浅议安防业务中的流媒体

[摘要] 在安防领域,随着数字化系统的大规模推广和使用,给流媒体技术的应用带来了机会。本文旨在探讨流媒体分发服务部分的内容,供读者参考。

【安防知识网】在安防领域,随着数字化系统的大规模推广和使用,给流媒体技术的应用带来了机会。本文旨在探讨流媒体分发服务部分的内容,供读者参考。

  安防流媒体概述

  流媒体技术最早出现在互联网,指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体,如:音频、视频或多媒体文件。使用流媒体技术可以避免文件信息下载后再播放的尴尬,并且实时性较好,无需长时间的下载等待,特有的预览和随时的连接资源给互联网用户带来了极大的便利性。

  在安防领域,近年来数字化系统的大规模推广和使用,给流媒体技术的应用带来了机会。流媒体技术可实现低带宽环境下提供高质量音频、视频等,主要采用MPEG-4/H.264编码技术与网络传输协议相结合,可针对不同的网络带宽不同连接速率下的用户,保证在网络条件比较恶劣的情况下,传输符合质量要求的图像以达到相应质量的视频播放效果;采用实时传输协议/传输控制协议对数据进行实时传输差错控制,通过对网络数据传输过程中出现的数据丢失、乱序、延迟、抖动等错误实时监控,并通过一定的缓存和补偿最大限度修正网络传输差错,保障传输质量;流媒体组播和广播技术可明显减少服务器负荷,同时最大限度节约带宽。很显然流媒体技术应用于远程数字监控有着其它方式无可比拟的优越性,特别对窄带宽环境下的远程监控作用尤为显著,不必等远端监控信息传输完毕即可实时连续播放,避免了其它方式如下载后再播放的等待问题。

  安防流媒体传输的实现需要合适的传输协议,常见的传输协议主要有两种方式,分别是TCP和UDP。通常情况下,UDP在网络延时指标不佳的环境中表现良好,但在网络丢包中会出现视频跳帧现象,原因是采用UDP模式下一旦网络状况不佳产生视频丢包客户端解码不连续导致的。TCP方式和UDP方式不同,在网络丢包测试情况下表现良好,但在低带宽环境下网络丢包指标不佳的网络环境中容易引起网络拥塞。

  媒体技术的应用依赖于网络传输条件、媒体文件的传输控制、媒体文件的编解码压缩技术与效率及客户端的解码等几个重要因素。流媒体技术在安防行业的应用主要体现在视频图像的传输、转发和点播等,它需要综合考虑网络视频监控系统的特性并针对性地予以优化和实现。现阶段大部分的平台流媒体分发服务器瓶颈主要在网络吞吐量上,与CPU、内存的相关性降低,且端到端的延时指标也多数在500ms以下。

  流媒体服务在安防数字解决方案中的地位和作用

  通常情况下,全数字系统的物理架构主要包括前端单元、客户端单元以及中心服务平台,各部分均接入IP承载网。

  针对网络监控应用追求实效性,传输的视频图像不但要流畅,而且还要延时少,这就对流媒体的网络软件设计以及周边模块的设计提出了优化与高效的要求。为了提高视频转发效率达到更好的监控效果,对视频承载网的性能要求传输时延在100-300ms,抖动时延在15-50ms,误码率在忙时应小于1.5%,在闲时应小于1%。

  本文旨在探讨流媒体分发服务部分的内容,因此中心服务平台部分重点介绍了与流媒体分发服务相关的中心管理以及网络存储服务部分。诸如控制信令管理服务、报警管理服务等模块不作描述。上图中主要描述了前端、客户端与中心服务平台之间的逻辑连接关系,其中中心管理服务模块主要负责对前端网元设备、客户端、流媒体分发服务、网络存储服务进行管理,流媒体分发服务主要通过向前端设备请求视频流,并将视频流转发给网络存储和客户端。

