CN102938839B - 一种监控前端设备以及编码服务器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监控前端设备，应用于视频监控系统中，包括：模拟接口，连接到视频监控系统的前端多媒体采集设备，并用于接收该多媒体采集设备发送的模拟多媒体信号；模数转换模块，与模拟接口相连，并用于将所述模拟多媒体信号转换为作为源数据的多媒体数字信号；二层封装模块，与模数转换模块相连，用于将模数转换单元输出的未经编码且未经IP封装的源数据封装在以太网报文中通过以太网口发送出去。本发明还提供一种与之配合的编码服务器。本发明在合理的成本下解决了现有技术中视频监控系统传输时延严重的问题，并且在很多优选的实施方式中能够有效地兼容已经存在的各种视频监控技术。

Description

一种监控前端设备以及编码服务器

技术领域

本发明涉及视频监控领域，尤其涉及一种全新架构的监控前端设备以及服务于该监控前端设备的编码服务器。

背景技术

相对于传统的模拟视频监控方案，当前的IP视频监控系统在很多方面都取得了巨大进步，在大规模联网、海量数据管理、长距离传输等方面，与传统的模拟监控相比有巨大的优势。但是与传统的模拟监控相比，IP视频监控技术也有不足之处，其中在图像延时方面的劣势明显。目前效果非常好的图像延时上大概能达到150毫秒左右，与传统的模拟监控不到50毫秒的图像延时相比，还是有100多毫秒的差距。其主要原因就在于IP视频监控存在编解码这一处理步骤，而传统的模拟监控则不存在该步骤。加上网络传输的时延，在一些对实时性要求较高的应用场景中，这样的时延可能难以被接受。另外，IP视频监控引入的编解码处理不仅仅会带来图像的延时，还会在图像质量（例如清晰度）上带来一定的损失。

目前的解决方案是利用SDI技术来解决。SDI技术是数字视频的一种格式，指的是“串行数字视频”(Signal-Digital Interface)，一般简写为SDI接口。可分为两种：SD－SDI（标准清晰度）和HD－SDI（高清晰度）。SDI技术在前端是采用专门的SDI接口，采用光端机进行远距离传输，虽然可以降低图像的编解码延时，但是对硬件的要求太高，成本也很高，大规模的商用部署方面会遇到很大障碍。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种监控前端设备，应用于视频监控系统中，包括模拟接口、模数转换模块、中央处理器、二层封装模块以及以太网口，其中：

模拟接口，连接到视频监控系统的前端多媒体采集设备，并用于接收该多媒体采集设备发送的模拟多媒体信号；

模数转换模块，与模拟接口相连，并用于将所述模拟多媒体信号转换为作为源数据的多媒体数字信号；

二层封装模块，与模数转换模块相连，用于将模数转换单元输出的未经编码且未经IP封装的源数据封装在以太网报文中通过以太网口发送出去。

本发明还提供一种编码服务器，应用于视频监控系统中，为至少一个监控前端设备提供编码服务与封装服务，该编码服务器包括二层封装模块、编码模块以及中央处理器，其特征在于：

二层封装模块，用于通过以太网口接收监控前端设备发送的以太网报文，并将该以太网报文进行解封装获得其中的未经编码且未经IP封装的源数据；或者用于将中央处理器提交的IP报文进行二层封装，并将封装后的以太网报文通过以太网口发送出去；

编码模块，用于所述源数据进行压缩编码形成编码数据；

中央处理器，用于将所述编码数据进行IP以及IP以上层面的封装，并将封装后的IP报文提交给二层封装模块。

本发明在合理的成本下解决了现有技术中视频监控系统传输时延严重的问题，并且在很多优选的实施方式中能够有效地兼容已经存在的各种视频监控技术。

附图说明

图1是本发明一种监控前端设备的结构图。

图2是本发明一种实施方式中以太网报文的封装结构图。

图3是本发明一种实施方式中交换机IGSP特性使能的效果图。

图4是本发明一种实施方式中多通道上TV墙应用场景的组网图。

图5是本发明另一种实施方式中监控前端设备的结构图。

图6是本发明另一种实施方式中以太网报文的封装结构图。

图7是本发明又一种实施方式中监控前端设备的结构图。

具体实施方式

本发明首先在监控前端设备放弃编码处理，这样后端接收的时候相应也就不需要解码处理了。这种思路可以解决编码和解码引入的时延较大的问题。由于数据没有经过编码，以720P的图像为例，如果没有经过编码处理，其每秒的数据传输量会达到600Mb以上，这会导致监控前端设备的CPU承受的压力相对于经过编码的情况多出几倍乃至数十倍，因为IP报文的封装通常是由CPU完成的。此时监控前端设备需要采用处理能力更强大的CPU，引发成本升高。由于监控前端设备部署数量较大，成本上升几个百分点就可能在数量上引起很高的成本增加，因此需要进一步来完善时延引发成本提高的问题。

