CN101198034A - 一种网络视频监控系统及其数据交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提出一种网络视频监控系统及其数据交换方法，它通过在视频监控系统中设置视频编码服务器，完成视频数据的获取，通过设置视频数据分流服务器，实现视频数据分流，通过设置管理服务器实现对视频编码服务器和视频数据分流服务器的管理。通过该方法可以解决由于视频监控系统中用户数量增多和网络摄像机增多导致单一视频服务器负载过重的问题，并具有良好的扩展性，实现了大规模、可管理的视频监控方式。

Description

一种网络视频监控系统及其数据交换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种监控系统及其数据交换方法，具体涉及一种网络视频监控系统的数据交换方法。

背景技术

随着相关技术的发展，全球可达、开放互通、标准统一的大规模运营级照明系统的视频监控服务正在成为新的发展需求。

现有的计算机网络大都以IPv4为主。由于IPv4协议设计上的缺陷，IPv4地址已经接近告罄，其地址资源远远不能满足全球终端设备增长的需要。在一个大规模的照明视频监控网络中，终端摄像设备的数量可能很多，且每个终端都需要有各自的IP地址来执行数据传送以及场景监控的功能，这些都是现有IPv4网络所无法支撑的，IPv4网络也无法保证可扩展性和实现端到端的访问。另外，在IPv4网络环境下部署如此众多视频设备时，各个视频设备终端的IP地址和网关都需要手工配置，劳动强度和速度根本不能适应大规模摄像机网络的运营要求。

基于此，现有的网络远程照明监控系统存在多种局限：1)由于公众运营级照明设备监控系统的出现，导致网络上的监控设备急剧增加，现有的IPv4技术无法为每个网络视频监控设备分配全球唯一的IP地址，以便能够使每个PC终端通过互联网随时、随地访问该视频监控设备。2)配置复杂，不能适应大规模照明网络监控系统的运营要求。3)在公众运营级照明设备监控系统中安全性得不到保障。4)通信标准不统一，各设备之间不能实现互连互通。5)使用复杂，易用性能差，不便于普及。6)无法保障移动性。

IPv6是“Internet Protocol Version 6”(互联网协议第6版)的缩写，换句话说，IPv6就是下一代互联网NGI(Next Generation Internet)协议。作为发展方向的IPv6的主要优势是：扩大地址空间、提高网络整体吞吐量、改善和保证服务质量QoS、安全性能高、支持即插即用和移动性、能够更好地实现多播功能。

基于IPv4本身的不足和IPv6的强大优势，IPv6正可用于新型视频监控设备的发展方案中，实现PC终端通过服务器，对远端视频设备发回数据的处理和对计划行程的控制。

照明监控系统的应用越来越广泛。同时，也就对监控系统的网络模型的研究提出了更高的要求，本文研究针对引入IPv6技术的新型照明监控系统的开发，将对IPv6技术在技术层次上的应用和新型视频场景监控系统的构建理念的提出具有深远的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种网络视频监控系统及其数据交换方法，它通过在视频监控系统中设置视频编码服务器，完成视频数据的获取，通过设置视频数据分流服务器，实现视频数据分流，通过设置管理服务器实现对视频编码服务器和视频数据分流服务器的管理。通过该方法可以解决由于视频监控系统中用户数量增多和网络摄像机增多导致单一视频服务器负载过重的问题，并具有良好的扩展性，实现了大规模、可管理的视频监控方式。

本发明一种网络视频监控系统及其数据交换方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

步骤1：视频编码服务器向管理服务器发送数据源注册消息完成注册；

步骤2：视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据，并缓存；

步骤3：视频数据分流向管理服务器发送分流节点注册消息完成注册；

步骤4：视频数据分流服务器定期发送状态更新消息，更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

步骤5：用户向管理服务器提供用户名密码，完成用户认证；如果认证通过，则进行下一步骤，如果认证失败，则本次操作失败。

步骤6：用户向管理服务器发送视频数据请求消息，请求特定网络摄像机的视频数据；

步骤7：管理服务器根据调度策略选择一个视频数据分流服务器，通知该视频数据分流服务器从相应的视频编码服务器获取视频数据；

步骤8：视频数据分流服务器从视频编码服务器获取视频数据；

步骤9：视频数据分流服务器更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

步骤10：管理服务器根据调度策略选择可用的视频数据分流服务器，将可用的数据流服务器列表发送给用户；

步骤11：用户根据选择策略选择一个视频数据分流服务器，并连接至该视频数据分流服务器，获取视频数据并显示。

所述步骤2的视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据后，采用视频数据缓存结构保存视频数据。视频数据缓存结构包括：标志字段、时间字段、序号字段、间隔字段和图像数据字段组成。

