高校智能視頻監控實訓平臺設計探究

陳小中， 冒志建

(1. 常州工程職業技術學院 智能裝備與信息工程學院， 江蘇 常州 213164；2. 江蘇理工學院 計算機工程學院， 江蘇 常州 213001)

0 引 言

隨著我國經濟高速發展以及音視頻處理、網絡通信、數據存儲等技術日新月異，視頻監控技術取得了蓬勃發展，并廣泛應用于平安城市、智能交通、金融等眾多領域[1]。視頻監控行業的迅猛發展迫切需要大量高技能型專業技術人員，這也為相關工科專業人才培養提供了前所未有的發展機遇。視頻監控技術是一門實踐性非常強的專業課程，當前眾多高校實踐教學中普遍存在設備技術落后、功能缺失、系統集成性弱以及管理費時費力等不足[2]，無法適應視頻監控技術網絡化、高清化、標準化、智能化發展方向，一定程度上阻礙了相關工科專業的發展，影響了高技能型視頻監控技術人才的培養質量。因此，設計開發一套智能視頻監控綜合實訓平臺，無論是對于提升專業學生的視頻監控實踐技能、實訓設備管理的便捷性，還是對于促進智能視頻監控系統在各領域的廣泛應用，都具有重要理論和實踐意義[3]。

1 相關技術

經過國內外研究人員多年的深入研究，視頻監控該系統已從第1代模數混合、第2代流媒體發展至第3代IP網絡智能監控。視頻監控系統的高清化、智能化、安全化發展，與音視頻編解碼、IP網絡通信、網絡存儲、服務器虛擬化等新技術的發展密不可分。為此，本節簡要回顧相關技術的特點及其應用，進而指導視頻監控實訓平臺設計與實現。

1.1 編解碼技術

音視頻作為監控系統中最重要信息，相比傳統網絡應用數據，具有信息量龐大、網絡傳輸帶寬要求高等顯著特點。720P、1 080P和4K等視頻數據為用戶提供高清圖像畫質的同時，也對其網絡傳輸和數據存儲提出了更高要求。視頻編碼技術可以實現視頻采集信息至特定帶寬的壓縮，并保證解壓后視頻質量。最新編碼標準(如H.265)將壓縮碼率控制在32 Kb/s～8 Mb/s，并成為當前視頻壓縮的主流技術[4]。在智能監控系統中，信號編、解碼過程分別由編碼和解碼兩個模塊負責完成，前端采集和后端顯示部分需盡可能采用當前最新編解碼技術，選用設備廠商主流技術產品。

1.2 監控網絡傳輸

基于用戶數據報協議(User Data Protocol, UDP)，組播網絡通過在節點設備復制、發送單播流，實現了網絡傳輸路徑和帶寬資源開銷的最小化，但由于難以規避傳輸過程中數據丟包問題，極易導致圖像花屏和卡頓現象。利用傳輸控制協議(Transmission Control Protocol，TCP)增強網絡的抗丟包和抗延遲性能，能提升網絡的可靠性與可控性[5]。采用服務質量(Quality of Service，QoS)技術，可以通過區分服務類型保障音視頻數據流的優先傳輸權[6]，解決流媒體傳輸中丟包、延遲、亂序等問題，被廣泛應用于資源有限的監控網絡系統中。此外，由于電介質的抗電磁干擾性差，光纖通信被廣泛應用于視頻監控領域。小型可插拔接口(Small Form-factor Pluggable，SFP)組網成本較高， 以太網無源光網絡(Ethernet Passive Optical Network, EPON)采用點到多點單纖無源雙向傳輸，支持遠距離和高帶寬的通信，顯著降低了組網與運維成本[7]，并已成為當前高速公路、偏遠區域監控的重要接入方式。

1.3 網絡存儲

傳統視頻監控系統中音視頻數據主要采用本地化存儲，結合獨立冗余磁盤整列(Redundant Arrays of Independent Drives，RAID)提升數據存儲的可靠性[8]，系統建設成本相對較低；其不足是視頻存儲空間有限；多個網絡視頻錄像機(Network Video Recorder，NVR)間資源管理和共享存在一定難度，難以滿足大規模視頻監控數據儲存以及智能管理等需求。基于互聯網小型計算機系統接口(Internet Small Computer System Interface，iSCSI)技術，存儲區域網絡(Storage Area Network，SAN)實現了IP存儲設備、客戶機/服務器間連接的快速建立和便捷管理[9]。IPSAN因其操作簡單、維護方便以及擴展性強等特點，已成為當前大規模智能監控中數據存儲的首選方式。

