云計算平臺中監控視頻摘要任務調度方法研究

許 彬 張海濤 胡豆豆

1(北京郵電大學智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室 北京100876)2(中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122)

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云計算平臺中監控視頻摘要任務調度方法研究

許 彬1張海濤1胡豆豆2

1(北京郵電大學智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室 北京100876)2(中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122)

隨著視頻監控系統的大量部署，產生了大量的監控視頻數據，視頻摘要技術應運而生。如何優化大量的視頻摘要算法服務器的工作效率，高效的視頻摘要任務調度方法成為關鍵。提出一種基于視頻摘要任務執行時間預測模型的分布式任務調度方法。該方法對視頻摘要處理過程中的監控視頻數據塊所需的服務器處理時間進行預測，從而合理調度任務，使服務器負載均衡，提高了云服務器的資源利用率，降低了視頻摘要任務的分布式處理時間。

視頻摘要 任務調度 分布式計算

0 引 言

隨著電信全球眼產品在行業客戶中得到了廣泛應用，僅上海電信企業監控系統規模在2萬路以上，在全國范圍內更是有超過1 000萬個監控攝像頭用于城市監控與報警系統。攝像頭的增加帶來了大規模防范的可能，但是隨之而來的是大量監控視頻數據，如何從大規模監控視頻中獲取人們關心的信息成為了巨大的挑戰。研究結果表明，人在盯著視頻畫面22分鐘之后，人眼將對視頻畫面里95%以上的活動信息視而不見。同時由于監控視頻的特殊性[1]，其本身存在大量的冗余數據，例如一段凌晨1點至3點的監控視頻，其中人們關心的內容則很少。由此產生了視頻摘要服務，可以將一段長時間的監控視頻，壓縮成幾分鐘長度而不損失任何有價值的信息。

視頻摘要[2]是指由一系列靜態圖像按時間順序或空間分布規則組合得到的圖像集，同時視頻摘要不僅對原始視頻進行分析，還綜合考慮了伴隨著視頻有意義的音頻流和文本流等多媒體信息，進行語義理解，并對視頻流或多媒體流進行摘要。就具體的應用場景，視頻摘要技術可以將大量的監控視頻進行濃縮，將監控視頻中人們不感興趣的冗余背景分割掉，生成精短摘要視頻，大大減輕用戶的查閱監控視頻的時間成本。或者通過對相似主題的視頻庫提取摘要信息并進行匹配，從而完成主題事件的關聯型活動不同場所安防視頻的摘要信息進行匹配，可以對異常事件進行檢測、搜索和回溯，如圖1所示。

圖1 視頻摘要效果圖

面對海量監控視頻數據，如果僅僅單機處理不僅花費巨大，而且難以及時獲取有價值的信息。因此基于云平臺的分布式視頻處理方案成為當下一個熱門的研究方向。例如文獻[5]中提出的基于hadoop的視頻云平臺管理系統，文獻[6]提出的分布式的視頻編碼方案以及文獻[7]對分布式視頻編碼架構的研究等等。任務調度是云計算的關鍵技術之一，其主要目標是盡可能實現系統資源的負載均衡[9]。傳統的分布式任務調度算法主要的應用對象集中在文本類型的數據，如文獻[10-11]等。由于視頻摘要過程中視頻數據需要的處理時間是不可知的，傳統的分布式任務調度算法并不完全適用，由此本文結合監控視頻數據塊的特性提出了一種基于視頻摘要任務處理時間預測模型的分布式任務調度算法。該算法能夠使視頻摘要服務器負載均衡且高效運行，從而縮短視頻摘要任務的總執行時間。

1 電信全球眼智能視頻監控平臺

電信全球眼視頻監控平臺為用戶提供了視頻摘要與濃縮、周界報警、遺留物檢測、二維碼智能巡檢、人臉識別、安防報警等智能功能的智能管理平臺。

1.1 電信全球眼視頻監控平臺架構

全球眼視頻監控平臺針對用戶不同的需求，為用戶提供了一系列的增值服務。全球眼智能視頻監控平臺的算法模塊采用了分布式計算架構，為大規模視頻智能分析和處理提供了基礎，日后可根據用戶需求平滑擴容[3]。視頻智能分析管理平臺架構如圖2所示。

