數字電視技術在高清監控系統中的應用探討

山東省棗莊廣播電視臺　李修剛

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數字電視技術在高清監控系統中的應用探討

山東省棗莊廣播電視臺李修剛

【摘要】隨著高清監控技術的不斷發展和進步，高清監控不只是IP的單獨專項，監控設備和管理系統在應用和功能方面，不斷融合廣電技術。本文以廣電MPEG-2、H.264編碼技術，智能視頻識別技術和全臺網MSB技術在高清監控的應用為例，探討廣電數字技術在安防高清監控系統中的應用。

【關鍵詞】IP監控；ASMF文件系統；MPEG-2；H264；最高有效位MSB

近年來的發展表明，隨著網絡和電視視頻編碼技術飛速發展，視頻監控進入到網絡化、智能化時代，與過去的監控相比智能分析和圖像處理能力更加強大，基于網絡和數字電視技術的高效監控管理軟件實現應用服務的全數字化，為用戶提供了更多智能視頻分析和提前預警功能，很大程度上提高視頻監控的效率。

1　高級媒體文件系統（ASMF）高碼率可實現高清監控要求

在數字化進程中，數字信號的標準化是最重要的環節之一。MPEG-2的視頻編碼被分為三類，稱為I幀，P幀和B幀，后綴“I”和“P”分別表示隔行掃描與逐行掃描，I幀圖像利用單幀圖像內的空間相關性，采用幀內編碼方式，P幀和B幀圖像利用空間和時間上的相關性，采用幀間編碼方式。提高壓縮和圖像質量的方法是利用P幀圖像前向時間預測的原理，意即P幀中的宏塊既可以前向預測，也可以是幀內編碼；B幀圖像采用雙向時間預測，可以大大提高壓縮倍數。數字高清信號數字電視掃描線的分為1080P、1080I、720P，1080P是最高等級高清視頻編碼，逐行掃描可以獲得更好的動態圖像，這原本用于廣電行業的高清視頻標準目前已被視頻監控行業作為公認的技術標準而普通沿用。

在編碼格式MPEG-2、MPEG-4、H.264和VC-1這四種算法中。H.264編碼效率是最高的。在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍，所以H.264有很高的數據壓縮比率。H.264高的壓縮比，主要是低碼率起的作用，下載時間和數據流量收費將降低很多。高質量流暢的圖像、高壓縮的視頻數據，占用傳輸帶寬小，因此更加經濟有效。

上述由ITU-T或ISO/IEC標準化組織制定的視頻壓縮編碼標準是一個規范了壓縮碼流數據結構的開放式標準，可以提供給研究和開發者更多關鍵技術的創新空間。如消除空間相關性的變換編碼技術、幀內預測編碼技術，消除時間相關性的幀間預測編碼技術都被應用在這些標準中。此外，H.264標準中采用幀內預測技術，更小塊整數變換技術等。通過運動估計的幀間預測編碼技術消除了時間冗余，前向、后向和雙向預測技術解決了運動對象移動引起的遮擋、覆蓋等問題，進一步提高壓縮包。視頻監控主要采用H.264標準。（見圖1）

圖1　MEPG-2幀間結構

高效全格式幀精確編解碼的技術是高清安防系統關鍵。MPEG-2編碼標準制定了標清和高清數字電視的壓縮方案和規范，其碼率上限可達100Mbt/s，所以MPEG-2除適用于廣播級的編碼，更適用監控的10Mbps的高碼率要求。

圖像中大量的冗余信息是由于MPEG-2壓縮編碼的空間和時間的相關特性所致，在傳輸中去除多余的冗余信息，保存少量非相關信息，可以節省傳輸帶寬。在接收端依照非相關信息的解碼算法，可以還原圖像。盡可能有效地去除圖像中的冗余信息就是好的壓縮編碼。

在播出和非線性編輯系統中，采用幀間壓縮的方式MPEG-2，幀內壓縮由I幀的來處理，通過前后預測獲得B幀和P幀，較高的壓縮比數據量也較小，因此，由幀之間的時間相關性即可得到傳輸和運算的數據。MPEG-2在非線性編輯系統得到普及和應用，節約了人員和編輯設備的成本，實現了精確快速搜索包括連續回放和逐幀倒放等。MPEG-2的解壓縮標準是開放和兼容的，壓縮數據的壓縮器件和解壓縮器可由不同廠家設計和制造，能過保證各設備之間通用。

