基于Skype的互动视音频业务平台研究
时间：2009-05-18 10:24:29
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[导读]本文的研究核心是一个系统设计的问题，它包括终端、网络、监控中心三方面的设计思路和实现方法。
一、视频监控系统介绍
视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。
1、网络化视音频综合信息业务
在互联网环境下，由于IP技术提供了各类不同信息业务在数据传输和信息交换层面的技术一致性，并可以较为有效地对双向不对称的信息业务提供支撑，因此，在基于IP与IPv6的信息网络融合的推动下，网络所承载的信息业务实现了进一步融合，构成了一个包含不同业务模式的综合信息业务环境。
在单向式广播业务方面，由于广播电视网络正在逐渐实现基于IP网络和基于Web的网络融合，因此，视音频广播业务可以在融合信息网络环境下实现更为灵活的双向互动功能，为传统的单向广播提供了潜在增值业务模式。
在双向互动业务方面，随着传统电信网面向计算机互联网的融合，各类多媒体信息业务逐渐成为通信业务的主要发展趋势，而其中双向业务的不对称性，又可以由IP网络所提供的组播、多播等技术进行弥补，实现灵活的业务模式。
特别地，视频监控业务，已经成为信息网络融合推动下所实现的一项关键业务，由传统的、应用于安防领域的视频监控业务出发，视频监控已经扩展为实时双向视音频通信与媒体传播业务的综合业务形态。近年来，视频监控已经突破了已有内涵，实现了面向更为广泛的双向互动业务的扩展。
因此，本文在对互动视音频业务进行研究的过程中，将从视频监控业务出发，探讨基于IP与互联网的、更为有效和高效的互动视音频业务形态，并对其支撑技术进行研究。
2、视频监控技术发展现状分析
在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。下面对这两类系统进行简要的介绍与分析：
（1）数字信号控制的模拟视频监控系统
此监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。但是模拟监控系统的主要有以下缺点：
①通常只适合于小范围的区域监控模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1Km，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所；
②系统的扩展能力差对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中；
③无法形成有效的报警联动在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。
系统尽管已发展到很高的水平，但已无太多潜力可挖，其局限性必然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。
（2）数字视频监控系统
随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，其优越性主要表现在：功能多，系统结构简化，数字多媒体远程网络监控不受距离限制，有利于系统实现多媒体信息查询。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性；
另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统。这种监控系统的优缺点表现在：
①系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快；
②系统数据置于ROM/FLASHMEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好；
③系统处理实时性好，性能稳定；
○4文件管理系统更适合于大量的视频数据；
○5该类系统目前四路以上机型还较为少见；
○6在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。
二、即时通信系统的原理介绍
即时通信（InstantMessenger，简称IM），它是一种使人们能在网上识别在线用户并与他们实时交换消息的技术。典型的IM是这样工作的：当通信对象列表（buddylist）中的某人在任何时候登录上线并试图发出通信请求时，IM系统会发一个消息提醒用户，然后建立一个通信会话并键入消息文字进行交流。
即时通信的出现和互联网有着密不可分的关系，从技术上来说，IM完全基于TCP/IP网络协议族实现，而TCP/IP协议族是整个互联网得以实现的技术基础。
首先，用户A输入自己的用户名和密码登录即时通信服务器，服务器通过读取用户数据库来验证用户身份，如果用户名、密码都正确，就登记用户A的IP地址、IM客户端软件的版本号及使用的TCP/UDP端口号，然后返回用户A登录成功的标志，此时用户A在IM系统中的状态为在线（OnlinePresence）。
