基于有線電視網的智能視頻監控能耗優化技術研究

孫護軍

(西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安 710077)

1 引言

近幾年來，信息產業受云計算的巨大影響，基于有線電視網的智能視頻監控也產生了本質改變，從原來的區域性安全防護逐漸滲透到環境保護、交通安全、連鎖機構管理、檢驗檢疫等更多的領域中[1]。基于云架構的智能視頻監控服務，即就是VSaaS成為智能視頻監控產業的一種新興模式，在當前物聯網發展中，其屬于一種比較重要業務[2]。對于當前有線電視網的智能監控系統而言，通過云監控服務可以降低運行成本，在云視頻監控系統當中非常消耗電能，這種高能耗的問題將會直接影響數據中心[3]。隨著日漸增多的云視頻監控系統的數量和規模，數據中心的存儲及管理的海量視頻數據、持續運行的眾多監控節點等，消耗的電能都非常巨大[4]。因而，在視頻服務質量得到保證的同時，將云視頻監控系統電能利用率提高，使其電能消耗減少，是當前云計算技術發展方向。本文基于有線電視網，對其智能視頻監控能耗優化技術進行了研究。

2 有線電視網視頻優點及監控服務模式

目前，有線電視城域網骨干光纖的高清傳輸能力非常強大。相比于互聯網和電信網傳輸的數據，有線電視網傳輸的數據非常大，通常情況下，其視頻信號在高于每秒3 M。因此，有線電視網具有顯著的高清傳輸優勢，根據傳輸網絡性質、運營平臺、用戶視頻調用需求，監控服務模式可分為開放式視頻監控服務、專有的視頻監控服務、存儲托管服務。其中根據接入視頻帶寬和監控點密度等，專有視頻監控服務分為局域監控場景、廣域監控場景、商業用戶場景。

2 云視頻監控系統結構及能耗分析

2.1 云視頻監控系統體系結構

電視網的智能監控系統是指以云計算為基礎的視頻監控系統。運營者和用戶在云視頻監控服務模式下，簽訂服務等級協議，即SLA，對監視時間、視頻質量、付費標準、數據訪問及存儲等服務指標進行規定。將電視網視頻監控節點布置在需要監控的位置，用戶可以直接在云監控中心獲取監控視頻，實際上云監控中心能夠充分發揮管理和存儲的職能，確保用戶能夠實時監控和查看。按照不同功能可以將云監控劃分為三個部分，包括監控中心、監控端、客戶端，圖1為云視頻監控系統體系結構圖。

圖1 電視網的智能監控系統體系結構圖

2.1.1 監控端

一般來說，云視頻監控終端也包括三部分內容，分別是控制路線、控制設備以及監控終端攝像頭[5]。監控終端可以同時實現傳輸、編碼和采集的多元化功能。

2.1.2 監控中心

云監控系統與云視頻監控中心有著重要的關聯性，其中包括數據中心、服務器以及接入控制虛擬機等。云視頻監控中心能夠實現普通監控系統無法實現的功能，即在控制服務的支持下，接入管理監控和瀏覽節點，對于來自客戶端及監控端的兩類任務，通過龐大虛擬機群進行調度和運行，從而使用戶需求分析、系統計費以及海量視頻數據存儲管理等功能得到實現。

2.1.3 客戶端

客戶瀏覽端的建立，首先要支持主流瀏覽器視頻訪問端口，其功能主要包括用戶登錄、用戶識別和管理以及視頻瀏覽等，用戶通過客戶瀏覽端，可對監控視頻進行管理和查看。

2.2 能耗優化機理

通常情況下，電視網的智能監控規模較龐大，在理論上，對于無限的客戶瀏覽端和監控終端可進行支持，尤其在監控中心當中，還涉及到非常豐富的物流服務器，要及時迅速的響應客戶端和監控端的瀏覽請求，但這又會產生復雜繁瑣的系統交互和運營過程。所以，針對云視頻監控系統展開分析，并優化其能耗的過程，不能把系統看做整體研究對象，要細化系統能耗，按照不同層次進行劃分，這樣可對電視網的智能監控的系統能耗優化進行有效分析。全面分析云視頻監控系統體系的特征，并對比分析傳統視頻和云計算數據中心在傳輸視頻過程中的不同點，對其進行劃分具體情況見圖2所示。

圖 2 系統能耗優化研究層次劃分示意圖

定義云視頻監控終端的能耗優化為對節點層面的監控，由于在云視頻監控中心，系統功能重要且結構復雜，因此將監控中心的能耗優化分為存儲節點層面、物理節點層面。對于客戶端來說，服務器不同，則瀏覽器性能會不一樣，在能耗和運行效率上會有差別，用戶在登錄視頻監控以及對視頻進行管理的過程中，客戶端的能耗量是不同的。此外，在訪問視頻數據的過程中，因為不能確定用戶使用時長、偏好以及具體需求等，所以很難確定其使用能耗。所以，在云視頻監控系統當中，客戶端成本費用的使用情況影響因素表現出多元化特征，例如移動設備類型、用戶訪問頻度等，對于云視頻監控系統維護者及運營商來說，討論客戶端能耗無實際意義。

