方權(quán)亮，余 諒（四川大學 計算機學院，四川 成都 610065）

近年來，隨著視頻編碼技術(shù)、視頻存儲技術(shù)、視頻內(nèi)容分析以及IT技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控正在向網(wǎng)絡化、高清化、智能化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控方案改變了模擬監(jiān)控中的視頻傳輸及存儲方式，系統(tǒng)架構(gòu)更簡潔、部署實施更便捷。盡管網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，但用戶的需求也在不斷提高，用戶希望系統(tǒng)要有更高的清晰度，更完善的功能，更穩(wěn)定的性能，更豐富的終端等。要實現(xiàn)大規(guī)模智能高清監(jiān)控，就必須從視頻源采集、視頻信號編解碼和傳輸、視頻實時監(jiān)控與分析、視頻文件存儲與回放等環(huán)節(jié)全面支持大規(guī)模智能高清。這樣就給系統(tǒng)設計、部署帶來了一系列現(xiàn)實的問題：網(wǎng)絡帶寬緊張、存儲空間龐大、對計算性能的要求成倍增長、投資與維護成本高昂、系統(tǒng)擴容升級壓力等。

云計算通過虛擬化技術(shù)將大量異構(gòu)的服務器和網(wǎng)絡存儲設備構(gòu)建成統(tǒng)一的資源池，為大規(guī)模智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供可擴展的海量存儲資源和超強計算能力，靈活地為用戶提供所需的視頻監(jiān)控服務，同時減少系統(tǒng)建設、升級及運維管理的成本，提高資源利用率及系統(tǒng)運行可靠性。

1 云計算與虛擬化技術(shù)

1.1 云計算

NIST將云計算（Cloud Computing）定義為用戶可以方便地、按需通過網(wǎng)絡訪問共享資源池（網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用和服務等），并且具有快速部署、最小的管理代價或最少的服務提供商干預的一種新型IT基礎運營模式[1]。Google、亞馬遜、IBM（藍云）、Oracle、微軟等公司出于不同的商業(yè)模式，對云計算給出了不同的商業(yè)概念，它們都體現(xiàn)了云計算五個方面的特征：超大規(guī)模、高可靠性、高可擴展性、按需服務、高可用性，同時提供三種類型的服務，分別是基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。

1.2 虛擬化技術(shù)

云計算通過互聯(lián)網(wǎng)提供動態(tài)分配的、可擴展的和虛擬化的資源。虛擬化技術(shù)是所有云計算架構(gòu)的基礎技術(shù)，為快速實施存儲和計算性能的無縫擴展提供了保障。虛擬化既可以將單個的物理資源（比如一臺服務器，一個操作系統(tǒng)，一個應用程序，一個存儲設備）劃分成多個虛擬資源，也可以將多個物理資源（比如存儲設備或服務器）整合成一個虛擬資源池，虛擬化對上層應用或用戶隱藏了物理資源的底層屬性。虛擬化技術(shù)可以分為存儲虛擬化、計算虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、應用虛擬化等[2]。

2 基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)

大型網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由多個分布式的監(jiān)控節(jié)點組成[3]，每個監(jiān)控節(jié)點主要由三部分組成：前端視頻采集設備、集中管理系統(tǒng)（CMS）及客戶端。前端視頻采集設備包括IP攝像機和網(wǎng)絡視頻存儲設備（NVR），視頻數(shù)據(jù)存儲在NVR中，并由NVR向CMS和用戶轉(zhuǎn)發(fā)。視頻智能分析通常由單獨的硬件或嵌入到CMS中的軟件來實現(xiàn)。這種方案便于對設備和視頻數(shù)據(jù)進行集中管理，但是在可擴展性、資源利用率及系統(tǒng)性能方面卻存在不足。在可擴展性方面，隨著前端攝像機數(shù)量的增加，要相應地增加NVR。在資源利用率方面，NVR的剩余存儲容量不能進行靈活分配。在系統(tǒng)性能方面，當有多個用戶并發(fā)訪問同一NVR或?qū)Χ鄠€視頻流進行實時智能分析時，網(wǎng)絡帶寬和硬件計算能力成為系統(tǒng)瓶頸。

2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯上可分為前端視頻輸入、云計算部分及視頻輸出。視頻數(shù)據(jù)從前端設備上傳到“云”端，在大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)中前端攝像機的數(shù)量可能達到數(shù)以千計，需要設計可擴展的存儲架構(gòu)來優(yōu)化視頻數(shù)據(jù)的存儲和分發(fā)，同時提供進行實時視頻智能分析所需的計算性能。

基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成：

（1）虛擬化資源池：使用虛擬化技術(shù)將監(jiān)控節(jié)點的物理資源構(gòu)建成統(tǒng)一的資源池，形成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎設施。圖2表示了在虛擬機資源的分配情況。在可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)中，所有系統(tǒng)資源都是模塊化的，并且可以根據(jù)實際使用情況進行動態(tài)分配。