其次，根据用户A存储在IM服务器上的联系人列表（BuddyList），服务器将用户A在线的相关信息发送到也同时在线的即时通信联系人的PC机，这些信息包括在线状态、IP地址、IM客户端使用的TCP端口（Port）号等，即时通信联系人PC机上的即时通信软件收到此信息后将在PC桌面上弹出一个小窗口予以提示。
第三步，即时通信服务器把用户A存储在服务器上的联系人列表及相关信息回送到他的PC机，这些信息也包括在线状态、IP地址、IM客户端使用的TCP端口（Port）号等信息，用户A的PC机上的IM客户端收到后将显示这些联系人列表及其在线状态。
接下来，如果用户A需要与用户B进行通信，他将直接通过服务器发送过来的用户B的IP地址、TCP端口号等信息，直接向用户B的PC机发出信息，用户B的IM客户端软件收到后显示在屏幕上，然后用户B再直接回复到用户A的PC机，这样双方的即时消息就不通过IM服务器中转，而是通过网络进行点对点的直接通信，这称为对等通信方式（PeerToPeer）。在商用即时通信系统中，如果用户A与用户B的点对点通信由于防火墙、网络速度等原因难以建立或者速度很慢，IM服务器还提供消息中转服务，即用户A和用户B的即时消息全部先发送到IM服务器，再由服务器转发给对方。早期的IM系统，在IM客户端和IM服务器之间通信采用采用UDP协议，UDP协议是不可靠的传输协议，而在IM客户端之间的直接通信中，采用具备可靠传输能力的TCP协议。随着用户需求和技术环境的发展，目前主流的即时通信系统倾向于在即时通信客户端之间、即时通信客户端和即时通信服务器之间都采用TCP协议。
三、即时通信系统的实现方案
1、系统整体架构设计方案概述
图1 系统整体架构
本系统基于瘦客户端的C/S模式，在体系结构上采用以服务器为中心的星型结构，创新性地把监控现场端和监控中心端C角色化。即在本系统中所有的监控现场端和监控中心端相对整个系统的架构而言都是客户端，它们的通信都需要经过服务器的验证中转。同时，监控中心使用者的登录由于这种架构模式，也必须要经过服务器的验证才能成功登录，进而获得监控的权利。
本系统S端即服务器端的作用相当重要，因为系统采用瘦客户端模式，所以服务器端要担当更多的功能：用户登录的确认、远程监控主机的验证和连接、现场主机的验证和连接、数据存储、数据包的解析、构造视频通信线路的连接等等功能。可以说，整个服务器端就是整个系统正常运转的核心所在，它的稳定性直接关系到整个系统的正常运转。
通信线路的连接利用了Skype提供的API。TOM-Skype是TOM在线和SkypeTechnologiesS.A.联合推出的互联网语音沟通工具。TOM-Skype采用了最先进的P2P技术，能提供超清晰的语音通话效果，使用端对端的加密技术，保证通讯的安全可靠。现代系统开发的特点在于可重复性，本系统架构的视频通信线路就很好的考虑到了这一点，充分利用了Skype的特点，这样既保证了视频通信线路开发的简单有效，又提高了视频通信线路的性能和稳定性。可以说，这也是本系统的一大特点。
2、系统架构设计的优越性
（1）安全性
系统的整体架构的特点决定了整个系统的安全性比较突出，正因为把监控现场端和监控中心端统一客户端化，所以所有的客户端的登录都要经过服务器的验证。与此同时，所以通信协议的有关数据包也都要经过服务器的解析、中转。特别的，整个视频通信的线路也是经过服务器把有关协议的数据包解析以后，经过验证才可以建立起来的。这样，整个架构的安全性就集中在S端得到了有效的保证，很突出的完成了视频通信系统的安全性的要求。
（2）网络化
由于本系统采用IP网络的远程监控的设计开发模式，从而在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统的硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享。
（3）经济简单性
不管是个人电脑PC机还是工作站还是大型主机，只需要通过本系统的一个安装文件加上一个USB摄像头既可以实现监控，不需要用户安装其它软件，也不需要视频采集卡。
（4）可扩展性
开放性客户端的定义使得整个系统的可扩展性得到了极大的提高，通过开发不同的客户端可以延展整个系统的功能特点，而这一切的前提是只需要经过以服务器为核心的验证中转等。
（5）开放性
正是由于本系统采用了经过IP网络传输数据，从而通过网络摄像机、模拟摄像机和视频服务器，系统可以联接到IP网络进行数据的传输。另一方面，系统可以通过PDA、掌上电脑以及其它可以与PC服务器和网络存储器相连的设备来提供相应的信息。这种开放式的系统可提供更好的可扩展性、集成性和经济实用性。
（6）接口的先进性
由于本系统的视频通信线路采用了Skype提供的API来实现的，而Skype本身又提供了手机、电话的语音连接功能，故在3G网络时代，手机的视频监控技术成熟时，本系统通过Skype提供的API又可以将视频监控设备范围扩展到手机上，切实适应3G时代的要求，进一步满足用户的更高层次的要求。
四、结束语
本文的研究核心是一个系统设计的问题，它包括终端、网络、监控中心三方面的设计思路和实现方法。基于Skype即时通信工具的视频通信模块的开发策略，可以有效地节省网络资源，实现较小时延，减少网络堵塞几率，较好地保证了数字视频传输地实时性和服务质量。
