基于加密算法的智慧園區(qū)視頻監(jiān)控上云系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字中國的建設(shè)，特別是視頻監(jiān)控設(shè)備的國產(chǎn)化和設(shè)備研發(fā)制造成本快速下降，視頻監(jiān)控設(shè)備快速普及，并被廣泛應(yīng)用于各類園區(qū)，如景區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、社區(qū)等。出于安全和成本等原因，這些監(jiān)控設(shè)備分布在各自獨(dú)立的智能化專網(wǎng)，處于封閉運(yùn)行的狀態(tài)。調(diào)閱實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式主要在監(jiān)控指揮中心，通過現(xiàn)場視頻監(jiān)控平臺及大屏完成。近年手機(jī)移動應(yīng)用快速普及，催生了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看視頻監(jiān)控的需求，比如景區(qū)大門口實(shí)時(shí)人員狀態(tài)、應(yīng)急處突管理的現(xiàn)場視頻、產(chǎn)線生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況等多種多樣的需求。目前已經(jīng)有很多家庭用級別的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像設(shè)備及系統(tǒng)，可以滿足簡單場景下遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)需求。但是，受限于成本及攝像機(jī)的性能，無法在園區(qū)內(nèi)大量普及。

在園區(qū)部署視頻監(jiān)控設(shè)備上云的系統(tǒng)，即可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，通過園區(qū)本地部署的NVR 設(shè)備獲取前端的實(shí)時(shí)碼流，經(jīng)轉(zhuǎn)碼、加密、上云發(fā)布等流程，完成視頻流上云的過程，在經(jīng)過應(yīng)用端的下載、解碼、播放等，完成園區(qū)視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看。

1   視頻監(jiān)控上云技術(shù)

視頻監(jiān)控上云，如要確保視頻內(nèi)容安全，需要本地視頻流經(jīng)過轉(zhuǎn)碼，然后通過加密算法對視頻內(nèi)容進(jìn)行加密，然后再上云傳輸，前端應(yīng)用下載解密后，即可進(jìn)行播放，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1.1 視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)

FF MPEG是個(gè)開源跨平臺多媒體數(shù)據(jù)解決方案^[1-2]，具備強(qiáng)大的編碼、解碼、轉(zhuǎn)碼能力， 支持HTTP、RTSP、RTMP 等多種協(xié)議，并且支持不同協(xié)議視頻格式的轉(zhuǎn)碼，比如RTSP 轉(zhuǎn)成RTMP 或HLS 等格式。

開源RTMP 架構(gòu)SRS 結(jié)合開源編解碼庫FF MPEG可以實(shí)現(xiàn)視頻直播播放^[3]，本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能類似直播平臺，可以實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)碼分發(fā)，多終端同時(shí)觀看的效果。

1.2 視頻加解密算法

本系統(tǒng)為了確保視頻監(jiān)控的安全，在編解碼節(jié)點(diǎn)增加了加解密算法。算法在數(shù)據(jù)塊的第28~40 字節(jié)增加干擾數(shù)據(jù)串，其余數(shù)據(jù)通過簡單4 個(gè)字節(jié)1 組，同一4 個(gè)字節(jié)的密鑰進(jìn)行異或操作，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的加解密。下面就分別就加解密算法進(jìn)行描述。

1）加密算法

2）解密算法

直接跳過第28 到第40 個(gè)字節(jié)，其余的數(shù)據(jù)按照四個(gè)字節(jié)一組同密鑰進(jìn)行異或操作復(fù)原數(shù)據(jù)。

2   監(jiān)控上云整體方案

整體方案分為視頻上傳及視頻下載兩個(gè)部分，詳見系統(tǒng)圖1。視頻上傳部分包括前端NVR 實(shí)時(shí)碼流獲取，視頻格式轉(zhuǎn)碼，視頻流數(shù)據(jù)加密及加擾，傳輸上云幾個(gè)模塊；視頻下載及播放部分包括視頻下載、視頻解碼、視頻播放幾個(gè)功能模塊，后續(xù)將詳細(xì)介紹。視頻的加解密模塊給視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸安全增加了一道安全屏障，確保了信息的安全。