本发明提供一种全新的监控前端设备的设计方案，请参考图1所示，本发明一种实施方式中提供一种监控前端设备，包括模拟接口、模数转换模块、中央处理器CPU以及二层封装模块。所述监控前端设备通过模拟接口连接到前端的多媒体采集设备，比如摄像机等，多媒体采集设备用于采集监控环境中的图像和/或声音，并生成模拟多媒体信号（后续以视频信号为例说明）传输给监控前端设备的模拟接口。值得注意的是监控前端设备与前端多媒体采集设备既可以是独立的两个设备，也可以集成在一起的集成设备，比如说流行的网络摄像机IPC。所述模数转换模块用于将模拟接口接收到模拟多媒体信号转换为作为源数据的数字信号。二层封装模块（比如MAC芯片）耦合到模数转换模块，用于将模数转换模块输出的未经过压缩的源数据作为载荷封装在以太网报文中，并将该以太网报文通过以太网口发送出去。当然二层封装模块也可以将收到的以太网报文进行解封装，从而获得其中所承载的各种数据。

经过上述基本改进之后，相对于已有的技术方案来说，由于源数据是未经编码处理的，因此整个监控系统中因为编码和解码造成时延将消失。另外一方面，由于源数据没有经过IP的封装过程，首先其大大减轻了CPU在封装IP报文上的压力，而以太网报文的封装过程不需要CPU直接处理，CPU只需要处理一些控制层面的事务，因此目前监控前端设备所使用的主流CPU可以满足整个方案的需求，不需要采用处理能力更强大的CPU，未引入任何新的器件采购成本投入。其次由于IP封装会带来IP报文头，IP报文头实际上会引入传输开销，跳过IP封装可以使得获得更小的传输开销，提高了带宽的实际利用率。请参考图2所示，以太网报文头部包括12个字节的源/目的地址字段（S_MAC以及D_MAC）、2个字节的报文类型（TPYE字段），尾部包括4个字节的校验字段（CRC），以太网报文的开销是18个字节。如果合理设置以太网报文的载荷大小，其有效荷载比率可以达到1500/(1500+18）=98.8%。

在视频监控系统中，除了输出视频流（可以理解为以太网报文构成的报文流）的监控前端设备之外，还包括用来接收多媒体流的监控后端设备、管理服务器VM、存储服务器（IPSAN）以及用来传输报文中间网络设备。由于本发明的以太网报文中没有IP报文头，因此中间网络设备构成的网络需要是一个二层以太网；一种常见的组网方式是所有中间设备均为以太网交换机，这种组网方式可以受益于以太网低廉的组网成本，高速的传输速度。如果为了更广范围的组网，可以考虑在网络中某一部分引入隧道技术来跨越非二层网络，在IP网络或其他类型的网络上构建出隧道来承载二层以太网，以在逻辑层面上形成二层以太网。隧道技术可参考现有各种成熟技术来实现，根据成本和实际需要来选择合理的隧道技术。网络传输问题解决之后，对于监控后端设备来说仅仅是简单修改一下多媒体流还原的处理流程，将这种特殊的无IP头的以太网报文的载荷取出送到对应软件或者硬件模块处理，而无需经过解码以及IP协议栈的处理。

由于视频监控系统中不仅仅是多媒体流的传输，还涉及信令处理。虽然本发明上述实施方式中跳过了IP层的处理，但是由于现有的信令调度过程中需要使用IP地址，因此监控前端设备可以进一步引入涉及IP的处理机制，但这一处理机制不涉及IP封装，可以理解为IP协议栈的一部分实现。由于本发明跳过了IP封装，因此在信令交互过程中得到通信对端的IP地址是没有用的，因此在本发明一种实施方式中，为了实现与VM或监控后端设备等对端设备通信，所述监控前端设备以及其他设备配置有IP地址，而其中央处理器进一步通过发送ARP请求报文来获得通信对端的MAC地址，或者响应其他设备发送的ARP请求将对应的MAC地址发送给其他设备。ARP协议可以允许在一个二层网络内的两个通信节点互相获取与对方IP地址对应的MAC地址。