视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。
1、网络化视音频综合信息业务
在互联网环境下，由于IP技术提供了各类不同信息业务在数据传输和信息交换层面的技术一致性，并可以较为有效地对双向不对称的信息业务提供支撑，因此，在基于IP与IPv6的信息网络融合的推动下，网络所承载的信息业务实现了进一步融合，构成了一个包含不同业务模式的综合信息业务环境。
在单向式广播业务方面，由于广播电视网络正在逐渐实现基于IP网络和基于Web的网络融合，因此，视音频广播业务可以在融合信息网络环境下实现更为灵活的双向互动功能，为传统的单向广播提供了潜在增值业务模式。
在双向互动业务方面，随着传统电信网面向计算机互联网的融合，各类多媒体信息业务逐渐成为通信业务的主要发展趋势，而其中双向业务的不对称性，又可以由IP网络所提供的组播、多播等技术进行弥补，实现灵活的业务模式。
特别地，视频监控业务，已经成为信息网络融合推动下所实现的一项关键业务，由传统的、应用于安防领域的视频监控业务出发，视频监控已经扩展为实时双向视音频通信与媒体传播业务的综合业务形态。近年来，视频监控已经突破了已有内涵，实现了面向更为广泛的双向互动业务的扩展。
因此，本文在对互动视音频业务进行研究的过程中，将从视频监控业务出发，探讨基于IP与互联网的、更为有效和高效的互动视音频业务形态，并对其支撑技术进行研究。
2、视频监控技术发展现状分析
在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。下面对这两类系统进行简要的介绍与分析：
（1）数字信号控制的模拟视频监控系统
此监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。但是模拟监控系统的主要有以下缺点：
①通常只适合于小范围的区域监控模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1Km，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所；
②系统的扩展能力差对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中；
③无法形成有效的报警联动在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。
系统尽管已发展到很高的水平，但已无太多潜力可挖，其局限性必然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。
（2）数字视频监控系统
随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，其优越性主要表现在：功能多，系统结构简化，数字多媒体远程网络监控不受距离限制，有利于系统实现多媒体信息查询。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性；
另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统。这种监控系统的优缺点表现在：
①系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快；
②系统数据置于ROM/FLASHMEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好；
③系统处理实时性好，性能稳定；
○4文件管理系统更适合于大量的视频数据；
○5该类系统目前四路以上机型还较为少见；
○6在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。
二、即时通信系统的原理介绍
即时通信（InstantMessenger，简称IM），它是一种使人们能在网上识别在线用户并与他们实时交换消息的技术。典型的IM是这样工作的：当通信对象列表（buddylist）中的某人在任何时候登录上线并试图发出通信请求时，IM系统会发一个消息提醒用户，然后建立一个通信会话并键入消息文字进行交流。
即时通信的出现和互联网有着密不可分的关系，从技术上来说，IM完全基于TCP/IP网络协议族实现，而TCP/IP协议族是整个互联网得以实现的技术基础。
首先，用户A输入自己的用户名和密码登录即时通信服务器，服务器通过读取用户数据库来验证用户身份，如果用户名、密码都正确，就登记用户A的IP地址、IM客户端软件的版本号及使用的TCP/UDP端口号，然后返回用户A登录成功的标志，此时用户A在IM系统中的状态为在线（OnlinePresence）。
其次，根据用户A存储在IM服务器上的联系人列表（BuddyList），服务器将用户A在线的相关信息发送到也同时在线的即时通信联系人的PC机，这些信息包括在线状态、IP地址、IM客户端使用的TCP端口（Port）号等，即时通信联系人PC机上的即时通信软件收到此信息后将在PC桌面上弹出一个小窗口予以提示。
