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网络视频服务器技术浅析

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    随着科技的发展和社会的进步,传统的压缩卡已经不能完全满足各种领域的安防需求,网络技术的不断革新确定了安防行业的网络化发展方向。而网络视频服务器作为一种对音视频数据进行编码处理并完成网络传输的专用设备。它在远程监控、分布式管理上的优势使其迅速成为安防市场上一个新的热点。

    网络视频服务器的应用领域相当广泛,在煤矿、医院、学校、道路交通、小区、酒店等监控点比较分散的场合中都有应用。网络视频服务器的应用优势也是显而易见的,它们既省去了传统监控解决方案中的布线工作,实现即插即看的功能,同时又避免了网络配置的麻烦。随着网络技术的日新月异,网络视频服务器的市场潜力还会不断扩大。

    目前的网络视频服务器一般支持1路,2路,4路音视频输入,有的网络视频服务器还支持IDE或SATA本地硬盘存储。其对外接口包括音视频输入接口,音频输出接口,网络接口,RS485串行接口,USB接口,GPIO报警输入输出接口。它的典型应用如图1。

网络视频服务器的工作原理
    网络视频服务器内部主要包括三个模块:图像采集、图像压缩,网络传输。图像采集模块实现视频信号的A/D转换;图像压缩模块以某种压缩编码标准实现对数字信号的压缩编码;网络传输模块实现对压缩数据的传输和系统功能设置等功能。它的软件结构如图2。

网络视频服务器与网络DVR的比较
相同点
    网络DVR和网络视频服务器一样,都能够对输入音视频信号进行采集,压缩编码,通过网络输出到客户端,都具备本地存储功能。

不同点
1、侧重点不同
    网络DVR的前身是单机DVR,虽然在在单机DVR的基础上扩展了网络功能,但其主要功能仍然是存储和本地监控。网络DVR本身带有视频解码输出,可以直接解码上屏。而网络视频服务器则是专门针对网络传输而设计开发,网络传输稳定,适应各种网络场合,本地存储功能只是它的一个补充功能,要求并不严格,一般不带有本地解码输出功能,而会以配套解码器的方式通过网络接受数据实现远程解码输出。

2、市场定位不同
    网络DVR定位于监控比较集中的场合,监控的范围一般是在较小区域内,无须远程监控,其接入的视频路数多,存储空间大,适合集中管理。而网络视频服务器的着眼点在于远端监控,一般用于监控点比较分散的场合,如道路交通、无人值守的变电站、油田生产管理、电信机房监控等。网络视频服务器接入视频路数较少,体积小,布线更简单,适合分布式管理。[nextpage]

网络视频服务器的关键技术
ARM+DSP双核构架
    目前市场上的主流处理芯片,包括TI的达芬奇系列和海思的3510系列都采用了ARM+DSP的双核架构。在这个架构中,ARM是芯片的主控处理器,负责控制芯片各个模块的工作以及运行操作系统、网络协议、应用软件等;DSP系统主要负责视音频编解码业务处理,通过处理器配合视频编解码模块共同完成音视频的编解码。

H.264视频压缩算法
    H.264是由ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)联合组建的联合视频组(JVT:joint video team)提出的一个新的数字视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。H.264使图像压缩技术上升到了一个更高的阶段,能够在较低带宽上提供高质量的图像传输,该优点非常适合国内运营商用户量大、接入网/骨干网带宽相对有限的状况。在同等的画质下,H.264比上一代编码标准MPEG-2平均节约64%的传输码流,而比MPEG-4 ASP要平均节约39%的传输码流。国内普遍采用的MPEG-4编码技术在3Mbps的带宽下尚达不到标清的图像质量,而H.264编码技术可以在2M带宽下提供要求的图像效果。因而运营商希望引入更先进的H.264编码技术,在有限的带宽资源下进一步提高图像质量。

    随着科技的不断发展,越来越多的网络视频服务器已经支持了H.264压缩算法,H.264正在逐步取代MPEG-4,成为安防行业的主流算法。

G.726音频压缩算法
    G.726是ITU-T定义的音频编码算法。它是1990年CCITT(ITU前身)在G.721和G.723标准的基础上提出的。它具有4:1的较高压缩比。

本地硬盘存储
    本地存储能保证数据的完整性、安全性,网络视频服务器在网络传输过程中可能产生丢包的情况,使用本地存储能给予客户数据安全的保证。本地存储一般是IDE或SATA接口外接IDE或SATA硬盘,在配合以安全稳定的文件系统,实现硬盘的存储。

