基于复杂网络环境的数字远程监控系统设计

李玉亮

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050000)

0 引言

传统模拟监控系统存在数据量大、无法远程传送问题,严重影响网络数据传输速率和可靠性,而基于复杂网络环境的数字远程监控系统的设计和应用,可以解决以上问题,该系统综合运用数字监控技术、计算机多媒体技术等各种技术[1],并运用视频编码器,有效地提高视频编码质量,具有易于操作、实用性强、扩展性高等特点,完全满足用户使用需求。所以,如何科学地设计基于复杂网络环境的数字远程监控系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1 相关技术概述

1.1 流媒体传输技术

流媒体作为一种新型、先进的媒体传送工具,主要是指对多媒体数据进行编码处理,然后,利用互联网,对编码处理后的数据进行实时发送和传输。流媒体主要包含以下组成部分,分别是音频、视频等。流媒体传输技术除了可以直接用于对编码技术的研究外,还用于对传输协议的制定和研究。另外,在传输流媒体文件时,通常会用到TCP/IP、流媒体传输控制、媒体播放控制等协议,通过运用该协议,可以确保流媒体文件从网络服务器端安全、可靠地传输到指定的系统客户端,为实现对流媒体文件的有效保护打下坚实的基础。

1.2 数字视频网络传输技术

在应用网络视频监控模块时,借助视频流这一信息载体,可以保证视频传输的实时性和有效性,以达到远程化监控网络视频的目的。视频图像传输效果高低,对整个数字远程监控系统运行性能产生了直接性的影响。数字视频网络传输技术在具体应用时,通常对网络延时、错误率提出了更高的要求。首先,对于数字远程监控系统而言,其传输延时必须控制在150 ms以内,否则,会降低监控效果。其次,与非压缩数据流相比,网络错误率对压缩数据量通常表现出一定的敏感度,这就增加出错概率,此时,需要采用重新上传的方式,对其进行处理。

2 系统总体设计

2.1 系统框架设计

系统框架设计如图1所示,该系统主要包含以下两个层次:(1)软件控制层。软件控制层主要用于对视频采集流程、视频编码流程、网络传输流程的集中化、智能化、远程化控制,保证视频采集和传输的完整性和安全性[2]。(2)硬件控制层。硬件控制层主要负责对视频数据的采集、编码和传输,从而提高视频数据管理水平。

图1 系统框架设计示意图

2.2 系统运行环境搭建

2.2.1 硬件环境

在搭建系统硬件环境时,要严格按照如表1所示的硬件环境,重点设置应用服务器、数据库服务器、客户端机器在CPU、内存、硬盘方面的性能指标,避免因硬件性能指标设置不合理而影响系统运行性能。

表1 系统硬件环境性能指标

2.2.2 软件环境

在搭建系统软件环境时,要严格按照如表2所示,选用和配置合适的中间件、程序开发工具、数据库、开发工具、编程语言等工具,这为后期系统软件模块设计和实现提供良好的开发环境。

表2 系统软件环境

3 系统功能模块设计

为提高复杂网络环境的安全性和可靠性,保证数字远程监控系统功能强大性和实用性,技术人员应严格按照如图2所示的系统功能模块设计示意图,完成对以下功能模块的设计和实现。这些功能模块在实际设计中,所选用的开发工具和编程语言分别是eclipse、JAVA,整个web展示主要运用了三种技术,分别是JSP技术、Spring技术和Hibernate技术。

图2 系统功能模块设计示意图

3.1 用户登录模块设计

用户登录模块的设计,有利于实现对用户登录信息的有效保护,降低用户登录信息泄露风险。在设计该模块时,首先,要利用加密技术,对用户所提交的账号、密码进行加密处理,使其变为乱码,然后,将其传输到系统服务器中,由于该乱码可读性差,可以避免登录信息在传输期间被网络病毒、网络黑客恶意攻击和窃取[3],当系统服务器接收到客户端所传输过来的登录信息后,需要利用解密技术,对登录信息进行解密处理,使其从乱码转变为具有可读性的明文,然后,对比和分析登录信息是否与数据库所存储的信息相匹配,如果匹配成功,说明用户输入登录信息正确,系统会自动将登录成功页面呈现在用户面前,供用户使用。反之,说明用户输入的登录信息错误[4],需要重新核实和提交后,方可成功登录系统页面。

3.2 视频采集模块设计

视频采集模块在实际设计中,在真实化模拟摄像头的基础上,将视频帧率统一设置为24帧/s;同时,还要实时化、高速化切换视频状态,为用户提供视频移动监测服务体验,避免因视频信息丢失而引发一系列问题。视频采集流程图如图3所示。

