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保证高清视频监控系统质量的要点分析
2014/8/12 14:17:00      来源:《中国安防》    作者:王秋 胡彦 陈秋华
    随着高清视频监控系统的建设规模越来越大,视频质量成为一个高清视频监控系统可用性的关键性指标。高清视频监控系统是一个由采集、传输、存储、解码、显示、控制等诸多环节有机组成的完整系统。因而,保障高清视频监控系统质量需要从图像质量、传输质量、存储质量、运维质量(服务质量)和数据挖掘等多方面进行考核。


  引言
  随着高清视频监控系统的建设规模越来越大,视频质量成为一个高清视频监控系统可用性的关键性指标。高清视频监控系统是一个由采集、传输、存储、解码、显示、控制等诸多环节有机组成的完整系统。因而,保障高清视频监控系统质量需要从图像质量、传输质量、存储质量、运维质量(服务质量)和数据挖掘等多方面进行考核。

  一、图像质量
  图像质量又可细分为图像采集、图像编/解码、图像显示和图像增强等环节,各环节中均有很多重要技术需要我们在构建高清视频监控系统时特别关注。
  1.图像采集
  图像采集过程中有一个核心环节称之为图像信号处理(ImageSignalProcessing,ISP),该过程直接影响到摄像机的成像效果。通常说的ISP技术主要指图像前处理技术,应用在摄像机上,图像信号前处理技术实现的模块包括黑电平钳位、坏点校正、色彩插值、自动聚焦、自动曝光、自动白平衡、色彩纠正、伽马纠正、锐化等。
  近年来,雾霾天气频发,视频监控系统的实用性受到很大影响,一些重要细节淹没在雾气中难以观察,提升户外视频监控系统应用价值迫在眉睫。目前,透雾技术大致可分为两类:一种是实时视频透雾技术;另一种则是通过图像增强等方式实现的透雾技术。
  实时视频透雾技术是一种基于大气光学原理进行图像处理的算法。该算法针对由烟尘、雾气、灰霾等气溶胶导致光学退化过程的成像特征进行建模并估计参数,区分图像不同区域景深与雾浓度进行局部增强滤波,采用图像处理技术有效恢复细节和色彩,从而获得准确、自然的透雾效果。
  实时视频透雾技术与其他图像后处理的透雾技术相比,方案更成熟,图像通透性更好、细节更丰富、色彩饱和度高,不易出现色调失真、图像偏暗等问题。不论场景中是否有雾,实时视频透雾技术均能改善图像通透性,起到提升图像视觉品质的效果。显而易见,选择实施视频透雾技术能更好的保证高清视频监控系统质量。
  2.图像编/解码
  图像采集后通常会经过一个编解码过程,即图像编/解码过程。视音频编解码技术通过压缩处理视音频信号中的冗余数据和非敏感信息,从而减少网络传输和存储的数据量。因而,选择高效的视音频编解码技术对网络传输和存储的影响甚大。
  在实际视频监控应用中,因为带宽有限导致网传图像整体不够清晰的情况时有发生。但通常人们的关注点只集中在某一些特定区域,如车牌、人脸等区域,该区域可称为感兴趣区域。对感兴趣区域进行无损压缩或近无损压缩,保证图像质量,而对背景区域进行有损压缩,这种技术就叫做ROI(感兴趣区域)压缩编码技术。该技术在不提高码流的前提下,就获得视频监控的关键信息,保证了监控效果。
  一方面通过ROI(感兴趣区域)压缩编码技术尽可能地降低视频码率,另一方面多码流技术则通过改变码流的方式来适应不同网络环境的要求。多码流技术运用在IPC上,可以保证IPC提供多路码流同时输出,每路码流可独立设置不同的分辨率、帧率和编码方式,满足不同网络条件下的终端需求。如:以1080P@25fps在局域网中进行录像存储,以1080P@15fps在公网上进行视频预览,以CIF@25fps提升手机3G网络视频预览流畅度。除以上两种技术外,H.264等技术同样在图像编/解码过程中发挥着重要作用。
  3.图像显示
  早期的模拟监控系统中多采用CRT监视器,但由于CRT监视器技术发展的限制,CRT监视器已经逐步被LCD、等离子(PDP)监视器取代。目前,主流的拼接屏多采用LCD大屏,具有高对比、高亮度、超宽可视角度等特点。高亮度保证了画面显示质量,可以更加真实反映出信号源的本身的画面质量,高对比度可以更有效的凸显画面的本身的层次感,画面过渡更显细腻,有助于观看者有效捕捉到画面中的每一个细节。8ms的响应时间,能有效消除画面的拖尾现象,画面更加流畅,更好地适应高速动态画面显示。水平、垂直178°的超宽视角,使人无论站在任意角度观看视觉效果均保持良好。卓越的显示性能在组成超大拼接大屏幕墙时显示效果尤佳,有利于用户处于各个角度观看时看到一致的图像效果。
  除显示屏外,监控中心里还包含了大大小小的解码、拼控、矩阵等设备,繁杂的设备对日常维护和运行操作都造成了很大的不便。因而,构建一个高清视频监控系统,还应对拼控设备的集成度和稳定性做好严格的把关工作。
  随着大屏幕显示行业的发展,大屏控制系统正在表现出更多的技术融合趋势,从解码、拼接、到LED屏控制、GIS地图显示、再到分布式控制、联网控制等。大屏系统所采用的技术不仅局限在控制室这个小系统内的优化,而是针对从信号采集、信号传输到信号显示的大系统级优化。通过系统级的技术融合和解决方案的优化,客户大屏控制系统的设备数量更少,系统故障点更少,信号端到端的延时更小,客户的体验更加丰富。
  4.图像增强
  在系统构建时,我们必须考虑到受场景、气候、设备选型等影响,视频监控系统中可能会出现图像模糊、清晰度不够等问题。视频监控系统中应具备对原始视频进行处理的能力,此处统称图像增强技术,即图像后处理技术。常用的两种关键技术有图像复原技术和图像增强技术。
  图像复原技术针对由于聚焦、运动等原因造成图像模糊的过程进行建模,利用解卷积算法反推原始图像信息的算法,能够部分恢复车牌文字、人脸等关键信息,为公安刑侦提供帮助。
  图像增强技术通过对图像进行局部对比度提升、亮度修正、锐化等处理,有效改善由于光照、雾气等原因造成的图像质量问题,使图像细节更为明显,便于监控人员观测。

