基于H265編碼碼率調(diào)節(jié)和虛擬資源池配置的視頻監(jiān)控存儲(chǔ)優(yōu)化方法

珠海醋酸纖維有限公司 黎毅鴻 練志堅(jiān)

攝像頭視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇和視頻流碼率的調(diào)節(jié)，是直接影響視頻流大小以及后端存儲(chǔ)容量消耗速度快慢的關(guān)鍵因素；而在使用虛擬化存儲(chǔ)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，虛擬資源池的應(yīng)用配置能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)容量的個(gè)性化分配。以上兩個(gè)方面的理論分析及應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)在用視頻監(jiān)控系統(tǒng)錄像存儲(chǔ)天數(shù)提升和差異化配置的精細(xì)化管理有一定參考價(jià)值。

在以數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶可方便快捷地增加前端監(jiān)控點(diǎn)位，但前端監(jiān)控點(diǎn)的增加帶來的是后端存儲(chǔ)資源消耗加快的壓力。本文將從前端IP攝像頭的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇、碼流參數(shù)配置和后端虛擬化存儲(chǔ)的應(yīng)用、虛擬資源池的配置這兩個(gè)方面深入分析，探討在不增加存儲(chǔ)資源的前提下，提高在用存儲(chǔ)資源的利用率和提升IP攝像頭錄像存儲(chǔ)時(shí)間的方法。

1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇

目前國內(nèi)安防行業(yè)中，視頻監(jiān)控?cái)z像頭使用的主流視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.265/MPEG-HEVC和H.264/MPEGAVC。因H.265作為H.264的迭代標(biāo)準(zhǔn)向下兼容，所以安防廠商的大部分視頻監(jiān)控產(chǎn)品可同時(shí)支持H.264和H.265，新舊標(biāo)準(zhǔn)的多元化選擇既滿足了新客戶使用最新技術(shù)的增量需求，也兼顧了舊客戶舊設(shè)備更新過渡的存量需求。

HEVC是2013年1月由ISO/IEC和ITU-T組織同時(shí)發(fā)布的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是在H.264/MPEG-AVC的基礎(chǔ)上優(yōu)化開發(fā)而來的，其架構(gòu)與H.264有很大的相似之處，均包含了幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、去區(qū)塊濾波器、熵編碼等模塊。HEVC采用了更大的宏塊，最大支持64×64像素的宏塊，而H.264最大支持的宏塊為16×16；HEVC的幀內(nèi)預(yù)測方式有35種， 而H.264只有10種預(yù)測方式；HEVC支持時(shí)域+空域的向量預(yù)測方式，而H.264只支持空域的向量預(yù)測方式；HEVC支持8階的插值濾波器，而H.264只支持6階插值濾波器；HEVC支持8×8/16×16/32×32的DCT變換，而H.264只支持4×4/ 8×8的DCT變換。

H.265能實(shí)現(xiàn)以2Mps以下碼率對1080P像素的視頻進(jìn)行壓縮編碼，在同樣畫質(zhì)的條件下，使用H.265編碼產(chǎn)生的碼流要比使用H.264少50%，換言之就是節(jié)省50%的存儲(chǔ)空間。因此有條件的用戶應(yīng)優(yōu)先選用H.265編碼格式進(jìn)行視頻編碼壓縮，其次才是H.264。雖然H.265的編碼壓縮能力先進(jìn)，但拋開場景談編碼碼率是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模鋵Σ煌瑘鼍暗木幋a壓縮效果不能一概而論，實(shí)際視頻流碼率大小要視場景及用戶參數(shù)設(shè)置具體分析。

2 視頻碼率調(diào)節(jié)

2.1 固定碼率和變碼率的應(yīng)用

海康和大華作為國內(nèi)安防行業(yè)的兩大龍頭，其產(chǎn)品具有一定的參考價(jià)值，在這兩個(gè)廠家生產(chǎn)的攝像頭均有固定碼率和變化碼率的配置選擇，結(jié)合碼率上限設(shè)定值使用。

