廣電技術(shù)在視頻監控系統中的應用

隨著(zhù)IP高清監控逐漸成為安防的發(fā)展趨勢，越來(lái)越多的監控設備和管理系統在參考系數以及應用和功能等方面，與廣電領(lǐng)域產(chǎn)生了更多的交集。安防現在經(jīng)歷的高清、網(wǎng)絡(luò )、開(kāi)放、智能等，如果廣電領(lǐng)域不具備這些能力根本無(wú)從談起。本文以廣電領(lǐng)域ASMF系統技術(shù)、智能轉場(chǎng)識別技術(shù)、MSB技術(shù)在安防行業(yè)的應用為例，探討廣電技術(shù)在安防產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展趨勢，以為業(yè)內人士提供借鑒。

近兩年，安防行業(yè)高速發(fā)展，“平安中國”、“平安城市”以及奧運會(huì )的承辦為我國安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入勃勃生機，也為我國的安防產(chǎn)業(yè)、企業(yè)提供了快速發(fā)展的機遇，帶動(dòng)了安防技術(shù)的迅速發(fā)展和提升。近年來(lái)的發(fā)展表明，安防技術(shù)的總體趨勢是朝著(zhù)高清化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的方向大步邁進(jìn)。而在廣電領(lǐng)域，通過(guò)多年的發(fā)展，高清制播、圖像智能化分析和全臺網(wǎng)絡(luò )化等技術(shù)已非常成熟，在各個(gè)電視臺中已經(jīng)普遍應用。

ASMF高碼率可滿(mǎn)足安防高清需求

最初，“高清”概念與標準是廣播電視業(yè)提出的。主要有三種標準：720P、1080i、1080P，其畫(huà)面寬高比定義為16:9。720P即是1280×720分辨率，1080i與1080P是1920×1080分辨率，后綴“i”和“p”分別表示隔行掃描與逐行掃描。其中，1080P是最高等級的高清視頻清晰度標準。對于快速移動(dòng)目標的圖像采集，相比隔行掃描，逐行掃描可以獲得更好的動(dòng)態(tài)圖像，隔行掃描將會(huì )產(chǎn)生圖像晃動(dòng)現象。高清視頻編碼最常用的編碼格式是MPEG-2、MPEG-4、H.264和VC-1這四種算法。H.264相對于MPEG-2、 MPEG-4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。(見(jiàn)圖1)

編碼結構

高質(zhì)量、高效率的編解碼器是高清圖像處理的關(guān)鍵，能同時(shí)支持高效全格式幀精確編解碼的技術(shù)是構建高清安防系統的必要條件。在廣電，根據高清節目的內容采用了不同的碼率，如低端的新聞、教育等節目的制作采用較低的18Mbps的碼率，而高端的節目制作，包括電視劇、體育等一般采用200Mbps的碼率。相對于安防4Mbps到10Mbps的高清碼率，廣電節目制作系統對高清圖像的編解碼實(shí)時(shí)處理要求遠超過(guò)安防高清系統的要求。

我們知道MPEG系列壓縮保準的數據流主要是由I、B、P幀構成的圖像組(GOP)為一個(gè)單元，只有I幀是全幀(參考幀)，而B(niǎo)、P是預測幀，在數據流播放過(guò)程中，若直接對碼流進(jìn)行切換，必須等到I幀到來(lái)，這樣就產(chǎn)生了時(shí)延，延遲時(shí)間取決于圖像組(GOP)的長(cháng)度。是否不必從I幀作為入口，而做到精確任意幀播放和檢索?這是可以的，在廣電的非線(xiàn)性編輯系統中就實(shí)現了幀精確的播放和快速連續搜索，在播放和搜索過(guò)程中，可流暢地看到每一幀，并能精確地停在任何一幀(I、B、P幀)，可以逐幀搜索，還可實(shí)現精確快速連續倒放和逐幀倒放搜索。同樣，對于H.264、MPEG-4壓縮格式也實(shí)現了毫秒級響應的幀精確定位。而在安防領(lǐng)域目前普遍只做到了秒級檢索定位。

眾所周知，高清意味著(zhù)高碼率，如何在實(shí)現高碼率數據存儲時(shí)，兼顧高安全性、高實(shí)時(shí)性、高性能的要求?為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需從文件格式著(zhù)手。MXF是英文Material Exchange Format(文件交換格式)的詞頭縮寫(xiě)，MXF被設計可用于包裝MPEG–2數據流、DV數據流、YUV數據流、PCM音頻文件以及幾種格式的數據庫文件(同步或非同步模式)。MXF可以同時(shí)處理打包多條軌道的音視頻和數據庫文件，它被設計為既支持流媒體傳輸又支持文件的傳輸。在專(zhuān)業(yè)廣播電視環(huán)境中MXF被廣泛使用，結合安防監控高清碼流數據的特點(diǎn)，我們在MXF基礎上設計了一種專(zhuān)用于高清圖像存儲的格式，稱(chēng)為高級媒體文件系統(Advanced Security Media Format)縮寫(xiě)為ASMF。