图3 视频采集流程图

视频采集流程如下;首先,打开和启用视频设备,然后,科学地设置数据传输格式、所采集数据大小等芯片工作模式,当数据传输格式设置完毕后,启动和使用芯片,并做好对视频逻辑采集通道相关属性的科学化设置[5],同时,还要打开和启用逻辑通道,结合实际使用需求,将所采集好的视频信息安全可靠地传输到缓冲区中。如果缓冲区处于溢满状态,需要发送信号,启用图像处理程序,确保图像处理程序进入到下一个缓冲区中。如果缓冲区没有处于溢满状态,需要借助摄像头,继续进入到视频信息采集环节中,并将最终采集结果存储到缓冲区中。如果系统成功接收视频采集结束信号,可以立即关闭和停用视频设备,此时,整个视频采集流程全部结束。

3.3 视频编码模块设计

在数字化处理视频信息时,视频处理数据量不断增加,为保证视频通信效果,需要压缩处理视频数据。视频图像数据之间通常表现出一定的相关性,通过应用压缩技术,可以去掉冗余信息,降低不同数据之间的相关度。视频编码流程如下:启动和使用通信线程,自动化控制视频编码速度、视频启动状态等信息[6],并将所采集好的信息数据安全、可靠地传输到编码器中,由编码器负责打包处理码流数据,然后,利用网口,将相关数据安全、可靠地传输到客户端,由客户端对视频信息进行解码处理,如果码流发送效率较低,需要将码流数据安全、可靠地存储到系统数据库中。当客户端受到停止编码信号时,需要停止编码操作,此时,整个视频编码过程全部结束。

3.4 视频解码模块设计

对于监控客户端而言,要想实现对监控现场真实情况的实时管控,要解码处理互联网所传输过来的数据信号,然后,利用数字信号转变模块,将数字信号转变为模拟信号,并将解码处理后的数据信号呈现在用户面前。视频解码模块在具体设计时,要采用多线程方式,借助主线程,将码流安全、可靠地传输到解码器中。同时,还要利用辅线程,从解码器中,取出相应的解码数据[7]。在应用主线程时,要初始化处理解码器,并做好对解码器相关参数的有效配置。如果客户端接收到解码停止信号,需要停止解码操作,同时,还要做好对解码通道的销毁处理。

3.5 视频输出模块设计

视频信息经过解码处理后,需要应用Windows系统内置的DirectDraw组件,设计和实现视频输出模块。视频输出模块实现流程如下:首先,对DirectDraw组件进行初始化处理,同时,还要与窗口进行有效的绑定,保证输出效果[8]。其次,视频数据精确解码处理后,要做好对解码后视频数据的采集和整理,同时,利用DirectDraw组件,缩放和控制图像尺寸。同时,还要将采集好的视频数据复制、存储到DirectDraw组件中,并结合用户所提交的请求指令,将相关数据加载和显示在系统屏幕上。

4 系统测试

4.1 系统功能模块测试

在测试系统功能时,通过运用黑盒测试法[9],以“系统登录模块、系统提交模块”为例,设计相应的模块测试用例,并分析最终测试结果[10]。测试结果表明:该系统各个模块功能均能够正常运行,功能操作数据输入和输出结果均正确,完全符合预期。系统登录模块测试用例和系统提交模块测试用例分别如表3、表4所示。

表3 系统登录模块测试用例

表4 系统提交模块测试用例

4.2 网络优化测试

为更好地检验网络传输优化效果,需要对网络数据传输性能进行优化。同时,还要将图像分辨率、测试时间、编码码率分别设置为CIF、8 h、769 kbps。网络缓冲优化之后的性能测试结果如表5所示。

表5 网络缓冲优化之后的性能测试结果

从表5中的数据可以得出以下2个结论:(1)当缓冲区不断增加时,图像质量不断升高。(2)当缓冲区域不断增加时,延时越明显。

在握手协议的应用背景下,采用缓冲方式,获得如表6所示的握手协议缓冲优化之后的性能测试结果。

表6 握手协议缓冲优化之后的性能测试结果

从表6中的数据可以得出以下几个结论:(1)缓冲区不断增加,图像质量不断升高。(2)缓冲区不断增加,延时越明显。(3)在相同条件下,握手协议运用,有效降低丢包率。

5 结语

综上所述,在数字电视接入技术的迅猛发展下,基于复杂网络环境的数字远程监控系统的设计和应用,为用户提供视频传输功能和数据传输功能。本文重点介绍了系统主要功能设计与实现。首先,结合流媒体传输技术、数字视频网络传输技术应用原理,制定出系统总体设计方案。其次,详细阐述和研究了系统模块设计和实现流程。最后,制定出系统测试方案,并验证系统应用效果。由此可见,本文所设计的基于复杂网络环境数字远程监控系统具有较高的应用价值和应用前景,值得被进一步推广和应用。