异构视频监控系统媒体资源共享与发现机制研究.docx

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异构视频监控系统媒体资源共享与发现机制研究

异构视频监控系统媒体资源共享与发现机制研究

　　摘要：

本文主要探讨了异构互连视频监控系统中视频媒体的共享与定位问题。

根据视频媒体传输时大容量、时间长、高速度等特点，提出了一种多级的监控视频媒体共享与定位方法，该方法从媒体资源的描述、媒体资源的发布、媒体资源的定位三个方面进行研究，主要解决视频监控系统中视频文件和视频流的共享与定位问题，利用P2P相关技术设计原理，制定了通用的监控媒体资源描述规范和多级监控媒体资源搜索算法，以满足多级互连视频监控网中视频资源快速高效的定位需求。

　　关键词：

视频监控；视频监控系统互连；P2P；视频资源共享；媒体资源发现

　　中图分类号：

TP311.52

　　文献标识码：

A

　　DOI：

10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.004

　　本文著录格式：

张闯，张海涛，李文生.异构视频监控系统媒体资源共享与发现机制研究[J].软件，2015，36（12）：

16-21

　　0引言

　　随着技术的进步和科技的发展，现代生活中智能视频监控系统得到了广泛的应用，然而现有的视频监控系统互相独立，资源和数据无法共享，也无法保证视频采集设备的兼容性，所以视频安防监控系统大联网以及不同监控设备兼容接入的需要成为视频监控系统新的发展趋势。

随着接入的监控设备越来越多，如何保证跨区域、跨等级视频监控网络中媒体资源的共享与定位是一个急需解决的问题，因此本文主要从视频媒体资源描述、视频媒体资源发布和视频媒体资源发现这三方面进行研究。

　　视频媒体资源描述方面，通常采用监控视频媒体资源的元数据，主要是用来描述视频媒体资源的语义化信息，以供计算机进行识别。

传统的视频媒体描述信息可以分为两部分，即上下文（context）描述信息和内容（content）描述信息，即只包含了视频时长、专辑名称、视频格式等信息，但是在视频监控系统中，还需要视频媒体资源的位置信息、时间信息、视频类型（视频文件和视频流媒体）等，这就需要设计一套符合视频监控系统的视频媒体资源信息描述方法，以满足大规模下监控视频媒体的共享与发现需求。

　　视频媒体资源发布方面，最简单的解决办法是为每个申请者建立一条发送视频流的链接，这就是传统的C/S（Client/Server）结构，传统的监控视频媒体发布，是单节点的视频媒体发布，这样在大联网的异构视频监控系统下很难满足大量的请求需求，而且很容易造成局部网络拥堵，从而影响整个监控系统的工作性能，同时在单节点下很难保证数据的安全性和可靠性，本文将重点讨论研究和设计异构视频监控系统媒体资源共享的发布机制。

　　视频媒体资源定位方面，视频监控系统下媒体资源的定位是视频媒体数据转发的重要保证，只有保证了视频媒体资源的正确高效的定位，才能开始视频媒体的传输。

传统的监控视频媒体资源定位，主要依据网络摄像头IP地址和视频媒体文件的元信息，而且规模只能限定小范围的区域，而且没有考虑到定位资源可存在于多个视频监控节点中，就目前监控视频区域大联网的趋势下，传统的方法很难保证查找的效率和准确性。

本文将利用P2P相关的资源定位技术，研究视频监控系统大联网情况下，视频媒体资源定位问题。

　　l相关工作

　　随着GB/T28181-2011《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》标准规范的出版发行，安全防范视频监控联网系统有了一套标准的规范，提出了基于SIP协议的信令网关互联的视频监控系统，同时该标准规定了网关节点级联结构和对等节点互联结构，同时该标准比较清晰地定义了互联的通信模型、媒体传输的数据格式。

对大型视频监控系统建设，尤其是安防联网的系统建设给出了明确的、可实施的技术标准，开启了解决系统互联的一扇门。

当然该方案依然没有很好地解决视频媒体资源共享问题，这样很容易造成单节点失效和视频媒体转发过于集中。

为了解决上述出现的问题进行了广泛研究，孙志华中提出了一种网格环境中基于P2P（PeertoPeer）的资源共享方案，将互联网络划分成网格网络结构。

吕晓鹏等中提出了采用层次化DHT（DistributedHashTable）体系结构，利用双栈节点构建上层的DHT覆盖网实现ALG（ApplicationLayerGateway）功能。

