橡子云视频智能监控系统 打印

基于云计算和云存储的数字视频监控系统,主要服务于目前国内一些大城市正在建设的以平安城市为主题的信息监控、处理和管理的要求。“平安城市”是国家倡导的物联网在城市安全方面的体现,也实现了多媒体时代对多媒体系统的综合和高效管理。平安城市是数字化城市的一个有机部分,聚焦在大众最关心的热点上:安全。本方案先从平安城市出发,突出城市的监控和预警,并进而延伸到数字化城市、移动化城市。“移动化城市”是充分利用移动网络和智能手机/平板电脑的普及,使得数字信息可以在掌上随时存取和管理。

下面是几个重要应用的示例:policeman1

  • 进行重要场所(如银行、超市、财务公司等)的日常视频监控,并可以按指定条件进行视频的录制和存储,也可以按一定时间间隔进行快照。
  • 公共事件和热点场所的预测性监控,如可以根据人群的情况预测某个恶性交通事件的发生并及时触发更为焦点和密集的监控和人员的现场集合。
  • 对事发前可疑人物或犯罪嫌疑人的预先监控,可以对其进行跟踪监控或指定区域监控,防患于未然。
  • 对事发后罪犯的图像和视频检索,快速确定罪犯并启动市内监控设备进行匹配式监控。

 

1. 系统总体设计

本方案的重点在于一个通用的多媒体信息采集、传输、处理和存储平台,其丰富的功能和模块化的设计使得其可以快速地部署到不同的应用领域。

虽然系统的组成复杂,但是从资源组合与整合的角度上可以分为如下五个逻辑组成部分:(1)被监控对象,如个体人或一个指定区域等,从技术的角度来讲,他们可能携带传感器;(2)监控设备,主要是摄像头,也包括其他信息采集和传感设备,如很重要的一个是位置信息的采集设备请参见本公司的室内定位系统;(3)网络传输平台:将采集到的多媒体信息迅速传输到后端的数据中心;(4)基于云的数据存储和处理中心(简称云数据中心):进行多媒体信息的高效存储、处理、存取控制等,是信息存储和共享的计算平台;(5)终端显示:主要是以各种方式显示所获取的多媒体信息,实现随时随地,支持无线设备。其相互关系如1所示。

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图1 橡子智能云视频监控系统的构架

被监控对象:基本上不属于技术范畴,主要涉及到某些传感器的安放。

监控设备:监控设备是该系统的用户(如各级公安监控中心)接入的视频、音频和报警信息的来源,常常体现为各种视频摄像头。这些前端摄像头可以通过有线和无线两种方式接入。由于无线传输信道的开放性,无线接入时应采取加密措施以对数据进行保护。同时,系统采用访问权限控制,如不允许社会报警服务中心获取公安报警与图像信息。

监控设备涉及到选型,如模拟或数字、IP或非IP、高清或普清等,也涉及到其到网络的传输和其网络接口,这些问题都需要在网络设计时统一考虑。橡子云视频监控系统对不同要求都有相应的解决方案,尤其是其智能资源分配算法将传输实现最优化,在保证服务质量的情况下大幅度提高了图像的实时性和高清晰度。

 

2. 传输网络子系统

在功能上,该子系统不但要实现基层监控中心和市局监控中心内部的网络,而且要实施多个基层监控中心与市局监控中心的互联。在技术设计和实现上,该子系统的重点是一个多层次、多技术的动态接入网,它即要支持常规的固网接入技术(如使用各种光纤到户技术)也要支持多种无线宽带网络技术。后者是迎合目前无线移动网络大发展的趋势,并为线缆到不了的区域提供监控。该网络子系统的构架如图2所示。

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图2 网络传输子系统的构架图

所采用的网络技术包括:核心网部分(主要使用支持光纤的快速以太网,目前暂不考虑纯光的WDM和其上的SDH等)和接入网部分。后者是一个异质网络,包括各种无线网络技术如3GIEEE 802.11IEEE 802.16 WiMAX)以及固网接入技术如EPON无源光纤网络。在实际应用中也可以使用从电信运营商租用来的其他专线,如aDSLATME1线路等。

