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，尤其是在一些一線城市，平安城市覆蓋面越來越廣，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)、停車管理等城市管理納入，提升了數(shù)字城市、智慧城市的高度。

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)又帶來了龐大、繁雜的系統(tǒng)維護(hù)問題。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)帶來越來越大的壓力。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)，也就是說將前端的高清視頻數(shù)據(jù)通過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盤位的磁盤陣列，全部接2T的硬盤，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，畫面復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于監(jiān)控畫面(監(jiān)控一般為30%動(dòng)感畫面)，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)過多次壓縮(multipass)后，從而獲得的低碼流、高畫質(zhì)的小體積視頻文件，這些工作都是離線、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，通過現(xiàn)有ADSL等網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶家中。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的碼流來講，也是非常低的?？紤]到監(jiān)控行業(yè)的30%動(dòng)態(tài)畫面，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，要么是跑在專門設(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SDI接口接入進(jìn)行編碼。