攝 影 機
Server端 網 際 網 路
PDA
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Client端 攝 影 機
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第二章 監控系統架構
2.1 遠 端 監 控 系 統 之 架 設
所謂「遠端監控」，是一種讓使用者或設備，在不與遠端設備接觸的情 況下，經由各種通訊媒介與遠端設備溝通，進而達到訊息傳遞或設備操控的 動作。近十年來，隨著網際網路的快速蓬勃發展，以網路為基礎之遠端監控 技術已成為這幾年熱門的研究領域。在本研究架構的遠端監控系統中，網際 網路為一通訊介質，連接主控端及用戶端，主控端由PC 擔任，負責多通道 視訊擷取、壓縮及檔案傳輸之工作，而用戶端經網路與主控端取得聯繫，其 中以 TCP/IP 通訊協定作為資料傳輸標準，讓網路遠端各種不同設備能進行 資料傳遞或交換，不需因硬體或應用程式不同而任何改變，用戶端可以藉由 網際網路下達指令給Sever 端，進行基本功能操作，且允許多人同時連線。
圖1 所示即為本研究之遠端系統架構。
圖1 遠端監控系統架構圖
程 式 開 始
抓 取 新 影 像
動 態 偵 測
是 否 停 止
程 式 結 束 影 像 擷 取 設 定
警 告 燈 號 及 通 報 系 統 啟 動
壓 縮 及 發 送 影 像 至 遠 端 相 異
相 同
是 否
遠端。整個監控流程如圖2所示。
圖2 監控流程圖
2.2 TCP/IP 通 訊 協 定
在本系統架構中，Sever 端與 Client 端，以網際網路 TCP/IP 通訊協定 (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)[17]為資料傳輸標準。此標準 基本上是依照國際標準組織(ISO)所發展的 OSI(Open System Interconnect)為 主。由於是開放式的架構，加上可以使用在大多數的網路硬體，如乙太網路、
電話線路、Token Ring 等等，因此是網際網路常見到的通訊協定，除了規範 資料段(datagram)的基本傳送單位外，也決定了 Internet 的定址方式，就是所 謂的 IP 位址，此外也決定了資料段傳送資料時的路徑，並且負責資料段的 分解與重組。
一般而言，網路通訊協定是一種層級式（Layering）的結構，每一層都 呼叫它的下一層所提供的服務來完成自己的需求。而 TCP/IP 通訊協定可以 分為以下四層，如表2 所示。
表2 TCP/IP 協定架構的層次
應用層（Application Layer） Telnet、FTP、STMP … 傳輸層（Transport Layer） TCP、UDP
網際層（Internet Layer） IP、ICMP、ARP、RARP 網路存取層（Network Access Layer） Ethernet、ToKen Ring
（1）應用層（Application Layer）：
應用程式間溝通的協定，此為應用程式取得網路存取的地方，如簡易 電子郵件傳送（SMTP, Simple Mail Transfer Protocol）、檔案傳輸協定
（FTP, File Transfer Protocol）、網路終端機模擬協定（TELNET）等。
Control Protocol）、使用者資料協定（UDP, User Datagram Protocol）等，
負責傳送資料，並且確定資料已被送達及接收。
（3）網際層（Internet Layer）：
定義了在網際網路上每一台主機的位址格式，使包含 IP 位址的資料 塊能夠正確地抵達目的端。（但不檢查是否被正確接收），如網際協定
（IP, Internet Protocol）。
（4）網路存取層（Network Access Layer）：
實質網路媒體的管理協定，定義如何使用實際網路（如Ethernet, Serial Line 等）來傳送資料。
藉由此四層協定結構，網路提供了一致性的資料處理標準，使得網路上 各設備彼此間，能有效的進行通訊及資料傳輸等動作。在資料傳輸上，TCP/IP 是以封包的形式來傳送的。一個 TCP/IP 封包是由表頭區和資料區所組成，
而每一階層的協定都有其自己的表頭區定義，並有特定的程式負責解讀表頭 區的欄位，以瞭解對方的需求並採取適當的處置。所以一個完整的 TCP/IP 封包，由內而外會包括了上述四層的表頭。資料從應用程式開始就一層層地 加上表頭，完整的 TCP/IP 封包經由實體的網路傳輸到接收端，而接收端再 一層層地將封包表頭拆解開來，最後的原始資料才傳送到接收者的手中。整 個傳輸的程序可以下圖3 來表示。
