基于AHD監(jiān)控設(shè)備的雙碼流存儲(chǔ)回放方案設(shè)計(jì)

肖婷婷，黃 曉

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢430074）

基于AHD監(jiān)控設(shè)備的雙碼流存儲(chǔ)回放方案設(shè)計(jì)

肖婷婷1，黃 曉2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢430074）

隨著技術(shù)水平提高，安防產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，客戶對(duì)監(jiān)控平臺(tái)以及前端攝像頭的清晰度要求越來(lái)越高，AHD監(jiān)控設(shè)備隨之誕生，該設(shè)備支持高清視頻的傳輸和存儲(chǔ)，但是由于監(jiān)控設(shè)備性能和資源有限，保證客戶端在低帶寬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多路視頻實(shí)時(shí)回放是具有重要價(jià)值的。本文為實(shí)現(xiàn)AHD視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)客戶端16路視頻實(shí)時(shí)回放，采用雙碼流存儲(chǔ)回放方案，通過(guò)系統(tǒng)性能和回放效果測(cè)試，得出該方案在16路回放時(shí)使CPU使用率降低10%，百兆網(wǎng)卡下帶寬占用率降低13%，即能在低帶寬條件下保證16視頻回放的實(shí)時(shí)性。

AHD；視頻監(jiān)控；雙碼流存儲(chǔ)回放；網(wǎng)絡(luò)客戶端

隨著人們對(duì)安全的需求提高，AHD（Anolog High Definition，模擬高清）成為目前安防業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，模擬監(jiān)控平臺(tái)使用的前端攝像頭往高清化發(fā)展，從開始的D1分辨率到現(xiàn)在上千萬(wàn)像素的攝像頭，所以后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備必須支持前端設(shè)備的發(fā)展，從而出現(xiàn)了AHD視頻監(jiān)控設(shè)備[1-2]。該設(shè)備和前端攝像頭之間的連接使用同軸協(xié)議[3]，保證遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)圖像的質(zhì)量，減小圖像傳輸過(guò)程中的失真。后臺(tái)設(shè)備獲取高清圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)編碼后生成主碼流和子碼流，其中主碼流圖像質(zhì)量越高，數(shù)據(jù)量越大，用于本地存儲(chǔ)，而子碼流數(shù)據(jù)量小，適合低帶寬下的圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸。但是，當(dāng)高清監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行多路視頻同時(shí)回放時(shí)，由于主碼流的特性，會(huì)使回放的實(shí)時(shí)性差，出現(xiàn)很卡的現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了基于AHD視頻監(jiān)控設(shè)備的雙碼流存儲(chǔ)與回放方案，在設(shè)備開啟錄像時(shí)，將主子碼流分別存儲(chǔ)在本地硬盤中，在客戶端進(jìn)行多畫面同時(shí)回放時(shí)，在犧牲一部分視頻質(zhì)量的前提下，使用子碼流錄像進(jìn)行回放，使網(wǎng)絡(luò)客戶端回放具有較好的實(shí)時(shí)性。

1 AHD監(jiān)控設(shè)備簡(jiǎn)介

AHD監(jiān)控設(shè)備是一種用于模擬高清圖像存儲(chǔ)處理的設(shè)備，采用先進(jìn)的模擬濾波技術(shù)和Y/C信號(hào)分離技術(shù)[4]，從而能有效的降低高頻區(qū)的噪聲，使圖像還原性更好。相比傳統(tǒng)的DVR，AHD設(shè)備在錄像質(zhì)量方面具有質(zhì)的飛越和提升，最高清晰度可等同于網(wǎng)絡(luò)高清設(shè)備1080P的全高清級(jí)別，它能夠?qū)φZ(yǔ)音和圖像進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的錄音、錄像、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，它需要和前端AHD攝像頭及AHD雙絞線傳輸器配套使用[5-7]。AHD監(jiān)控設(shè)備主要包括音視頻輸入和輸出、視頻處理器、視頻編碼、內(nèi)存、I/O等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AHD監(jiān)控設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2 雙碼流存儲(chǔ)回放方案可行性研究