圖2 電信全球眼智能視頻監控平臺架構

1.2 視頻摘要應用分布式計算架構

用戶通過電信全球智能管理平臺管理界面，向視頻摘要算法服務器提交視頻摘要服務請求，視頻摘要算法調度服務器按照任務調度算法分配任務至視頻摘要算法服務器集群中的節點上，最后將處理結果保存到云存儲上，如圖3所示。

圖3 視頻摘要應用分布式計算架構

2 視頻摘要分布式任務調度算法

本節我們基于電信的全球眼智能視頻監控云平臺，結合監控視頻數據塊的屬性特征，以及根據視頻摘要算法服務器的反饋信息，提出一種基于視頻摘要任務執行時間預測模型的分布式任務調度算法。

本節將首先介紹視頻摘要任務執行時間預測模型，然后介紹分布式任務調度算法。

2.1 視頻摘要任務執行時間預測模型

通過實驗分析，我們發現影響視頻摘要任務執行時間的主要因素有視頻幀率、視頻分辨率和視頻時長3個主要因素。

我們將監控視頻數據塊的采集地點、視頻質量等基本屬性分別量化為T={t1,t2,…,tl}、S={s1,s2,…,sm}和Q={q1,q2,…,qn}，其中l、m、n分別為T、Q、S的劃分粒度，我們定義一個基本屬性劃分BP，每個BP(tα,sβ,qγ)的tα、sβ、qγ屬性滿足以下條件：tα∈T、sβ∈S、qγ∈Q。我們稱這樣的一個劃分為基本屬性劃分。同時我們稱BPw(tα,sβ,qγ)為基本劃分BP(tα,sβ,qγ)的權重。

為了更好地描述問題，我們將視頻監控數據塊定義為VDB(Video Data Block)，并且定義VDBt為VDB在集群中進行視頻摘要時所需要的處理時間。假設一個VDB起止時間分別為ts和te，空間屬性劃分為sβ，視頻質量劃分為qγ，則：

VDBt=∑diBPw(ti,sβ,qγ)

(1)

其中i是該VDB包含的第i個基本劃分，ti∈T，di=min(ti,te)-max(ti-1,ts)，BPw(ti,sβ,qγ)為第i個基本劃分的權重。

考慮到用戶的實際需求，例如需要將多個VDB摘要成一個濃縮視頻，為了方便調度算法調度，我們引入一個Job的概念，用戶一次摘要任務請求包含一個或多個Job，一個Job包含一個或多個VDB。由式(1)，我們可以得到每個Job的在集群中所需要的運行時間Jt：

Jt=∑VDBt

(2)

為了能夠準確預測每個視頻摘要任務的在集群中的執行時間，我們必須去確定每個基本劃分BPw(tα,sβ,qγ)的準確值，我們通過以下兩種方式計算：

(1) 模型初始化

當模型第一次在集群中運行時，我們可選取一些測試樣例，每個測試樣例僅包含一種基本劃分且每個測試樣例的基本劃分都不同，測試樣例包含了所有的基本劃分。我們把這些測試樣例放到視頻摘要算法服務器集群中運行，我們通過式(3)計算：

(3)

其中，Cαβγ是基本劃分，BPw(tα,sβ,qγ)是在集群中實際運行時間。

(2) 模型更新

隨著大量視頻摘要Job的完成，根據式(1)、式(2)我們可以得到以下多元一次方程組：

D·BPw=C

(4)