  二、传输质量
  网络传输技术会直接影响到高清监控建设的稳定性。相比大规模重建网络,购买昂贵的网络设备,我们更推荐用户购买一台或几台性价比高的服务器,搭建流媒体传输网络。这是一个高弹性的网络架构,它已经广泛应用于网络视频点播、IPTV等民用系统,经过成千上万的用户实验,是一个更加可靠的传输方式。
  流媒体传输方式典型示意图如图1所示:
       
  将数据源从繁重的访问压力中解脱出来,把数据流复制分发的工作交给流媒体服务器完成,同时降低了数据源端高带宽的要求。通常用户网络的核心层与会聚层之间的带宽、吞吐量是有富裕的,因此流媒体服务器配置千兆或双千兆网卡是能满足并发访问需求的。关键是它并不需要大规模改建现有网络,节约成本。

  三、存储质量
  对应高清监控数据量变大、存储可靠性要求更高、系统结构更加灵活的特性,高清存储需要解决的问题也就越发明确:
  (1)在高清监控系统中,存储设备和子系统必须具备高效、完整的记录功能。
  (2)对所存储的数据要能从介质和系统角度考虑其可靠性和安全性。
  (3)对系统结构灵活的特性,要能实现存储资源的统一管理和调度,以配置灵活的录像计划,并且能根据需求的变化,随时应对系统录像时间延长、监控前端扩展的要求。
  目前,常见存储方案大致可以分为四种:前端设备存储、NVR服务器存储、嵌入式服务器存储和直写存储。前端直写存储模式由于架构简单、节省投资成本、方便管理等特点,已经越来越受到市场的认可。
  CVR直写方案是真正的流媒体直写方案(如图2所示),方案中前端、存储、平台三者直接都是通过流媒体传输协议直接进行数据传输没有中间环节。前端通过标准的RTSP或者私有视频流协议直接写入存储中,节省服务器硬件成本,避免服务器形成单点故障和性能瓶颈;客户端、平台直接接入存储系统,实现对监控数据的下载、检索、浏览和回放等。且CVR直写方案可提供配置、检索与回放的二次开发接口及控件,充分利用灵活对接的特点,兼容多种主流编码器及平台产品。
         
  该方案具有以下特色功能:
  智能补录
                        
  当网络出现故障,可结合前端编码设备实现录像接管,保证视频数据不丢失;当网络正常时,恢复网络化集中存储,同时将前端视频数据透明化复制至磁盘阵列,进一步提升了网络存储的可靠性与灵活性,同时实现数据的双备份,如图3所示。
  录像回传
               
  对于银行等上下级窄带网络情况,可结合前端DVR实现工作时段前端DVR录像存储,保证上下级业务数据传输带宽;空闲时段DVR数据回传至中心的CVR存储中,实现录像数据的集中存储和统一管理,如图4所示。
  N+1功能
                   