隨著AHD視頻監(jiān)控平臺(tái)能接入的高清IPC越來(lái)越多，對(duì)客戶端回放的回放通道的數(shù)目越來(lái)越大，單通道回放已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足客戶需求。如果使用16通道回放傳輸碼率為2 M的1080P（1 920*1 080）的主碼流視頻圖像，那么客戶端需要32 M的總?cè)肟趲挘谌肟趲捿^窄的情況下，實(shí)時(shí)性很差，不能保證回放視頻的流暢播放；如果使用傳輸碼率為512k的D1（704*576）的子碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，則16通道只需要8 M的入口帶寬，有效降低多通道視頻實(shí)時(shí)回放時(shí)的帶寬需求，且還能減少通道回放資源。

采用雙碼流存儲(chǔ)回放方案，是將經(jīng)AHD監(jiān)控系統(tǒng)編碼的主子碼流均存儲(chǔ)在本地硬盤中，客戶端進(jìn)行多路回放時(shí)，找到對(duì)應(yīng)通道的子碼流數(shù)據(jù)傳輸，如果使用單通道回放，找到對(duì)應(yīng)通道的主碼流傳輸，在相同帶寬條件下，保證回放視頻的實(shí)時(shí)性。

3 雙碼流存儲(chǔ)回放方案的實(shí)現(xiàn)

AHD設(shè)備視頻處理流程如圖2所示，從前端攝像頭傳來(lái)的圖像經(jīng)過(guò)原始視頻圖像處理模塊進(jìn)行處理，根據(jù)合理的配置需求，對(duì)原始視頻圖像進(jìn)行“縮放”處理后形成兩個(gè)不同分辨率的視頻幀[8-9]，第一幀是原始視頻數(shù)據(jù)，未經(jīng)縮放，第二幀視頻圖像是經(jīng)過(guò)縮放后的，它們分別在不同的緩沖區(qū)中存儲(chǔ)，這兩幀圖像經(jīng)過(guò)視頻采集模塊和視頻編碼模塊后形成主子碼流[10]。以前的方法是主碼流用于本地存儲(chǔ)以及本地預(yù)覽，子碼流經(jīng)過(guò)封裝后發(fā)給網(wǎng)絡(luò)客戶端用于遠(yuǎn)程監(jiān)控[11]，客戶端使用本地存儲(chǔ)的主碼流進(jìn)行回放，而本文提出的雙碼流存儲(chǔ)預(yù)覽方案是對(duì)主子碼流均進(jìn)行存儲(chǔ)，以備回放使用。

圖2 AHD設(shè)備視頻處理流程圖

設(shè)備啟動(dòng)后如果要啟用雙碼流錄像，由于客戶端進(jìn)行視頻預(yù)覽時(shí)需要AHD設(shè)備傳送視頻子碼流數(shù)據(jù)，此時(shí)AHD設(shè)備子碼流編碼通道是開啟狀態(tài)，即一直有子碼流數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，當(dāng)客戶端預(yù)覽關(guān)閉時(shí)，會(huì)同時(shí)關(guān)掉子碼流編碼通道，所以此時(shí)需要使用雙碼流訂閱機(jī)制。即只要客戶端或者錄像需要碼流編碼，編碼通道就不會(huì)停止編碼和關(guān)閉編碼通道，當(dāng)兩者都關(guān)閉時(shí)，才將編碼通道關(guān)閉。要做到的是編碼通道自己來(lái)判斷，當(dāng)有碼流數(shù)據(jù)消費(fèi)者的時(shí)候不能關(guān)閉，如果消費(fèi)者沒(méi)了就關(guān)閉編碼通道。之后將編碼后的主子碼流均以avi文件格式[12]存儲(chǔ)在本地硬盤中，雙碼流的存儲(chǔ)流程如圖3所示。

圖3 雙碼流存儲(chǔ)流程圖

存儲(chǔ)過(guò)程中，硬盤滿時(shí)有兩種處理方式：停止和覆蓋，用戶可以選擇是否開啟保留最大天數(shù)錄像，比如用戶設(shè)置保留30的錄像，實(shí)際硬盤只能存儲(chǔ)15天的錄像，硬盤滿時(shí)如果用戶選擇停止則就停止錄像，設(shè)置覆蓋就會(huì)啟用自動(dòng)淘汰功能，如果能存儲(chǔ)60天的錄像文件，這個(gè)時(shí)候硬盤的存儲(chǔ)空間足夠，只會(huì)保留30的錄像文件，超過(guò)時(shí)限的全部淘汰。

