暫時停滯 2024年3月 - 2024年4月
端到端區網區控系統
基於 Client-Server 架構的局域網監控系統，透過 Socket 通訊與 OpenCV 技術實現即時影像串流與音訊擷取，適用於宿舍監控與家庭安防場景。
LAN Media Stream Python OpenCV Socket
專案簡介
End-to-End LAN Monitor Application 是一個局域網音視訊監控系統，旨在實現區域網路內的遠端監控功能。專案採用 Client-Server 雙角色架構，允許使用者透過 LAN 連接遠端存取攝影機與麥克風，適用於宿舍監控、家庭安防等場景。系統基於 Socket 通訊與 OpenCV 視訊處理技術，提供即時影像串流與音訊擷取能力。
核心理念
- 雙角色系統設計：Agent（被監控端）與 Monitor（監控端）職責分離
- 即時串流傳輸：基於 TCP/IP 的可靠影像與音訊數據傳輸
- 輕量化實作：使用 Python 標準庫與成熟的開源工具，降低開發與部署成本
我的職責
作為專案的唯一開發者，我負責：
系統架構設計
- 設計 Agent-Monitor 雙角色架構，實現角色分離與模組化
- 建立基於 Socket 的 TCP 通訊協議，確保數據傳輸可靠性
- 實作自定義封包格式：9 位元組標頭（序列號 + 資料類型 + 長度）+ 數據載荷
核心功能實作
- 視訊擷取與編碼：使用 OpenCV 擷取攝影機畫面，JPEG 壓縮後透過 Socket 傳輸
- 網路通訊協議：實作 ACK 確認機制、序列號管理（0-65535 循環）、封包分塊傳輸（8192 bytes/chunk）
- 輸入驗證系統：正則表達式驗證 IPv4 位址、端口範圍檢查（1024-49151）、端口佔用偵測
- 錯誤處理與日誌：使用 Python logging 模組記錄連接狀態、ACK 遺失、解碼錯誤等異常
測試與除錯
- 解決 Socket 連接穩定性問題（進行中）
- 測試 LAN 內不同網段的連接可靠性
- 優化視訊品質與傳輸延遲
核心功能
1. Agent（被監控端）
- 視訊擷取：透過 OpenCV VideoCapture 存取本地攝影機
- 數據編碼：JPEG 壓縮影像幀，降低網路頻寬需求
- Socket 伺服器：監聽指定端口，接受 Monitor 連接請求
- ACK 機制：等待接收端確認封包，確保數據完整性
- 序列號管理：16-bit 序列號循環（0-65535），追蹤封包順序
2. Monitor（監控端）
- Socket 客戶端：連接至指定 IP 與端口的 Agent
- 數據接收：解析 9 位元組標頭，重組分塊數據
- 影像解碼：將 JPEG 字節流解碼為 NumPy 陣列
- 即時顯示：使用 OpenCV imshow 顯示影像流（計畫中）
3. 輸入驗證與錯誤處理
- IPv4 正則驗證：
^((25[0-5]|2[0-4][0-9]|1[0-9][0-9]|[1-9]?[0-9])\.){3}...$ - 端口範圍檢查：限制 1024-49151（已註冊端口範圍）
- 端口佔用偵測：嘗試綁定 localhost 檢查端口是否被佔用
- 異常處理：ValueError（無效輸入）、OSError（端口佔用）、ConnectionError（連接中斷）
4. 封包格式設計
[2 bytes] 序列號 (Sequence Number) [5 bytes] 資料類型 (Data Type: 'VIDEO', 'AUDIO', etc.) [2 bytes] 數據長度 (Payload Length) [N bytes] 數據載荷 (Payload Data)
使用技術
核心函式庫
- OpenCV (4.9.0.80)：視訊擷取與影像編解碼
- NumPy (1.21.4)：陣列操作與數值計算
- PyAudio (0.2.14)：音訊擷取（整合中）
- Socket (標準庫)：TCP/IP 網路通訊
系統架構
- Python 3.x：核心開發語言
- Client-Server 模式：雙向通訊架構