文件系统
    网络视频服务器操作系统大多为嵌入式Linux,本地存储一般会应用Linux的文件系统。常用的有ext2和ext3。

    ext2是为解决ext文件系统的缺陷而设计的可扩展的、高性能的文件系统,它又被称为二级扩展文件系统。ext2是1993年发布的,设计者是Rey Card。它是Linux文件系统类型中使用最多的格式,并且在速度和CPU利用率上较为突出,是GNU/Linux系统中标准的文件系统。它存取文件的性能极好,对于中、小型的文件更显示出优势,这主要得益于其簇快取层的优良设计。ext2可以支持256字节的长文件名,其单一文件大小和文件系统本身的容量上限与文件系统本身的簇大小有关。在常见的Intel x86兼容处理器的系统中,簇最大为4KB,单一文件大小上限为2048GB, 而文件系统的容量上限为6384GB。尽管Linux可以支持种类繁多的文件系统,但是2000年以前几乎所有的Linux发行版都使用ext2作为默认的文件系统。ext2也有一些问题。由于它的设计者主要考虑的是文件系统性能方面的问题,而在写入文件内容的同时,并没有写入文件的meta-data(和文件有关的信息,例如权限、所有者及创建和访问时间)。换句话说,Linux先写入文件的内容,然后等到有空的时候才写入文件的meta-data。如果出现写入文件内容之后,但在写入文件的meta-data之前系统突然断电,就可能造成文件系统就会处于不一致的状态。在一个有大量文件操作的系统中,出现这种情况会导致很严重的后果。另外,由于目前Linux的2.4内核所能使用的单一分割区最大只有2048GB,尽管文件系统的容量上限为6384G,但是实际上能使用的文件系统容量最多也只有2048GB。[nextpage]

    ext3是由开放资源社区开发的日志文件系统,早期主要开发人员是Stephen Tweedie。ext3被设计成是ext2的升级版本,尽可能方便用户从ext2向ext3迁移。ext3在ext2的基础上加入了记录元数据的日志功能,努力保持向前和向后的兼容性,也就是在保有目前ext2的格式之下再加上日志功能。和ext2相比,ext3提供了更佳的安全性,这就是数据日志和元数据日志之间的不同。ext3是一种日志式文件系统,日志式文件系统的优越性在于由于文件系统都有快取层参与运作,如不使用时必须将文件系统卸下,以便将快取层的资料写回磁盘中。因此,每当系统要关机时,必须将其所有的文件系统全部卸下后才能进行关机。如果在文件系统尚未卸下前就关机 (如停电),那么重开机后就会造成文件系统的资料不一致,故这时必须做文件系统的重整工作,将不一致与错误的地方修复。然而,这个过程是相当耗时的,特别是容量大的文件系统不能百分之百保证所有的资料都不会流失,特别在大型的服务器上可能会出现问题。除了与ext2兼容之外,ext3还通过共享ext2的元数据格式继承了ext2的其它优点。比如,ext3用户可以使用一个稳固的fsck工具。由于ext3基于ext2的代码,所以它的磁盘格式和ext2的相同,这意味着一个干净卸装的ext3文件系统可以作为ext2文件系统毫无问题地重新挂装。如果现在使用的是ext2文件系统,并且对数据安全性要求很高,这里建议考虑升级使用ext3。

网络协议
    网络视频服务器最突出的特点就是网络传输,一般的网络视频服务器都支持面向连接的TCP/IP网络传输协议,有的也支持RTP/RTCP协议。传输延时一般小于0.5秒。支持多客户端访问。另外,网络视频服务器还提供一些应用层网络协议,包括http、ftp、ddns等。

网络视频服务器具有良好的集成性
    网络视频服务器可以快速与前端设备(摄像头)集成,衍生成IP摄像机。而从长远来看,网络视频服务器的系统集成有巨大的潜在市场和深远的发展前景,因为从深层次来看,视频网络化、系统集成不仅仅是视频传输的问题,它还代表未来视频应用的网络化和信息交互的应用发展趋势,是一种从内容上更深层次的互动,具有广阔的发展潜力,是未来3G、宽带业务的核心内容之一。因此可以肯定,随着数字技术和网络技术的不断发展,网络视频服务器在视频领域中的应用将有更多的延伸。

网络视频服务器的发展方向
    第一个方向是高清晰度。随着压缩算法的不断优化,存储设备容量的不断增大、价格不断降低,对监控图像质量要求将会成为首选项目,目前好的芯片厂商已经生产出了高图像分辨率压缩芯片。其处理能力非常强,分辨率达到了720p,1080i甚至1080p。目前高清的视频服务器可以适用于网络条件支持的对图像细节和应用要求较高的项目。但随之网络化的进程,以后的100M和1000M以太网络、光纤网络将随处可见,高清的网络视频服务器将应用到更多的领域中。

    第二个方向是智能处理。对视频画面海量数据进行高速分析、处理与识别,将监控者不需要关注的信息过滤掉,提取出有用的内容。这不仅能节省大量的存储空间,还提高了工作效率。智能处理主要的内容包括越界报警、物体搬移报警、车流的统计、物体跟踪等。其应用领域也十分广泛,如机场、交通、商场。智能处理与网络视频服务器相结合,在监控方面将更加具有目的性和针对性。但智能技术目前还存在一些瓶颈,如误报率、监控场合条件较苛刻等,相信随着智能技术的不断发展,智能网络视频服务器一定能克服现有技术瓶颈,在众多的安防产品中脱颖而出,而成为市场的主导者。

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