  现阶段,流媒体技术在全数字解决方案系统中发挥着越来越重要的作用。在大型安防系统中,被管理的网元设备可以是视频编码器、IP摄像机等,当用户数量较多或应用较多的场景中,单纯靠前端的网元设备如IP Camera/DVS/DVR等来提供网络视频流实现媒体转发业务是不现实的,而且受设备自身性能的影响,网元设备很难满足众多的业务请求。在早期的DVR系统中,如果过多的用户连接,还会造成录像文件丢帧情况,这充分说明了设备本身硬件性能和网络性能的限制。

  现阶段的系统中通过设置流媒体转发服务器,实现流媒体业务。尽管各家的软件模块划分和定义不同,但是大部分的系统中流媒体都具有如下的功能:

  ·对前端视频编码设备或IP摄像机请求视频流;

  ·响应客户端的视频业务请求,并将对应的视频流转发给客户端;

  ·将视频流转发给存储服务器,进行视频资源的存储;

  ·对存储服务器设备请求录像视频流;

  ·响应客户端的视频业务请求,并将对应的录像视频流转发给客户端。

[nextpage]  当系统中的客户端(或者存储管理服务器)需要请求前端视频服务器的媒体流,它需要先给中心管理服务器发查询请求,获取需要建立连接的流媒体分发服务器的地址,管理服务器返回相应信息。得到流媒体分发服务器地址后,客户端(或者存储管理服务器)向流媒体分发服务器请求媒体流,流媒体分发服务器向相应的前端网络视频服务器或IP camera请求视频码流,建立媒体连接,视频流必须通过流媒体分发服务器来存取前端视频采集设备的视频,保证了信息的安全可靠,减少了前端设备的资源负荷以及前端设备同中心设备间的网络带宽压力。

  在大型系统中,需要计算流媒体分发路数以及规划流媒体分发服务器的数量。流媒体分发路数由网络存储的视频数量和客户端请求的视频数量决定;流媒体分发服务器的数量则由流媒体分发路数和单台流媒体的有效分发数量共同决定。

  通常情况下,单台流媒体分发服务器视频分发能力均能达到几百路以上,其分发性能往往受限于服务器的网卡吞吐能力,而与CPU及内存的关联程度不大。按照常规服务器配置的千兆网卡,其网络有效吞吐量约在700-800M之间。按照一路4CIF图像的码流在1.2Mbps计算,则一台流媒体分发服务则至少可以转发550路图像,而如果转发每路512Kbps的CIF格式的图像,则可以达到至少1400路。

  假如有300路的监控点,需要全部4CIF格式的网络存储,20个客户端且均是4画面分割浏览显示,则流媒体需要分发路数共包括如下:

  ·对前端网络视频编码器的视频请求300路;

  ·对全部的网络存储请求300路;

  ·对客户端的80路视频请求。

  合计共680路4CIF 1.2Mbps格式视频分发请求,合计需要的带宽共约816M,如果配置一台流媒体分发服务器按照最大800M的网络吞吐量计算将是略超负荷运行,系统不稳定性因素将增加,这种情况下建议配置两台流媒体分发服务器,以有效实现负载均衡。

  上面的计算方式是普遍情况下的一种参考,当然不同的平台产品,不同的设计理念可能会造成计算方式不同,比如有的流媒体分发厂家计算分发量则是依据CPU的负荷,而不是完全依靠流量带宽来计算,因此上述的观点仅供参考,具体由平台厂商提供算法依据。

  现阶段流媒体在平台间互联互通的地位和作用

  如今,安防系统处于新老技术与产品交替更迭的阶段,随着数字技术的发展和演变,在大型系统中独立存在的小系统需要改变以往信息孤岛的尴尬处境,由于不同阶段和时期建设的系统模式不同,因此势必会涉及到系统间的兼容和集成问题。在该类系统的改造过程中,系统需要朝着有利于集成与互联互通的方向实现。

