP UA、RTSP端、多媒體播放等功能模塊，其中RTSP端由編碼器、解碼器、播放器等構成。用戶(hù)還可以通過(guò)融合終端進(jìn)行MCU控制、服務(wù)器配置、云臺控制、鏡頭參數配置、錄像計劃管理、多媒體數據導出等操作，可以根據自己的實(shí)際需求進(jìn)行傳統的視頻監控和電視會(huì )議，也可以在緊急或重大事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行多功能指揮調度。

　　當需要啟用多點(diǎn)會(huì )議并進(jìn)行指揮調度時(shí)，用戶(hù)可以使用終端中的SIP模塊和服務(wù)器中的MCU模塊建立會(huì )話(huà)，擁有最高權限的上級用戶(hù)也可以操控MCU邀請其他用戶(hù)或準許其他用戶(hù)加入多點(diǎn)會(huì )議，會(huì )話(huà)建立方式如上文所述以及圖3所示。建立多點(diǎn)會(huì )議之后，各個(gè)終端對于流媒體的控制交由RTSP端，并將多媒體流以及控制數據等傳遞給MCU，MCU可以將數據傳遞給流媒體服務(wù)器進(jìn)行壓縮、存儲等處理，可以將數據按上級用戶(hù)配置發(fā)送給各個(gè)后總段。當與會(huì )用戶(hù)需要獲取現場(chǎng)監控視頻時(shí)，可以向統一控制平臺發(fā)出請求，監控前端收到信息后將視頻流發(fā)送給流媒體服務(wù)器，并經(jīng)由MCU以單播、組播、廣播等方式提供給相應與會(huì )用戶(hù)。在融合終端中，用戶(hù)可以將多個(gè)會(huì )議視頻和監控視頻進(jìn)行任意組合、排列和切換，以提高工作效率。

4 QoS控制

　　QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)是指多媒體網(wǎng)絡(luò )利用各種基礎技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò )通信提供更優(yōu)秀、更安全的服務(wù)能力，包括用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò )延遲和阻塞等問(wèn)題的一系列技術(shù)。未來(lái)的多功能指揮調度系統將應用于公共安全、大規模生產(chǎn)、突發(fā)事件應對等場(chǎng)合，具有規模大、距離遠、層級多等特點(diǎn)，并將面臨大量用戶(hù)同時(shí)接入和多路高清視頻同時(shí)傳輸等挑戰。這不僅要求統一融合系統的多種設備的互聯(lián)和多種功能的實(shí)現，而且對QoS控制有著(zhù)很高的要求。本文主要采用擁塞控制和差錯控制兩種方式保證融合網(wǎng)絡(luò )的QoS。

　　對于傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò )擁塞，除了在硬件基礎上改進(jìn)現有網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現更高的傳輸帶寬，有效控制傳輸速率也十分重要。在多媒體網(wǎng)絡(luò )中，音視頻多媒體占據了網(wǎng)絡(luò )傳輸中的大部分數據信息。為了有效控制網(wǎng)絡(luò )擁塞，需要根據實(shí)際需要進(jìn)行速率調整，以取得傳輸質(zhì)量和速率的平衡。在傳輸前端發(fā)送給與會(huì )用戶(hù)音視頻信息時(shí)，為了保證用戶(hù)對現場(chǎng)情況的準確和有效掌控，需要保證較高的多媒體質(zhì)量，而對于用戶(hù)之間的溝通交流，可以根據網(wǎng)絡(luò )性能對傳輸質(zhì)量進(jìn)行適當調整，以有效利用帶寬、加強系統適應性。同時(shí)，高性能的視頻編解碼技術(shù)可以在保證視頻質(zhì)量的前提下有效降低對于傳輸網(wǎng)絡(luò )的帶寬要求和時(shí)延。H.264標準作為新一代數字視頻編碼標準，具有碼率低、圖像質(zhì)量高、容錯能力強、網(wǎng)絡(luò )適應能力強等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而隨著(zhù)多媒體技術(shù)的發(fā)展和用戶(hù)需求的提高，更高清晰度的視頻文件將會(huì )在不遠的將來(lái)得到普及，這對于編解碼技術(shù)、數字存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)將會(huì )是巨大的挑戰。目前ITU已經(jīng)制定了新的H.265視頻編碼標準，旨在在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò )視頻，并支持超過(guò)1080P的超高清視頻。對最新的視頻編解碼技術(shù)進(jìn)行研究和更優(yōu)秀的算法設計，對于提高包括融合系統在內的多媒體通信網(wǎng)絡(luò )的QoS有著(zhù)巨大的幫助。

　　對于網(wǎng)絡(luò )傳輸中出現的誤碼、丟包等現象，為降低對視頻質(zhì)量的影響，需要進(jìn)行一定的差錯控制，以提高傳輸正確性和有效性的技術(shù)。差錯控制包括差錯檢測、前向糾錯和自動(dòng)請求重發(fā)。由于融合系統在使用過(guò)程中有很高的實(shí)時(shí)性要求，因此可以考慮采用選擇性重傳的方式進(jìn)行差錯控制。圖5所示為選擇性重傳的流程示意圖。發(fā)送端可以將多媒體數據封裝成包并加入根據特有規則生成的識別代碼，在發(fā)送給接收端的同時(shí)進(jìn)行一定時(shí)間的暫存。而接收端在收到數據包后對識別碼進(jìn)行分析，一旦發(fā)現丟包或誤碼出現后，立即向發(fā)送端請求重傳。由于實(shí)時(shí)性的要求，發(fā)送端的暫存和接收端等待重傳都有一定的時(shí)間限制，當超出時(shí)間限制后接收端將不再等待重傳并繼續處理流程。接收端可以增加一定的分析和差錯處理機制，在多媒體數據損失較小的情況下可以自行處理而無(wú)需重傳，以提高效率、節省網(wǎng)絡(luò )資源。

5 結論

　　本文提出了一種基于SIP的視頻監控和電視會(huì )議的系統融合方案。方案中包含了系統的功能框架、互聯(lián)方式以及一些關(guān)鍵功能的實(shí)現方式，并提出了QoS控制策略的一些實(shí)施方法。該方案在現有監控系統和電視會(huì )議系統的基礎上進(jìn)行整合，有利于用戶(hù)在指揮調度時(shí)有效地進(jìn)行交流和磋商，有利于維護公共安全，符合安防系統的發(fā)展需要。

參考文獻：

　　[1]周海華,邊恩炯.SIP原理與應用[M].機械工業(yè)出版社, 2006.

　　[2]張智江,張云勇,劉韻潔.SIP協(xié)議機器應用[M].電子工業(yè)出版社, 2005.

　　[3]Rosenberg J,Schulzrinne H,Camanilo G.SIP: Session initiation protocol.Internet RFC 3261, 2002.

　　[4]GB/T 28181—2011《安全防范視頻監控聯(lián)網(wǎng)系統信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》.2012.

　　[5]王文彬,龍明,趙永勝.電力視頻監控、會(huì )議電視融合系統探討[J].電視技術(shù), 2012, 36(5).

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第62頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。