该网络系统在服方面支持各种主流多媒体服,如高清视频传输、自VoIP音会等。因为这些服务呈现出不同的特性:如语音信息数据量较小,但对实时性要求很高;视频信息数据量很大(尤其是高清视频),对实时性要求也颇高,但丢几个包基本上是可以容忍的;数据信息实时性不高,但绝对不容许有丢包现象发生。这就意味着一定程度的服务质量控制机制需要在网络中提供。

在为前端的摄像与传感等监控设备提供网络接入时,网络子系统可以采用各种网络技术。摄像设备可以是模拟设备或数字设备、高清或普清。

有线接入中,可以使用以太网直接接入,也可以使用以太网然后再通过无源光纤网(PON)接入,还可以使用无源光纤网直接接入等各种方法,如图3所示。PON技术有多种,这里推荐使用性价比高的EPON(以太网PON)。EPON的拓扑是一个树形,唯一的根节点(相对于无线网络中的基站)是OLT;一个OLT可以通过splitter支持多个ONU光端机。

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3 摄像监控设备接入系统是采用有线方式

无线接入中,可以使用各种无线技术,如WiFiWiMAX以及正在普及的移动4G技术(LTE)等,如图4所示。

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图4 摄像监控设备接入系统是采用无线方式

 

3. 云数据中心子系统

云数据中心是橡子云视频智能监控系统实施的核心部分,它汇接各种监控资源,将所需的视频、音频、数据信息进行编码和存储,并根据授权进行实时播放(通过推送到监控中心的相应播放设备上)、检索和浏览,是实现互联、互通、互控和满足实际应用的共享平台,为客户的各级业务部门和各级领导决策、指挥调度、取证提供及时、可靠的报警和监控信息。

数据中心既可以放在一个集中的部门,也可以和监控中心子系统一样,分布在各个业务部门中等。集中式和分布式的数据中心在功能上大同小异,在技术实现上也基本相同。我们的橡子智能云视频监控系统在设计时考虑了尽可能多的功能,并考虑到的各个分布式数据中心之间的互通。

在技术设计理念上,该子系统将采用云计算和云存储的先进理念,并融入跟视频监控系统相关的服务,其主要构件如图5所示,包括各种服务器和一个视频云团。下面分别对视频云团和其存取控制服务器进行介绍。

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图5 数据中心主要构件

一个视频云由两个部分组成:计算云和存储云,如图图6所示。前者采用虚拟机(VM)的概念已对计算资源进行动态和弹性调度和使用。如,当一个虚拟机的性能下降时,它可以迁移到另一台物理机器上;而这台物理机器可以在同一个视频云内,也可以在不同的视频云内。视频云的视频数据(由视频采集设备获得)存储在存储云中。

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图6 视频云存储系统的构架

在视频云中,我们要重点解决如下技术问题:

  • 海量视频数据的存储和快速检索:视频监控将产生海量的视频数据,如何有效存储(包括对关键数据的自动备份)并进行快速检索是至关重要的。本系统将采用XML描述存储结构、数据库存储元数据和内容指针的方式,以进行结构化存储和高效检索。尤其值得指出的是:橡子云视频监控系统采用非常规数据库系统(即非关系型数据库),从而大幅提高了数据检索速度。
  • 资源弹性伸缩:将视频数据集中到一个统一的NAS存储网络中,即独立于主要进行计算的云节点,可以实现计算和存储资源的弹性伸缩,即根据需要进行在线、实时、快速的分配。这也充分体现了云计算的精髓。
  • 动态负载平衡:虚拟机可以根据当前宿主物理机器的负载和性能进行动态迁移,相应的动态迁移算法和规则将是研究重点。
  • 网络感知的动态资源调度算法:因为我们的监控设备会通过各种不同的接入网络进入到客户的云数据中心,所以在进行资源调度(如给一个虚拟机分配多少资源、或进行现有的虚拟机选择)时,要考虑到不同接入网的特性。如,一个慢速的无线网络可能需要性能高的计算资源来匹配,以达到所要求的端到端(end-to-end)性能要求。
  • 复杂视频云中网络地址智能分配:橡子智能监控系统使用不同的虚拟机来支持基于不同软硬件技术的前端传感设备和后端显示设备,而且虚拟机也会被动态创建以支持新的需求,这样就会存在很多的虚拟机。每个虚拟机都会以一个和物理主机同样的方式存在,即需要有自己单独的IP地址和MAC地址(有时一个虚拟机甚至会有多个IP地址)。那么,这里就存在如何合理动态分配IP地址给虚拟机的问题,以及如何将多个虚拟机的IP映射到一个宿主物理机IP上的问题。

