基于加密算法的智慧園區視頻監控上云系統設計

隨著數字中國的建設，特別是視頻監控設備的國產化和設備研發制造成本快速下降，視頻監控設備快速普及，并被廣泛應用于各類園區，如景區、產業園區、社區等。出于安全和成本等原因，這些監控設備分布在各自獨立的智能化專網，處于封閉運行的狀態。調閱實時監控的方式主要在監控指揮中心，通過現場視頻監控平臺及大屏完成。近年手機移動應用快速普及，催生了遠程實時查看視頻監控的需求，比如景區大門口實時人員狀態、應急處突管理的現場視頻、產線生產的實時狀態、重點實驗室的運行情況等多種多樣的需求。目前已經有很多家庭用級別的網絡監控攝像設備及系統，可以滿足簡單場景下遠程監控的基礎需求。但是，受限于成本及攝像機的性能，無法在園區內大量普及。

在園區部署視頻監控設備上云的系統，即可以實現遠程監控的需求，通過園區本地部署的NVR 設備獲取前端的實時碼流，經轉碼、加密、上云發布等流程，完成視頻流上云的過程，在經過應用端的下載、解碼、播放等，完成園區視頻監控的遠程實時查看。

1   視頻監控上云技術

視頻監控上云，如要確保視頻內容安全，需要本地視頻流經過轉碼，然后通過加密算法對視頻內容進行加密，然后再上云傳輸，前端應用下載解密后，即可進行播放，完成遠程監控的目的。

1.1 視頻轉碼技術

FF MPEG是個開源跨平臺多媒體數據解決方案^[1-2]，具備強大的編碼、解碼、轉碼能力， 支持HTTP、RTSP、RTMP 等多種協議，并且支持不同協議視頻格式的轉碼，比如RTSP 轉成RTMP 或HLS 等格式。

開源RTMP 架構SRS 結合開源編解碼庫FF MPEG可以實現視頻直播播放^[3]，本系統的遠程視頻監控功能類似直播平臺，可以實現一次轉碼分發，多終端同時觀看的效果。

1.2 視頻加解密算法

本系統為了確保視頻監控的安全，在編解碼節點增加了加解密算法。算法在數據塊的第28~40 字節增加干擾數據串，其余數據通過簡單4 個字節1 組，同一4 個字節的密鑰進行異或操作，實現視頻數據的加解密。下面就分別就加解密算法進行描述。

1）加密算法

2）解密算法

直接跳過第28 到第40 個字節，其余的數據按照四個字節一組同密鑰進行異或操作復原數據。

2   監控上云整體方案

整體方案分為視頻上傳及視頻下載兩個部分，詳見系統圖1。視頻上傳部分包括前端NVR 實時碼流獲取，視頻格式轉碼，視頻流數據加密及加擾，傳輸上云幾個模塊；視頻下載及播放部分包括視頻下載、視頻解碼、視頻播放幾個功能模塊，后續將詳細介紹。視頻的加解密模塊給視頻的網絡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視頻監控遠程監控系統架構圖

3   系統關鍵模塊

系統各關鍵模塊密切配合，圍繞視頻流數據的安全可靠處理加工及傳輸等，完成園區視頻監控上云及遠程監控的目標。下面將分布介紹各個模塊內容。

3.1 監控視頻流獲取

園區的視頻監控設備都匯集到監控指揮中心，可以通過NVR獲取其實時的視頻監控流。監控攝像機都支持輸出多個碼流，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 協議獲取其視頻流。系統首先獲取所有視頻監控設備的列表明細，然后在配置頁面，選取眾多攝像機中需要上云的設備，配置其碼流地址、編碼格式、賬號及密碼等信息。

鑒于視頻流同時抓取需要消耗大量的計算資源及網絡帶寬，該系統視頻流抓取部分，平時在“待機”狀態，有前端系統請求的時候，才會啟動視頻流抓取的模塊，根據預先設定的碼流配置信息，將前端實時碼流通過NVR傳輸到視頻轉碼平臺。系統平臺支撐多路視頻流數據同時抓取。