圖1 基于加密的智慧園區(qū)視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3   系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

系統(tǒng)各關(guān)鍵模塊密切配合，圍繞視頻流數(shù)據(jù)的安全可靠處理加工及傳輸?shù)龋瓿蓤@區(qū)視頻監(jiān)控上云及遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)。下面將分布介紹各個(gè)模塊內(nèi)容。

3.1 監(jiān)控視頻流獲取

園區(qū)的視頻監(jiān)控設(shè)備都匯集到監(jiān)控指揮中心，可以通過NVR獲取其實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控流。監(jiān)控?cái)z像機(jī)都支持輸出多個(gè)碼流，主碼流以及子碼流，碼流的編碼格式式包括H.264、H.265 等，可通過RTSP 協(xié)議獲取其視頻流。系統(tǒng)首先獲取所有視頻監(jiān)控設(shè)備的列表明細(xì)，然后在配置頁面，選取眾多攝像機(jī)中需要上云的設(shè)備，配置其碼流地址、編碼格式、賬號及密碼等信息。

鑒于視頻流同時(shí)抓取需要消耗大量的計(jì)算資源及網(wǎng)絡(luò)帶寬，該系統(tǒng)視頻流抓取部分，平時(shí)在“待機(jī)”狀態(tài)，有前端系統(tǒng)請求的時(shí)候，才會啟動視頻流抓取的模塊，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的碼流配置信息，將前端實(shí)時(shí)碼流通過NVR傳輸?shù)揭曨l轉(zhuǎn)碼平臺。系統(tǒng)平臺支撐多路視頻流數(shù)據(jù)同時(shí)抓取。

3.2 視頻轉(zhuǎn)碼

本系統(tǒng)要支持多種播放終端上進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，包括PC網(wǎng)頁、微信小程序以及移動APP等，需選取一個(gè)更加通用的協(xié)議作為傳輸標(biāo)準(zhǔn)，所以選擇了更為通用的Webrtc格式流。原始的視頻流各位RTSP標(biāo)準(zhǔn)，要轉(zhuǎn)換成Webrtc格式，需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換來完成。在視頻轉(zhuǎn)碼的設(shè)計(jì)部分，由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)完成，首先通過FFMEPG組件在自研任務(wù)調(diào)度組件的支配下，以規(guī)則將視頻流獲取模塊傳輸來各路的RTSP格式的視頻流，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)RTMP格式的流，然后將RTMP格式的流通過SRS 組件，根據(jù)調(diào)度任務(wù)規(guī)則，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的Webrtc格式的流。轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

圖2 視頻轉(zhuǎn)碼流程圖

3.3 視頻加密

為了保護(hù)隱私安全，系統(tǒng)采用本文1.2 節(jié)描述的加密算法，對準(zhǔn)備上云傳輸?shù)囊曨l流數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密。采用密鑰為0x424E4C49，以視頻轉(zhuǎn)碼節(jié)段生成的各路webrtc數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行加密，各數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)以4 個(gè)字節(jié)1 組同加密密鑰按加密算法進(jìn)行加密。各單位待傳輸數(shù)據(jù)包加密完成后，在每個(gè)數(shù)據(jù)包的第28 至第40 字節(jié)插入干擾串{{ 0x45, 0X4C, 0x45, 0X4B, 0X54, 0X52,0X4F, 0X4E, 0X49,0X4B, 0X45, 0X52 }，從而完成各個(gè)數(shù)據(jù)包的加密工作，準(zhǔn)備進(jìn)入視頻上云分發(fā)階段。

3.4 視頻上云

視頻上云模塊主要根據(jù)播放端的請求，將經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)包對應(yīng)傳輸給指定的鏈接，同時(shí)用多個(gè)線程來維護(hù)鏈接的數(shù)據(jù)，確保經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確有序地上傳。

