基于SIP的网络视频监控系统的设计研究
作者： 李奕
关键词：SIP协议；网络视频监控；系统设计；呼叫机制
网络视频监控技术是一种集计算机网络、数字视频以及通信等技术为一体的综合技术，随着信息化时代的发展，在IP网络中如何实现远程网络视频连接、高效视频流编解码成为网络视频监控系统研究的重要热点。同时，为了能够在互联网中实现网络视频实时监控、多媒体会话，需要先解决每个监控系统之间存在的互通性问题。基于此，本文利用SIP（SessionInitiation Protocol） 协议[1]的呼叫机制，设计了一个网络视频监控系统。因引入了SIP，该系统拥有高灵活性和扩展性，能够借助代理、重定向等方式，实现对不同网络的监控请求，解决每个监控系统之间存在的互通性问题，实现了网络视频采集数据的实时传输。同时，该系统的设计利用高质量视频数据压缩技术和视频信号传输技术，进一步提高了媒体的解码质量和效率。
1 SIP 协议概述
SIP是一种能够在IP网络中实现的实时通信应用层控制协议和消息协议，SIP和SMTP一样都是易操作的文本传输编码模式，在视频通信领域中有着巨大的应用优势。它主要包括用户数据报协议（UDP） 与传输控制协议（TCP） 两种，能够将底层灵活地结合在一块。在实际应用过程当中，SIP协议能够创建、终止以及修改多个参与者所参加的多媒体会话进程，同时还能够为用户名的映射以及重定向服务提供支持。SIP消息主要分为两种：请求消息和响应消息，前者是客户端到服务器，后者是服务器到客户端。不管是哪一种消息均是由单个起始行、单个字段或者多个字段组成的消息头、可选项的消息体以及单个标志消息头结束的空行四个部分组成。其中，消息头主要提供了对应消息的进一步信息，让其能得到正确的处理，消息体则是对即将建立的会话进行描述，如传输速率、媒体流类型以及协商编码的类型等[2]。因此，SIP协议在视频监控系统领域中得到了广泛的应用。
2 基于SIP 协议的网络视频监控系统设计
2.1 系统工作原理
基于SIP协议的网络视频监控系统的工作原理如下所述：首先，在SIP服务器中注册系统终端，这样若是网络监控管理平台需要对某个终端进行监控时，就可以直接向系统发出接入请求，通过SIP服务器就能够直接查到终端的地址，并建立起连接；其次，连接建立之后，终端系统就可以将所采集得到的音视频模拟信号直接转化成数字信号，借助编码器（MPEC-4编码）编码之后，将其上传到网络视频监控服务器当中，由服务器对视频数据进行IP封装处理，并发送给管理平台[3]。
2.2 系统主要构成设计
基于SIP协议的网络视频监控系统设计主要由三个部分组成：视频终端、网络监控管理平台及SIP服务器。具体架构设计见图1所示。其中，视频终端的设计主要是基于SIP信令实现的，它拥有信号采集、信号处理以及前端摄像机控制等功能，在SIP中可以将其看作具有媒体通讯功能的UA客户端。网络监控平台作为一个拥有SIP的标准设备，用户通过该设备不仅可以实现对监控现场的图像进行实时监控，还能够借助扩展的SIP信令，授权用户对云台系统进行操控。管理平台的组成部分主要包括监控服务器、SIP移动终端以及监视中心（电视机）等。SIP服务器系统的组成主要包括了报警、信令、媒体以及存储四个服务器。当网络监控平台向服务器发出监控请求之后，就可以通过SIP服务器找到对应的监控设备，再将相关请求转发到视频嵌入式终端系统上。
2.3 视频终端设计
视频嵌入式终端系统设计主要采用Z228芯片多媒体应用处理器实现，主要实现网络视频采集、A/D转换、编码以及发送四项功能，且单芯片包含了MPEC-4 硬件编码器，能够实现对网络视频的码率参数进行配置，以及视频流采集、数据编码、数据输出等作用。在应用过程中，通过连接的摄像头，将所采集的视频数据经A/D转换之后，上传到集成了硬件编码器和处理器的芯片当中，对视频数据进行编码处理后，生成具有高压缩比的MPEC-4格式的数据，再利用RJ45接口将其上传到网络上。同时，摄像头设备还连接着云台，这样一来利用云台可以对摄像头的移动进行控制。
当SIP连接成功后，即可完成双方网络视频通道的搭建，然后在IP层上进行视频数据的传输，比如采用实时传输协议（RTP） 或者实时传输控制协议（RTCP） ，通过UDP完成数据传输，两者之间的搭配应用，可以使得传输效率达到最佳[4]。
2.4 SIP 服务器设计
2.4.1 媒体服务器
SIP协议主要用来构建、改变、认证以及终止基于IP网络的单路或者多路SIP视频接入，在接入的过程当中能够实现多路的音视频或文本等不同类型媒体的会话。而SIP服务器的设计主要由信令、媒体以及监控三个服务器组成。其中，从媒体服务器方面来看，在SIP服务器中主要起到对多媒体流数据的录像、点播以及转发等功能。具体应用过程中，当网络视频监控管理平台和视频采集终端之间完成连接后，该服务器就会成功建立起映射关系，同时视频采集终端会将监控现场的实时图像，经过MPEC-4编码打包之后上传到媒体服务器中，然后该服务器会根据映射关系，将视频发送到监控管理平台。并且，该平台也可以通过此方法完成对视频采集终端的控制命令的发送。此外，媒体服务器的设计还具有视频流存储点播的功能。面对网络视频监控系统的庞大体系，单个的媒体服务器无法充分满足整个系统的需求，可以对服务器进行扩展，利用多台服务器实现并发协作，为系统提供服务支持[5]。