在视频流转发方面，KcoghE.提出了一种利用缓存代理服务器来减少对主干带宽资源的消耗，从而改善流应用的扩展性。

然而这些都不是在视频监控系统上的应用，本文基于吕晓鹏等的设计方法，提出了一种视频监控网通用型的共享机制，以解决视频监控系统中流媒体和视频文件的共享与发现问题。

　　在现有的视频监控系统中，尤其在视频监控系统大组网的情况下，如果有大量视频媒体资源请求某一个节点的，势必造成局部网络的拥堵和节点的失效，而如果将P2P相关技术引入到视频监控系统，就可以避免这一种情况的发生，同时由于视频媒体资源分散不同节点，以提高了媒体资源的可靠性，本文正是结合了P2P技术的去中心化、易扩展、健壮性、高性能/价格比的特点，进行了基于P2P的监控系统媒体资源共享与发现机制研究。

　　2异构视频监控系统网关互联模型分析

　　根据GB/T28181-2011《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》的标准规范，两个信令安全网关的联网可分为了级联的方式和对等的方式，这里我们主要参考监控区域网关互联的网络结构方式，给出了联网结构图，如图1为多级视频监控系统网关的互连结构图。

　　由图1可以看出同级的监控区域网关可以相互连通，上级网关节点管理多个下级网关节点，例如二级监控区域中的网关节点属于一级监控区域某个网关节点管理，而在同级的监控区域视频监控系统网关节点的联网结构是一种对等的网络结构，这种结构没有等级之分，是组成视频监控系统媒体资源共享的最小单位。

如果把同级别的监控区域看作一个节点，将构成的是星型结构的网络拓扑图，而但每一个监控区域节点之间的网络结构可以看作是一个全连通图网络拓扑结构，当然考虑到某些节点的路阻问题，某些节点是可能不具有连通性的，但监控视频网络拓扑图主体结构与该模型类似，本文的研究内容主要在该系统互连模型的基础上进行相关研究。

　　3媒体资源共享机制设计

　　监控视频媒体资源的共享机制主要包含两方面的内容，一方面是媒体资源的描述问题，即如何描述监控系统产生的媒体资源信息，定义媒体资源描述标准的通用格式，并生成相应的信息描述文件，以便其他联网节点发现与识别；另一方面是媒体资源的发布，既是媒体资源的注册到视频监控系统中，使其他节点能够检索到媒体资源信息，该章节主要针对这两方面的问题进行讨论研究。

　　3.1监控媒体资源分析

　　按种类划分，监控视频媒体资源可以分为：

监控视频媒体文件和实时流媒体文件、点播流媒体文件。

对于点播流媒体文件可以将存储到节点的视频媒体文件以流媒体的形式转发出来，所以监控视频媒体文件与点播流媒体文件可以看作同一种共享媒体资源，只是请求的发送方式不同。

而对实时流媒体文件是从监控设备（一般是摄像头）上实时转发的流媒体数据，以供客户端实时查看。

综合以上分析结果，实际的监控媒体资源可分为两种：

监控视频媒体文件和实时流媒体文件，这两种文件的请求和传输等操作都是依赖于他们的描述文件作为驱动。

　　3.2监控系统媒体资源描述

　　媒体资源描述主要目的是能够使计算机能够发现和识别媒体资源，它是分布式资源共享的基础，本小节研究主要内容是制定标准化通用的视频监控系统中媒体资源信息描述格式，并给出了相关的示例。

由上一小节分析可知，媒体资源的描述主要分为两类媒体资源的描述，监控视频媒体文件资源的描述和实时流媒体文件的描述，而XML（ExtensibleMarkupLanguage）作为一种元语言，它在Web数据交换、元数据标引等方面的应用最为广泛，因此本文采用XML作为共享资源的元标记语言。

对两者分别进行描述如下示例：

　　3.2.1监控视频文件描述

　　上述的资源描述根节点为source，同时type属性规定了source的类型（视频文件/视频流），id为该资源的标识号，该id主要保证了单个监控区域内媒体资源的唯一。

