数字视频及流媒体技术在电信机房监控系统中的应用

2010-05-11陈碧玉罗轶

自动化与信息工程 2010年3期

陈碧玉罗轶

1 引言

本文通过对数字视频及流媒体技术的研究，针对电信机房所具有的管控节点多、分布区域广、整体信息量大、现场无人值守等应用环境的特点，将相关的数字视频及流媒体技术应用在电信机房监控系统中，以达到分布式数据存储，集中联网管控的要求，从而实现电信机房的全面数字化集中管控。增强机房管控的实时性，确保系统的安防效果。

2 数字视频处理技术的应用

本文以数字视频编解码技术及流媒体技术为基础，利用数字视频技术的相关特点，并根据电信机房联网集中监控系统的环境、特点及功能要求，将数字视频技术的优势与实际应用结合起来，增强系统的先进性及适用性。

（1）、多模式数据存储

采用数字视频多模式存储的应用特点，系统可采用多种存储模式，一是前端存储的模式，即将视频数据存储于机房前端录像机的硬盘上，该模式的优点是数据保存稳定可靠且不受网络连接状态的影响。另一种模式为后端存储模式，即所有图像数据通过网络上传至系统后端监控中心集中存储，该模式的优点是数据集中在一个地点存储，数据检索快捷方便，存储设备的维护管理也比较容易。也可将两种模式结合使用，采用设定的存储策略在系统后端存储重要的关键数据，而在前端机房设备上保存全面的图像数据[1]。

（2）、多节点多用户同时访问

数字视频技术的特点之一就是可支持多用户的访问，电信机房是分区分片进行管理的，这就意味着，同一机房的图像数据可能同时被多个管理者访问监看或调用。前端机房的硬盘录像机由于网络处理能力的限制，支持的访问数量有限，我们利用流媒体技术的特性，通过采用专用服务器来进行实时视频流数据的分发，所有用户都通过专用服务器获取实时视频数据，而不是直接访问前端机房设备，既确保了各区域各级别的多个用户能够同时对系统视频数据进行访问，又不会造成网络的堵塞。

（3）、数字视频解码输出，数字视频矩阵功能

数字视频信号解码后可转换为模拟视频信号，并可输出至模拟显示设备上进行显示，以实现更优良的监视效果。我们应用这一技术，在系统后端监控中心配置视频解码服务器，对前端机房通过网络上传的实时视频流进行硬件解码，实现前端机房现场图像的数模转换，并将模拟图像输出至屏幕墙设备上进行显示和监看。视频解码服务器配置有多张解码卡，可构成多通道硬件解码系统，且各通道完成独立控管，支持多路视频的同时解码输出；同时能够实现不同的画面分割显示，组成各种灵活的视频显示方案，实现数据视频矩阵的相关功能。

（4）、图像移动侦测技术，自动侦测移动目标

半个多世纪以来，齐齐哈尔地区的工业为共和国的经济、国防和工业现代化建设做出了不可磨灭的贡献。这里的工厂曾经为我国第一门大炮、第一颗人造卫星、第一台核反应推、第一艘核潜艇……在工业战线上涌现的全国劳动模范马恒昌先后13次受到毛主席接见。但是，由于种种原因，在以往报道中没有充分挖掘这些典型的人物与事件。而在相距150公里之外的大庆市就把铁人王进喜的形象搬进社区、学校、广场、公交车……在整个大庆市的每个角落都能受到“铁人”精神的鼓舞。

最新的H.264数字视频压缩标准能够提供多种更好的运动估计。在H.264中采用1/4像素（最高1/8像素）的运动估计，即运动矢量位移是以1/4（最高 1/8像素）为基本单位的。较高的位移精度，为精确的图像移动侦测应用创造了条件。通常情况下电信机房基本无人值守，应用图像移动侦测技术可实现对现场图像的自动监视，发现移动目标则向值班管理人员发出提醒或报警。

实际应用中，在工作时间内可通过撤防设置屏蔽移动侦测功能，而在非工作时间则对现场进行布防，通过侦测现场设定区域的动态图像变化来判定是否有移动目标闯入布控区域。并对异常状况联动报警，有效地提高系统的实际安防效果。

（5）、数字水印技术，确保数据安全

数字视频可采用水印叠加技术确保数据的可靠有效，系统录像文件数据可嵌入专属的序列号水印及时间水印，确保原始录像文件记录的完整性，防止数据被篡改，提升所有数字视频数据的安全性。