一种网络视频监控系统，由分流服务器、编码服务器、调度管理服务器和摄像机组成。编码服务器，完成视频数据的获取，通过设置分流服务器，实现视频数据分流，管理服务器实现对视频编码服务器和视频数据分流服务器的管理。

编码服务器将摄像机获取的原始数据进行编码，转换为适合在网络中提供视频服务的格式，以该格式视频服务器的形式向网络提供服务。

分流服务器将获取的每路视频流进行缓存，提供给多个用户使用，在有限的带宽和服务器运算能力下，扩大视频流的用户数量。分流服务器以和用户等同的形式获取视频流，将数据原样下发。在多级分流的情况下，允许分流服务器级联，并在每级都允许用户存在。

调度管理服务器根据所请求的视频流推荐状况良好的视频源；管理器接受拓扑变更请求，维护拓扑的更新。

本发明一种网络视频监控系统及其数据交换方法的优点在于：

(1)可扩展性：当有更多的网络摄像机加入到系统中导致现有系统负载过重时，只需要在系统中添加相应的视频数据分流服务器就可以降低系统负载，从而实现系统的扩展。

(2)安全性：支持内嵌的IPSec安全协议，可充分利用IPv6与IPSec紧密结合的特点，保证传输的安全性和私密性，实现标准的安全性支持，同时利用。

(3)配置方便：利用IPv6协议的自动配置能力，自动配置各个终端的IP地址和网关，即插即用，极大地方便了用户的配置，使得部署众多监控设备、系统大规模运营成为现实。

(4)适应性：具有IPv4/IPv6双协议栈，能自动适应网络状况；当IPv6可用时，优先使用IPv6传输数据，解决了照明控制系统中由于照明设备通信协议不同而造成的照明设备无法统一监控的问题。

附图说明

图1为本发明一种网络视频监控系统的系统结构图；

图2为本发明一种网络视频监控系统的分流拓扑用树形结构；

图3为本发明一种网络视频数据交换方法的视频数据缓存结构；

图4为本发明一种网络视频监控系统的视频调度管理服务器和视频客户端的交互示意图；

图5为本发明一种网络视频监控系统及其数据交换方法的视频数据缓存结构；

图6为本发明一种网络视频数据交换方法的分流服务器加入分流网络的示意图；

图7为本发明一种网络视频数据交换方法的视频数据分流服务器定期发送状态更新消息的示意图；

图8为本发明一种网络视频数据交换方法的分流服务器退出分流网络主动申请退出的情况示意图；

图9为本发明一种网络视频数据交换方法的分流服务器退出分流网络主动申请退出的情况示意图；

图10为本发明一种网络视频数据交换方法的客户端申请视频服务的示意图；

图11为本发明一种网络视频数据交换方法的本地策略决定接受请求流程的示意图；

图12为本发明一种网络视频数据交换方法的客户端结束视频服务的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的目的在于提出一种网络视频监控系统及其数据交换方法，它通过在视频监控系统中设置视频编码服务器，完成视频数据的获取，通过设置视频数据分流服务器，实现视频数据分流，通过设置管理服务器实现对视频编码服务器和视频数据分流服务器的管理。通过该方法可以解决由于视频监控系统中用户数量增多和网络摄像机增多导致单一视频服务器负载过重的问题，并具有良好的扩展性，实现了大规模、可管理的视频监控方式。

一种网络视频监控系统，如图1所示，视频负载均衡系统采用动态分流服务器的设计方案，由一个静态调度管理服务器负责维护该动态分流网络的拓扑信息。系统的分为如下部分：

编码服务器：为视频服务提供视频数据源。将摄像机获取的原始数据进行编码，转换为适合在网络中提供视频服务的格式，以该格式视频服务器的形式向网络提供服务。

分流服务器：将单路视频流分享给多个用户使用。将获取的每路视频流进行缓存，提供给多个用户使用，在有限的带宽和服务器运算能力下，扩大视频流的用户数量。分流服务器以和用户等同的形式获取视频流，将数据原样下发。在多级分流的情况下，允许分流服务器级联，并在每级都允许用户存在。

调度管理服务器：为视频请求推荐视频源。视频源可以是分流服务器、视频编码服务器、或支持视频服务的摄像机。调度器根据所请求的视频流推荐状况良好的视频源；管理器接受拓扑变更请求，维护拓扑的更新。