在source节点内，监控视频描述格式比实时流文件的描述格式多了一个时间元素，其中start标识开始时间，该时间为一个long型的时间戳，length表不该视频媒体文件持续时间；producter用来表示监控视频采集设备的信息，gateway表示产生该视频媒体资源的监控区域网关。

　　3.3监控系统媒体资源发布机制

　　3.3.1多级化的Chord索引结构

　　本章节研究的主要内容是视频媒体资源文件索引机制，该索引机制是在对等网络情况下节点的索引机制，本文采用基于Chord协议的DHT索引机制，实际上Chord协议仅支持一种操作，既把一个给定的key映射到一个计算节点上，Chord使用了一致性hash算法（consistenthashing）的变体，这种算法的好处是可以把Chord网络中的节点关联到特定而唯一的key上，通过key值在In（n）的查找时间内即可找到所要定位的节点。

然而由于视频监控系统的联网结构具有级联网络结构，上级节点分布的资源要比下级节点分布的资源多，容易产生上级节点的索引数据的聚集效应，造成节点定位的倾斜，本文基于视频监控网多级结构的提出了多级化的chord索引方法，既把同级的网关节点看作点对点的对等网络结构，并且在每一个级别上组建一个的基于Chord协议的DHT视频媒体资源描述文件索引，使的每一级的DHT索引只负责本级网络视频监控网关节点媒体资源信息索引的存储，这里可以参照图2多级视频监控网DHT结构示意图所示。

　　在环中的每个节点记录的数据主要是监控系统中媒体资源索引数据，其中具体的单条数据格式为KEY：

SET（N1，N2，N3...），KEY=shal（id+uuid），其中shal（SecureHashAlgorithm）为安全哈希算法函数，用来计算KEY值，id和uuid分别为监控媒体资源描述中source元素的id值和producter元素的uuid，同时KEY值也是定位存储了待检索媒体文件节点的KEY值，通过KEY检索出的数据，存储的是若干网关节点，这些网关节点共享了同一个视频媒体资源，既SET中Nl、N2和N3等表示的是发布该条媒体资源所在节点，为避免出现共享节点重复这里需要使用SET存储结构。

　　3.3.2监控视频文件的发布

　　监控视频媒体文件的发布的过程，既是监控区域网关节点将其所拥有的监控视频媒体文件信息注册到该节点所属的chord文件索引中，该视频文件可以是所在网关节点新产生的视频文件，也可以是从其他网关节点拷贝过来的视频文件。

对于新产生的视频文件，该文件所属的视频监控节点将为之生成监控视频描述文件（具体的描述格式可以参考3.2小节），并根据上述索引数据存储规则，将相关的信息写入到chord索引中，而对于拷贝过来的视频媒体文件，该节点需要将该视频媒体文件的描述文件拷贝过来，并依据规则将描述文件提供的信息写入到chord索引中，这样就构成了共享的媒体资源索引，也同时完成了监控视频媒体文件的发布。

　　3.3.3监控视频流的发布

　　由于监控视频流是一种实时的流媒体，所以不适合保存，只需将监控视频流媒体的描述文件发布到Chord索引中，当有请求读取某个视频流描述文件的视频流时，就可以根据监控视频流媒体的描述文件提供的信息，进行请求和转发。

为了避免大规模集中的视频流请求，可能需要将监控视频流描述文件发送到其他监控网关节点上，这样其他网关节点就拷贝并共享地发布了原始视频流描述文件，这里可以将其他网关节点为视频流转发的代理节点，这样将解决了单节点无法满足大量集中的实时视频流请求，可参考图3视频流转发示意图，可以看出代理节点向原始节点请求视频流媒体数据并转发视频流媒体数据给请求节点，这样就大大缓解了原始监控网关节点分发视频流媒体数据的数量。

　　为了更好地描述媒体资源的发布流程，可参考发布流程核心算法：

　　4视频监控媒体资源的发现

　　视频监控媒体资源的发现过程，重要分为两个过程，第一个过程是视频监控节点的定位，即视频监控区域网关；第二个过程根据节点提供的媒体资源描述信息查找共享节点并请求转发媒体资源。