3.2 視頻轉碼

本系統要支持多種播放終端上進行遠程查看，包括PC網頁、微信小程序以及移動APP等，需選取一個更加通用的協議作為傳輸標準，所以選擇了更為通用的Webrtc格式流。原始的視頻流各位RTSP標準，要轉換成Webrtc格式，需要經過兩次轉換來完成。在視頻轉碼的設計部分，由兩個節點完成，首先通過FFMEPG組件在自研任務調度組件的支配下，以規則將視頻流獲取模塊傳輸來各路的RTSP格式的視頻流，轉換成對應RTMP格式的流，然后將RTMP格式的流通過SRS 組件，根據調度任務規則，轉換成對應的Webrtc格式的流。轉換流程如圖2所示。

圖2 視頻轉碼流程圖

3.3 視頻加密

為了保護隱私安全，系統采用本文1.2 節描述的加密算法，對準備上云傳輸的視頻流數據包進行加密。采用密鑰為0x424E4C49，以視頻轉碼節段生成的各路webrtc數據包為單位進行加密，各數據報內以4 個字節1 組同加密密鑰按加密算法進行加密。各單位待傳輸數據包加密完成后，在每個數據包的第28 至第40 字節插入干擾串{{ 0x45, 0X4C, 0x45, 0X4B, 0X54, 0X52,0X4F, 0X4E, 0X49,0X4B, 0X45, 0X52 }，從而完成各個數據包的加密工作，準備進入視頻上云分發階段。

3.4 視頻上云

視頻上云模塊主要根據播放端的請求，將經過加密的數據包對應傳輸給指定的鏈接，同時用多個線程來維護鏈接的數據，確保經過加密的數據包準確有序地上傳。

3.5 視頻監控云服務平臺

服務平臺負責響應前端播放器的碼流播放請求，根據請求碼流來分配播放地址，這里就分兩種情況：一種是已經有別的播放終端請求過統一碼流的播放，則直接將現有播放連接分發給新的請求終端；另外一種是全新的播放請求，則需要向前端請求對應的碼流，建立視頻流獲取、轉碼、加密的數據通路，并將對應的數據獲取地址下方給播放器端。

視頻云平臺服務器還負責維護當前所有的播放鏈接，針對每條播放鏈接進行權重賦值，增加一個播放請求加1，減少一個播放請求則減1。如果在2 min 內無持續的播放請求，則釋放該條轉碼上傳連接，待下次有需求后重新建立鏈接。

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

視頻云端服務平臺的主要作用就是完成播放段與轉碼端的匹配，并建立數據交換鏈路，響應終端用戶的需求，同時達到資源的優化配置，及時釋放無用的資源。

3.6 視頻下載

視頻下載服務模塊，根據前端播放器的請求，從視頻監控云服務器獲取下載鏈接地址，并建立下載進程，將對應的數據下載到指定緩沖區。

3.7 視頻解碼播放

視頻數據已經經過加密，如果直接丟給播放器，則無法進行播放，需要對稱執行解密操作。播放器從對應的緩沖區獲取經過加密的視頻流數據，交給解密模塊，解密模塊根據本文1.2 章節描述的解密算法，首先嚴重干擾字段釋放正確一致，然后對其余的數據按4 個字節一組，采用解密密鑰0x424E4C49 進行解密。解密完成的數據直接送給播放器進行播放。從而完成整個解密播放的流程。

4   系統運行效果

系統上線部署后，轉碼、加解密、播放各模塊無縫配合，運行流暢。每路視頻僅需要128 kbit/s 的網絡帶寬，20M的帶寬即可支持200 路園區本地監控視頻同時遠程調取的需求。圖3 為小程序端遠程調閱的運行效果，視頻從請求到播放時間1.5 s，運行流暢，畫面清晰。

圖3 小程序園區監控運行效果

5   結束語

基于加密算法的園區視頻監控上云系統，給智慧園區本地視頻監控遠程實時調閱提供了技術手段，在保障遠程視頻監控及時高效的同時，還給數據安全增加了一套屏障。具備良好的商業價值和廣泛的推廣意義，有了這套系統，再配合其他可量化的指標預警系統，即可讓管理方有效掌握生成經營的狀況，第一時間處理各種應急事件，有效促進園區數值轉型升級。

參考文獻：

[1] 吳張順,張珣.基于FFMPEG的視頻編碼存儲研究與實現[J].杭州電子科技大學學報,2006(3) :30-34.

[2] 胡成任,平安,李文莉.基于Android系統的FF MPEG多媒體同步傳輸算法研究[J].計算機技術與發展, 2011,21(10):85-91.

[3] 胡國強,周兆永,信朝霞.基于SRS的開源直播系統的設計與實現[J].現代電子技術,2016,39(16):36-43.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年2月期）