网络视频监控管理平台定制之系统、网络、设备异构方法探讨

  随着各种网络的普及,网络视频监控也获得了长足的进展,网络视频监控的规模也呈现出几何级数的增长,由以前的几十点到现在几千点甚至几万点的项目也屡有出现。在这样大的网络环境下,各种不同的异构网络将不可避免的出现,同时,随着网络的增大,必然要求同一监控网络下支持各种不同的监控前端设备,也必然要求在同一个大监控平台下兼容不同的子系统以及子应用。以上所有要求都不约而同提出了一个监控平台面临的问题,及监控平台的异构问题。

  在当下的网络视频监控体系中,异构问题主要存在于下述三种情形:

一、不同架构、技术体系的系统异构。

二、不同传输能力,传输质量的网络异构。

三、不同接口模型,接入协议的产品异构。下面分别从体系架构上介绍三种异构产生的原因及其解决方式。

  不同技术体系的系统间异构问题

  一个大的综合性视频监控平台的建设要求构造一个大规模、广范围的视频监控管理平台,形成对所辖范围的有效的视频监控。现有的视频监控系统由于技术体系不一,采用的标准各异,存在着相互之间难以兼容互通的问题。而综合视频监控管理平台不可能只采用一种视频监控系统,必需兼容使用多种不同的视频监控系统。以平安城市为例,“平安城市”项目是一个特大型、综合性非常强的管理系统,不仅需要满足治安管理、城市管理、交通管理、应急指挥等需求,而且还要兼顾灾难事故预警、安全生产监控等方面对图像监控的需求,同时还要考虑报警、门禁等配套系统的集成以及与广播系统的联动。由于这些系统所采用的技术体系、整体架构都存在着巨大的差别,因此在这些系统的互联过程中必然会出现系统异构的问题。解决这种类型的问题必须在系统的技术体系,系统的总体架构上进行充分的考虑。如图所示为典型的网络视频监控大平台的分层设计(图1),在设计架构上要采用分层次,模块化设计,下图是一个典型视频监控平台设计结构图,其设计分为如下层次设计:底层网络协议层,核心数据交换层,综合业务逻辑层,对外应用表现层。

  底层网络协议层是整个网络视频监控系统的基础,由于当前的大多数系统支持的传输协议多种多样,因此为了能够与各个子系统进行平滑对接必须在协议上能够满足彼此的融合。当下的系统主要还是以UDP与TCP为基础的网络协议,并且保证支持各种应用协议的支持,其中包括RTP,RTSP,HTTP,SIP,SOAP等协议。

  核心数据交换层是整个系统的设计核心,主要完成前端设备的兼容设计以及能力集描述,子系统兼容能力统一描述,两个模块均用于处理在异构情况下的设备与子系统兼容。还具备对大容量媒体流以及透明数据的管理。通过一套高效和强壮的流处理机制完成存储和转发的统一资源调度,从而使得系统的处理能力得到极大的提高。

  综合业务逻辑层主要完成监控系统中的综合业务处理,其中设备、应用抽象模块完成应用层调用的统一接口,达到使用归一化。

  对外应用表现层主要完成监控系统的表达方式,包括UI等。

  此种异构解决方式在平台中为两个主要模块完成。其一是核心数据交换层的前端应用接入控制模块,完成与各个子系统之间的协议对接功能以及各种子系统的通信控制。由多个子模块构成分别对应不用的子系统的接入。其二是综合业务逻辑层应用接入抽象模块,完成所有子系统的对外接口的统一化,对上层提供统一接口。屏蔽各个子系统之间的差异,为上层用户调用各种不同的资源提供统一调用接口。子系统包括视频监控子系统,报警子系统,智能子系统,门禁子系统,数据采集子系统等。

  网络异构问题

  大型的联网视频监控系统必须面对各种复杂的异构网络条件,无法改变它,而只能利用和适应它。而各种异构网络接入条件在带宽、时延、误码率等方面存在巨大的差异性。因此,如何保证视频流在传输过程中的实时性、流畅性和平稳性,是大型网络视频监控系统的平台面临的基本问题,也是区分是否达到大型网络视频监控系统的平台软件水平的主要标志之一。

  在系统平台解决方案中,针对于此种异构网络情形下主要采取如下关键性技术:

  1、带宽实时侦测技术与带宽负载均衡技术,具体说明如下,在整个网络下的服务器群实时监测彼此带宽容量,当带宽高于或者低于某一设定阈值后,服务器间的码流发送将自动做出调整,并把相应的网络负载平滑迁移到其他网络带宽空闲的服务器中,此种技术适用于网状网结构。针对树状网络结构中,每级服务器都会根据其自身的网络带宽资源来主动的调配和限制网络使用并可保证优先级别更高的用户优先得到服务。上述技术是保证异构网络之间音视频数据平稳传输中较为常用的技术。

  2、异构网络环境下的音视频转码技术,由于4G宽带技术的普及,无线监控也逐渐进入人们的视野,但是由于无线传输仍然有其固有的缺陷,那就是带宽低,网络传输不平稳。随着高清的出现,视频码率也随着加大。另外,由于手机平台多为嵌入式操作系统或者是专用操作系统,对多样的编码制式存在不足。为了能够更好的解决以上因为网路异构以及带宽不匹配造成的不便,因此提出了音视频转码技术。主要解决归一化编码以及通过降低分辨率、帧率和图像质量等手段来达到降低码流的效果。具体结构如下图所示:

  3、异构网络环境下的均匀码流发送技术,由于网络带宽的限制,视频编码过程中由于环境突变、关键帧请求等原因造成设备码流发送变得非常不平稳,为了降低因此对网络造成的冲击,在系统设计时需要考虑到码流均匀发送机制。对于开放平台,这其中还涉及到在流模式下对视频帧的定位与提取等关键技术。另外,由于部分网络中有对大数据包过滤与屏蔽机制,需要在设计过程中适当考虑控制数据包长度。

  4、数据丢包与重建技术,由于网络带宽的不平稳经常会出现数据传输过程中的丢包与乱序的现象,人为为后端引入大量误码,破坏了系统的稳定性。基于此在设计过程中需要充分考虑这一现象,在接收与发送双方建立一个高效的丢包重传以及乱序重拍机制,在保证图像的流畅性同时确保系统的稳定性。

  不同设备的异构接入问题

  随着视频监控设备网络化的普及,如IPC、DVS、NVR的大量出现,将不可避免的会涉及到网络视频监控平台设备接入的异构性。为了解决各大平台厂商面临的问题,各个大的监控厂商提出了ONVIF和PSIA协议,上述两个协议就是解决设备统一接入模式而产生,但是由于此协议还处在使用与推广的初期,大量的网络监控设备还无法提供统一保准的协议接口,所以设备的兼容性仍然是考验当前大型网络视频监控平台的一个主要特性。而在传统的设备提供的SDK中又分为API模式与CGI模式,由此在当下的接入方式大的方面可以总结为四类:API/SDK,CGI/SDK,ONVIF和PSIA。

  综上所述,随着监控系统的规模越来越大,监控设备的种类越来越多,监控系统面临的异构兼容需求会越来越旺盛,如何适应这一应用需求的变化将是横亘在各个监控平台厂商一道难题。

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