當r(D)=r(D,C)=k時該方程組存在唯一解，通過解多元一次方程組可以計算出每個基本劃分的準確值然后更新模型中的值。

2.2 根據時間預測模型調度任務

上面我們建立了視頻摘要任務執行時間預測模型，當視頻摘要算法調度服務器接收用戶請求后，將用戶請求解析成一系列的視頻摘要任務(Job)，然后我們計算所有Job所需要的執行時間Jt，并按照從大到小的順序放到任務隊列Que中，依次將Que中的任務分配給此時負載最小的服務器，直到Que中的所有任務分配完畢，如圖4所示。

圖4 視頻摘要分布式任務調度流程圖

3 實驗結果

3.1 實驗配置

本實驗基于中國電信的全球眼智能管理平臺，視頻摘要算法服務器采用12臺物理機，每臺服務器CPU核心數為32，內存為32 GB，硬盤容量為5 TB，操作系統為Ubuntu04.1 LTS(GNU/Linux 3.13.0-32-generic x86 64)。

3.2 結果分析

為了驗證基于視頻摘要任務執行時間預測模型的分布式任務調度算法的效果，我們選取了4個數據集，每個數據集所包含的基本劃分的種類是相同的，4個數據集包含的VDB的數量是遞增的，其中數據集1包含120個數據塊，數據集2包含160個數據塊，數據集3包含190個數據塊，數據集4包含220個數據塊。分別用基于反饋預測模型的調度算法和FIFO算法在四個數據集上進行實驗，實驗結果如圖5所示，縱坐標軸表示處理整個數據集所需的時間，單位為秒。橫坐標表示4個數據集。虛線代表傳統的FIFO算法，實線表示視頻摘要任務執行時間預測模型的分布式任務調度算法。可以看出，相比FIFO調度算法，基于視頻摘要任務執行時間預測模型的分布式任務調度算法提高了大約40%左右的時間。

圖5 實驗結果對比圖

4 結 語

隨著大量的高清監控攝像頭不斷部署，每天都在產生大量的監控視頻數據，傳統的單機處理已無法滿足人們更加快速有效地從大量監控視頻中摘要出關鍵信息的需求。本文通過對監控視頻數據塊的原始屬性進行分析，將原始視頻采集時間段、采集地點、視頻質量三個特征進行量化并劃分為區間段，作為計算視頻監控數據塊權重的依據。結合用戶需求引入了邏輯數據塊的概念，通過算法服務器的反饋信息建立并不斷更新預測模型，按照規則依據預測模型調度任務，使視頻摘要算法服務器集群中的服務器負載均衡且高效的工作，提高了云服務器的資源利用率，降低了視頻摘要任務的分布式處理時間。

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RESEARCH ON TASK SCHEDULING ALGORITHM OF SURVEILLANCE VIDEO SYNOPSIS ON CLOUD COMPUTING PLATFORM

Xu Bin1Zhang Haitao1Hu Doudou2

1(BeijingKeyLaboratoryofIntelligentTelecommunicationsSoftwareandMultimedia,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)2(ShanghaiResearchInstituteofChinaTelecomCorporationLimited,Shanghai200122,China)

With the wide deployment of video surveillance systems, a large number of surveillance video data is produced. Video synopsis technology can get valid information in a fast and efficient way. Therefore, the optimization of the efficiency of a large number of video abstraction jobs and the video abstraction task scheduling method has become important factors. In this paper, a video abstraction task scheduling method based on the execution time prediction model in cloud computing platform is proposed. This method predicts the execution time of the video abstraction jobs in the computing platform based on the video data block’s information and the server running state information. Then it schedules the video abstraction jobs appropriately so that it balances the server load, improves the level of resources utilization of the cloud server and reduces the distributed processing time of the video abstraction jobs.

Video synopsis Task scheduling Distributed computing

2016-08-22。國家自然科學基金項目(61300013)，高等學校博士學科點專項科研基金項目(20130005120011)。許彬，碩士生，主研領域：云計算，多媒體信息處理。張海濤，副教授。胡豆豆，工程師。

TP3

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10.3969/j.issn.1000-386x.2017.07.002