當(dāng)客戶端請(qǐng)求多路通道回放時(shí)，根據(jù)硬盤上存儲(chǔ)的錄像文件名中的碼流類型和錄像時(shí)間，查找子碼流數(shù)據(jù)，通過(guò)TCP協(xié)議傳輸給客戶端，當(dāng)客戶端回放從多路切換到單路回放時(shí)，需要重新發(fā)送回放請(qǐng)求，切換為單路主碼流回放模式。使用雙碼流回放流程如圖4所示。

圖4 雙碼流回放流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述方案設(shè)計(jì)，使用交叉編譯器[13]將AHD功能實(shí)現(xiàn)模塊編譯成庫(kù)文件，供上層調(diào)用，使用雙碼流回放方案的多路視頻回放可以在客戶端顯示出來(lái)。

在 AHD監(jiān)控設(shè)備的本地端接入 16路支持1080P分辨率的高清攝像頭，其主碼流分辨率設(shè)為1080P、碼率4 M、幀率30 fps，子碼流的分辨率D1、碼率512 k、幀率30 fps。然后進(jìn)行本地雙碼流錄像，在IE端使用16路視頻同時(shí)回放時(shí)，啟用16路子碼流錄像回放，其結(jié)果顯示如圖5所示。從顯示效果看出，使用16路子碼流同時(shí)回放時(shí)，能流暢播放，實(shí)時(shí)性很好；不使用雙碼流回放方案時(shí)，播放一段時(shí)間后，回放視頻很卡，進(jìn)度條會(huì)在，實(shí)時(shí)性差。在對(duì)比情況下，查看客戶端所在的Windows任務(wù)管理器的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，在百兆網(wǎng)卡的條件下，使用雙流回放方案時(shí)，16路子碼流錄像回放時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用率為1.2%；在未使用該方案時(shí)，16路主碼流回放網(wǎng)絡(luò)使用率為15%。通過(guò)在AHD設(shè)備使用top命令查看客戶端16路回放時(shí)系統(tǒng)CPU的使用率，從結(jié)果看出該方案能夠有效的降低CPU使用率10%。從上述結(jié)果看出，雙碼流存儲(chǔ)回放方案有效能夠有效地降低客戶端多路回放時(shí)帶寬需求，提高系統(tǒng)的性能，保證客戶端多路回放的實(shí)時(shí)性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 使用雙碼流回放的客戶端

5 結(jié) 論

雙碼流存儲(chǔ)回放方案在AHD監(jiān)控設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)基于Linux平臺(tái)，使用面向?qū)ο笏枷耄哂锌删S護(hù)性和可擴(kuò)展性。該方案主要通過(guò)子碼流數(shù)據(jù)比主碼流數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，利用子碼流完成客戶端多路回放，從而保證回放視頻的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能夠保證AHD設(shè)備客戶端多路回放的實(shí)時(shí)性，提升用戶體驗(yàn)，降低回放時(shí)系統(tǒng)性能消耗，具有較好的實(shí)用性。

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Design of dual-stream storage and replay based on AHD monitoring device

XIAO Ting-ting1，HUANG Xiao2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Fiberhome Telecommunication Technologies Co.Ltd，Wuhan 430074，China）

With the rapid development of technology and the security industry，the customer have great demand for the definition of the front camera，then the AHD monitoring equipment is born，it supports HD video transmission and storage.Because of the monitoring device has limited performance and resource，to ensure that the client in the low bandwidth environment to achieve real-time playback of multi-channel video is of great value.In order to achieve 16 channels real-time video playback of the AHD video surveillance network client，this paper proposes and designs a scheme of dual-stream storage and playback based on AHD monitoring equipment.By testing the performance of the system and the effect of the replay，the result shows that the CPU usage can be reduced by 10%，and the occupancy rate of 100 M Ethernet bandwidth reduced by 13%，which can guarantee 16 channels of video playback in real time under the condition of low bandwidth.

AHD；video surveillance；dual-stream storage and playback；network client

TN915

：A

：1674－6236（2017）03-0053-03

2015-12-11稿件編號(hào)：201512131

肖婷婷（1990—），女，河南信陽(yáng)人，碩士。研究方向：信號(hào)與信息處理、多媒體信息處理與傳輸技術(shù)。