此外，数字视频还支持OSD叠加，可在图像画面上叠加机房现场的相关信息（如区域、位置，编号时间等），有助于管理人员从大量类似的机房现场图像中找到自己需要监看的画面。

3 流媒体技术的应用

电信机房的运维管理模式是由各专业管理部门、机楼片区、区域分局、市级运维管理部门等多级管理单位，根据辖区范围对机房运营状况进行管控。这种管理模式决定了监控系统在实际应用中会出现多个终端同时对一个机房现场图像进行监看，或同时对同一组录像数据进行访问的情况。

如果多个用户同时对前端设备进行访问，就会造成前端设备的超负荷运行甚至造成网络的堵塞，从而影响整体系统的性能。

解决该问题的途径就是利用流媒体的技术特性，通过设置专用的流媒体服务器来实现实时视频流的存储转发和分发，因为专用的流媒体服务器具有远远大于硬盘录像机的网络性能及数据处理能力，由流媒体服务器来承担数据处理及网络传输的重担，前端录像机设备只需向流媒体服务器发送视频流数据，这样的系统结构能提高系统的性能，确保数据传输的稳定性，使多用户访问成为可能[2]。

流媒体服务器的主要作用就是降低前端站点网络带宽的占用，用户不直接对前端站点的实时视频数据进行访问，而是通过流媒体服务器来间接进行访问。流媒体服务器通过专用的管理软件来进行管理，可以采用多级权限设置和有效的访问策略来提高响应访问的效率，在单位时间内有效提高网络资源的利用率[2]。

流媒体分发业务流程图如图1所示。

图1 流媒体分发业务流程图

如图1所示，在联网集中数字视频监控系统中，存储服务器、硬解码服务器及监控终端都通过流媒体服务器来获取实时视频流。各种终端设备均需与流媒体服务器建立连接，接收流媒体服务器转发的实时视频流后再进行数据存储、图像实时监看及解码转换输出显示等工作[3]。

实际调测中，电信机房监控专用网络带宽约为50M，一台流媒体服务器可负载100路视频流的转发工作，以每个管理终端同时访问16路视频流来计算，每台服务器可支持6～7个管理终端的同时访问。

在系统实际应用上，以广州电信为例，专业管理部门及区域分局的管理终端超过25个，加上市级监控中心的管理终端，硬解码服务器，系统管理终端的总数超过30个，也就是说系统至少应同时满足对30个管理终端进行视频流转发的需求，并提供超过500路视频流的同时转发，此时系统应配置5台流媒体服务器，管理终端数量增加，则服务器的数量也应相应增加。

流媒体服务器群组协同工作，就需要解决管理终端接入请求分配的问题，即终端接入的负载平衡问题。根据系统实际应用要求，我们采用了有效的流媒体转发机制来实现负载的平衡。

配置专用的应用管理服务器来对流媒体服务器群组进行管理，流媒体服务器启动服务时，需在应用服务器上注册，而应用管理服务器则通过心跳技术对流媒体服务器的运行状态进行监控。

当监控终端需要访问一路前端视频时，先向应用服务器发出一个视频访问请求；应用服务器验证请求权限是否有效后，以最少连接法平衡负荷，将当前访问请求优先分派给连接数据最少的流媒体服务器。以达到负载的均衡。

若某台服务器出现故障，则应用服务器会将该服务器的视频流访问分配给其它正常的流媒体服务器，增强系统的可靠性。

4 主要设备的选用

电信机房数字视频监控系统主要设备包括 DVR设备和硬解码卡设备，这两种设备均选用了海康威视品牌的 HC系列产品，提供全实时图像帧率达到 25帧/S，提供多种码流类型的选择（CIF、QCIF、DCIF、D1）。海康威视有良好的兼容性及可扩展性，提供丰富的功能应用接口（USB口，IO接口，网络接口，报警输入输出接口，RS485/RS232控制接口等），DVR设备采用嵌入式系统，并提供SDK开发接口，应用中可根据电信系统的实际需要，进行功能二次开发。非常适合在电信机房视频监控系统中应用。

5 应用效果

目前数字视频及流媒体技术已在广州电信机房监控系统中得到应用，接入的机房达到200个，且节点机房的接入数量还在持续增加中。实际应用中，因为采用数字视频及流媒体技术，从而实现了分布式多节点的集中管控，电信运维部门无需设置多个区域分控中心，只需要一个集中监控中心即可完成对所有机房的监控，减少运维部门巡检的次数。通过系统录像记录，能追查机房事故产生的原因，防止事故的再次发生，保证电信机房的稳定运营。