目前采用純以太網組建非線性編輯網絡系統是最為成熟的網絡，加上有比較完善的管理系統，性價比較高。

H.264實現了毫秒級的幀精確定位，能夠滿足安防監控秒級檢索定位。

高碼率表征了高清晰度，較高安全性、實效性和可靠性是高碼率數據存儲的基本要求，文件格式MXF就符合這項要求。

能夠滿足廣播制作的所有需求的文件外殼格式目前還沒有。MXF設計為能夠允許不同的公司間不需依賴特定的文件格式就能交換資源，滿足絕大數新舊的媒體交換的需求。媒體在不同的載體上交換是我們的愿望，如音視頻服務器、存儲系統、編輯工作站、錄像設備、流媒文件格式等。無疑MXF解決了這些問題。而蘋果公司著名的非編軟件Final Cut Pro最新推出的5.0版本中，可以直接導入MXF。

發送端和接受端設備必須支持相同的音視頻壓縮、無壓縮格式和數據格式才是真正的兼容。不斷增加新的MXF支持的格式可以支持各種業務的要求，MXF的特性被MXF的操作規范定義了多種，如壓縮類型、數據結構等，如一個規范支持DV和多軌音頻格式，另一種規范則支持D10 MPEG-2格式等。MXF的全兼容，是繼續努力發展的方向。

對音視頻設備和非線性設備的升級就要率先用到MXF。MXF作為存儲格式使用時，要與其他文件格式能夠共存，并把這些格式轉化為MXF格式來使用，MXF真的普及有待時日（見圖2）。

圖2　ASMF高級媒體文件格式

把ASMF文件核心技術中的平行域架構、多級金字塔索引架構、虛擬存儲條帶、N+M備份策略等多種技術引進系統管理平臺當中，可使各監控系統互聯互通、并可進行秒級海量數據檢索以及監控系統的平滑升級。

多級金字塔式索引技術。智能監控采用了多級金字塔式超級索引，運用ASMF文件技術，通過數據庫、存儲服務器、文件的三級索引，實現視頻圖像的秒級回放的速度。多級金字塔式超級索引技術在定位時采用逐層分段查詢方式，不需要分析整個索引，就能夠快速找到文件中的任意幀及視頻段，極大地提高文件定位和響應速度；ASMF文件完全獨立于操作系統，直接對磁盤進行讀寫操作，具有極高的I/O讀寫性能，可控多個高清攝像頭，海量存儲、20PB數據檢索實現秒級檢索回放。

無限擴展的虛擬存儲條帶技術。智能監控集成管理平臺提供了虛擬存儲條帶技術，所謂虛擬存儲條帶技術，就是通過精確核算，將一定規模的攝像頭、對應容量的存儲單元，和存儲流媒體服務器關聯起來，構成一個基本單元，這個基本單元就是虛擬存儲條帶，虛擬存儲條帶可以無限擴展，滿足監視監控系統的無縫擴容，能夠支持從幾十路到數萬路攝像頭的無縫搭建，從而構建大型、超大型監控系統，虛擬存儲條帶既相對獨立，又被管理平臺統一管理，統一調度。

2　智能識別技術在視頻監控的應用

智能視頻分析技術主要包括圖像處理、跟蹤技術、模式識別、數字信號處理等系統通常都具有以下功能：

（1）圖像采集與還原。監控采集圖像信號通常是以壓縮流的形式存在，可以將圖像流解壓還原成原始圖像格式后再進行分析。對于圖像處理系統來說，在接收到視頻圖像后，對計算機而言只是一個數據數列，視頻識別技術便是為了通過特定的核心算法程序提取視頻信號中所包含的內容信息，以實現計算機對于視頻的“理解”，讓計算機能“明白”視頻中所展現的是什么內容或者發生的是什么樣的“事件”。

（2）對動態物體檢測捕捉。系統采用高清的IP攝像頭和高速的視頻抓取、跟蹤和圖像質量評估算法，保證了所采集圖像為高質量的清晰圖，使監控人員能夠在不身處現場的情況下通過攝像頭看到現場的情景，而這一現場還由于傳輸技術的進步通過數字網絡傳輸視頻擺脫了地域的限制；而視頻分析技術則給監控系統加上了“大腦”，使機器能夠代替人來隨時監看這些視頻，無須再由人工隨時去監看這些視頻。