　　第一个过程，视频监控网关节点的定位，定位视频监控区域网关节点的方法为逐级向上查询，这里可以参照图4多级树型网络拓扑图，Ni表示的是上级节点管辖的网络区域，有图4可以得出，最底层叶子结点只负责所在区域的监控媒体资源的采集和记录，而其上级主要作用为管理若干其下属节点，当然上级节点所管辖的监控区域范围也随之增加，所以对于视频流源节点的定位，可以逐级向上查询，例如N5区域内监控网关节点的查询需上报N2区域公共上级节点进行查询，N5与N6区域之间节点的查询需要上报到N1区域进行查询，由此可以给出相关查询定位的步骤：

　　Stepl：

有查询需求的节点生成查询信息并附带自己的网关信息，发送到上级节点。

　　Step2：

上级节点收到查询信息开始检索数据，如果找到返回要查询节点的网关信息给请求节点，如果没有查询到则返回null信息并附带其上级节点网关。

　　Step3：

查询节点根据上级查询结果，如果有查询结果结束查询，如果没有查询结果转到Stepl。

　　第二个过程，查询节点获取到视频监控节点信息以后，就可以获取该节点已发布的媒体资源描述文件，根据媒体描述文件信息，然后逐级查询Chord环型索引，获取共享该媒体资源的节点网关，该查询过程的核心算法如下：

　　由上述代码可以看出，共享媒体资源节点的定位实际上是检索不同级的Chord环索引，然后查询节点根据获取的共享节点网关信息决定如何获取媒体资源。

　　5系统验证实验

　　为了验证本文所设计的视频监控系统的共享与发现的方案的可行性，采用了模拟的方式进行了相关的实验验证工作，验证所使用的工具，一台台式电脑，cpu为intelcorei3，内存大小4G，所采用的软件为java语言开发的openchord库和eclipse编辑器.模拟过程中主要验证如下两个个方面：

共享媒体资源节点发现的验证；共享媒体资源定位所用时间的对比。

　　对于共享媒体资源节点的发现验证主要按照系统的级联结构图，模拟的多级chord索引结构，并在此基础上进行查询工作，其中一级由100节点组成，二级由1000个节点组成，三级由10000个节点组成：

运行结果如图5媒体资源查找结果：

　　由上述的模拟结果可以看出，需要查询的资源为test，查询的结果为第三级找到了共享test媒体资源的五个节点，在第二级找到了共享test媒体资源的两个节点，第一节点没有找到相关的信息，符合实验之初的预设。

　　对于共享媒体资源定位所用时间的验证，主要采用Mysql数据模拟集中式查询、Flooding算法进行洪泛查询和多级Chord索引方法查询。

由上图6可以看出，基于Chord算法的查找时间浮动很小，而是采用Flooding算法和基于数据库的Mysql集中式查询时间浮动很大，其中当视频媒体资源数大于100万以后，采用Mysql的方式进行查询效率明显下降，而采用Flooding算法进行查询时间变化幅度没有Mysql的幅度大，但是也远远高于Chord算法。

由此可知，采用Chord算法比较适合视频监控系统的媒体资源查询工作。

　　6结束语

　　本文主要研究了视频监控系统的资源共享与发现的问题，其中监控媒体资源共享主要分为两个方面的内容：

一方面为媒体资源的信息描述，因为监控系统中媒体资源的分发，点播，直播等操作依赖于媒体资源的描述文件，也可以认为媒体资源的描述信息驱动着相关的操作；另一方面为媒体资源的发布，本文主要考虑到视频监控系统大联网的趋势下，单个节点很难满足大规模集中式视频媒体请求，而将基于P2P技术的分布式共享，负载均衡方法引入到视频监控系统，该问题就会得到很好的解决，根据相关参考文献采用了基于Chord算法的DHT索引结构，并在此基础上提出了多级Chord索引的改进方案，使之很好的满足了大规模的视频监控系统的需求。

而视频媒体资源的发现主要分两个阶段：

第一阶段是查找视频媒体资源的源节点，该阶段主要是按照视频监控系统的分级结构进行逐层向上查询知道找到视频监控节点网关；第二阶段是基于Chord算法的视频媒体共享资源的查询，由于文件的查询主要依赖于媒体资源描述文件进行驱动，结合了摄像头的UUID和媒体资源的特定的ID号逐级进行检索共享媒体资源的节点，以达到发现大联网结构下视频监控系统媒体资源。