3.1 目录及访问控制服务器

主要是设置监控中心用户对数据资源的访问权限。用户是指对监控资源有浏览和控制需求并拥有各种权限的客户端,通过各级监控中心监管服务器的管理和授权认证服务器的认可,可获得某些前端监控资源的实时图像和历史图像数据。另外,也可以根据行政管理权限的不同将访问控制分为若干个等级,每个等级可以对应于相应的监控中心。

3.2.大规模推广时的存储系统

橡子采用混合式存储的方式:它以分布式存储为基础,同时在一级监控中心设置网络存储服务器。短 / 近期的数据临时存放在基层监控中心的录像服务器内,长期的数据存上传网络存储服务器中。重要监控点位的视频资料不仅存储在基层监控中心,也实时的传输到网络存储服务器中作为备份。在基层监控中心建立备份计划,采用定时自动备份的方式,将超过30天的视频文件备份到网络存储服务器相对应的目录中,网络存储服务器根据需要采用滚动或者设置上限等不同的存储和备份策略。

由此可见,混合式存储既可以利用录像服务器硬盘实现实时录像,又可以利用网络存储服务器实现海量存储,具有很好的灵活性。部分采用集中式存储,易于空间管理和数据搜索以及数据备份,总体上提高了工作效率同时也降低了管理的成本。这种模式有非常良好的扩展性,整个系统可以按照比例扩展,在增加录像服务器本地硬盘的同时增加相应比例的网络存储服务器存储容量,实施快捷高效;在录像服务器来不及扩容或者录像服务器出现故障的情况下还可以使用网络存储服务器作为备份,大大提高了系统的可靠性。

混合式存储的技术方案:我们的推广系统采用混合式存储,下面我们看一下每个存储中心的技术方案。基层存储中心的设备配置要略差于一级存储中心,但其技术实现基本相同,如图7所示。

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图7混合式存储的技术方案

针对城市监控报警联网系统的实际情况以及混合式存储方式的特点,橡子系统采用性能价格比最高的NAS+IP-SAN的体系构架。IP-SAN 体系结构的实质是通过 iSCSI 技术,构建一个基于高速 IP 网络的集中存储环境,解决用户数据迁移、数据共享、存储空间扩展的问题,并大大降低管理成本。让用户能在 IP 网络环境下充分享受 SAN 环境带给用户的好处的同时,省去 SAN 所需的光纤网络的搭建成本,构建一个远程的 SAN 的存储平台。

 

4. 监控显示系统

监控显示系统是指由视频监控用户用来管理和使用的、具有显示多媒体监控信息的IT系统,它属于云数据中心的用户前端。在实际实施中,它既可以和数据中心在一起,也可以单独建设和运行。分别如图8的(a)和(b)所示。

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图8 监控中心与数据中心的分布

4.1.监控中心的分级设置

监控显示系统的一个重要功能是访问权限的管理,橡子系统采用了分级设置的方法,即依据管理权限的不同可以分为一级监控中心和二级监控中心等。各个城市可以根据本地区的行政区划、治安状况、城市地域范围、经济发展状况,合理选择适合本城市的公安监控中心的分级架构。但在技术上讲,每一级的监控中心要配有监控管理服务器,实现对本级监控中心客户端和所辖下级监控中心的管理和授权。

技术层面,这里的关键是基层监控中心和市局监控中心之间的双备份互联。通过级联设备将一级与二级基层监控中心的矩阵级联,一级监控中心通过零延时的级联设备可以跨级切换控制任意基层监控中心内的任意一路图像,并可进行跨级编程,保证系统中的视频信息、控制信息、系统信息等可以进行交互控制和传输。

4.2.多屏幕图文显示系统

实现简单灵活的显示界面和管理系统是视频监控系统的一个关键所在。可以将城市的电子地图分三个层次制作到系统管理主服务器中,可采用多屏观看,也可以单屏的方式显示到电视墙上。平时显示第一层地图,第一层为辖区的完整地图,上面标有可以被激活的具有明显标志的摄像机图标。点击摄像机标志可以打开本摄像机周围小范围的详细实际地图(第二层地图),同时该摄像机的标志会闪动。再一次点击闪动图标,就可以显示摄像机的实时图像。

