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基于SIP的视频监控和电视会议的系统融合设计

gecimao 发表于 2019-05-15 06:53 | 查看: | 回复:

  系统作为独立的两个系统,对于很多有着较高需求的用户来讲存在着投入较多、维护复杂、资源共享困难等问题。本文提出一种基于两种功能统一为整体,有助于用户减少操作和提高效率,符合安防行业的发展需求。

  视频监控系统是安防系统的重要组成部分,可用于对重点区域或远程地点进行监视和控制,具有直观、事实、信息丰富、便于管理等特点。随着视频采集、网络传输、数据存储等技术的飞速发展,现今监控系统已经进入了网络视频监控的时代,其功能不断丰富,除实时情况的观察和记录外,还能够进行人群流量分析、面部和行为识别、车辆号牌识别、全景视频拼接等。前端一体化、传输网络化、处理数字化、系统集成化和管理智能化是视频监控系统公认的发展方向。

  电视会议有助于处于不同地点的多个用户通过通信设备和网络进行面对面交谈的会议。专业的电视会议系统可以为用户提供较为稳定安全的网络环境和可靠的音视频质量,适用于要求较高的政府机关会议、企业事业单位的商务视频会议等场合。

  随着经济发展和社会进步,人们的生活生产和公共安全所面对的挑战也变得更加复杂。在过去的很长一段时间里,为了实现较为完善的功能,很多用户需要同时部署包括电视会议和视频监控在内的多个系统,这会带来诸如投入浪费、维护复杂、资源难以共享、效率难以提高等多种问题。可视指挥调度系统的提出,意味着视频监控和电视会议系统的融合将成为一种趋势,这对于公共安全的加强和企业工厂大规模生产的安全管理有着重大意义。

  SIP(Session Initiation Protocol,会话初始协议)是IETF标准体系的一部分,是一个应用层协议,可以用来建立、修改和终止多媒体会话,可以在已建立的会话中方便地添加用户或者增加和删除多媒体。SIP可以动态调整和修改例如带宽要求、传输媒体类型、媒体编解码格式等会话属性,具有简单、易于扩展、便于实现等诸多特点,已经逐渐得到业界的青睐。现今市场上已经有多种支持SIP的软件和多媒体终端[1-3]。

  已经制定的GB/T 28181《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》规定了城市监控联网系统中的诸多标准,包括互联结构和通信协议结构、传输交换控制的安全要求、控制传输流程和协议接口等技术要求。GB/T 28181以SIP为核心协议,采用了SNTP、RTSP等协议,以及多种数字系统的传输标准、音视频和多媒体系统的编码标准和技术要求[4]。由此可见,SIP将在日后的安防系统建设中有着越来越广泛的应用。

  目前,安防市场上已经提出了多种融合方案。由于需要基于已有的视频监控和电视会议两类平台,其中部分方案采用第三方视频矩阵、融合网关等设备进行两个系统的互联。这种融合方案成本较低,实现较为简单,但系统整体性较差,多媒体数据由于经过多次传输和处理,在延时控制、音视频质量等方面表现不佳[5]。

  进行视频监控系统和电视会议系统的方案设计符合多媒体指挥调度系统的发展要求以及网络传输系统的发展趋势。本文将基于现有的SIP实用技术,进行统一的融合方案设计。

  统一融合方案以现有的视频监控系统为主体,对监控系统和电视会议系统进行有机整合,并能够在此基础上实现指挥调度功能。指挥调度功能有多种调度方式,包括点对点、单点对多点、多组并存、多组之间相互插入协调等方式,以实现上级用户对于下级现场的远距离、多层次指挥和调度,这有利于实现各级用户的快速决策和即时沟通,有助于提高应急处理效率。

  图1所示为融合系统的功能模块示意图。作为多点对多点连接、切换和广播的核心,MCU(Multipoint,多点控制单元)是电视会议功能中必不可少的一部分。在设计方案中,MCU可以以软件实现的方式,与整个融合系统的控制管理系统融为一体。监控客户端在实现服务器登录、设备列表获取、监控图像和监控录像获取、服务器和镜头参数配置等功能的基础上,和电视会议客户端结合成为一个软件整体,这有利于用户在同一客户端内实现现场情况的掌控以及实时决策和指挥,有利于工作效率的提高。上级和下级用户之间的权限差异可以采用不同等级的用户帐号进行区分。

  图2所示为系统互联结构示意图。得益于互联网的快速发展和移动互联网的高速普及,下级用户可以采用笔记本电脑、智能手机、平板电脑等设备进行现场的移动办公,可以进一步提高融合系统的适用工作环境和用户的工作效率。

  设计方案中的MCU采用软件方式实现。作为电视会议系统的中心控制设备,MCU起到多媒体信息交换的作用,可以进行多点呼叫和连接,实现视频广播、视频选择、音频混合、数据广播等功能。MCU应当布置在监控控制中心,在拓扑结构上处于星型网络的中心位置。MCU在功能上可以分为多点控制器MC和多点处理器MP,前者负责呼叫定位、路由控制、通信参数控制等功能,后者负责音视频流和数据流的交换、混合、处理等功能。具有最高权限的上级用于可以控制MC,采用SIP消息主动邀请终端加入已经建立的多点会议,或接受终端发出的加入会议的SIP请求消息。图3所示为两种会话建立方式的过程示意图。

