鄧上海

摘 要

隨著多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控等技術(shù)的快速發(fā)展和改進(jìn)，其已經(jīng)在城市數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)中得到廣泛普及和使用，實(shí)現(xiàn)了城市網(wǎng)格化、數(shù)字化、信息化和智能化管理，建立一個(gè)城市快速綜合管理制度，形成一個(gè)溝通快捷、處置及時(shí)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)、信息共享等城市管理機(jī)制。數(shù)字化城管系統(tǒng)建設(shè)中，為了能夠采集、傳輸、存儲(chǔ)城市交通要道、重要場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，引入了許多高清晰、數(shù)字化、紅外攝像頭，構(gòu)成了一個(gè)完善的數(shù)字化城管前端拍攝子系統(tǒng)，提高了數(shù)字化城管系統(tǒng)的可視化、交互性，具有重要的作用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化城管系統(tǒng) 視頻監(jiān)控 最小視頻編碼 宏塊交織 數(shù)據(jù)遷移

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市人口和面積規(guī)模迅速增大，建立一個(gè)良好的城市運(yùn)行秩序和提高城市管理效率已經(jīng)成為城市管理的研究方向。隨著互聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)器、攝像機(jī)、GIS、投影儀等軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，為城市網(wǎng)格化、信息化、共享化、智能化管理提供支撐，許多城市已經(jīng)引入了數(shù)字化城市管理系統(tǒng)。數(shù)字化城市化管理系統(tǒng)主要包括前端攝像頭、服務(wù)器、后端陣列顯示器等部分，可以將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與市政服務(wù)、社會(huì)管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理集成在一起，實(shí)現(xiàn)城市資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為疏導(dǎo)城市交通、巡視監(jiān)控城市安全等建立一個(gè)高校機(jī)制，全面提高城市管理信息化水平，創(chuàng)新城市管理機(jī)制，改進(jìn)城市市民的工作、生活和學(xué)習(xí)秩序，具有重要的作用和意義。

2 數(shù)字化城管系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

數(shù)字化城市管理系統(tǒng)可以提高城市管理網(wǎng)格化、信息化、智能化管理水平，其將高清晰攝像頭、陣列存儲(chǔ)器、三層交換機(jī)、光纖網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、視頻墻等集成在一起，利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸攝像頭采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以在數(shù)字化城市管理系統(tǒng)中引入GPS技術(shù)、圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像、語(yǔ)音信息、目標(biāo)位置管理和服務(wù)，強(qiáng)化城市監(jiān)控和管理能力。通過(guò)對(duì)數(shù)字化城市管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，數(shù)字化城市管理系統(tǒng)的功能主要包括以下五個(gè)方面，分別是城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境視頻采集功能、數(shù)據(jù)傳輸和交換功能、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)展示功能、城市集中控制中心功能等五個(gè)部分。

2.1 城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境視頻采集功能

城市管理者可以在交通卡口、政府機(jī)關(guān)、金融單位、娛樂(lè)生活廣場(chǎng)等位置部署高清晰、數(shù)字化、紅外線攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)間斷視頻拍攝，并且可以將音視頻信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用視頻編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻圖像壓縮、編碼，提高視頻傳輸準(zhǔn)確度和便捷性。

2.2 視頻數(shù)據(jù)傳輸和交換功能

視頻數(shù)據(jù)傳輸和交換功能可以將攝像頭拍攝的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息發(fā)送至服務(wù)器。數(shù)字化城市管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量非常大，因此構(gòu)建一個(gè)高帶寬、高速率的傳輸和交換子功能非常重要，該功能主要由光纖網(wǎng)絡(luò)、三層交換機(jī)等構(gòu)成，這樣就可以支持多媒體視頻信息安全傳輸，并且提供組播和QoS保障，實(shí)現(xiàn)多媒體視頻流的無(wú)阻塞傳輸和交換，確保城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像、音頻信息采集功能，具有較高的安全性、可擴(kuò)展性和靈活性。

2.3 視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

城市管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境拍攝多采用720P、1080P等高清晰攝像頭，24小時(shí)不間斷的持續(xù)拍攝產(chǎn)生的信息量非常大，因此數(shù)字化城市管理系統(tǒng)需要構(gòu)建一個(gè)功能完善存儲(chǔ)系統(tǒng)，將海量的多媒體視頻信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)匯總，同時(shí)引入數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)放置、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效率、安全訪問(wèn)，引入陣列存儲(chǔ)器構(gòu)建冗余管理機(jī)制，提高數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)功能。

2.4 視頻數(shù)據(jù)展示功能

城市管理系統(tǒng)最為重要的作用是拍攝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，將其投影到多媒體電視墻、PC終端顯示器、智能手機(jī)顯示器等設(shè)備上，展示城市各個(gè)重要位置的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息。目前，許多城市構(gòu)建了數(shù)字城管中心，將城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息利用多媒體矩陣管理模式實(shí)現(xiàn)靈活切換、展示和控制，并且具備歷史回放、實(shí)時(shí)查看和分屏展示功能。