摄像机、视频编码服务器在系统中作为视频流的起点。在视频分发的过程中，从摄像机获取的视频流首先在视频编码服务器中进行处理，在继续向下的传输中，不作数据格式的转换。

摄像机/视频编码服务器在系统中的角色为视频分流的起点，如果将单个视频流的分流拓扑用树形结构表示，摄像机/视频编码服务器对应树的根节点，如图2所示，分流服务器对应根节点以下的各分支节点、叶节点，用户对应叶节点。

为了支持最大限度的灵活性，在分流树的级间通信中统一使用了对等的通信协议，即分流树中的每个节点，不用考虑其角色，统一采用一套通信协议，即对上层节点统一视频请求协议，对下层节点统一视频服务协议。

本发明一种网络视频数据交换方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1：视频编码服务器向管理服务器发送数据源注册消息完成注册；

当摄像机/视频编码服务器加入分流网络，即我们获取了新的分流根节点，这个拓扑更新将会生成报告，通知调度管理服务器维护新的拓扑结构。调度管理服务器中，拓扑结构通过两类数据维护。包括：

视频源点拓扑：视频源点的标识ID、设备参数、部署场景描述、已建立连接数等。

视频分流点拓扑：视频分流点的标识ID、分流点的负载能力参数、分流点拥有的视频流源点ID列表、每个视频流已建立连接数等。

如图4所示，视频调度管理服务器接受加入、删除视频源的请求，并更新这些数据结构。对于数据源的加入请求，在视频源点拓扑中增加新的视频源点；对于数据源退出的请求，在视频源点拓扑中删除该视频源点，并级联删除拥有该视频数据的分流服务器在拓扑中的记录。调度管理服务器可以选择向级联的分流服务器发送视频源失效报文，提示分流服务器该视频流已经结束，开始相关资源的释放工作。

视频源信息作为分流拓扑的一部分，在管理调度服务器上维护。当视频源加入、离开分流网络时，向管理调度服务器提出申请。

申请加入消息格式：

■消息类型：Source_EnterNetwork

■消息长度：变长

■消息参数：

◆视频源ID：长度固定的全局唯一标识，最终格式根据实际情况确定。

◆视频源访问地址：以命令方式管理视频源设置时的访问地址。

◆视频源描述：长度可变的视频源描述信息。其他属性所不能描述的视频源特性，应在这里描述。

◆视频源最大并发连接数：设备正常负载情况下允许的最大并发连接数。

◆该视频源提供的视频流信息组：该视频源可以提供的视频流信息集合，可以包含零至多个视频流。每个视频流信息包含：

●视频流ID：视频流的全局唯一标识，最终格式根据实际情况确定。

●视频流访问地址：按照视频内容所遵循的传输协议访问该内容的访问地址。

●视频流描述：描述视频内容，用户选择视频流的依据。

●传输特性描述：数据流量需求、缓冲大小需求、相应时间及超时时间需求。

●播放特性描述：客户端播放器的功能需求、客户端资源需求。

申请退出消息格式：

■消息类型：Source_LeaveNetwork

■消息长度：变长

■消息参数：

■视频源ID：长度固定的全局唯一标识，表示有退出意愿的视频源ID。

■退出原因描述：可选。

■退出分流网络的视频流信息组：包含零至多个欲退出分流网络的视频流信息集合。

◆视频流ID：退出分流网络的视频流ID。

◆退出原因描述：可选。

步骤2：视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据，并缓存；

视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据后，采用视频数据缓存结构保存视频数据。如图5所示，视频数据缓存结构包括：标志字段、时间字段、序号字段、间隔字段和图像数据字段组成。其中：

标志：0原始图像；1：和上一帧的数据一致；<0：数据可能有错误。

时间：图片的时间戳。

序号：视频图片序号。

间隔：原始图像帧最多间隔多少帧出现完整的原始图像。

首先获得M-JPEG图像数据；

之后对该图像数据计算Hash值；

将该图像的Hash值与上一图像的Hash值进行对比，如果Hash值相等，则说明两幅图像为同一图像，将标志位填写1，图像数据字段填写0；

如果Hash值不相等，说明两幅图像有差别，则标志位填写0，将数据填充至图像数据字段；

填写时间字段，时间字段的内容为服务器当前时间；

填写序号字段，序号字段为递增整数；

填写间隔字段。

步骤3：视频数据分流向管理服务器发送分流节点注册消息完成注册；

分流服务器作为创建副本的节点，在开始分流某个视频流前，首先通知管理调度服务器它意愿加入分流网络，正在等待分配视频流。该加入网络通知的具体流程描述如下：

当分流服务器加入分流网络，首先通知调度管理服务器，发送一个标准状态更新报文，如图6中步骤1所示。调度管理服务器收到该报文，修改全局视频分流点拓扑，如果尚未记录该分流服务器，则添加关于该分流服务器的记录，如图6中步骤2所示。

