平安城市中的低碼流高清解決方案探討
平安城市進(jìn)入了一輪新的建設(shè)高峰,尤其是在一些一線(xiàn)城市,平安城市覆蓋面越來(lái)越廣,不僅僅是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和報(bào)警管理等治安管理系統(tǒng),還將交通電子警察、應(yīng)急系統(tǒng)、停車(chē)管理等城市管理納入,提升了數(shù)字城市、智慧城市的高度。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/164824.htm由于視頻監(jiān)控屬于帶寬密集型應(yīng)用,在如火如荼的建設(shè)大潮背后,是大批的IT系統(tǒng)進(jìn)入,這包括城域網(wǎng)建設(shè)、視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)、視頻流轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器建設(shè)等等,同時(shí),這些系統(tǒng)的建設(shè)又帶來(lái)了龐大、繁雜的系統(tǒng)維護(hù)問(wèn)題。從2010年的世博會(huì)首次大范圍建設(shè)高清監(jiān)控系統(tǒng),到2011年的重慶大規(guī)模高清監(jiān)控系統(tǒng)投入使用,給視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)越來(lái)越大的壓力。這些壓力主要體現(xiàn)在:
·實(shí)時(shí)高清圖像清晰度和網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的矛盾;
·高清錄像回放清晰度和錄像存儲(chǔ)容量之間的矛盾;
·高清錄像回放用戶(hù)數(shù)量和錄像存儲(chǔ)系統(tǒng)吞吐能力之間的矛盾。
這一系列的矛盾直接對(duì)系統(tǒng)建設(shè)成本和復(fù)雜性提出了更高的要求,無(wú)論是政府直接建設(shè)還是電信運(yùn)營(yíng)商或視頻監(jiān)控廠商BT模式,在當(dāng)前國(guó)際金融危機(jī)和國(guó)內(nèi)通脹壓力形勢(shì)下,要從財(cái)政中撥出巨款投入城市治安管理建設(shè),對(duì)于尚處于發(fā)展中階段的各級(jí)政府,不亞于一個(gè)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
筆者有過(guò)多年的通信、圖像處理的工作經(jīng)驗(yàn),本文中提出了個(gè)人技術(shù)見(jiàn)解,希望能夠借此推動(dòng)高清監(jiān)控系統(tǒng)推進(jìn)和完善。
方案一:借助于最新視頻編碼技術(shù)
當(dāng)前平安城市中的高清監(jiān)控采用編碼、傳輸、解碼、存儲(chǔ)等一系列數(shù)據(jù)流程,為了節(jié)省投資,很多采用了分布式存儲(chǔ),也就是說(shuō)將前端的高清視頻數(shù)據(jù)通過(guò)NVR、H-DVR、NAS和IP-SAN等存儲(chǔ)設(shè)備在分控中心進(jìn)行集中存儲(chǔ),分布式存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在于將數(shù)據(jù)集中于各分中心,在較大規(guī)模的系統(tǒng)中,管理便利,可靠性好。集中存儲(chǔ)是將前端的高清視頻數(shù)據(jù)通過(guò)NAS、IP-SAN等集中在存儲(chǔ)中心,安全性好,但是投入成本與規(guī)模相關(guān)。
當(dāng)前的高清編碼主要采用H.264編碼,一路1080p的碼流一般為8Mb/s,存儲(chǔ)一天需要的硬盤(pán)容量為8*3600*24/8/1024=84.4GB,一個(gè)月就是84.4*30/1024=2.5TB。如果部署40個(gè)1080p的監(jiān)控點(diǎn),一個(gè)月的錄像文件達(dá)到100TB!目前48盤(pán)位的磁盤(pán)陣列,全部接2T的硬盤(pán),做完RAID5后,可用空間也不夠。所以,高清監(jiān)控勢(shì)必會(huì)增加存儲(chǔ)設(shè)備上的成本投入。
所以,無(wú)論是分布式存儲(chǔ)還是集中式存儲(chǔ),都不可避免需要建設(shè)龐大的錄像存儲(chǔ)系統(tǒng)。
IPTV視頻點(diǎn)播實(shí)現(xiàn)低碼流高質(zhì)量
但是,當(dāng)前電信IPTV視頻點(diǎn)播應(yīng)用已經(jīng)做到了2Mbps@720P,4Mbps@1080P,甚至有些私有編碼算法已經(jīng)能夠做到512Kbps@720P,1Mbps@1080P的超低碼流級(jí)別,這甚至要比2013年才能真正發(fā)布的h.265編碼算法(2Mbps@1080P)還要低。而且這些視頻點(diǎn)播是全動(dòng)感(fullmotion)的電影視頻,畫(huà)面復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于監(jiān)控畫(huà)面(監(jiān)控一般為30%動(dòng)感畫(huà)面),那么,是否兩者之間有可借鑒之處呢?
