视频可移动监控系统的主要设计任务
本系统是基于网络的一个远程视频监控系统，该系统是传统的监控系统与现代计算机网络技术，计算机多媒体技术，计算机图形图像技术的有机结合。在系统的实现过程中涉及到的技术包括视频图像的采集，压缩，视频传输技术以及相关的网络协议TCP/IP，Socket编程，VFW编程，DX编程，计算机图像处理等。
本课题是基于数据流传输，硬件系统二次开发的设计。通过毕业设计可以让自己熟悉网络化信息系统开发平台的开发及其搭建，掌握计算机图像处理，掌握一种网络程序设计技术和硬件的二次开发技术。以下是系统功能框图：
图1-1  毕业论文系统功能框图
第2章 可移动监控系统的图像采集分析与系统设计
2.1  系统体系结构
一个比较典型的远程监控系统，它涉及到远程监控现场构成，监控中心构成，视频进入计算机网络，视频图像传输，现场及远程多点控制等多方面内容。一般远程监控系统包括本地和远程监控两部分，由远程监控现场和监控中心组成，在远程监控现场和监控中心之间通过网络通信线路连接。其典型的结构如图2.1所示
图2-1  典型远程视频监控系统的体系结构
在每个远程监控现场均有若干摄像机。摄像机的镜头，云台可控，并可加装传感器，警灯，警号等外围报警设备。每个监控现场由一台配置相对较好的计算机作为基本监控中枢，内含视频采集压缩卡和视频服务软件。它对监控现场的视频图像进行实时播放，实时采集及实时存储，同时还要向监控中心发送实时图像。还可以控制该现场的摄像机切换，镜头，云台动作，及处理报警信息等。同时它也能接受监控中心发送的控制命令，并执行响应的操作。
监控中心由一台或多台配置相对较高的监控主机组成。在监控中心可以任意对各个现场实行实时监控。它既可以完成对远程现场视频图像数据的实时接收，播放，存储及控制该现场的摄像机切换，镜头，云台动作，又可以接收处理各现场的报警信息。监控人员将在监控中心完成对远程监控现场的监控工作，以及设备报警进行处理。
主机，视频采集压缩卡，视频图像发送软件与主控软件，构成了远程监控现场中心单元，摄像机及音频，报警采集器为前端采集单元，网络工作站及监控中心接收控制软件为用户接收单元，各部分协调工作，形成有机而完整的现代化远程视频监控系统。
2.2  功能分析
该毕业论文系统采用服务器(发送端)/客户机(接收端)结构
1． 服务器(发送端)
(1)播放视频文件。
(2)采集视频文件。
(3)实时发送文件。
2.客户机(接收端)
(1)接收请求。
(2)接收并播放。
(3)窗口设置。
视频数据处理模块运行在监控现场的客户端主机上，主要是实现视频数据的实时采集和动态存储，视频图像的实时播放以及视频文件的播放控制。
    视频数据发送模块运行在监控现场的客户端主机上，负责对视频压缩卡的网络发送进行管理，并在计算机网络中组播发送视频流，使网络上的其他计算机可以通过软件接收视频信号。
    视频数据接收播放模块作为视频数据发送模块的接收端，独立运行在服务端主机上，它接收视频流加以保存并实时播放显示。
视频数据发送和接收的具体过程如下：客户端先启动，并一直处于监听状态，当服务器端请求数据时，它首先向相应的客户端发出数据请求，客户端在接收到请求后将它的IP组播地址和端口号传给服务器，服务器收到后，再向客户端发回确认信息，同时加入该组播组，等待接收数据。客户端收到确认信息后向该组播组发送视频数据。视频数据流在该系统中的流程如下图所示。
图2-2   视频流流程图
2.2.1  视频采集分析
目前，毕业论文图像压缩编码方法繁多，发展也相当迅速，经典编码方法如Huffman编码、算术编码、预测编码、变换域编码等。考虑到人的视觉感知特点与统计意义上的信息分布并不一致，引出了所谓“感知熵”理论，同时伴随着数学理论，如小波变换等以及相关学科的深入发展，产生了现代编码方式，又称分析与综合方法[2]。基于以上两种编码方法，根据不同应用目的而制定的各种图像压缩编码的国际标准相继被推出。
    归纳起来，主要有H.261、H.263、H.264建议，JPEG标准以及MPEG.1、MPEG.2、MPEG.4标准等。MPEG标准尚有MPEG－7、MPEG－21等。MPEG.1/2/4是系统级的标准，它们不仅有视频编码，也有音频编码和系统层的协议内容，包含复用和同步时基等。而H.261，H.263只是一个视频编码标准，必须与其它相关的国际标准和建议相配套。