3.5 視頻監(jiān)控云服務(wù)平臺

服務(wù)平臺負(fù)責(zé)響應(yīng)前端播放器的碼流播放請求，根據(jù)請求碼流來分配播放地址，這里就分兩種情況：一種是已經(jīng)有別的播放終端請求過統(tǒng)一碼流的播放，則直接將現(xiàn)有播放連接分發(fā)給新的請求終端；另外一種是全新的播放請求，則需要向前端請求對應(yīng)的碼流，建立視頻流獲取、轉(zhuǎn)碼、加密的數(shù)據(jù)通路，并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取地址下方給播放器端。

視頻云平臺服務(wù)器還負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前所有的播放鏈接，針對每條播放鏈接進(jìn)行權(quán)重賦值，增加一個(gè)播放請求加1，減少一個(gè)播放請求則減1。如果在2 min 內(nèi)無持續(xù)的播放請求，則釋放該條轉(zhuǎn)碼上傳連接，待下次有需求后重新建立鏈接。

由于視頻建立鏈接有時(shí)間及資源的消耗，為了前端用戶更好的體驗(yàn)，系統(tǒng)會根據(jù)前端用戶使用的情況做出是否提前啟動轉(zhuǎn)碼鏈路的預(yù)測，提前建立視頻流的轉(zhuǎn)碼上傳鏈路，待用戶真的產(chǎn)生請求時(shí)，即可以完成秒速響應(yīng)。

視頻云端服務(wù)平臺的主要作用就是完成播放段與轉(zhuǎn)碼端的匹配，并建立數(shù)據(jù)交換鏈路，響應(yīng)終端用戶的需求，同時(shí)達(dá)到資源的優(yōu)化配置，及時(shí)釋放無用的資源。

3.6 視頻下載

視頻下載服務(wù)模塊，根據(jù)前端播放器的請求，從視頻監(jiān)控云服務(wù)器獲取下載鏈接地址，并建立下載進(jìn)程，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)下載到指定緩沖區(qū)。

3.7 視頻解碼播放

視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過加密，如果直接丟給播放器，則無法進(jìn)行播放，需要對稱執(zhí)行解密操作。播放器從對應(yīng)的緩沖區(qū)獲取經(jīng)過加密的視頻流數(shù)據(jù)，交給解密模塊，解密模塊根據(jù)本文1.2 章節(jié)描述的解密算法，首先嚴(yán)重干擾字段釋放正確一致，然后對其余的數(shù)據(jù)按4 個(gè)字節(jié)一組，采用解密密鑰0x424E4C49 進(jìn)行解密。解密完成的數(shù)據(jù)直接送給播放器進(jìn)行播放。從而完成整個(gè)解密播放的流程。

4   系統(tǒng)運(yùn)行效果

系統(tǒng)上線部署后，轉(zhuǎn)碼、加解密、播放各模塊無縫配合，運(yùn)行流暢。每路視頻僅需要128 kbit/s 的網(wǎng)絡(luò)帶寬，20M的帶寬即可支持200 路園區(qū)本地監(jiān)控視頻同時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)取的需求。圖3 為小程序端遠(yuǎn)程調(diào)閱的運(yùn)行效果，視頻從請求到播放時(shí)間1.5 s，運(yùn)行流暢，畫面清晰。

圖3 小程序園區(qū)監(jiān)控運(yùn)行效果

5   結(jié)束語

基于加密算法的園區(qū)視頻監(jiān)控上云系統(tǒng)，給智慧園區(qū)本地視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)閱提供了技術(shù)手段，在保障遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控及時(shí)高效的同時(shí)，還給數(shù)據(jù)安全增加了一套屏障。具備良好的商業(yè)價(jià)值和廣泛的推廣意義，有了這套系統(tǒng)，再配合其他可量化的指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，即可讓管理方有效掌握生成經(jīng)營的狀況，第一時(shí)間處理各種應(yīng)急事件，有效促進(jìn)園區(qū)數(shù)值轉(zhuǎn)型升級。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）