第三步，即时通信服务器把用户A存储在服务器上的联系人列表及相关信息回送到他的PC机，这些信息也包括在线状态、IP地址、IM客户端使用的TCP端口（Port）号等信息，用户A的PC机上的IM客户端收到后将显示这些联系人列表及其在线状态。
接下来，如果用户A需要与用户B进行通信，他将直接通过服务器发送过来的用户B的IP地址、TCP端口号等信息，直接向用户B的PC机发出信息，用户B的IM客户端软件收到后显示在屏幕上，然后用户B再直接回复到用户A的PC机，这样双方的即时消息就不通过IM服务器中转，而是通过网络进行点对点的直接通信，这称为对等通信方式（PeerToPeer）。在商用即时通信系统中，如果用户A与用户B的点对点通信由于防火墙、网络速度等原因难以建立或者速度很慢，IM服务器还提供消息中转服务，即用户A和用户B的即时消息全部先发送到IM服务器，再由服务器转发给对方。早期的IM系统，在IM客户端和IM服务器之间通信采用采用UDP协议，UDP协议是不可靠的传输协议，而在IM客户端之间的直接通信中，采用具备可靠传输能力的TCP协议。随着用户需求和技术环境的发展，目前主流的即时通信系统倾向于在即时通信客户端之间、即时通信客户端和即时通信服务器之间都采用TCP协议。
三、即时通信系统的实现方案
1、系统整体架构设计方案概述
图1 系统整体架构
本系统基于瘦客户端的C/S模式，在体系结构上采用以服务器为中心的星型结构，创新性地把监控现场端和监控中心端C角色化。即在本系统中所有的监控现场端和监控中心端相对整个系统的架构而言都是客户端，它们的通信都需要经过服务器的验证中转。同时，监控中心使用者的登录由于这种架构模式，也必须要经过服务器的验证才能成功登录，进而获得监控的权利。
本系统S端即服务器端的作用相当重要，因为系统采用瘦客户端模式，所以服务器端要担当更多的功能：用户登录的确认、远程监控主机的验证和连接、现场主机的验证和连接、数据存储、数据包的解析、构造视频通信线路的连接等等功能。可以说，整个服务器端就是整个系统正常运转的核心所在，它的稳定性直接关系到整个系统的正常运转。
通信线路的连接利用了Skype提供的API。TOM-Skype是TOM在线和SkypeTechnologiesS.A.联合推出的互联网语音沟通工具。TOM-Skype采用了最先进的P2P技术，能提供超清晰的语音通话效果，使用端对端的加密技术，保证通讯的安全可靠。现代系统开发的特点在于可重复性，本系统架构的视频通信线路就很好的考虑到了这一点，充分利用了Skype的特点，这样既保证了视频通信线路开发的简单有效，又提高了视频通信线路的性能和稳定性。可以说，这也是本系统的一大特点。
2、系统架构设计的优越性
（1）安全性
系统的整体架构的特点决定了整个系统的安全性比较突出，正因为把监控现场端和监控中心端统一客户端化，所以所有的客户端的登录都要经过服务器的验证。与此同时，所以通信协议的有关数据包也都要经过服务器的解析、中转。特别的，整个视频通信的线路也是经过服务器把有关协议的数据包解析以后，经过验证才可以建立起来的。这样，整个架构的安全性就集中在S端得到了有效的保证，很突出的完成了视频通信系统的安全性的要求。
（2）网络化
由于本系统采用IP网络的远程监控的设计开发模式，从而在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统的硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享。
（3）经济简单性
不管是个人电脑PC机还是工作站还是大型主机，只需要通过本系统的一个安装文件加上一个USB摄像头既可以实现监控，不需要用户安装其它软件，也不需要视频采集卡。
（4）可扩展性
开放性客户端的定义使得整个系统的可扩展性得到了极大的提高，通过开发不同的客户端可以延展整个系统的功能特点，而这一切的前提是只需要经过以服务器为核心的验证中转等。
（5）开放性
正是由于本系统采用了经过IP网络传输数据，从而通过网络摄像机、模拟摄像机和视频服务器，系统可以联接到IP网络进行数据的传输。另一方面，系统可以通过PDA、掌上电脑以及其它可以与PC服务器和网络存储器相连的设备来提供相应的信息。这种开放式的系统可提供更好的可扩展性、集成性和经济实用性。
（6）接口的先进性
由于本系统的视频通信线路采用了Skype提供的API来实现的，而Skype本身又提供了手机、电话的语音连接功能，故在3G网络时代，手机的视频监控技术成熟时，本系统通过Skype提供的API又可以将视频监控设备范围扩展到手机上，切实适应3G时代的要求，进一步满足用户的更高层次的要求。
四、结束语
本文的研究核心是一个系统设计的问题，它包括终端、网络、监控中心三方面的设计思路和实现方法。基于Skype即时通信工具的视频通信模块的开发策略，可以有效地节省网络资源，实现较小时延，减少网络堵塞几率，较好地保证了数字视频传输地实时性和服务质量。
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