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，不僅僅是傳統的視頻監控和報警管理等治安管理系統，還將交通電子警察、應急系統、停車(chē)管理等城市管理納入，提升了數字城市、智慧城市的高度。

由于視頻監控屬于帶寬密集型應用，在如火如荼的建設大潮背后，是大批的IT系統進(jìn)入，這包括城域網(wǎng)建設、視頻存儲系統建設、視頻流轉發(fā)服務(wù)器建設等等，同時(shí)，這些系統的建設又帶來(lái)了龐大、繁雜的系統維護問(wèn)題。從2010年的世博會(huì )首次大范圍建設高清監控系統，到2011年的重慶大規模高清監控系統投入使用，給視頻監控系統帶來(lái)越來(lái)越大的壓力。這些壓力主要體現在：

·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容量之間的矛盾;

·高清錄像回放用戶(hù)數量和錄像存儲系統吞吐能力之間的矛盾。

這一系列的矛盾直接對系統建設成本和復雜性提出了更高的要求，無(wú)論是政府直接建設還是電信運營(yíng)商或視頻監控廠(chǎng)商BT模式，在當前國際金融危機和國內通脹壓力形勢下，要從財政中撥出巨款投入城市治安管理建設，對于尚處于發(fā)展中階段的各級政府，不亞于一個(gè)沉重的經(jīng)濟負擔。

筆者有過(guò)多年的通信、圖像處理的工作經(jīng)驗，本文中提出了個(gè)人技術(shù)見(jiàn)解，希望能夠借此推動(dòng)高清監控系統推進(jìn)和完善。

方案一：借助于最新視頻編碼技術(shù)

當前平安城市中的高清監控采用編碼、傳輸、解碼、存儲等一系列數據流程，為了節省投資，很多采用了分布式存儲，也就是說(shuō)將前端的高清視頻數據通過(guò)NVR、H-DVR、NAS和IP-SAN等存儲設備在分控中心進(jìn)行集中存儲，分布式存儲的優(yōu)勢在于將數據集中于各分中心，在較大規模的系統中，管理便利，可靠性好。集中存儲是將前端的高清視頻數據通過(guò)NAS、IP-SAN等集中在存儲中心，安全性好，但是投入成本與規模相關(guān)。

當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的監控點(diǎn)，一個(gè)月的錄像文件達到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，高清監控勢必會(huì )增加存儲設備上的成本投入。

所以，無(wú)論是分布式存儲還是集中式存儲，都不可避免需要建設龐大的錄像存儲系統。

IPTV視頻點(diǎn)播實(shí)現低碼流高質(zhì)量

但是，當前電信IPTV視頻點(diǎn)播應用已經(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)面復雜度要遠遠高于監控畫(huà)面(監控一般為30%動(dòng)感畫(huà)面)，那么，是否兩者之間有可借鑒之處呢?

誠然，超低碼流的電信IPTV應用的視頻點(diǎn)播數據一般是經(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)轉碼一般是指將電視臺的高清節目實(shí)時(shí)轉碼為私有格式，以便獲得高質(zhì)量、低碼流，通過(guò)現有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)轉碼后的碼流僅為2.2Mbps，這個(gè)碼流對于我們監控行業(yè)動(dòng)輒4Mbps的碼流來(lái)講，也是非常低的?？紤]到監控行業(yè)的30%動(dòng)態(tài)畫(huà)面，筆者相信1Mbps的實(shí)時(shí)轉碼碼流應該是能夠做得到的。當然，對于交通卡口等全動(dòng)感畫(huà)面，2.2Mbps的碼流也是相當不錯的成績(jì)了。

當然，以上電信級的視頻壓縮算法可能根本無(wú)法跑在當前的TI壓縮處理芯片上，要么是跑在專(zhuān)門(mén)設計的ASIC壓縮芯片上，要么是直接運行在PC服務(wù)器上，來(lái)實(shí)現低碼流編碼。

基于電信設計思路，增設視頻轉碼層

基于以上技術(shù)發(fā)展，筆者建議采用電信系統的設計思路，對于當前的平安城市系統進(jìn)行分層設計。

傳統的平安城市視頻監控一般是編碼、傳輸到分控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)碼流瀏覽和錄像存儲。從系統層次上劃分，可分為視頻接入層、視頻錄像層、視頻實(shí)時(shí)顯示層、視頻轉發(fā)層。

筆者提出的新設計是，相對于傳統的4層規劃，建議增加一個(gè)獨立的視頻轉碼層。視頻轉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，以便于節省存儲空間。

按照傳統的設計，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空間。

在新設計中，視頻編碼層直接輸出MJPEG碼流，MJPEG碼流相對較大，1080P能夠達到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。

在新設計中，視頻轉發(fā)層將視頻錄像層的低碼流錄像轉發(fā)至錄像回放工作站或其他遠程工作站，并利用標準的h.264解碼器進(jìn)行解碼。

在以上設計中，新的視頻編碼層也可以支持HD-CCTV攝像機，直接接入SDI視頻信號。按照電信行業(yè)的設計標準，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I52.8GHZ的PC服務(wù)器可以處理2路1080P視頻轉碼。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，將可以轉碼8路左右的高清視頻。和降低的存儲成本相比，總體成本應該還是要降下許多。

但是，由于直接采用了MJPEG碼流，這會(huì )大大提高對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求，對于政府自建公安專(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，在這里，為了適應新的轉碼層需要，建議采用多個(gè)千兆匯聚層交換機，分為多個(gè)網(wǎng)段，實(shí)現轉碼后再連接到錄像存儲層。

如果采用了電信BT建設模式，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 )攝像機和接入網(wǎng)絡(luò )中間。如果采用HD-CCTV攝像機，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。