1.4 服務器虛擬化

服務器虛擬化技術是利用虛擬化平臺將計算機物理資源邏輯上分給多個虛擬主機。一方面，由于操作系統封裝與文件中，不依賴于物理硬件，易于移動和復制；另一方面，虛擬機之間相互隔離，且不受硬件變化的影響，后期管理便捷。典型虛擬化平臺主要包括VMware ESXi、Xen server、Hyper-V和H3C CAS等[10]。虛擬化平臺的部署，實現了服務器硬件資源的充分利用，更重要的是，保障了大規模服務器的快速部署，以及網絡應用系統的高可靠性與穩定性[11]。

2 視頻監控實訓平臺組成

2.1 系統架構

本實訓平臺以兩級治安智能監控項目為背景，設計3個監控域，支持中小型和大規模兩種層次視頻監控系統構建與部署的技能實訓。在邏輯結構層面，主要包括：前端設備(音視頻采集)、網絡傳輸、管理平臺、數據存儲和顯示系統[12]。前端設備包含網絡和模擬兩種類型攝像機，主要負責音視頻信息的采集與輸入；基于光、電介質的網絡平臺，負責將視頻信息實施、可靠傳輸；管理平臺包括中小型監控中的網絡視頻錄像機(NVR)和大規模監控中視頻管理服務器(VM)、數據管理服務器(Data Manager，DM)和媒體服務器(Media Server，MS)，支持系統中本地設備與業務配置管理；數據存儲采用中小規模的NVR和大規模的網絡存儲IPSAN；顯示系統包括解碼器與大屏相結合的硬解碼和客戶端的軟解碼2種功能。

在物理結構層面，主要包括1個上級域和2個下級域，圖1所示為該平臺的主要系統架構。本平臺兼顧中小規模監控的獨立管理，支持大規模多級多域管理功能，進而實現域間互聯、設備推送、資源共享、業務聯動等綜合智能監控業務實踐功能[13]。

圖1 監控實訓平臺架構圖

2.2 系統工作原理

為有效隔離控制和視頻數據信息，提升視頻監控系統應用性能，本實訓平臺采用“三碼流”機制(控制流、實時流、存儲回放流)思想設計系統管理以及監控業務，如圖2所示。

圖2 實訓平臺系統原理圖

具體工作原理如下：

(1) 在系統管理中，視頻管理服務器(VM)或者網絡錄像機(NVR)采用會話初始協議(Session Initiation Protocol，SIP)和簡單網絡管理協議(Simple Network Management Protocol，SNMP)將攝像機、編碼器、解碼器和存儲等終端設備接入視頻管理中心。基于SIP協議的請求和響應消息完成網絡會話的創建、修改與釋放，進而實現設備注冊接入、協商請求、云臺控制等管理。此外，SNMP協議負責系統參數與狀態實時管理。

(2) 在實況業務中，為避免實時音視頻數據傳送延遲，采用實時傳輸協議(Real-time Transport Protocol，RTP)將傳送流(Transport stream，TS)直接發送至解碼設備，實況流和存儲流無需經過VM或者NVR等中心管理設備。

(3) 在存儲業務中，數據管理服務器(DM)預先設置前端設備存儲計劃與存儲資源分配；基于iSCSI協議，TS流以數據塊方式直存至IPSAN設備，實現數據讀寫效率提升，支持后續音視頻數據的集中管理和設備擴容。

(4) 在回放查詢中，對于大規模視頻監控系統，解碼器或者Web客戶端首先將實時流協議(Real Time Streaming Protocol，RTSP)視頻查詢請求發送至VM服務器；然后，VM服務器向DM服務器發送RSTP查詢信息；接著，DM服務器反饋響應請求資源URL；最后，有由前端設備直接發送TS流至解碼端設備，實現視頻信息在后端的輸出顯示。

本平臺設計方案中，視頻管理服務器VM和網絡存儲IPSAN均采用虛擬化技術實現，其優勢主要在于：提升應用系統和設備資源的可靠性與可管理性；保證系統架構適應今后云計算技術架構中資源部署與應用。