  现阶段旧有系统的改造和扩容基本会全部采用数字化方式,原有系统大多数基于模拟矩阵和硬盘录像机所构建。就当时的系统来说,受设计理念和技术条件的限制没有依托功能强大的管理软件进行管理,多数系统的实时浏览和监控功能多是通过矩阵的切换控制来实现,借助硬盘录像机的自身硬件性能和区域式的分布架构,中心管理软件的体系结构非常简单,网络视频转发多是靠硬盘录像机本身实现;客户端通过服务器端的合法性与权限认证之后,网络视频请求则是利用硬盘录像机直接发送视频流给客户端实现实时浏览和录像调看,系统缺少强大的网管和信息分发功能,管理软件只是简单的用户、设备以及报警管理等,而没有对系统级各功能模块的负载策略优化机制,因此在大型系统中很难发挥作用。

  为了更好地兼容原有系统,系统改造需要增加更多的管理与服务模块,多数会采用上文中的中心服务平台架构模式。当数字化系统具备系统互联互通的实现条件时。可能会出现上下级平台的架构或多级平台的架构,此时流媒体分发服务器除了承担平台内的业务之外,还需要考虑针对平台间互联互通的业务请求。

  平台互联互通的实现前提需要对平台间互通控制信令、媒体数据包以及客户端的接口进行标准化,其中媒体部分需要将媒体数据请求格式和媒体数据传输格式进行标准化,同时还要对客户端解码实现方式与解码插件接口进行标准化。

  两个平台间完全的互联互通的常规实现架构。平台间互联通信往往采用无连接的UDP 通信方式,平台在通信过程中具有客户端和服务端两个角色。请求、响应的通信包需要预留字节以供SIP 协议头部字段使用。

  当A平台客户端可以通过诸如HTTP/SIP协议对平台内的中心管理服务器发出查询信息和控制信息,A平台管理服务器查询后如果是B平台下的DVS(DVR/NVS或存储服务器),则通过SIP协议向B平台中心管理服务器发起UDP消息,B平台中心管理服务器检查目的设备的IP是否存在于平台静态路由表中,如存在则回复UDP消息应答,并将请求发送到平台内的流媒体分发服务器,则A平台客户端收到应答后可发起指令通过平台内的流媒体分发服务器到B平台流媒体分发服务器读取视频图像。

  如果在最后获取视频流的环节直接通过A平台客户端访问B平台流媒体服务器也是可行的,但是一般不建议这样做,因为这样会增加对方平台流媒体分发服务器的分发负担,不利于系统中心管理服务器对资源占用和负载的均衡管理。

[nextpage]  流媒体在多级监控系统中的地位和作用

  在大型系统项目中,往往对“分级分域管理”的要求很高,这种情况需要系统在设计阶段就要考虑多级系统模式。除了常规的多级用户、设备管理之外,存储服务和流媒体分发服务也应当考虑多级配置,并且能实现上级对下级的灵活管理。

  常规意义上存储服务应当只对本级系统负责,流媒体分发服务则需要承担更多的功能要求,如除了保证在本级内的业务响应之外,还应当提供对上级或下级系统的业务响应。响应内容除了包括实时视频流业务之外还包括对录像视频文件的转发。

  常见的多级平台系统结构如图4:两级或多级监控平台是大型系统或重点行业如铁路监控系统中常见的架构,其作用是上级平台将多个下级平台互联起来,上级平台和下级平台分别独自管理,上级平台的用户可以访问下级平台的前端设备如摄像机和中心设备如存储服务器等,为用户跨区域和跨平台访问视频监控点提供了可能。

  两级监控平台可用于上下级平台间互通或同级平台间互通,典型应用如铁路行业的监控系统中则要求铁道部的管理平台能管理下级的路局、客/专调度所等的二级平台,甚至二级平台下还设置三级平台,三级平台则主要来自各站/段的视频监控系统。