ARP协议主要服务于单播报文的发送。如前所述由于本发明跳过的编码处理以及三层封装，其解决了现有技术存在的时延问题以及图像质量问题，然而由于源数据（通常是图像）没有经过压缩，其数据量很大。以720P的视频流为例，未经过编码压缩处理时其每秒30帧下的速率约为632Mbps，由于千兆以太网已经普及，因此主流的以太网设备是可以承受的。然而为了节约宝贵的带宽资源，有效利用带宽。在一种实施方式中，二层封装模块使用组播MAC地址作为目的MAC地址来封装源数据。此时监控前端设备对外发送二层组播数据报文，对于任何想接收该监控前端设备发送的源数据的监控后端设备，可以申请加入该组播组即可。沿途的以太网交换机只要开启大部分主流交换机都支持IGSP特性即可抑制组播额外复制，不会浪费过多带宽。

采用组播来传输数据就涉及到组播地址的分配，组播地址包括组播IP地址以及组播MAC地址，虽然监控前端设备不用组播IP地址来封装报文，但是监控后端设备的组播加入过程，比如说发送IGMP报文时仍然需要使用到组播IP地址。而且沿途的网络是二层网络，需要抑制组播报文的泛滥。本发明的处理机制如下：

首先视频管理服务器上给每台监控前端设备分配不同的组播组IP地址；监控前端设备向外发送组播报文前，监控前端设备的CPU根据视频管理服务器分配给该监控前端设备的组播IP地址，计算出相对应的组播MAC地址提供给二层封装模块使用。例如分配给236.0.0.20，则其对应的组播MAC地址为：01:00:5e:00:00:14。计算方法是将MAC地址范围01:00:5E:00:00:00~01:00:5E:7F:FF:FF分配给组播使用，将28位的IP组播地址空间映射到23位的MAC地址空间中，具体的映射方法是将组播地址中的低23位放入MAC地址的低23位。

监控后端设备需要实况视频流上墙或编码服务器设备如需接收某一前端采集设备未经编码的实况视频流时，由后端上墙或编码服务器设备来发送该前端采集设备所对应的组播IP地址的IGMP加入报文。沿途的交换机启用IGMP-SNOOPING，交换机收到IGMP的加入报文，对IGMP报文所带的信息进行分析，并根据IGMP报文里的组播IP地址，计算出对应的组播MAC地址，并将该组播MAC地址与收到该IGMP报文的接口关联起来，后续交换机如从其他接口收到目的MAC是此组播MAC地址的报文时，直接从上述关联起来的接口转发出去，以避免组播报文在二层网络中的泛滥。采取组播方式对未经编码的大流量数据特别适用，相对于单播报文的传输来说，其可以极大的节省带宽；而且接收同一监控前端设备视频流的监控后端设备越多，节约效果越显著。请参考图3所示的传输过程，由于监控后端设备1加入了组播组，而监控后端设备2没有加入组播组，因此该组播组的组播报文不会被交换机发送到监控后端设备2上。

请参考图4以及图5。在一种优选的方式中，监控前端设备通过多个模拟接口连接到作为前端多媒体采集设备的前端摄像机。二层封装模块在封装以太网报文时，在以太网报文头部加入与模拟接口对应的通道标识。请参考图6，在优选的方式中，通道标识是一个位于TYPE字段后的Num字段，其长度为1个字节，这意味着本实施方式中，在带宽满足要求的情况下，监控前端设备上可以支持256路视频通道。这种传输方式对于TV墙这种监控后端设备来说有显著意义，比如说4屏拼接的TV墙上可能需要同时展示监控前端设备下挂的4个摄像头，那么此时需要明确哪一路视频流需要展示在哪一个屏幕上，亦即监控前端设备需要让监控后端设备知道当前视频流是来自哪个摄像机的，通道标识的作用就是让监控后端设备知晓报文中封装的视频数据来自哪个摄像机，这样监控后端设备才能够合理将图像展示在对应的屏幕上。

在监控前端设备下挂多个摄像机时，可能还会产生带宽不足的问题，比如说图4及图5的场景中，假设每个摄像机输出的均为720P视频数据，此时4个通道所占用的带宽将高达632×4=2528Mbp；已经超出了千兆以太网的承受范围。使用万兆以太网虽然可以解决问题，但目前其部署成本较高。在本发明一种优选的实施方式中，中央处理器根据监控前端设备内部的采样配置对模数转换单元的采样率进行控制，以使得多个通道视频数据同时传输时其带宽综合不大于监控前端设备以太网口的带宽。采样配置是固定配好的，也可以是VM同多信令报文动态下发的。比如说，在输出为720P的前提下，如果说通道数为4时，采样率降低为原始采样率的1/4；通道数为2或3时，采样率降低为原始采样率的1/2；通道数为16时，采样率降低为原始采样率的1/16。请参考图4以及图5，在四路摄像机上4屏幕TV墙的应用中，通过监控前端设备牺牲一定的图像质量即可实现低时延的视频流上墙。