    视频是流特性业务，数据量很大。如未经压缩的PAL制式CIF格式的真彩色视频，其RGB数据至少需要352*288*3*8*25=58.01Mbit/s.在远程视频监控系统中既要对视频图像进行存储和检索，同时又要在网络上进行传输，对如此大数据量的视频如果不进行压缩，无论是存储，检索还是在网络上传输都是不太可能的。因此数字视频必须进行压缩[3]。
关于视频压缩的算法和标准很多，其中ISO与IEC联合制定的MPEG系列和ITU_T的H.XXX系列标准占视频压缩编码技术的主导地位。常用的视频压缩方法有MPEG.1，MPEG.2，MPEG.4，H.263等，另外ISO和CCITT为静态图像制定的JPEG数字图像压缩标准，（也广泛运用于压缩图像序列视频），如表3.1所示。以上算法各有优势，对于不同的信道可采取不同编码方案，以满足远程监控的需求。对于10/100MB的局域网和EI通道，可采用MPEG1；对于ISDN和DDN，采用H.263；对于PSTN，采用H.263或低码率的MPEG4；如果对图像质量要求较高，对连续显示要求不高时可以采用CIF或QCIF格式的M_JPEG，其他通道具体情况具体分析。
表2-1  视频压缩编码标注比较
编码标准 CIF图像压缩后数据率范围/Mbit/s 解码单元 抗信道干扰能力 图像性能 视频数据丢失对视频质量的影响 适用范围
MPEG.1 0.4~1.5 图像组 很差 好 很大 2MB以上带宽的稳定通道，LAN,VCD
MPEG.2 >4 图像组 较差 很好 较大 宽带网络、有线电视、DTV、DVD等
MPEG.4 特宽数据码率 视频对象 强 与码率有关 小 交互式多媒体系统及各种基于对象的应用
M.JPEG 2.0～8.0 帧 很强 较好 很小 各种不同速率信道，如PSTN等
H.263 0.2～0.5 帧 较强 一般 一般 64KB以下信道
尽管不同的厂家采用了不同的图像压缩编码方式，但从以上的分析可知，MPEG标准是针对活动图像的专用通用编码，因此图像远程监控采用MPEG标准具有先天的优势。实用系统中，当网络应用环境变化比较大时，多选用容错性最强、自适应性强的MPEG标准（MEPG.4Part2,MPEG.4Part10=H.264），既可用于压缩高画质的图像，又可用于压缩低画质的图像。而在网络应用环境良好时（大于2Mbps），则可用MPEG－2标准，以达到传送高画质图像的目的。
    具体作为图像压缩的解决方案，CCD摄像机输出的模拟视频信号送入视频服务器(IPEncoder)的视频捕获卡，进行视频采样、A/D转换，将模拟视频信号转成数字信号。之后送入计算处理单元进行MPEG压缩，最后将压缩后的数字视频信号送入网络接口，经网络传送至远端，如图3.1
 
                          图2-3  图像压缩的实现
2.2.2  视频传输方式选择与比较分析
1. 传输网络
视频图像的传输质量直接影响系统的监控质量，在设计远程监控系统时，要充分考虑传输网络的因素。在选择传输网络时，应考虑以下几个因素：
    数字视频信号虽已经过压缩，但数据量还是很大，特别是当几路视频信号同时在网络上传输时，大量的数据传输会使得传输网络变得拥挤，而这会必然造成数据的延迟及丢失。这就要求传输网络的带宽要高，一次能传输大量的数据。
    因为传输的视频信号的数据量很大，故一般选用效率高的UDP协议传输视频信号，UDP是无连接的，不可靠的协议，所以要求传输网络的可靠性要高
综合考虑以上因素，可以选择LAN,DDN（数字数据网），ISDN(综合数字业务网)，SDH数字通信网，ATM,PSTN（公共交换电信网）等传输网络。这些传输网络都可以提供较高的带宽，速率和高的可靠性[6]。
2.网络传输协议
这里的网络传输协议主要是TCP/IP,TCP/IP分层模型如图3.2所示。                   
应用层
可靠数据流 用户数据包（UDP）
网际层
网络接口层
