數字視頻及流媒體技術在電信機房監控系統中的應用

陳碧玉 羅軼

1 引言

本文通過對數字視頻及流媒體技術的研究，針對電信機房所具有的管控節點多、分布區域廣、整體信息量大、現場無人值守等應用環境的特點，將相關的數字視頻及流媒體技術應用在電信機房監控系統中，以達到分布式數據存儲，集中聯網管控的要求，從而實現電信機房的全面數字化集中管控。增強機房管控的實時性，確保系統的安防效果。

2 數字視頻處理技術的應用

本文以數字視頻編解碼技術及流媒體技術為基礎，利用數字視頻技術的相關特點，并根據電信機房聯網集中監控系統的環境、特點及功能要求，將數字視頻技術的優勢與實際應用結合起來，增強系統的先進性及適用性。

（1）、多模式數據存儲

采用數字視頻多模式存儲的應用特點，系統可采用多種存儲模式，一是前端存儲的模式，即將視頻數據存儲于機房前端錄像機的硬盤上，該模式的優點是數據保存穩定可靠且不受網絡連接狀態的影響。另一種模式為后端存儲模式，即所有圖像數據通過網絡上傳至系統后端監控中心集中存儲，該模式的優點是數據集中在一個地點存儲，數據檢索快捷方便，存儲設備的維護管理也比較容易。也可將兩種模式結合使用，采用設定的存儲策略在系統后端存儲重要的關鍵數據，而在前端機房設備上保存全面的圖像數據[1]。

（2）、多節點多用戶同時訪問

數字視頻技術的特點之一就是可支持多用戶的訪問，電信機房是分區分片進行管理的，這就意味著，同一機房的圖像數據可能同時被多個管理者訪問監看或調用。前端機房的硬盤錄像機由于網絡處理能力的限制，支持的訪問數量有限，我們利用流媒體技術的特性，通過采用專用服務器來進行實時視頻流數據的分發，所有用戶都通過專用服務器獲取實時視頻數據，而不是直接訪問前端機房設備，既確保了各區域各級別的多個用戶能夠同時對系統視頻數據進行訪問，又不會造成網絡的堵塞。

（3）、數字視頻解碼輸出，數字視頻矩陣功能

數字視頻信號解碼后可轉換為模擬視頻信號，并可輸出至模擬顯示設備上進行顯示，以實現更優良的監視效果。我們應用這一技術，在系統后端監控中心配置視頻解碼服務器，對前端機房通過網絡上傳的實時視頻流進行硬件解碼，實現前端機房現場圖像的數模轉換，并將模擬圖像輸出至屏幕墻設備上進行顯示和監看。視頻解碼服務器配置有多張解碼卡，可構成多通道硬件解碼系統，且各通道完成獨立控管，支持多路視頻的同時解碼輸出；同時能夠實現不同的畫面分割顯示，組成各種靈活的視頻顯示方案，實現數據視頻矩陣的相關功能。

（4）、圖像移動偵測技術，自動偵測移動目標

半個多世紀以來，齊齊哈爾地區的工業為共和國的經濟、國防和工業現代化建設做出了不可磨滅的貢獻。這里的工廠曾經為我國第一門大炮、第一顆人造衛星、第一臺核反應推、第一艘核潛艇……在工業戰線上涌現的全國勞動模范馬恒昌先后13次受到毛主席接見。但是，由于種種原因，在以往報道中沒有充分挖掘這些典型的人物與事件。而在相距150公里之外的大慶市就把鐵人王進喜的形象搬進社區、學校、廣場、公交車……在整個大慶市的每個角落都能受到“鐵人”精神的鼓舞。

最新的H.264數字視頻壓縮標準能夠提供多種更好的運動估計。在H.264中采用1/4像素（最高1/8像素）的運動估計，即運動矢量位移是以1/4（最高 1/8像素）為基本單位的。較高的位移精度，為精確的圖像移動偵測應用創造了條件。通常情況下電信機房基本無人值守，應用圖像移動偵測技術可實現對現場圖像的自動監視，發現移動目標則向值班管理人員發出提醒或報警。

實際應用中，在工作時間內可通過撤防設置屏蔽移動偵測功能，而在非工作時間則對現場進行布防，通過偵測現場設定區域的動態圖像變化來判定是否有移動目標闖入布控區域。并對異常狀況聯動報警，有效地提高系統的實際安防效果。

（5）、數字水印技術，確保數據安全

數字視頻可采用水印疊加技術確保數據的可靠有效，系統錄像文件數據可嵌入專屬的序列號水印及時間水印，確保原始錄像文件記錄的完整性，防止數據被篡改，提升所有數字視頻數據的安全性。

此外，數字視頻還支持OSD疊加，可在圖像畫面上疊加機房現場的相關信息（如區域、位置，編號時間等），有助于管理人員從大量類似的機房現場圖像中找到自己需要監看的畫面。

3 流媒體技術的應用

電信機房的運維管理模式是由各專業管理部門、機樓片區、區域分局、市級運維管理部門等多級管理單位，根據轄區范圍對機房運營狀況進行管控。這種管理模式決定了監控系統在實際應用中會出現多個終端同時對一個機房現場圖像進行監看，或同時對同一組錄像數據進行訪問的情況。