誠(chéng)然,超低碼流的電信IPTV應(yīng)用的視頻點(diǎn)播數(shù)據(jù)一般是經(jīng)過(guò)多次壓縮(multipass)后,從而獲得的低碼流、高畫(huà)質(zhì)的小體積視頻文件,這些工作都是離線(xiàn)、非實(shí)時(shí)完成的。
而實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼一般是指將電視臺(tái)的高清節(jié)目實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼為私有格式,以便獲得高質(zhì)量、低碼流,通過(guò)現(xiàn)有ADSL等網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶(hù)家中。在以上表格中,全高清1080P實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼后的碼流僅為2.2Mbps,這個(gè)碼流對(duì)于我們監(jiān)控行業(yè)動(dòng)輒4Mbps的碼流來(lái)講,也是非常低的。考慮到監(jiān)控行業(yè)的30%動(dòng)態(tài)畫(huà)面,筆者相信1Mbps的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼碼流應(yīng)該是能夠做得到的。當(dāng)然,對(duì)于交通卡口等全動(dòng)感畫(huà)面,2.2Mbps的碼流也是相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)了。
當(dāng)然,以上電信級(jí)的視頻壓縮算法可能根本無(wú)法跑在當(dāng)前的TI壓縮處理芯片上,要么是跑在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ASIC壓縮芯片上,要么是直接運(yùn)行在PC服務(wù)器上,來(lái)實(shí)現(xiàn)低碼流編碼。
基于電信設(shè)計(jì)思路,增設(shè)視頻轉(zhuǎn)碼層
基于以上技術(shù)發(fā)展,筆者建議采用電信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,對(duì)于當(dāng)前的平安城市系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)的平安城市視頻監(jiān)控一般是編碼、傳輸?shù)椒挚刂行倪M(jìn)行實(shí)時(shí)碼流瀏覽和錄像存儲(chǔ)。從系統(tǒng)層次上劃分,可分為視頻接入層、視頻錄像層、視頻實(shí)時(shí)顯示層、視頻轉(zhuǎn)發(fā)層。
筆者提出的新設(shè)計(jì)是,相對(duì)于傳統(tǒng)的4層規(guī)劃,建議增加一個(gè)獨(dú)立的視頻轉(zhuǎn)碼層。視頻轉(zhuǎn)碼層的工作是將視頻接入層的視頻進(jìn)行解碼,然后進(jìn)行二次編碼,在保持畫(huà)面質(zhì)量的同時(shí),獲得更小的碼流,以便于節(jié)省存儲(chǔ)空間。
按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),視頻編碼層一般輸出2個(gè)h.264碼流,第一個(gè)h.264碼流為高碼流(6~8Mbps),一般用于實(shí)時(shí)顯示;第2個(gè)h.264碼流一般為中等碼流(3~5Mbps),用于錄像,主要是為了降低存儲(chǔ)空間。
在新設(shè)計(jì)中,視頻編碼層直接輸出MJPEG碼流,MJPEG碼流相對(duì)較大,1080P能夠達(dá)到50Mbps,但是MJPEG基本上沒(méi)有圖像損失,在分控中心可以做到無(wú)延遲實(shí)時(shí)顯示,清晰度最好。而且解碼占用CPU極低。視頻轉(zhuǎn)碼層收到MJPEG碼流后,進(jìn)行二次圖像壓縮,利用最先進(jìn)的視頻編碼技術(shù),進(jìn)行二次編碼,從而在保持畫(huà)面質(zhì)量的情況下,獲得極低的壓縮碼流,然后將此碼流送往視頻錄像層進(jìn)行保存。
在新設(shè)計(jì)中,視頻轉(zhuǎn)發(fā)層將視頻錄像層的低碼流錄像轉(zhuǎn)發(fā)至錄像回放工作站或其他遠(yuǎn)程工作站,并利用標(biāo)準(zhǔn)的h.264解碼器進(jìn)行解碼。
在以上設(shè)計(jì)中,新的視頻編碼層也可以支持HD-CCTV攝像機(jī),直接接入SDI視頻信號(hào)。按照電信行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)時(shí)編碼需要的PC處理能力將是延遲編碼的PC處理能力的2倍。所以,如果采用實(shí)時(shí)編碼,那么大概一臺(tái)I52.8GHZ的PC服務(wù)器可以處理2路1080P視頻轉(zhuǎn)碼。按照摩爾定律,CPU每隔18個(gè)月性能翻一番(價(jià)格不變),那么考慮到Intel很快就要釋放最新采用3D晶體管技術(shù)的CPU系列,那么如果采用i7系列的PC服務(wù)器,將可以轉(zhuǎn)碼8路左右的高清視頻。和降低的存儲(chǔ)成本相比,總體成本應(yīng)該還是要降下許多。
但是,由于直接采用了MJPEG碼流,這會(huì)大大提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求,對(duì)于政府自建公安專(zhuān)網(wǎng),最便宜的光纖收發(fā)器也是百兆以太網(wǎng),所以主要網(wǎng)絡(luò)壓力還是在于核心交換機(jī),在這里,為了適應(yīng)新的轉(zhuǎn)碼層需要,建議采用多個(gè)千兆匯聚層交換機(jī),分為多個(gè)網(wǎng)段,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)碼后再連接到錄像存儲(chǔ)層。
如果采用了電信BT建設(shè)模式,建議直接采用嵌入式低碼流高清編碼器模塊,加裝在高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和接入網(wǎng)絡(luò)中間。如果采用HD-CCTV攝像機(jī),則可以直接用嵌入式低碼流高清編碼器直接通過(guò)SDI接口接入進(jìn)行編碼。
評(píng)論