上述实施方式中虽然没有使用IP参与封装过程，但依旧会在ARP交互过程中使用到IP地址，即参与者仍然需要配置IP地址。然而从网络安全的角度考虑，IP地址的存在就导致设备理论上有被攻击的可能性大大提高。本发明在一种优选的方式中不再需要监控前端设备配置IP地址，这将极大幅度降低监控前端设备被网络攻击的可能性，因为攻击者在网络上根本“看不到”这些没有IP地址的设备。在本实施方式中，VM保存每个设备标识与其MAC地址的对应关系，这个对应关系可以由管理员手工配置在VM上，也可以是监控前端设备处理器负责向VM发起注册时，VM从注册信令报文中获取的。

监控前端设备在需要向视频监控系统中除了VM以外的其他设备（比如监控后端设备）发送以太网报文之前，监控前端设备的CPU向VM发送MAC地址请求，该请求携带有其他设备的设备名；然后从VM接收响应报文，从响应报文中获取与其他设备的设备名对应的MAC地址。这样一来，监控前端设备在使用单播报文传输视频流时就不再需要配置IP地址了，极大降低了监控前端设备被攻击的可能性。

虽然编码处理过程会引入时延，但是毕竟不是所有监控业务都对时延非常敏感的，比如说视频数据的存储。如果使用未经编码的数据进行存储，那么对后端存储容量的要求则非常高，不利于合理的成本控制。在又一种实施方式中，本发明提出两种优选方案来解决该问题。请参考图7，监控前端设备可以是在现有的监控设备基础上改进而成，主要是在内部形成两个通道，一个是编码通道，另一个是未编码通道。在具体实现上，模数转换模板的输出同时连接到编码模块以及二层封装模块，从而形成前述两个通道。而中央处理器则可以通过控制两个通道的开启/关闭来控制监控前端设备的视频流输出，比如说控制模数转换单元的输出，或者控制编码模块的使能与去使能。这种实现方案的优点是简单改造现有的监控前端设备即可实现，成本低，兼容性好。本方案既可以输出未经编码的视频流，也可以输出经过编码的视频流，具有非常高的灵活性，可以应对各种应用场合的需求。同样的道理，除了二层封装之外，是否进行IP封装也是可以控制的，CPU可以灵活在用户的指令或者固定的配置下确定是否完成IP封装（通常由CPU来完成IP封装任务）。这就可以形成多种视频流，比如，未经编码且未进行IP封装的视频流应对高清无时延的应用需求；经过编码与IP封装，应对传统技术兼容需求等等。

在另一种方案中，可以采取编码服务器的方式来实现，该编码服务器包括二层封装模块、编码处理模块以及中央处理器。请参考图1以及图4，编码服务器可以通过加入组播组或者单播引流的方式获得监控前端设备的一路未经编码的视频流。编码服务器的二层封装模块获得承载视频流的以太网报文之后可以先对以太网报文解封装获得其中的未经编码与IP封装的视频数据。然后编码处理模块再对作为源数据的视频数据进行压缩编码得到编码后的编码数据，再由中央处理器调用计算机程序对编码数据进行IP封装以及IP以上层面的封装。

对于不同的应用来说，中央处理器还可以在IP封装的基础进一步执行传输和/或应用封装，比如说进行传统的ISCSI封装通过IP网络发送到存储设备上，这样存储设备无需进行改动，兼容现有存储技术。由于存储对时延不敏感，对数据量的大小敏感，因此编码服务器的引入可以除了兼容现有技术之外，还可以避免引入数据量增大导致存储空间压力的问题。再比如说，中央处理器通常还可以进行传统的TCP或者UDP封装通过IP网络发送给传统的后端设备，这样后端设备也可以无需改动就可以接收视频流，这适用于一些对时延以及图像质量要求不高的普通用户，毕竟网络中不是所有用户在所有场景下都需要低时延高质量的视频图像的。在优选的方式中，编码服务器可以同时服务多个监控前端设备，其可以获得多个监控前端设备的视频流，这样一来多个视频流的以太网报文将混在一起，需要做区分。此时中央处理器可以通过编码后形成的IP报文的源端口号与监控前端设备MAC地址关联的方式来区分不同监控前端设备的视频流。在具体实现上，所述中央处理器用于根据以太网报文的源MAC地址查找在编码分配表中查找对应的源端口号，如果没有找到对应的源端口号，则为该源MAC地址分配源端口号，并将该源MAC地址与源端口号的对应关系保存在编码分配表中；如果找到对应的源端口号，则中央处理器在封装IP报文时使用该对应的源端口号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种监控前端设备，应用于视频监控系统中，包括模拟接口、模数转换模块、中央处理器、二层封装模块、编码模块以及以太网口，其中，所述监控前端设备包括编码通道和未编码通道，其特征在于：