（3）多個物體跟蹤技術。跟蹤就是把發現的同一物體每一幀沿時間順序串起來，在多個運動物體，多個相機之間互相影響情況下進行有效檢測。利用先進的識別算法為基礎，通過高性能超級圖形計算，能對高清視頻實時全幀分析，多種算法相結合，對目標多維度進行比較識別，能有效提高識別的準確度，減少誤報干擾。

在廣電領域中，體育節目制作部門會經常制作一個足球精彩射門集錦，以前都是通過制作人員逐個瀏覽足球賽錄像資料，將其中的精彩片段剪輯到一起，非常耗時，工作效率非常低。后來廣電設備廠商針對這個問題研發了一個足球精彩度分析智能算法，能自動分析錄像中足球射門鏡頭，并這些鏡頭自動剪輯成一個短片，制作人只需對剪輯完成的短片做出簡單調整就可播出，極大地縮短了節目制作周期。這里的足球精彩度分析智能算法其實就是安防領域中提到的視頻智能算法，通過識別畫面中的人群密度，足球運動速度、球門的特征和守門員特殊的服裝顏色等參數準確識別出射門的精彩鏡頭。

3　MSB在全臺網絡及視頻監控中的應用

當前安防網絡化的重點側重在多個監控子系統間的聯網，監控與相關業務、與工作流程的結合還比較少。在這方面，廣電領域的MSB（媒體服務總線，見圖3）高清全臺網的技術體系架構就與用戶的業務和流程結合的較好，通過在中央電視臺、奧運會等項目的運用，取得了不錯的效果，非常值得在設計視頻監控系統時借鑒。

圖3　MSB廣播電視全臺網的技術體系架構

將“松耦合”網絡技術應用于電視節目生產業務系統，使得子系統能夠相對獨立的建設和運行，降低存儲壓力和網絡帶寬要求。系統以媒體資產管理技術作為系統核心，為全臺業務系統提供了資料的歸檔、管理、再利用和數據交換，實現全臺共享資源，為用戶權限認證、生產進程控制等提供支撐。系統應用全程非線性工作技術，使得資料從收錄或上載開始，就工作在非線性文件模式中，實現全程無帶化文件工作方式。

采用工作流引擎驅動的流程管理技術，系統能夠靈活高效地管理和控制各個業務流程，提高了管理水平和工作效率。應用演播室網絡播出技術、后臺整理技術和后臺合成服務器技術，實現全臺演播室播出網絡化。以媒體服務總線的軟件架構、基于FC協議和SNFS文件系統二次共享為基礎的柔性可擴充網絡構建的信息整合平臺，實現了系統間的互聯互通。通過控制矩陣切換，實現演播室與播出服務器的“多對多”的工作模式。OA應用與非線性編輯技術的有機融合實現辦公與生產整合后的桌面終端。

全臺網基于SOA架構設計，引入MSB媒體服務總線旗下的ESB和EMB兩大企業系統集成利器，對各系統進行松耦合的互聯；同時各應用系統的高內聚設計特性保證其可以完整獨立運行。MSB媒體服務總線是構建全臺業務主干支撐平臺。借助MSB，可以實現電視臺多個業務系統間元數據、媒體數據和流程的互聯互通，實現業務流程的高效管理和有效監控。為用戶提供一個高可靠性的文件存儲環境，保障用戶的業務流程可靠、安全，保障業務的安全完整。這一架構的全臺網絡增強了視音頻應用系統安全高效的運行能力，滿足廣電用戶大數據量、高帶寬、快速響應的要求。

4　結束語

高清數字監控系統是信息時代發展的產物。監控系統采用數字電視技術技術，使數字監控系統技術上了一個新臺階。高清數字監控系統已成為行業安保管理系統重要環節，結合無線、移動通信的快速發展，以視頻技術為核心的無線多媒體傳感網得到人們的普遍關注，共同推動智能高清監控時代的來臨。

參考文獻

[1]杜百川.數字電視[M].中國電子學會廣播電視技術分會,1998.

[2]《視頻安防監控系統工程設計規范》GB50395-2007[S].

李修剛（1967－），男，山東棗莊人，工程師，現供職于棗莊廣播電視臺，從事廣播電視技術方面工作及研究。

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