2.2.1 監控節點能耗

在電視網的智能監控系統中，對于監控節點能耗來說，其實質是監控終端攝像頭在集成視頻編碼、采集、傳輸過程產生的。在進行視頻圖像的采集時，監控攝像頭需要分析監控場景，為適應場景動態變化，需多攝像頭進行高速緩存和交叉采集技術，易有較多冗余數據產生，從而使資源造成浪費；在傳輸過程中，視頻數據需進行壓縮、編碼等，必須要通過加密傳輸的方式處理部分數據，傳輸策略的使用與能耗水平之間存在顯著的相關性，所以可以采取多元化的措施優化能耗。監控節點并不是固定的，而是隨著需求的擴大而增多，在運行過程中，將會消耗大量的電能，再加上全天候運行的節點將持續性消耗電能；在部分特殊的地區，無源節點的運行只能使用電池作為支撐，其監視時間通過能耗優化可延長。因而，對于監控節點無源或有源，在電視網的智能監控系統中，如果監控節點數量較多，且持續性展開工作，此時消耗電能將會是持續的，所以必須要優化該問題。

2.2.2 物理節點能耗

通過云計算可以對虛擬機的載體進行物理節點的定義，物理節點虛擬機對于電視網的智能監控中心來說，其主要功能包括運行視頻監控以及瀏覽視頻監控兩部分。虛擬機類型的差異，不會影響其同時運行監控和瀏覽任務。只有充足的電能作為基礎才能確保物理節點的正常運行，使物理服務器和宿主機運轉，內部設備表現出較低的設備運轉效率，這將直接造成能量資源的無謂消耗；在各虛擬機上，多個瀏覽任務或監控需同時運行，任務和調度接入的不合理性，將會造成一系列問題甚至發生顯著的故障，對成本造成極大損失；因為云視頻監控系統任務特征具有顯著的不確定性，因此，采取虛擬機實時遷移等措施適應這種動態變化，這會造成能耗成本和通信成本的巨大浪費。因而，影響云監控物理節點產生的能耗因素包括云任務在虛擬機上的接入、調整服務器利用率、虛擬機對接入任務的調度和遷移、虛擬機在主機服務器上的部署等。

2.2.3 存儲節點能耗

在云計算環境下，分布存儲是以電視網智能監控視頻存儲節點的底層數據框架，能夠對監控視頻產生存儲和管理的功能。云視頻監控系統數據中心實際上屬于云數據中心，其中涉及到龐大的數據容量，數據中心同時也是構成云視頻監控中心的核心內容，各部分設備的運行都離不開電能的支持，所以對于系統能耗來說，數據中心會消耗巨大的能量。現階段，因為數據中心維持設備效率較低所產生的電能消耗占比較大，因此能耗優化空間較大。

3 云視頻監控系統能耗優化

3.1 監控終端能耗優化

合理優化控制系統監控資源和資源收集渠道，根據實際情況調整電壓。完善視頻監控終端設備，安裝電池能耗控制系統，對其損耗情況展開分析，適當的開展視頻拍攝調整等相關供應狀況，優化能量損耗水平。從而保證視頻監控終端的拍攝時效性。例如完善電流損耗控制編碼器，如果視頻監控設備的電能損耗超過一定范圍，此時視頻監控系統將會自動調整內部損耗情況，降低資源編碼，確保視頻終端信息能耗處于較低水平，優化控制資源能耗。在對視頻監控終端節點開展控制措施時，必須要綜合考慮系統資源水平。將自動視頻覆蓋程序與視頻監控系統相連接。在視頻拍攝中，當有視頻存儲壓縮、交叉視頻存在時，視頻交叉覆蓋可自動進行，在視頻監控段，可對信息進行自動篩選，從而將拍攝終端能源損耗減小；視頻監控終端能夠同時共同同一能源點，這樣可可控制能耗大小。

3.2 計算節點優化

就當前資源優化比例來看，要對已有資源展開綜合處理，對計算節點進行優化，增強控制能耗的水平，可以根據實際情況將其劃分為實體結構控制和虛擬處理控制。合理分配實體控制節點耗能情況和應用效率，增強外部輔助系統和主服務器系統之間的匹配性。對系統資源資源控制任務進行合理調節，加強控制視頻設備能耗水平。

3.3 存儲節點優化

對于電視網智能監控系統來說，可以通過系統資源的優化手段實現能耗的降低。應用云空間進一步增強視頻監控資源的空間。在硬盤中，通過電視網的智能監控系統，可自動整合系統信息的存儲，存儲信息分化在程序內部可實現。在進行電視網的智能監控處理時，根據用戶標注信息、視頻存儲狀態，對電視網的智能監控進行歸類；就視頻存儲時間來看，需要將硬盤存盤與云空間存儲進行接軌。

4 結語

本文基于有線電視網，對其智能視頻監控能耗優化技術進行了研究，將電視網的智能監控系統能耗分為物理節點、監控節點、存儲節點三個層次；對三個層面上的云視頻監控系統能耗優化方法進行分析和比較；優化改進電視網的智能監控系統能耗問題，顯著加快電視網的智能監控系統技術理論發展。