  SIP在建立会话的过程中采用三次握手机制。会话呼叫的发起方采用INVITE请求建立会话,其INVITE消息中包含一个SDP会话描述协议以进行会话级、时间、媒体类型和格式等描述。如果被叫方同意建立会线 OK消息进行响应,消息的SDP中列出被叫支持的一系列参数,主叫会再次发送ACK请求来证实已经收到被叫方发送的200 OK响应。当会话完成后,其中一方可以发送BYE请求,而对方会以200 OK响应,会线所示为融合系统的工作过程示意图。融合系统的终端内集成SIP UA、RTSP端、多媒体播放等功能模块,其中RTSP端由编码器、解码器、播放器等构成。用户还可以通过融合终端进行MCU控制、服务器配置、云台控制、镜头参数配置、录像计划管理、多媒体数据导出等操作,可以根据自己的实际需求进行传统的视频监控和电视会议,也可以在紧急或重大事件发生时进行多功能指挥调度。当需要启用多点会议并进行指挥调度时,用户可以使用终端中的SIP模块和服务器中的MCU模块建立会话,拥有最高权限的上级用户也可以操控MCU邀请其他用户或准许其他用户加入多点会议,会话建立方式如上文所述以及图3所示。建立多点会议之后,各个终端对于流媒体的控制交由RTSP端,并将多媒体流以及控制数据等传递给MCU,MCU可以将数据传递给流媒体服务器进行压缩、存储等处理,可以将数据按上级用户配置发送给各个后总段。当与会用户需要获取现场监控视频时,可以向统一控制平台发出请求,监控前端收到信息后将视频流发送给流媒体服务器,并经由MCU以单播、组播、广播等方式提供给相应与会用户。在融合终端中,用户可以将多个会议视频和监控视频进行任意组合、排列和切换,以提高工作效率。

  QoS(Quality of Service,服务质量)是指多媒体网络利用各种基础技术,为网络通信提供更优秀、更安全的服务能力,包括用来解决网络延迟和阻塞等问题的一系列技术。未来的多功能指挥调度系统将应用于公共安全、大规模生产、突发事件应对等场合,具有规模大、距离远、层级多等特点,并将面临大量用户同时接入和多路高清视频同时传输等挑战。这不仅要求统一融合系统的多种设备的互联和多种功能的实现,而且对QoS控制有着很高的要求。本文主要采用拥塞控制和差错控制两种方式保证融合网络的QoS。

  对于传输过程中的网络拥塞,除了在硬件基础上改进现有网络以实现更高的传输带宽,有效控制传输速率也十分重要。在多媒体网络中,音视频多媒体占据了网络传输中的大部分数据信息。为了有效控制网络拥塞,需要根据实际需要进行速率调整,以取得传输质量和速率的平衡。在传输前端发送给与会用户音视频信息时,为了保证用户对现场情况的准确和有效掌控,需要保证较高的多媒体质量,而对于用户之间的沟通交流,可以根据网络性能对传输质量进行适当调整,以有效利用带宽、加强系统适应性。同时,高性能的视频编解码技术可以在保证视频质量的前提下有效降低对于传输网络的带宽要求和时延。H.264标准作为新一代数字视频编码标准,具有码率低、图像质量高、容错能力强、网络适应能力强等特点,目前已经在众多领域得到了广泛应用。然而随着多媒体技术的发展和用户需求的提高,更高清晰度的视频文件将会在不远的将来得到普及,这对于编解码技术、数字存储技术和网络传输技术将会是巨大的挑战。目前ITU已经制定了新的H.265视频编码标准,旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频,并支持超过1080P的超高清视频。对最新的视频编解码技术进行研究和更优秀的算法设计,对于提高包括融合系统在内的多媒体通信网络的QoS有着巨大的帮助。

  对于网络传输中出现的误码、丢包等现象,为降低对视频质量的影响,需要进行一定的差错控制,以提高传输正确性和有效性的技术。差错控制包括差错检测、前向纠错和自动请求重发。由于融合系统在使用过程中有很高的实时性要求,因此可以考虑采用选择性重传的方式进行差错控制。图5所示为选择性重传的流程示意图。发送端可以将多媒体数据封装成包并加入根据特有规则生成的识别代码,在发送给接收端的同时进行一定时间的暂存。而接收端在收到数据包后对识别码进行分析,一旦发现丢包或误码出现后,立即向发送端请求重传。由于实时性的要求,发送端的暂存和接收端等待重传都有一定的时间限制,当超出时间限制后接收端将不再等待重传并继续处理流程。接收端可以增加一定的分析和差错处理机制,在多媒体数据损失较小的情况下可以自行处理而无需重传,以提高效率、节省网络资源。

  本文提出了一种基于SIP的视频监控和电视会议的系统融合方案。方案中包含了系统的功能框架、互联方式以及一些关键功能的实现方式,并提出了QoS控制策略的一些实施方法。该方案在现有监控系统和电视会议系统的基础上进行整合,有利于用户在指挥调度时有效地进行交流和磋商,有利于维护公共安全,符合安防系统的发展需要。

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