图2-4  TCP/IP协议分层模型
    在TCP/IP分层模型中，传输层建立在IP层之上，包含两种传输协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。TCP是面向连接的传输协议，在传输数据前，必须在发送方和接收方间先建立通信通道，它拥有重传机制和拥塞控制机制，提供高可靠性的服务。而UDP是无连接的数据报传输，它不需要建立连接和撤消连接，而直接把数据送到接收端，并且还取消了重发校验机制，能够达到较高的通信速率。所以UDP的主要特点是传输的高效率，但可靠性较底。一般情况下，TCP和UDP工存于一个往中，前者提供高可靠性服务，后者提供高效率服务，高可靠性的TCP用于对传输质量要求较高的情形，如文件传输，远程登录等；高效率的UDP用于对传输效率要求较高及网络的可靠性较高的场合，如实时的语音图像传输。
视频图像传输的数据量很大，并且对监控系统来说，用户对图像传输的实时性要求很高，如果选用可靠性很高的TCP，会因为TCP的建立撤消连接，确认和超时重传等很多保证可靠性的措施而大大降低传输的效率，这会造成图像传输很大的延时，失去实时监控的意义。而选用高效率的UDP，由于取消了重发校验等机制，能够达到较高的通信速率，虽然也许会出现少量的丢帧现象，但对数据量很大的视频图像的影响并不是很大，用户可以接受。并且，随着网络传输技术的发展，出现了很多可靠性很高且传输很快的网络，如DDN专线等，基于UDP的网络应用在这种网络上会运行的很好，弥补了UDP的不足。
2.2.3  视频图像传输技术方案的选择
组播也称为“多点传送”或“多播”。在IP协议下，组播是广播的一种变形。IP组播要求对收发数据感兴趣的所有主机加入一个特定的主机组。主机组是能够接收发往一个特定组播地址数据的主机集合。当加入组时，网卡上会添加一个过滤器，这样，只有绑定组地址的数据才会被网络硬件拾起，并上传到网络堆栈进行适当的处理。对同一次多点传送，组播数据报被传送到其目的主机组的所有成员，传送的数据包同常规单点传送的IP数据包一样可靠。另外，主机组的成员是动态的，也就是说，主机组中的成员可以随时加入或离开主机组，主机组中成员位置上和数量上都没有限制。一个主机可以同时是一个以上主机组的成员；一个“主机组”可以在一个物理网络上，也可以跨越多个物理网络，既组播既可以用于局域网，也可以广域网。
    IP组播要求有底层物理网络的支持，支持IP组播的硬件技术为组播传送保留了一组硬件地址，组播的每一组从中选择一个作为本组的组播地址，然后对组内各机器的硬件接口进行配置，使它们能识别该地址。假如硬件支持组播传送，则IP组播地址映射到物理组播地址后，便可以在物理网里直接进行组播传送，否则只能利用硬件广播甚至IP广播能力完成IP组播传送。
    毕业论文IP组播地址即是IP地址中的D类地址，地址的最高四比特为“1110”，所以多播地址范围为：224.0.0.0－239.255.255.255，其中224.0.0.0是保留地址，不分配；224.0.0.1也是保留地址，代表“全主机组”。“全主机组”指本地网上参与多播的所有主机和网关。每一个“主机组”都拥有一个唯一的多播地址，多播地址只能作为信宿地址使用，而不能出现在任何信源地之中。
对于远程视频监控系统，视频数据的传输一般选用UDP协议，而采用UDP的IP传送方式有单点传送，广播传送，组播传送三种方式。单点传送是一对一的，即每次传送的数据只能被一台主机接受。广播传送是一对多的传送，即广播的数据将同时传送到局域网内的所有主机。而由上面介绍的IP组播技术知道，IP组播虽然和广播一样，也是一对多的传送方式，但接收端往往不是一个局域网内的所有主机，而是那些对收发数据报感兴趣的主机，传输端通过一次传输就可以将信息同时传送到一组接收者；因此，采用IP组播技术可以有效地减轻网络负担，避免网络资源的浪费。此外，由IP组播技术一台主机可以同时加入一个或多个组播组的特点，可以实现监控中心同时对多个现场的监控。由此可见，利用IP组播技术可以很方便地实现多点传送功能，并且还可以实现广域网的通信，这比较符合视频监控系统多点，多机监控，跨局域范围的远程监控的要求[5][10]。