2.5 城市集中控制中心功能

目前，為了提高城市管理系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性，統(tǒng)一調(diào)度和管理警力、城管等執(zhí)法人員，城市管理中心構(gòu)建了一個(gè)集中控制中心，利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制中心與執(zhí)法管理人員的實(shí)時(shí)交流、互動(dòng)，便于及時(shí)的處置城市管理事件。

3 視頻監(jiān)控在數(shù)字化城管系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)

3.1 視頻監(jiān)控應(yīng)用構(gòu)成

視頻監(jiān)控是數(shù)字化城管系統(tǒng)的重要組成部分，其位于城市管理系統(tǒng)的前端位置，可以完成城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境視頻采集、視頻編碼處理、視頻信息傳輸和視頻信息接收功能，以便能夠利用多功能攝像頭將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息拍攝下來(lái)，同時(shí)利用攝像頭集成的微處理器進(jìn)行編碼、壓縮和濾波處理，將大容量視頻信息進(jìn)行壓縮，封裝到數(shù)據(jù)包中，利用光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，以便用戶進(jìn)行接收視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容，視頻監(jiān)控在數(shù)字化城管系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

視頻采集位于智慧城市管理系統(tǒng)的最前端，目前常用的視頻采集攝像頭包括HD攝像頭、紅外攝像頭、網(wǎng)絡(luò)攝像頭，這些攝像頭可以部署在交通要道、十字路口、城市廣場(chǎng)、金融單位門(mén)口、政府機(jī)關(guān)單位門(mén)口的電線桿上，并且通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)等將采集的信息發(fā)送至服務(wù)器。

視頻處理可以將攝像頭采集的信息進(jìn)行編碼、壓縮、濾波之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼流。視頻采集完畢之后，可以利用攝像頭自帶的微處理器芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和視頻圖像編碼，視頻圖像編碼的格式主要為視頻流媒體格式，比如MPEG、RMV、AVG等，由于攝像頭采集的原始數(shù)據(jù)非常大，容量非常高，將這些碼流按照一定的壓縮比進(jìn)行壓縮，傳輸時(shí)可以降低占用的帶寬資源，更快的傳輸信息。

視頻傳輸是指利用運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)過(guò)視頻處理的信息。目前，城市中心地帶覆蓋的光纖網(wǎng)絡(luò)較多，因此可以直接利用有線網(wǎng)絡(luò)快速傳輸數(shù)據(jù)；城市的邊緣地帶、郊區(qū)等覆蓋的光纖網(wǎng)絡(luò)不足，可以利用TD-LTE、FDD-LTE等4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，靈活組件視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

視頻接收位于用戶端，用戶可以直接使用手機(jī)、平板電腦、陣列電視墻等顯示設(shè)備接收城市現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境拍攝信息，以便能夠及時(shí)的定位卡口信息，幫助人們進(jìn)行道路選擇，也可以為治安事件處理、消防事件處理選擇便捷的道路。

3.2 視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 城市視頻監(jiān)控圖像編碼技術(shù)

數(shù)字化城市管理系統(tǒng)部署在現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭拍攝的內(nèi)容非常多，并且占用的容量和帶寬較大，因此為了能夠提高數(shù)字化資源利用率，可以針對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行壓縮和編碼，提高數(shù)據(jù)傳輸成效。目前，視頻監(jiān)控圖像采用的編碼技術(shù)包括很多，比如小波編碼、熵編碼等，常用的編碼技術(shù)包括可伸縮編碼技術(shù)、最小傳輸編碼技術(shù)。最小視頻編碼能夠有效解決光纖通信、移動(dòng)無(wú)線通信環(huán)境中帶寬不足的問(wèn)題，按照數(shù)字化城市管理系統(tǒng)用戶接收的最低需求壓縮視頻圖像，可能會(huì)損失一部分視頻清晰度，但是可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承?。隨著數(shù)字化城市管理系統(tǒng)用戶對(duì)視頻編碼的高清晰需求，人們又提出了一種可伸縮的編碼技術(shù)，能夠自適應(yīng)頻繁變動(dòng)的通信帶寬資源，引入了先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)域?yàn)V波技術(shù)、可擴(kuò)展編碼技術(shù)、分層編碼技術(shù)，針對(duì)固定時(shí)域內(nèi)的幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一步改進(jìn)了編碼的效果。

3.2.2 視頻傳輸容錯(cuò)技術(shù)