- 多執行緒設計：視訊/音訊擷取與網路傳輸分離（計畫中）
開發工具
- Visual Studio：專案管理（.pyproj, .sln）
- logging：除錯日誌記錄（agent.log, monitor.log）
- Git：版本控制
專案狀態
當前版本：開發中（pipeline 分支）
- 核心功能狀態：視訊擷取與 Socket 傳輸已實作
- 已知問題：Socket 連接穩定性需修復、視訊品質待優化
功能完成度
- ✅ 已完成：
- Agent/Monitor 角色分離架構
- Socket TCP 通訊協議
- OpenCV 視訊擷取
- 自定義封包格式與 ACK 機制
- 輸入驗證系統
- 🔄 進行中：
- 音訊擷取整合（PyAudio）
- Socket 連接穩定性修復
- 視訊品質優化
- 📋 計畫中：
- 從終端升級至圖形介面（GUI）
- 更多自動化功能
- 連接請求批准機制
開發挑戰與收穫
1. Socket 通訊協議設計
挑戰：如何確保 LAN 內影像數據的可靠傳輸？
解決方案：
- 設計自定義封包格式（標頭 + 載荷）
- 實作 ACK 確認機制，封包遺失時自動重傳
- 使用序列號追蹤封包順序，避免亂序問題
收穫：
- 深入理解 TCP/IP 協議原理
- 學習封包設計的權衡（標頭大小 vs. 可擴展性）
- 掌握多執行緒同步與異常處理
2. OpenCV 影像編碼優化
挑戰：原始影像幀過大（640x480 RGB 約 900KB），造成網路延遲。
解決方案：
- 使用 JPEG 壓縮（cv2.imencode）將單幀降至 20-50KB
- 調整幀率（0.1 秒間隔）平衡流暢度與頻寬
待優化：
- 動態調整 JPEG 品質參數
- 實作 H.264 硬體編碼支援
收穫：
- 理解影像壓縮演算法的權衡
- 學習網路頻寬管理技巧
3. 端口與 IP 驗證系統
挑戰：使用者可能輸入無效 IP 或已佔用的端口，導致連接失敗。
解決方案：
- 正則表達式嚴格驗證 IPv4 格式
- 嘗試綁定 localhost 檢查端口可用性
- 循環提示直到輸入有效
收穫：
- 掌握正則表達式複雜模式
- 理解 Socket 綁定與端口衝突機制
- 提升使用者體驗設計意識
4. ACK 機制實作
挑戰：如何確保接收端正確收到每個封包？
解決方案：
- 發送端等待 2 位元組 ACK（包含序列號）
- 若 ACK 不匹配或超時，重新發送封包
- 最多重試 3 次，避免無限等待
收穫：
- 理解可靠傳輸協議設計（類似 TCP 的 ACK）
- 學習超時處理與重試策略
未來規劃
短期目標
- 修復 Socket 連接穩定性問題
- 整合 PyAudio 音訊擷取功能
- 優化視訊品質（動態 JPEG 參數）
中期目標
- 開發圖形使用者介面（可能使用 Tkinter 或 PyQt）
- 實作連接請求批准機制（安全性）
- 支援多 Monitor 同時連接單一 Agent
長期目標
- 加入運動偵測自動錄影
- 支援雲端儲存整合（如 Google Drive）
- 行動裝置 App 開發（跨平台監控）
專案亮點
技術創新
- ✅ 自定義封包格式與 ACK 機制，確保數據可靠性
- ✅ Agent/Monitor 角色分離，易於擴展與維護
- ✅ 輕量化設計，僅依賴少量成熟函式庫
實用價值
- ✅ 解決宿舍/家庭遠端監控需求
- ✅ 完全基於 LAN，無需雲端服務，保護隱私
- ✅ 低成本實作（純軟體方案，無需硬體投資）
學習成果
- ✅ 深入實作網路程式設計（Socket, TCP/IP）
- ✅ 掌握影像處理與編碼技術（OpenCV, JPEG）
- ✅ 理解分散式系統設計（Client-Server 架構）
程式語言：Python 3.x
程式碼規模：約 300-400 行（不含註解）
主要模組：Roles/Agent.py (103 行), Roles/Monitor.py, End_to_end_LAN_Monitor_Application.py (78 行)
開發狀態：進行中（pipeline 分支）