文件由文件頭、文件體和文件尾組成。文件頭作為文件的開(kāi)始包含了該文件視音頻軌道數、時(shí)間長(cháng)度等基本結構信息，文件體用來(lái)存放視音頻數據和對應的索引等信息，文件尾作為文件結束點(diǎn)，用來(lái)包含最終的媒體和元數據信息，同時(shí)可以利用其中的關(guān)閉與否的標記，來(lái)決定更新信息是否可用。

ASMF完全獨立于操作系統，直接對磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，具有極高的I/O讀寫(xiě)性能，全面滿(mǎn)足高清系統讀寫(xiě)要求。通過(guò)智能磁盤(pán)I/O調度算法，可有效避免磁盤(pán)讀寫(xiě)“沖突”。分散式實(shí)時(shí)備份的ASMF RAID能夠提供大于RAID0+1的數據安全性，確保磁盤(pán)意外損壞的情況下讓數據不受到影響。(見(jiàn)圖2)

文件系統格式

同時(shí)，ASMF文件支持通道、多個(gè)不同時(shí)間片斷視音頻數據的聚合保存。使得各個(gè)音視頻片斷之間建立關(guān)聯(lián)，更加富有邏輯性。比如我們可以把一個(gè)案件相關(guān)的幾個(gè)攝像頭錄制的場(chǎng)景，幾個(gè)涉案人物對應的片段都存放在同一個(gè)文件中，與之相關(guān)的事件信息，場(chǎng)景描述信息，關(guān)鍵段落信息等元數據(MetaData)作為輔助和描述信息也保存在A(yíng)SMF文件中，從而使資料使用過(guò)程中具有更好的訪(fǎng)問(wèn)性能和更方便高效的提取和操作。

ASMF文件格式支持內容的高效訪(fǎng)問(wèn)和快速“幀精確”定位。支持多層、分布、金字塔式的超級索引模式，定位時(shí)采用逐層分段查詢(xún)訪(fǎng)問(wèn)的方式，能夠快速精確定到文件中的任意幀及視頻段，而不需要分析整個(gè)索引，極大地提高文件定位和響應。

轉場(chǎng)智能識別技術(shù)在安防的應用

另一方面，廣電領(lǐng)域中獨具特色的智能化轉場(chǎng)識別技術(shù)也可用于安防系統。轉場(chǎng)是視頻場(chǎng)景與場(chǎng)景之間的過(guò)渡或轉換，例如在報道一家企業(yè)時(shí)，前一場(chǎng)最后一個(gè)鏡頭是在企業(yè)拍攝的產(chǎn)品，下一個(gè)鏡頭是在市場(chǎng)拍攝的產(chǎn)品，報道就由車(chē)間轉到了商店，由生產(chǎn)轉到了銷(xiāo)售，這個(gè)場(chǎng)景的轉換在廣電領(lǐng)域就稱(chēng)為轉場(chǎng)。當時(shí)這個(gè)轉場(chǎng)智能識別技術(shù)被國外廠(chǎng)商所掌握，后來(lái)國內的廠(chǎng)商通過(guò)自主研發(fā)掌握了轉場(chǎng)識別核心技術(shù)。

通過(guò)轉場(chǎng)智能識別技術(shù)，能對存儲的素材按轉場(chǎng)進(jìn)行鏡頭分割，自動(dòng)生成該素材的分鏡頭列表，并提供快速的分鏡頭定位。從目的上講，智能轉場(chǎng)識別與安防的移動(dòng)偵測識別的目標是一致的，都是通過(guò)檢測圖像的畫(huà)面變化識別出不同的場(chǎng)景，不過(guò)轉場(chǎng)智能識別技術(shù)屬于更高級的視頻分析技術(shù)，識別的精度更高。并且基于轉場(chǎng)智能識別技術(shù)，可進(jìn)一步實(shí)現圖像的黑場(chǎng)、彩條、雪花的檢測，這些技術(shù)在安防系統中可用于檢測攝像機的工作狀態(tài)，成為自動(dòng)檢測攝像機圖像系統工作狀態(tài)的技術(shù)手段。