  提供一台或多台存储设备作为热备机,正常工作环境下,热备存储设备处于待机状态。一旦工作存储机出现故障,热备机会自动接管其录像服务,保证上层录像数据不丢失,如图5所示。
  主子码流切换
  录像存储时,可根据环境和空间需求设定存储的码流为主码流还是子码流,主子码流期间可自动切换。
  录像锁定
  针对重要的录像数据,可进行录像自动锁定或手动锁定,达到长期保存不被循环覆盖的目的。锁定录像到期可自动解锁。
  录像本地和异地备份
  支持视频数据在实时写入的同时进行存储本机或异地设备的存档备份,实现数据多份保存的安全性。

  四、运维质量(服务质量)
  视频监控系统的设备与资源规模巨大、设备种类庞杂、参与维护的人员众多,单纯依靠传统的人工作业方式来进行日常巡检和维护管理已不能满足日常运维工作的需要。为实现对视频监控系统及其基础支撑运行环境的可视、可控、可管理,提升故障发现、处置效率,保证监控系统的可靠运行,迫切需要构建一个高效、可靠的运维管理平台,实现对全网设备“全天候、全过程、全方位”的集中监控、集中展现、集中维护、集中考核,保障视频监控系统发挥最大的应用价值。
  该视频管理平台应支持以下功能:
  (1)提供视频网管监控、IT网管监控、视频质量诊断、机房动环监控可视化实时运行状态诊断信息,使管理者对运维资源的运行实时状况一目了然。
  (2)采集、分析监控的告警事件作为原始事件,按照预定义的事件规则,经过过滤、分类、分级、转换等处理环节,形成有效的预警或故障告警信息,及时发现、预警潜在的风险。
  从平台功能上看,视频管理平台需包含视频质量诊断、网管功能及设备运行维护和巡检流程三大模块:
  视频质量诊断系统主要由诊断分析仪客户端管理软件组成,诊断分析仪采用先进的科学的视频质量诊断技术,应用计算机视觉(ComputerVision)算法,能对视频图像的清晰度(图像模糊)、噪声干扰(雪花点、条纹、滚屏)、亮度异常(过量、过暗)、偏色、画面冻结、信号丢失等常见摄像机故障进行检测,做出准确判断并发出报警信息。同时支持模拟和数字视频接入,对于第三方私有码流,需要提供其SDK。
  网管功能支持用户通过视频作战平台客户端软件或WEB浏览器登录客户端管理平台软件,实现设备信息管理,检测计划管理,检测结果管理等,并支持用户对结果进行查询以及导出等。通过网管系统加强系统对巡检结果的统计、分析能力。
  设备运行、维护和巡检流程电子化,实现自动发现、自动报警、人工确认、网上派单流转、施工现场确认、修复确认、工程量清单生成、审核终结全流程的电子化,保障设备故障修复的技术性。

  五、数据挖掘
  高清视频监控系统中存储的海量视频数据,都是一些低价值的非结构化视频数据,应用单一且利用不充分。深入地挖掘、利用、分析这些数据,实现非结构化数据向结构化、半结构化数据的转换,才能使数据真正服务于视频监控系统。因而衡量一个高清视频监控系统质量,需要综合考虑数据的易用性、可用性。智能后检索、大数据、云计算等技术的发展,为数据挖掘提供了很多很好的途径。
  以云计算为例,该技术在安防系统中可以得到多方面的应用,如:
  (1)系统部署与运维
  利用云计算提供的虚拟化技术,实现安防系统的快速部署、系统运行监控与故障迁移。
  (2)海量数据存储
  数据是安防系统的核心,它既包括视频、图片、模拟量等非结构化数据,也包括人员信息、设备信息、配置信息等结构化数据,通过云存储技术实现海量数据的存储、检索、读取。
  (3)智能分析
  利用云计算提供的计算资源池,实现海量非结构化数据的特征分析,如视频实时智能分析、视频元数据预处理、人脸识别、车牌识别等,把非结构化的数据转换成结构化的描述数据,以便计算机进行二次处理。
  (4)智能统计
  利用云计算提供的计算资源池,实现海量实时数据或历史数据统计,对安防态势做出实时的判断与趋势的预测。如人流量统计、车流量统计。
  (5)智能检索
  利用云计算提供的计算资源池,实现海量数据的智能检索,通过规则的过滤实现对安防数据的综合化应用。如根据人员特征、车辆特征检索视频,通过告警的时间、地点检索相关联的监控资源。
  (6)安防应用虚拟化
  利用云计算中SaaS层提供的技术框架,可以实现安防应用的虚拟化部署,从而实现安防应用虚拟化。

  六、结语
  正如本文开头所述,高清视频监控系统是一个由采集、传输、存储、解码、显示、控制等诸多环节有机组成的完整系统。每个环节环环相扣,只有从每个环节入手,才能构建好真正意义上的高清系统。

编辑:侯雨婷
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