分流服务器加入网络申请消息格式：

■消息类型：Node_EnterNetwork

■消息长度：变长

■消息参数：

◆分流服务器ID：分流服务器全局唯一标识。

◆分流服务器访问地址：

◆分流服务器描述：

◆最大并发连接数：

◆当前连接数：

◆服务器网络资源描述：

◆服务器计算资源描述：

步骤4：视频数据分流服务器定期发送状态更新消息，更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

分流服务器加入分流网络后，应定期向调度管理服务器报告自己的状态，如图7中步骤1所示。最大报告间隔应该小于调度管理服务器允许的最大无响应周期。在调度管理服务器的拓扑有效性维护策略中，如果某分流服务器超过最大无响应周期未提供状态更新报文，则认为该分流服务器失效，并触发资源回收和分流节点的失效消息向子节点扩散。

分流服务器退出某分流网络有两种情况：主动申请退出和意外退出。

主动申请退出指分流服务器运转正常，由资源所有者或者系统管理员发出的资源回收命令引发的操作。主动申请退出的流程如图8所示，分流服务器向调度服务器发送申请退出的消息，如图8中步骤1。调度服务器根据该消息更新拓扑结构，如图8中步骤2。拓扑更新后，调度服务器可向该分流服务器相关节点扩散该离开网络的消息，如图8中步骤3(可选)。

意外退出指分流服务器出现网络或系统故障导致的意外失效，如图9所示。假设在某一时刻，分流服务器出现故障，如图9中步骤0。在调度管理服务器，通过上一次更新报文的时间判定分流服务器是否已失效，如果超过最大更新报文间隔未收到更新报文，调度管理服务器可以判定该分流服务器已经失效，如图9中步骤1。当调度服务器根据该失效消息，更新本地拓扑结构后，将消息扩散到相关节点，如图9中步骤2(可选)。

其中，调度服务器的拓扑更新过程详细描述如下：当调度管理服务器判定一个分流服务器失效，首先触发本地资源回收操作，从全局分流点拓扑中撤销该分流服务器为根的子树，并将该子树移动到资源回收区。在回收进行时，回收进程遍历该子树，向各节点发送视频源已失效的报文。当收到该报文，试图接收视频数据的子节点可以确定该源已失效，从而开始客户端的资源回收或重新申请视频源的操作。

分流服务器申请退出分流网络的消息格式。

■消息类型：Node_LeaveNetwork

■消息长度：变长

■消息参数：

◆申请离开网络的分流服务器ID：

◆离开原因：可选。

步骤5：用户向管理服务器提供用户名密码，完成用户认证；如果认证通过，则进行下一步骤，如果认证失败，则本次操作失败。

步骤6：用户向管理服务器发送视频数据请求消息，请求特定网络摄像机的视频数据；

步骤7：管理服务器根据调度策略选择一个视频数据分流服务器，通知该视频数据分流服务器从相应的视频编码服务器获取视频数据；

步骤8：视频数据分流服务器从视频编码服务器获取视频数据；

步骤9：视频数据分流服务器更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

步骤10：管理服务器根据调度策略选择可用的视频数据分流服务器，将可用的数据流服务器列表发送给用户；

步骤11：用户根据选择策略选择一个视频数据分流服务器，并连接至该视频数据分流服务器，获取视频数据并显示。

用户/分流服务器作为客户端申请视频服务分为服务定位和视频获取两个阶段。

●服务定位：向位置固定、全局可知的调度管理服务器发出视频服务申请，表明申请的视频资源ID，申请参数等，如图10中步骤1。调度管理服务器根据本地的资源拓扑，按服务质量从高到地生成一个可生成该视频内容的分流服务器列表，如图10中步骤2。调度管理服务器将该列表回复给请求端，如图10中步骤3。

●视频获取：客户端获取服务器列表后，逐项遍历该列表，试图从服务器获取资源。客户端首先选定一个分流服务器，并发起获取数据的请求，如图10中步骤1。如果分流服务器允许接入该客户端请求，即开始视频数据传输，如图10中步骤2。若分流服务器接受该请求，分流服务器组织本地资源与该客户端按视频服务协议进行通信，并将该连接状态以更新报文的形式发送给调度管理服务器，如图10中步骤3。本系统默认使用不具数据索引的获取方式，即客户端固定从一个服务器获取连续数据。客户端的资源获取模式可以选择多服务器的并行模式，但要求客户端自行维护数据索引。