  在该类的各级平台中,一级中心管理服务器主要管理系统内所有的用户,二级中心只对本平台内的用户进行管理,实现了灵活的容灾冗余备份机制,充分满足“分权分域”的管理要求;而分布在各级内的流媒体分发服务器也起到了至关重要的作用,在针对本级平台内的客户端用户,根据平台内中心管理服务器下发的指令,进行用户权限范围内的视频转发,同时还可根据管理服务器对不同级系统间视频请求的判定结果,实现下级节点对上级节点的视频流转发,并且支持多级转发,对多级用户请求可通过各级流媒体分发服务器逐级转发。

  ·平台内的客户端发送访问视频请求到平台内的中心管理服务器;

  ·一级平台内的中心管理服务器判定客户端具有访问权限后接受该请求,查找要访问的视频资源库,如果视频资源来自下级平台,则将请求转发到对应二级平台的中心管理服务器;

  ·二级平台的中心管理服务器接受该请求,并返回拥有该视频资源的流媒体分发服务器的地址;

  ·一级中心管理服务器选择一个该平台内的流媒体分发服务器,并将流媒体分发服务器地址返回给客户端;

  ·客户端按照访问地址发送视频访问请求到一级平台内的目的流媒体分发服务器;

  ·一级平台内的流媒体服务器按照地址路由信息转发该请求到二级平台的流媒体分发服务器;

  ·二级平台的流媒体服务器响应一级平台的请求;

  ·一级平台的流媒体服务器响应平台内的客户端请求;

  ·二级平台的流媒体服务器从前端设备获得网络视频图像,并分发到请求视频的上级平台的流媒体服务器;

  ·一级平台的流媒体服务器将网络视频图像转发给平台内的客户端。

  注:下级平台如果有多个并列的系统,均可以通过上级平台的流媒体分发服务器进行图像访问和分发,增强了中心集中有效的权限管理和负载均衡管理。

  结合安防业务的基于流媒体的应用

  流媒体作为安防系统中心服务平台的核心基础模块,发挥着不可或缺的作用,随着行业的不断深入发展,如何更好地结合安防业务和行业特点并基于流媒体分发服务实现更多的特色功能是众多安防从业者不断追求的目标。

  在如今不断扩大行业外延的安防系统的三层结构,其中基础数据层主要是前端的视频采集设备、报警采集设备以及实时数据采集设备所提供的基础数据;在基础服务层除了流媒体分发、存储服务之外还包含了很多安防之外的基础服务,如GIS/GPS服务、第三方接口服务等,但是在安防系统中,最核心的终将还是视频业务,因此众多的基础服务层都将借助流媒体分发服务实现上层的各种业务应用。

  通常意义上,结合流媒体可以实现的应用功能很多,如常见的报警联动视频的切换显示、录像功能以及应急预案流程,都离不开流媒体分发服务的配合,另外在不同系统间的集成时,也需要流媒体对第三方系统的客户端或终端提供视频访问服务。

  在特殊应用领域,流媒体服务能提供更多的智能附加价值,比如在应急预案触发的时候,可以结合预案流程将有价值的视频源随时对应急办和多个职能管理部门发布,以迅速组建视频会议实现应急处理。如果在系统运行过程中能不断结合业务特点,将业务流程和基础信息数据进行分析归类,并将规律性事件提炼之后利用反馈环方式提交给基础服务层将可以在一定程度上实现智能策略管理应用。

  结语

  现阶段,基于IP承载的数字化安防系统仍在不断发展演进,随着网络技术的发展完善和IPv6的推广,更可靠高带宽的下一代网络的逐步演进,无线3G技术的普及,更高性能的视音频压缩处理芯片的推出,都会促进流媒体技术在安防应用方面的进一步发展,并成为网络化监控不可缺失的关键环节。随着有线和无线宽带的普及以及IP Camera的快速成熟,安防行业的流媒体业务也许会进入民用领域,开拓一片更加广阔的天地。

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[责任编辑:ally]

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