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智能网络数字视频系统产品应用及设计要点(上)

先来看看近几年安防巨头的动作,泰科安防收购TridentTek以加强Tyco/VideoTM视频安防技术和产品;霍尼韦尔宣布收购ActivEye公司——一家优秀的视频分析软件以及安防监控技术供应商;Bosch收购VCS;GE收购VisioWave;Siemens加强智能监控平台IVM;PELCO加强ENDURA数字视频监控系统;神州数码牵手SONY进军安防;中国电信推出全球眼;海康凭借DVR进入全球安防50强…… 所有这些,告诉我们,下一代安防热点是智能数字视频监控系统。

如下图一为网络数字视频系统大家族成员,相对于模拟系统,数字系统显得更为简单,除了前端和末端的摄像机及监视器,模拟系统的核心设备矩阵已经没有了,取而代之的是编解码器、传输网络、虚拟矩阵及具有丰富功能的系统管理软件。视频图象的多画面显示、视频切换、PTZ控制等已经不需要额外的设备,均由软件平台实现完成,存储设备完全由模拟磁带转化为容量大、功能强的通用网络存储系统DAS、NAS、SAN了。在网络数字视频系统中,人们不再讨论模拟矩阵、画面分割器、控制键盘等设备,而是将关注与IT密切相关的压缩编码方式、 帧率/码流/分辨率、单播、组播、RAID技术、传输网络带宽、存储方式、病毒防护、视频存储方式及容量计算等。

图一:典型网络数字视频系统结构图

数字视频基础知识

1)压缩视频流的结构

视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像,因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处,但是运动的视频还有其自身的特性,因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。
帧内(Intraframe)压缩也称为空间压缩(Spatial compression)。当压缩一帧图像时,仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息,这实际上与静态图像压缩类似。

采用帧间(Interframe)压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性,或者说前后两帧信息变化很小的特点,也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性,压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量,减小压缩比。通常视频流中视频数据分帧传输,帧分三种类型I帧、P帧和B帧。

图二:I P B帧结构

2)帧率、码流与分辨率

帧率是每秒图像的数量,分辨率表示每幅图像的尺寸即像素数量,码流是经过视频压缩后每秒产生的数据量,而压缩是去掉图像的空间冗余和视频的时间冗余,设置帧率表示您要的实时性,设置分辨率是您要看的图像尺寸大小,而码率的设置取决于摄像机及场景的情况(室外还是室内、场景活动繁忙等),码流是影响带宽和存储空间的直接因素。

图三:帧率与码流

3)TCP与UDP机制说明

TCP概念,TCP是“面向连接”且内置“重发机制”的协议,在双方收发数据前,需要建立“握手”连接,之后才开始发送数据,因此可以提供可靠的通信连接;而在对方收到数据后如果发现有损坏的数据包,要求重新发送,因此TCP提供最可靠的连接,但效率不高;UDP概念,UDP是“非面向连接”且无内置“重发机制”的协议,在通信前不需要先与对方建立连接而直接发送,因此不能提供可靠的通信连接,发送到对方的数据即使丢失损坏,也不需要重发,因此传输效率高但可靠性差。

4)单播、组播

单播,单播是指在源主机和目标主机之间进行通信;主机之间一对一的通讯模式,网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据,则服务器需要逐一传送,重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应,所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式,具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径,将IP单播数据传送到其指定的目的地。

组播,组播当信息需要发送到网络上的多个主机时,源主机只发送一份数据信息,组播网络负责拷贝该信息到应该得到该信息地目的主机上。主机之间一对一组的通讯模式,也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据,网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组,网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据,即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要(加入组)的主机,又能保证不影响其他不需要(未加入组)的主机的其他通讯。

图四:单播与组播示意图

(未完待续,敬请期待)

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