數(shù)字化城市管理視頻監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)面臨的自然環(huán)境較為復(fù)雜，比如頻繁的雷電襲擊等故障，許多視頻數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程會(huì)存在丟包、碼流錯(cuò)誤等現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾城市管理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。為了保證視頻數(shù)據(jù)流傳輸不發(fā)生錯(cuò)誤，視頻傳輸需要采用容錯(cuò)熵編碼、宏塊交織技術(shù)、多幀參考編碼、迭代錯(cuò)誤恢復(fù)技術(shù)等，提高視頻傳輸?shù)娜蒎e(cuò)性能。容錯(cuò)熵編碼可以在視頻傳輸碼流中插入周期性的同步標(biāo)識(shí)位，接收端可以從有效碼字序列中區(qū)分出來(lái)，如果同步標(biāo)識(shí)位發(fā)生錯(cuò)誤，就象征著碼流錯(cuò)誤，可以利用同步標(biāo)識(shí)位同步語(yǔ)音、視頻信號(hào)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜?。宏塊交織方法可以有效抑制視頻傳輸?shù)耐话l(fā)性錯(cuò)誤，避免視頻傳輸受到外部突發(fā)干擾造成碼流錯(cuò)誤。迭代錯(cuò)誤恢復(fù)技術(shù)可以部署在解碼端，通過(guò)迭代的方法可以對(duì)比碼流比特進(jìn)行糾錯(cuò)，利用視頻幀序列存在的時(shí)空相關(guān)性、同步碼字等特性檢查錯(cuò)誤，如果一個(gè)宏塊不可解碼，可以替換一個(gè)灰度塊，直接進(jìn)入到下一個(gè)宏塊進(jìn)行解碼。

3.2.3 視頻存儲(chǔ)技術(shù)

數(shù)字化城管系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，為了能夠保證視頻數(shù)據(jù)能夠快速的訪問(wèn)，需要構(gòu)建一個(gè)智能化的存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)放置技術(shù)、數(shù)據(jù)遷移技術(shù)、數(shù)據(jù)分類技術(shù)等，將訪問(wèn)頻次較高、拍攝時(shí)間最新的數(shù)據(jù)放置在優(yōu)先級(jí)較高的位置，以便能夠保證用戶訪問(wèn)的數(shù)據(jù)均位于效率較高的位置。目前，針對(duì)不同的視頻數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行有效的描述，比如可以按照數(shù)據(jù)錄制的形式進(jìn)行劃分，分別是視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)；按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以將視頻數(shù)據(jù)劃分為結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、無(wú)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)三種類型，智能化存儲(chǔ)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行有效的對(duì)象估值，以便能夠保證數(shù)據(jù)對(duì)象的估值準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移。數(shù)據(jù)放置技術(shù)包括順序放置技術(shù)、分層放置技術(shù)、隨機(jī)放置技術(shù)等多種模式，大數(shù)據(jù)智能存在系統(tǒng)可以采用優(yōu)先級(jí)較強(qiáng)的層次放置模式，將訪問(wèn)頻次較多的數(shù)據(jù)放置在優(yōu)先級(jí)較高的存儲(chǔ)器上，以便能夠有效提高用戶訪問(wèn)命中率和訪問(wèn)效率，具體的放置過(guò)程中，還需要充分的考慮智能存儲(chǔ)器的容量。如果優(yōu)先級(jí)較高的位置存儲(chǔ)已滿，則可以利用替換策略，將訪問(wèn)頻次變少的數(shù)據(jù)替換出去，提高存儲(chǔ)資源的利用率。大數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)遷移技術(shù)包括同級(jí)數(shù)據(jù)遷移、異級(jí)數(shù)據(jù)遷移兩種技術(shù)，同級(jí)遷移技術(shù)可以將相同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)利用替換策略實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)遷移；異級(jí)數(shù)據(jù)遷移可以將原始訪問(wèn)量較少、后期訪問(wèn)頻次上升的數(shù)據(jù)對(duì)象較低優(yōu)先級(jí)位置遷移到較高優(yōu)先級(jí)位置，這樣就可以均衡數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的負(fù)載處理性。大數(shù)據(jù)遷移技術(shù)還可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)的訪問(wèn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在線遷移、離線遷移等兩種模式，在線遷移可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)遷移和并發(fā)處理遷移，這樣可以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪問(wèn)和處理需求，能夠大幅度提升數(shù)據(jù)的訪問(wèn)命中率；離線遷移可以根據(jù)系統(tǒng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)片的特點(diǎn)，將處于同一塊的內(nèi)容遷移到相同優(yōu)先級(jí)位置的存儲(chǔ)器上，這樣可以利用聯(lián)想處理操作提高系統(tǒng)處理效率。數(shù)據(jù)遷移組合可以實(shí)現(xiàn)更多的遷移技術(shù)，比如同級(jí)在線遷移、異級(jí)在線遷移、同級(jí)離線遷移和異級(jí)離線遷移等方法，可以大幅度提升系統(tǒng)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們生活水平的的逐漸提高和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)城市化人口和面積規(guī)模迅速上升，城市管理引入信息化、數(shù)字化、智慧化、共享化的管理理念，可以充分的利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、光纖通信技術(shù)等在城市的各個(gè)交通路口、重要單位部署攝像頭，以便能夠現(xiàn)場(chǎng)采集重要部位的實(shí)時(shí)信息，充分的利用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效地操作，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至智慧城市管理系統(tǒng)之后，系統(tǒng)可以將其輸出到陣列顯示器、智能手機(jī)、PC終端上，以便能夠幫助城市管理人員、執(zhí)法人員隨時(shí)的調(diào)度資源，保證城市正常秩序。

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作者單位

佳都新太科技股份有限公司 廣東省廣州市 510665