如果多個用戶同時對前端設備進行訪問，就會造成前端設備的超負荷運行甚至造成網絡的堵塞，從而影響整體系統的性能。

解決該問題的途徑就是利用流媒體的技術特性，通過設置專用的流媒體服務器來實現實時視頻流的存儲轉發和分發，因為專用的流媒體服務器具有遠遠大于硬盤錄像機的網絡性能及數據處理能力，由流媒體服務器來承擔數據處理及網絡傳輸的重擔，前端錄像機設備只需向流媒體服務器發送視頻流數據，這樣的系統結構能提高系統的性能，確保數據傳輸的穩定性，使多用戶訪問成為可能[2]。

流媒體服務器的主要作用就是降低前端站點網絡帶寬的占用，用戶不直接對前端站點的實時視頻數據進行訪問，而是通過流媒體服務器來間接進行訪問。流媒體服務器通過專用的管理軟件來進行管理，可以采用多級權限設置和有效的訪問策略來提高響應訪問的效率，在單位時間內有效提高網絡資源的利用率[2]。

流媒體分發業務流程圖如圖1所示。

圖1 流媒體分發業務流程圖

如圖1所示，在聯網集中數字視頻監控系統中，存儲服務器、硬解碼服務器及監控終端都通過流媒體服務器來獲取實時視頻流。各種終端設備均需與流媒體服務器建立連接，接收流媒體服務器轉發的實時視頻流后再進行數據存儲、圖像實時監看及解碼轉換輸出顯示等工作[3]。

實際調測中，電信機房監控專用網絡帶寬約為50M，一臺流媒體服務器可負載100路視頻流的轉發工作，以每個管理終端同時訪問16路視頻流來計算，每臺服務器可支持6～7個管理終端的同時訪問。

在系統實際應用上，以廣州電信為例，專業管理部門及區域分局的管理終端超過25個，加上市級監控中心的管理終端，硬解碼服務器，系統管理終端的總數超過30個，也就是說系統至少應同時滿足對30個管理終端進行視頻流轉發的需求，并提供超過500路視頻流的同時轉發，此時系統應配置5臺流媒體服務器，管理終端數量增加，則服務器的數量也應相應增加。

流媒體服務器群組協同工作，就需要解決管理終端接入請求分配的問題，即終端接入的負載平衡問題。根據系統實際應用要求，我們采用了有效的流媒體轉發機制來實現負載的平衡。

配置專用的應用管理服務器來對流媒體服務器群組進行管理，流媒體服務器啟動服務時，需在應用服務器上注冊，而應用管理服務器則通過心跳技術對流媒體服務器的運行狀態進行監控。

當監控終端需要訪問一路前端視頻時，先向應用服務器發出一個視頻訪問請求；應用服務器驗證請求權限是否有效后，以最少連接法平衡負荷，將當前訪問請求優先分派給連接數據最少的流媒體服務器。以達到負載的均衡。

若某臺服務器出現故障，則應用服務器會將該服務器的視頻流訪問分配給其它正常的流媒體服務器，增強系統的可靠性。

4 主要設備的選用

電信機房數字視頻監控系統主要設備包括 DVR設備和硬解碼卡設備，這兩種設備均選用了海康威視品牌的 HC系列產品，提供全實時圖像幀率達到 25幀/S，提供多種碼流類型的選擇（CIF、QCIF、DCIF、D1）。海康威視有良好的兼容性及可擴展性，提供豐富的功能應用接口（USB口，IO接口，網絡接口，報警輸入輸出接口，RS485/RS232控制接口等），DVR設備采用嵌入式系統，并提供SDK開發接口，應用中可根據電信系統的實際需要，進行功能二次開發。非常適合在電信機房視頻監控系統中應用。

5 應用效果

目前數字視頻及流媒體技術已在廣州電信機房監控系統中得到應用，接入的機房達到200個，且節點機房的接入數量還在持續增加中。實際應用中，因為采用數字視頻及流媒體技術，從而實現了分布式多節點的集中管控，電信運維部門無需設置多個區域分控中心，只需要一個集中監控中心即可完成對所有機房的監控，減少運維部門巡檢的次數。通過系統錄像記錄，能追查機房事故產生的原因，防止事故的再次發生，保證電信機房的穩定運營。

6 結論

本文根據監控系統在電信機房的應用環境以及電信機房運維管理要求，結合當前數字視頻及流媒體技術的特點，對數字視頻及流媒體技術的應用模式和實現方式進行闡述，進而為構造功能強大的電信機房視頻監控聯網管理應用提供借鑒。

[1] 江瑞清.數字視頻監控技術及應用[J].寧波高等專科學校學報,2001,13(4):63-66

[2] 馮麗霞.流媒體技術及應用[J].甘肅科技縱橫,2006,35(6):16

[3] 石江明,謝文軍,黃善國.流媒體業務模型及其傳輸[J].中興通訊技術,2006,12(6):31-35