多屏幕图文显示系统应该具有如下主要功能:

  • 被赋予权限的任一台计算机都可以操作大屏幕,可以对各通道任何一路信号切换,实现图像的相互调用和控制。
  • 支持多用户的操作,以及对于用户的权限进行设定。
  • 可以根据用户需要制定常用显示模式。如,每小屏显示一路不同的计算机或视频图像;也可以将小屏幕一个 2×23×3 组合显示一路计算机或视频图像,其他剩余的屏幕显示不同的计算机和视频图像。
  • 支持多层、多级电子地图,支持视频、电子地图双屏显示等功能。
  • 提供电子地图编或定时:告警时或定时地图自动弹出、告警时启动告警点语音提示、打印告警数据等;
  • 当鼠标放到地图上相应摄像机位置时,弹出摄像机详细信息。信息内容包括:摄像机类型、摄像机位置、摄像机归属、摄像机网络连接接口、摄像机建设时间等。

 

5. 系统特点

整个系统全部基于 TCP/IP 网络进行系统传输,这样的好处是:(1)在各级系统间传输全部为数字化信号;(2)便于系统扩容,新增设备只要有IP地址,就可以在任意的位置添加任何设备,各子系统相对独立又彼此联系(如使用各种VPNVLAN网络技术)。

前端直接采用数字化监控设备,如网络摄像机(有线或无线技术),或使用传统摄像机加网络视频服务器。编码设备传输的数字化图像既有 MPEG4 或者 H.264 也有高清的HDMI,也有更适合于无线网络的MJPEG

系统设计大大简化了工程施工,全数字的网络监控系统,只需要考虑网络接入方式,无需考虑视频线缆、控制线缆的施工,方便系统施工、调试,提高系统的可靠性、稳定性。但其缺点是视频质量比模拟信号的稍差,但随着网络速度的提高和数字摄像设备的进步,这种差别正在减小。

与现有类似产品相比,我们的“橡子云视频智能监控系统”系统要具有以下无可比拟的优点:

  • 灵活、异质的网络总体构架使得整个系统高效、安装方便、即插即用。除了常用的光纤技术外,还支持基于WiMAX的广域无线宽带接入;并广泛支持WiFi无线局域接入。
  • 支持移动的、无线网络的信息源动态接入,其技术方案是:离线存储、在线传输。
  • 基于移动设备的动态显示/监控目前国内产品基本是基于室内显示。我们的系统会将内容根据指令动态发布到移动显示设备上。这里的技术关键除了无线网络外,还包括终端显示设备自动识别和视频格式自动转换(transcoding)。
  • 基于先进云计算和云存储技术的后端多媒体资源的动态调度管理和前端的灵活访问。
  • 异质传感设备(包括摄像头)的支持:一个大型的监控系统将会有成千上万的摄像头和其他传感设备接入到系统中,这些传感设备会在软硬件技术上有很大的差别。一个包容这个事实、也使得我们系统更为灵活的方式就是:在网络接入上使用不同的有线和无线网络技术,在计算处理上使用不同的虚拟机来处理不同的设备。
  • 基于3D的视频采集、播放和监控。参见我们公司的3D视频采集和播放系统。
  • 更广泛的位置信息的使用,已经实现户外的基于GPS的定位,下一步将扩展到室内。参见我们公司的无线室内定位系统。

 

policeman2进一步,该平安城市系统将会和政府的其他现有办公系统进行信息共享,并将其先进的技术和经验引入其他政府信息系统,从而建立一体化的和谐社会信息综合系统,即“数字化城市”。数字化城市要依托信息和网络技术,通过政府的组织行为,对城市各类信息资源进行有序、有效地整合,建设规范化和标准化的城市信息体系;建设具有统一信息平台和完善的各类信息数据库;开发地理信息、专业应用、社区服务等一系列应用工程,形成整个城市发展、管理、服务功能的信息数字化并为调控城市、预测城市、监管城市提供革命性的手段,使城市建设和发展提高到一个新的水平。