3 平臺與業務設計

該實訓平臺的訓練重點在于大規模視頻監控實況、網絡、存儲、聯動與多級多域的系統構建與業務部署，主要包括監控域、網絡、服務器、存儲以及顯示系統設計。

3.1 監控域設計

對于大規模視頻監控系統，監控域的設計直接關系到組織與資源的管理與共享問題。本監控平臺中設計2個級別監控域，如表1所示，2個下級域定義為平級關系，以支持后續不同層次域間資源共享功能的實驗。此外，在各域內定義組織、角色和用戶3個層次管理對象，通過組織管理特定資源集合(主要為IPC)，利用劃歸功能將資源至不同組織，可實現資源共享；角色是一組操作權限的集合，限定此類對象的管理與操作范圍；用戶是角色的實例化，是系統管理的最主要實體。

表1 監控域組織結構

3.2 傳輸網絡設計

基于TCP/IP網絡，視頻監控系統實現了多區域視頻監控資源的有效集成與便捷管理。實際應用中系統IP規劃往往并非采用傳統實驗室的同網段地址，網絡連接設備也不限于單個交換機，設備端口接入方式也呈多樣化。因此，IP網絡作為當前智能監控數據通信的重要載體，也是視頻監控實訓平臺設計的重要內容之一。

為適應高清視頻技術發展趨勢，高帶寬、低延遲、多樣化接入已成為當前監控網絡的核心需求[14]。為此，本平臺網絡設計分為核心層和接入層，如圖3所示。服務器(VM、DM、MS)和網絡存儲(IPSAN)直接接入核心層千兆光纖交換網，確保網絡傳輸可靠性；接入層分別配置支持100-TX、1000-TX、1000-FX和EPON等多樣化接口的交換機，便于用戶對常見接入方式的認知以及接入性能的對比分析。此外，在交換機中部署QoS技術，預設不同流量傳輸優先級，設計不同策略下的音視頻實時傳輸效率，有助于學生進一步理解音視頻流自身特點以及傳輸解決方案。在地址規劃中，前端攝像機、管理服務器(VM、NVR等)、解碼設備、IPSAN存儲分別規劃于不同IP網段，如表2所示，采用校園網內私有IP地址，支持校內和校外VPN用戶的實驗訪問需求。

圖3 監控網絡分層結構

表2 監控平臺IP地址規劃

3.3 服務器部署設計

大規模視頻監控涉及多個服務器，主要包括視頻管理服務器(VM)、數據管理服務器(DM)和媒體服務器(MS)，因此，多級多域實驗需要多個服務器組。所有服務器系統均基于Centos環境開發，且部分服務器系統安裝文件和占用空間較大。在獨立物理主機上安裝服務器系統及其應用系統，無法避免安裝周期較長、設備可靠性和遷移性差等主要問題。為此，本實訓平臺系統采用物理服務器虛擬化技術，部署視頻服務器系統。本實訓平臺中主要以大規模監控平臺為主，設計VM、DM和MS系統各3個，實現3個域互聯與資源共享實驗。考慮到學生服務器安裝與部署訓練，為平臺提供配備2路20線程處理器、256GB內存、1T SATA或SAS硬盤的VM EXSi 5.5主機。在安裝實驗階段，通過安裝一套虛擬機(VM、DM、MS)系統，結合虛擬機克隆方式，可實現其他相似服務器的快速部署。另一方面，在監控實驗階段，通過虛擬器鏡像服務可以快速創建和還原特定狀態的服務器配置。綜上所述，基于虛擬化技術可以快速創建、部署與統一管理多個同類型服務器系統；此外，便于實訓前對系統已有配置的快速清空、還原初始化。

3.4 存儲系統設計

音視頻數據存儲是視頻監控的重要業務之一，現行監控系統解決方案中主要采用NVR內部磁盤實現數據獨立存儲，難以實現設備間資源共享。通過磁盤整列技術設置不同級別的RAID，可以在數據安全性與經濟性方面取得一定平衡。然而，在大規模視頻監控系統中，數據的統一存儲和管理，無論對于監控信息快速檢索，還是對于大容量數據保存都具有重要實踐意義。因此，本實訓平臺中采用一臺IPSAN，配備4塊容量為2T的SATA硬盤，實現RAID 0、1、5等不同整列的部署實驗。通過RAID虛擬化之后，提供至少1T的邏輯資源，以滿足不同攝像機錄像的存儲資源需求。基于IPSAN采用數據直存，無需考慮磁盤數據格式問題，從而能大幅提升監控數據的寫入和讀取速度，有效提高磁盤資源的利用率。