模拟接口，连接到视频监控系统的前端多媒体采集设备，并用于接收该多媒体采集设备发送的模拟多媒体信号；

模数转换模块，与模拟接口相连，并用于将所述模拟多媒体信号转换为作为源数据的多媒体数字信号；

二层封装模块，与模数转换模块相连形成所述未编码通道，用于将模数转换模块输出的未经编码且未经IP封装的源数据封装在以太网报文中通过以太网口发送出去；

所述编码模块，与模数转换模块相连形成所述编码通道，用于将模数转换模块输出的源数据进行编码形成编码数据；

所述监控前端设备包括多个模拟接口，所述中央处理器用于根据预定配置修改所述模数转换模块的采样率，以使得二层封装模块的输出的报文总速率小于以太网口的速率；

所述视频监控系统还包括管理服务器，所述管理服务器上保存有设备的MAC地址与设备名的对应关系，当所述监控前端设备需要向其他设备发送报文时，所述中央处理器进一步用于向管理服务器发送请求，并在请求中携带该其他设备的设备名，以请求管理服务器返回与该设备名对应的MAC地址。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述二层封装模块进一步用于将未经IP封装的编码数据封装在以太网报文中通过以太网口发送出去。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述中央处理器，进一步用于对编码数据进行IP封装，所述二层封装模块进一步用于将经过IP封装的编码数据封装在以太网报文中通过以太网口发送出去。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述中央处理器进一步用于控制所述编码模块的使能与去使能。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该监控前端设备配置有IP地址，所述中央处理器，进一步用于在本监控前端设备需要向视频监控系统中IP地址已知的其他设备发送单播以太网报文时，向该其他设备发送ARP请求以获取该设备的MAC地址；并在收到其他设备的ARP请求时，将本设备的MAC地址携带在ARP应答中发送给其他设备。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该监控前端设备配置有组播IP地址，所述中央处理器，进一步用于根据预定算法使用该组播IP地址计算出组播MAC地址，所述二层封装模块进一步用于在发送组播以太网报文时将所述组播MAC地址作为目的MAC地址。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述监控前端设备包括多个模拟接口，所述二层封装模块用于在以太网报文中加入通道标识，其中该通道标识与一个模拟接口相对应。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中央处理器进一步用于在本设备上电之后，向管理服务器发送注册请求，并在注册请求中携带本设备的MAC地址以及设备名。

9.一种编码服务器，应用于视频监控系统中，为至少一个监控前端设备提供编码服务与封装服务，所述监控前端设备包括编码通道和未编码通道，该编码服务器包括二层封装模块、编码模块以及中央处理器，其特征在于：

二层封装模块，用于通过以太网口接收监控前端设备发送的以太网报文，并将该以太网报文进行解封装获得其中的未经编码且未经IP封装的源数据；或者用于将中央处理器提交的IP报文进行二层封装，并将封装后的以太网报文通过以太网口发送出去；

编码模块，用于所述源数据进行压缩编码形成编码数据；

中央处理器，用于将所述编码数据进行IP以及IP以上层面的封装，并将封装后的IP报文提交给二层封装模块；

所述监控前端设备包括多个模拟接口，所述中央处理器用于根据预定配置修改模数转换模块的采样率，以使得二层封装模块的输出的报文总速率小于以太网口的速率；

所述视频监控系统还包括管理服务器，所述管理服务器上保存有设备的MAC地址与设备名的对应关系，当所述监控前端设备需要向其他设备发送报文时，所述中央处理器进一步用于向管理服务器发送请求，并在请求中携带该其他设备的设备名，以请求管理服务器返回与该设备名对应的MAC地址。

10.如权利要求9所述的服务器，其特征在于，所述中央处理器用于根据以太网报文的源MAC地址查找在编码分配表中查找对应的源端口号，如果没有找到对应的源端口号，则为该源MAC地址分配源端口号，并将该源MAC地址与源端口号的对应关系保存在编码分配表中；如果找到对应的源端口号，则中央处理器在封装IP报文时使用该对应的源端口号。