2.4.2 SIP 信令服务器
SIP终端的注册和网络连接建立离不开SIP信令服务器的支持。在实际应用过程中，视频终端和管理平台会先通过SIP注册服务器进行注册，然后当监控中心和某路的视频建立起连接后，网络监控软件会通过SIP服务器向特定的视频终端发起Invite请求，最后由监控软件向视频终端发送确认包，以此实现通话建立。
2.4.3 监控服务器
监控服务器的设计主要起到了网络监控的作用，比如，当通过摄像机采集到异常信号之后，再通过网络视频监控系统将其上传到自动报警装置中，这时报警装置就会采用移动短信通信、电话等方式，自动向用户、网络监控人员等发出报警信号，并将现场的具体情况一同发送过去。
2.5 媒体数据发送
当SIP成功完成连接操作之后，就可以通过网络实现双方的视频通道连接构建，接着，通过IP层实现网络视频数据的传输，并采用实时传输协议（RTP） 和实时传输控制协议（RTCP） 两种协议，借助UDP完成对应数据传输活动。同时，实时数据传输协议与实时数据传输控制协议这两种协议之间的有效配合，能够实现最优网络数据传输效率，并进一步实现网络数据的实时传输。实时数据传输协议拥有实时的特征，能够进行端到端之间的网络数据传输活动。因此，将其应用在网络视频数据当中，通过引入载荷标志、序号以及同步源标识符和时间戳的实时数据传输协议包头，搭配数据报套接字，能够通过IP 地址网络实现RTP数据包的传输。实时数据传输控制协议在实际应用过程当中，不仅控制了信息的交换，还实现了对网络传输质量的管理。所以，在RTP会话过程当中，可以对已经发送的数据包或者丢失的数据包的数据进行统计分析。
2.6 数据库设计
网络视频监控系统的数据库设计，起到了将用户端信息通过SIP协议上传到服务器端的作用。首先，用户可以在数据库中写入命令指令，并利用实时监听机制，将得到的信息上传到对应的服务器中。若是命令得到执行，那么可以对数据库当中的信息进行处理，这样一来能够有效降低数据库的负载[6]。其次，经SIP协议所传输的消息在上传到服务器这一过程中，会被监听，并将其结果上传到界面上进行显示。
3 网络视频监控管理平台设计
3.1 平台设计
基于SIP的网络视频监控管理平台主要具有远程连接视频并进行控制的作用，以及对视频流的接收解码功能、回访功能。因此，该平台的设计主要由4个模块构成：SIP、远程控制、XVID以及RTP模块，以实现对网络视频的远程连接、远程控制以及解码播放功能。并且，该平台还能够同时实现对多路视频的自动监控、视频互动数据录像和拍照、云台或摄像头的控制。最后，根据具体情况进行实时监测和自动报警。
3.2 MPEG-4解码
通过SIP服务器所转发的视频流需要对其进行解码处理，才能够将图像呈现出来，所以，对解码流程的设计具体见图2所示。该解码设计主要分为VPD（作用于图像缩放以及格式转换处理）和Decoder（作用于视频数据的解码和读取服务）两部分。如果解码到最后，没有数据帧，就会通过调用函数将资源释放。由此可见，基于SIP协议设计的网络视频监控系统，不仅实现了对视频的监控管理与控制，还在SIP信令消息的易扩展性、高灵活性的特点下，让该系统能够和现存的网络系统之间实现无缝衔接[7]。
3.3 SIP 消息机制开发
本文选择利用OSIP2开发库，对SIP格式的消息进行封装与解析处理。OSIP2 不仅实现了对SIP 消息、状态机事务等的处理，还实现了对工具模块的处理。同时，OSIP2协议栈为SIP底层的API封装提供支持，不过无法向高层的SIP会话控制提供API，只有利用多条的OSIP2的API进行组装，才能够实现对相应信息的处理。由此可见，API主要由工具模块、状态机部分以及消息处理部分三个部分组成。因此，在网络视频监控中心要想实现ICT向NICT的状态机发送一个请求，就需要服务器能够完成对4个状态机进行处理，这样一来，不仅可以为UAS完成IST和NIST事务提供帮助，还能够为SIP信息的转发请求提供相应的ICT与NICT状态机。同时，在系统当中所注册的相关信息，可以借助SIP的Register请求，在服务器模块启动时完成注册任务。所以，在网络视频监控中，在服务器端上还可以对SIP的Info扩展消息进行扩展，以此为视频监控的相关消息如网络视频监控中心登录消息、不同属性配置信息、前端视频服务器信息以及报警信息等的封装提供帮助，从而对全部SIP消息进行处理。
3.4 视频监控界面开发设计
在实际应用过程当中，网络视频监控中心的应用在处理SIP消息以及网络媒体数据时，可以为用户提供界面显示。整个界面设计主要由两个部分组成，一部分为用户可控的前端网络视频服务器列表，另一部分则是相关操作效果的显示，如电子地图查询、网络视频查看功能以及巡检配置功能等。同时，界面上还设计了相应的工具栏选项，为用户的操作提供便利。
4 结束语
综上所述，本文结合SIP协议提出并设计了一种基于SIP的网络视频监控系统。首先，该系统的设计利用SIP协议进行了信令控制，解决了传统视频监控系统布控区域当中存在的设备扩展限制、数量限制等问题。其次，用户可以借助系统通过网络对现场进行监视，并对现场设备进行控制，并且还能够实现同时对多个监控现场的监视。此外，本系统在设计时，利用了集中管理的方式，来提高设备的灵活性、可扩展性和网络互通性，达到了实时网络视频监控的目的。