圖2 虛擬資源配置

（2）視頻流采集：將前端設備輸入的視頻流轉(zhuǎn)換為標準視頻格式，通過動態(tài)地分配實時負載，支持大規(guī)模視頻流采集。

（3）流媒體服務器：在分布式監(jiān)控節(jié)點中的每臺虛擬機上安裝流媒體服務器，虛擬機之間共享計算資源和網(wǎng)絡帶寬。使用內(nèi)存映射文件技術(shù) （memrory-mapped file）來存儲臨時視頻數(shù)據(jù)，減少了用戶進行實時監(jiān)控視頻時的磁盤I/O開銷。通過集成開源軟件FFmpeg，對實時監(jiān)控視頻進行格式和分辨率轉(zhuǎn)碼。

（4）Hadoop文件系統(tǒng)：實現(xiàn)分布式的視頻數(shù)據(jù)存儲和備份機制。在視頻流采集模塊處理完輸入視頻流后，使用Hadoop-Fuse協(xié)議將視頻數(shù)據(jù)存儲在Hadoop文件系統(tǒng)中[4]。

（5）策略控制模塊：該模塊通過操作分布式數(shù)據(jù)庫HBase，實現(xiàn)訪問控制并記錄用戶操作日志。

（6）智能分析模塊：由于視頻數(shù)據(jù)存儲在 Hadoop文件系統(tǒng)中，可以使用Hadoop Map/Reduce分布式計算模型來進行智能視頻分析。

（7）Web服務器：用戶不需要安裝單獨的軟件，通過Web瀏覽器就可進行內(nèi)容管理及視頻檢索服務。

2.3 系統(tǒng)部署方式

如圖3所示，部署基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括中心節(jié)點和監(jiān)控節(jié)點兩部分。中心節(jié)點為所有監(jiān)控節(jié)點提供命名節(jié)點集群 （Name node cluster）、視頻分析算法函數(shù)庫及控制策略，對監(jiān)控節(jié)點資源進行統(tǒng)一分配[5]。監(jiān)控節(jié)點提供計算和存儲資源，負責接收處理本地輸入視頻流，視頻數(shù)據(jù)存儲在本地或相鄰的監(jiān)控節(jié)點上，并為用戶提供遠程實時視頻監(jiān)控和智能分析服務。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

3.1 視頻數(shù)據(jù)存儲備份

系統(tǒng)基于Hadoop分布式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)副本機制對視頻數(shù)據(jù)進行備份。一個視頻數(shù)據(jù)塊有三個副本，副本的存儲位置如圖4所示，第一個、第二個副本放在監(jiān)控節(jié)點本地的兩個數(shù)據(jù)節(jié)點上，而第三個副本放在其他監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)節(jié)點上，當某一節(jié)點上的數(shù)據(jù)被破壞后，可以讀取其他節(jié)點上的副本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4 Hadoop分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份方式

3.2 視頻智能分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能分析包括實時視頻分析和離線視頻分析。視頻數(shù)據(jù)存儲在Hadoop文件系統(tǒng)中，可以使用Map/Reduce大規(guī)模并行計算處理圖像識別、人臉識別、行為檢測、移動跟蹤等需要大量CPU計算能力的任務。

3.3 實時轉(zhuǎn)碼（Transcending）

由于用戶端設備所支持的視頻格式不同，并且圖像顯示分辨率受到傳輸帶寬的限制，需要對源視頻流進行轉(zhuǎn)碼，以適合用戶實際的格式和分辨率。開源軟件FFmpeg能夠動態(tài)地對視頻進行轉(zhuǎn)碼，但是軟件本身是CPU敏感的應用，如果有大量用戶訪問同一服務器，會造成系統(tǒng)瓶頸，通過在多臺服務器上存放視頻流不同的副本，由多臺服務器分擔轉(zhuǎn)碼任務，較好地滿足了不同的用戶請求。

本文提出了一種基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。通過整合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中計算和存儲硬件資源，實現(xiàn)了對硬件資源的統(tǒng)一配置，提高了系統(tǒng)的可擴展性、資源的使用效率，滿足了用戶對高清化、智能化的需求，同時對視頻數(shù)據(jù)備份、視頻智能分析、實時轉(zhuǎn)碼等關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述和分析。

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[3]OSTHEIMER D，LEMAY S，GHAZAL M，et al.A modular distributed video surveillance system over IP[C].2006 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering，CCECE′06， May 7-10 2006：518-521

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[5]DETMOLD H， HENGEL A， DICK A， etal.Topology Estimation for Thousand-Camera Surveillance Networks[C].IEEE Distributed Smart Cameras（ICDSC），2007：195-202