資 料
T 表 頭 資 料 段
I 表 頭
應用層
傳輸層
網際 層
網路存取 層
網路 主控端
(傳送資料)
用戶端 (接收資料)
T 表 頭 資 料 段
I 表 頭 T 表 頭 資 料 段
N 表 頭
資 料
T 表 頭
資 料 段
I 表 頭
T 表 頭
資 料 段
I 表 頭
T 表 頭
資 料 段 N
表 頭
圖3 TCP/IP 傳 輸 程 序
2.3 視 訊 擷 取
由於系統必須以被監控環境的視訊，來做為畫面是否有所變動之依據，
因此本系統必須開發出運用視訊的監控系統，而微軟公司軟體開發人員提供 了專門用於視訊擷取DirectX9 SDK[18]。DirectX 9是微軟針對多媒體影音的 需求，所推出的一套具有彈性、可重覆使用性元件的整合性多媒體資料流架 構。而DirectShow 是微軟DirectX族群的一份子，它架構在COM 的技術之 上，因此提供了Windows 平台之間的相容性，使得DirectShow 的元件能利 用COM 準則，在各平台之上為使用者提供相同的服務。
DirectShow 的架構，主要是針對下列幾種需求來設計的：
● 不同的媒體串流的播放，如影像、聲音串流。
● 不同的媒體資料來源，如網路、檔案、硬體擷取設備。
因此針對這些需求，設計了DirectShow 架構，如圖4所示，DirectShow 的 核心是由一個濾波器圖管理者（Filter Graph Manager；FGM）和濾波器（Filter）
組成的資料流，FGM 主要是管理所有資料流的播放或關閉的狀態。而資料 流必須由三種濾波器來組成，分別是來源濾波器（Source Filter）、轉換濾波 器（Transform Filter）、展現濾波器（Rendering Filter）。資料流的觀念就 如同軟體的IC，每個濾波器都有接腳（Pin），經由接腳可將濾波器一個個 連結在一起，然後由來源濾波器將資料一級一級往下傳，至繪圖濾波器結 束，這樣即完成一條資料流的過程。DirectShow 架構如圖4所示。
圖4 DirectShow 架構[18]
如 上 圖 所 示 ， 來 源 濾 波 器 的 功 能 是 要 支 援 各 種 資 料 來 源 ， 目 前 DirectShow支援網路來源、檔案系統和擷取設備。而轉換濾波器的目的則是 於濾波器將接收的資料轉換成另一種資料，如將MPEG2的資料，解碼成影 像或聲音，這即是一種轉換過程。展現濾波器的功用即是把資料輸出至某一 設備上，如將影像輸出至螢幕上，聲音輸出至音效卡上。
由於 DirectShow 基本上是通過圖形過濾管理器來與上層應用程式和下
IGraphBuilder
IVideoWindow
IMediaControl
IMediaEvent
層的驅動進行聯繫，在撰寫程式時，是經由幾個COM 介面來對視頻擷取過 程進行控制，其中”IGraphBuilder” 用於建立過濾程式，與驅動程式進行連 結，而”IVideoWindow”、 ”IMediaControl”、”IMediaEventExE”分別對整個過 程的視訊視窗，播放過程和事件回應進行控制，整個視訊擷取流程如圖5 所 示。
圖5 視訊擷取流程圖
2.4 動態偵測
當監控系統啟動時，一般系統是處於全程監視錄影的狀態，所有的影像 資料透過影像壓縮技術壓縮處理後，全數儲存於電腦硬碟中，以備將來查閱 或作為證據之用。但是在某些特定之應用或是特定環境下，例如預估之錄影 時間較長、儲存空間不足或是監視區域將長時間處於靜止狀態等等，監控系 統不需要將儲存空間浪費於儲存大量的靜止影像。以此發展由移動影像作為 觸發的錄影模式，稱之為「動態偵測」。而動態偵測方法很多，最常見的為
小波轉換 小波轉換
差值運算
移動物判別
素的差值運算，作為有物體進入監視範圍的判斷依據，如果其差值大於所給 定的門檻值，就將此畫素標示為動態物件。此方法雖能快速地偵測出影像的 動態，但卻很容易受到光線及雜訊影響，造成假警報之產生。為了避免此情 況產生，一般監控系統通常需額外進行補光或中值濾波等動作，增加了系統 的負擔。
為了進一步解決這個問題，本系統壓縮編碼時所進行之小波轉換，在這 裡將被直接拿來使用，由於小波轉換是由一組高低通濾波器與向下取樣所實 現，當視訊影像轉至小波域時，所有的雜訊將會被分解至小波域中的高頻子 頻帶中，而低頻能保有完整的影像成份，我們就只針對低頻部份執行差值運 算，進行移動物判斷。如此一來，動態偵測與壓縮編碼兩機制藉由小波轉換 相結合，不但可以降低光線及雜訊影響，也可降低系統運算成本。低頻小波 域之動態偵測如圖 6所示。
圖 6 於低頻小波域之動態偵測