当分流服务器收到视频服务请求时，可以根据本地策略决定是否接受该请求，流程如图11所示。当分流服务器收到步骤1所示的客户端请求时，可以根据本地资源情况，拒绝该请求，如图11中步骤2。请求被拒绝后，客户端继续遍历所获取的服务器列表，如图11中步骤3，4。

下面描述了用户、分流服务器作为客户端请求视频资源的通信消息格式。视频数据请求包括两个过程：服务定位过程，视频获取过程。

服务定位过程：包括请求服务地址消息，和该请求的应答列表。

请求服务地址消息格式如下：

■消息类型：Client_RequestService

■消息长度：变长

■消息参数：

■所请求的视频内容ID：

■请求客户端标识：

■服务器选择约束条件：零至若干约束条件

◆约束对象：

◆约束条件：

◆约束优先级：

◆是否可忽略：

请求服务器地址消息的应答列表格式如下：

■消息类型：Server_ResponseServiceList

■消息长度：变长

■消息参数：

■所请求视频内容ID：

■请求客户端标识：

■服务器列表：零至若干视频分流点

◆视频分流点约束过滤评级：

◆视频分流点热度：

◆视频分流点访问地址：

用户/分流服务器可以主动结束视频服务，当用户希望中止服务，可以直接断开与分流服务器/视频源的连接，如图12中步骤1。当连接断开，视频服务提供方默认当前服务的客户端希望中止，即触发资源回收等操作，如图12中步骤2。分流服务器生成一个状态更新报文，通知调度管理服务器状态已变更，如图12中步骤3。

视频获取过程的结束分为常规结束和意外结束两种。

常规结束：视频客户端主动结束视频服务，通过视频传输协议的停止过程，停止视频服务。

意外结束：以连接错误为例的服务意外中止情况，由服务器端检测该异常触发。使用分流服务器的异常处理过程进行结束服务处理。

当分流服务器本地资源回收完成，通知调度服务器其状态变更。

Claims (3)

1.一种网络视频数据交换方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

步骤一：视频编码服务器向管理服务器发送数据源注册消息完成注册；

步骤二：视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据，并缓存；

步骤三：视频数据分流向管理服务器发送分流节点注册消息完成注册；

步骤四：视频数据分流服务器定期发送状态更新消息，更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

步骤五：用户向管理服务器提供用户名密码，完成用户认证；如果认证通过，则进行下一步骤，如果认证失败，则本次操作失败；

步骤六：用户向管理服务器发送视频数据请求消息，请求特定网络摄像机的视频数据；

步骤七：管理服务器根据调度策略选择一个视频数据分流服务器，通知该视频数据分流服务器从相应的视频编码服务器获取视频数据；

步骤八：视频数据分流服务器从视频编码服务器获取视频数据；

步骤九：视频数据分流服务器更新该视频数据分流服务器所分流的摄像机的信息；

步骤十：管理服务器根据调度策略选择可用的视频数据分流服务器，将可用的数据流服务器列表发送给用户；

步骤十一：用户根据选择策略选择一个视频数据分流服务器，并连接至该视频数据分流服务器，获取视频数据并显示。

2.根据权利要求1所述一种网络视频数据交换方法，其特征在于：所述步骤二的视频编码服务器从网络摄像机获取视频图像数据后，采用视频数据缓存结构保存视频数据；视频数据缓存结构包括：标志字段、时间字段、序号字段、间隔字段和图像数据字段组成。

3.一种网络视频监控系统，其特征在于：由分流服务器、编码服务器、调度管理服务器和摄像机组成；编码服务器，完成视频数据的获取，通过设置分流服务器，实现视频数据分流，管理服务器实现对视频编码服务器和视频数据分流服务器的管理；

编码服务器将摄像机获取的原始数据进行编码，转换为适合在网络中提供视频服务的格式，以该格式视频服务器的形式向网络提供服务；

分流服务器将获取的每路视频流进行缓存，提供给多个用户使用，在有限的带宽和服务器运算能力下，扩大视频流的用户数量；分流服务器以和用户等同的形式获取视频流，将数据原样下发；在多级分流的情况下，允许分流服务器级联，并在每级都允许用户存在；

调度管理服务器根据所请求的视频流推荐状况良好的视频源；管理器接受拓扑变更请求，维护拓扑的更新。

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