3.5 顯示系統設計

顯示系統是將攝像機實時信息或者存儲查詢視頻顯示輸出。依據顯示應用場合不同，本平臺顯示系統設計兩部分：硬解碼顯示和軟解碼顯示。在硬解碼顯示中，采用解碼器結合LED大屏，實現監控機房的多畫面同時顯示實驗；對于軟解碼，則采用客戶端Web登錄VM系統，結合Java插件程序，在顯示器中輸出音視頻信息。

3.6 視頻監控業務設計

在監控平臺設計基礎上，監控業務流程的部署是視頻監控實訓的重要內容。為訓練學生商業和行業監控系統的構建與部署，主要設計如下典型業務：

(1) 實況業務。是將前端攝像機所采集信息通過網絡傳輸至解碼設備，并實時顯示至屏幕。對于單個攝像機實況設計為：首先，按照接入類型將網絡攝像機IPC(或者連接模擬機的編碼器)連接至監控網絡；然后，依據網絡規劃設計方案配置IPC的接口信息，并確保管理服務器VM(或NVR)中設備保持“在線”；隨后，采用類似方式配置解碼器DC參數信息，保證其在管理服務器VM(或NVR)中成功注冊；最后，通過大屏方式輸出信息。采用Web客戶端解碼過程更為簡單，無需部署解碼器和大屏設備，直接實現客戶端輸出。基于此，多個攝像機實況管理主要包括組顯示、輪切、球機巡航等業務訓練。

(2) 存儲回放。是將前端攝像機所采集信息通過網絡存儲至指定設備，并通過視頻檢索方式播放特定時間段的音視頻信息。視頻存儲的首要任務是網絡存儲設備IPSAN的接入管理。本系統中視頻數據存儲設計包括計劃存儲和手工存儲兩種類型，計劃存儲首先通過DM服務器指定特定網絡存儲設備和空間大小；然后，在管理服務器中指定某個攝像機存儲時間和日期，結合“滿即停”和“滿覆蓋”策略；最終實現攝像機監控信息的自動存儲。此外，配合手工交互，可以在非存儲計劃時間段對視頻錄像。視頻檢索回放的重要依據是存儲時間，因此，管理服務器的時鐘建議采用NTP方式獲取。

(3) 告警業務。是在監控設備檢測到異常時做出相應聯動動作。告警信息設計為設備(如高溫、冷啟動、下線等)與視頻(視頻丟失、運動檢測、滿存儲、未按計劃錄像等)兩大類。結合布防計劃，聯動至其他外部設備的存儲、預制位、實況、開關量、短信和郵件等操作。告警聯動是監控系統中智能化的重要應用之一，結合應用場景，可進行不同類型告警源與聯動動作的實驗訓練。

(4) 多級多域。是采用特定互聯協議連接多域的VM服務器，實現多級資源共享和統一管理。基于公安部國標(GB28181)、浙江省公安廳標準(DB33)以及企業標準(IMOS)等所定義域優先級[15]，實現上下級、平級兩種主要類型，如圖4所示。通過該實驗設計，可幫助學生理解域間互聯協議、資源共享原理、不同域和組織內設備劃歸方法。

圖4 多級多域大規模監控數據通信

4 結 語

高校視頻監控實訓平臺的構建是提升建筑智能化等相關專業學生實踐技能的一個重要途徑，本文所提實訓平臺有效融入服務器虛擬化、網絡存儲、IP網絡通信技術，涵蓋中小型單域和大規模多級多域監控系統的構建與管理訓練，重點解決當前高校視頻監控實訓中規模較小、系統性弱、設備效率低下等主要問題。課程實踐教學表明，監控實訓平臺設計與建設能有效強化學生對IP智能監控中各系統組件的認知，充分調動學生監控課程學習的積極性，進而有利于學生專業核心能力的全面提升。