在選擇固定碼率時(shí)，攝像頭基本會(huì)在一個(gè)固定碼率值上進(jìn)行編碼輸出，用戶能精準(zhǔn)計(jì)算視頻錄像的存儲(chǔ)占用情況。在使用變碼率時(shí)，攝像頭會(huì)根據(jù)場景的變化適時(shí)調(diào)節(jié)編碼壓縮性能，使視頻流碼率產(chǎn)生波動(dòng)，存儲(chǔ)占用情況卻不能得到精確計(jì)算。但不管哪種模式，都存在場景發(fā)生變化時(shí)，攝像頭為確保碼率不超過設(shè)定值而加強(qiáng)編碼壓縮性能來犧牲部分畫質(zhì)的情況。因此攝像頭編碼碼率的選擇成為平衡畫質(zhì)和存儲(chǔ)占用空間的關(guān)鍵參數(shù)，為此我們需要了解在實(shí)際應(yīng)用中，在不同編碼碼率設(shè)定值下視頻畫面清晰度的差距，從而選擇最合適自身需求的視頻碼率，節(jié)省更多存儲(chǔ)空間。

2.2 不同碼率的畫面質(zhì)量對比

如圖1所示，其他配置相同的前提下設(shè)置三組不同碼率，然后通過電子放大截圖觀察成像細(xì)節(jié)，以了解攝像頭碼率大小對成像畫質(zhì)的影響和其中關(guān)系。

圖1 不同碼率下攝像頭畫面細(xì)節(jié)放大對比圖Fig.1 Magnified comparison of camera details at different bit rates

對比畫面中各個(gè)部分內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)物體輪廓、陰影等紋理簡單部分的畫面清晰度隨碼率設(shè)定值變化不大，但動(dòng)態(tài)物體及紋理復(fù)雜部分的細(xì)節(jié)清晰度與實(shí)際視頻碼率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，且當(dāng)碼率降低時(shí)，紋理復(fù)雜部分會(huì)變成模糊的塊狀區(qū)域。我們再結(jié)合H.265編碼格式標(biāo)準(zhǔn)工作原理進(jìn)行分析，在編碼過程中，編碼器會(huì)將圖像劃分為“樹編碼單元”，然后根據(jù)編碼單元內(nèi)圖像紋理特性進(jìn)行“四叉樹結(jié)構(gòu)”的遞歸分割，最后畫面將被分割成最大64×64像素、最小4×4像素的宏塊。之后編碼器會(huì)將參考幀、當(dāng)前幀塊化后的圖像進(jìn)行比較并得出差值，這些差值連同原圖像數(shù)據(jù)經(jīng)算法運(yùn)算并經(jīng)解碼器進(jìn)行去塊化處理后產(chǎn)生我們所看到的圖像。因此當(dāng)碼率設(shè)定值降低時(shí)，編碼器為滿足低碼率輸出要求會(huì)將對比的差值（畫面動(dòng)態(tài)變化量）經(jīng)運(yùn)算變換后的信號加以過濾，至使視頻中紋理復(fù)雜部分的細(xì)節(jié)被抹除。而畫面的動(dòng)態(tài)變化量的產(chǎn)生主要來自兩個(gè)部分，其一是場景紋理復(fù)雜內(nèi)容，其二是場景動(dòng)態(tài)內(nèi)容。由于紋理復(fù)雜內(nèi)容受攝像頭晃動(dòng)、光線等環(huán)境因素的輕微改變而產(chǎn)生變化量，而動(dòng)態(tài)內(nèi)容本身就持續(xù)產(chǎn)生變化量，就出現(xiàn)了隨著碼率設(shè)定的降低，畫面細(xì)節(jié)及動(dòng)態(tài)部分越來越模糊的現(xiàn)象。

為更直觀展示碼率模式的選擇和碼率上限值設(shè)定對實(shí)際視頻碼率產(chǎn)生的影響，我們觀察6個(gè)場景下攝像頭在不同設(shè)定時(shí)產(chǎn)生視頻流的碼率變化情況，并作分析對比，如表1所示。測試中的不同場景下，攝像頭選擇固定碼率模式時(shí)的平均碼率約為碼率上限設(shè)定值的85%左右。而選擇變碼率模式時(shí)的實(shí)測平均碼率較小，畫面紋理簡單的場景如資料室、主干道，實(shí)際碼率只有碼率上限設(shè)定值的5%～10%，對于畫面紋理復(fù)雜的場景如用餐時(shí)的食堂、管道閥門密布的化工車間，實(shí)際碼率能達(dá)到碼率上限設(shè)定值的40%～70%。尤其通過食堂場景比較，發(fā)現(xiàn)無用餐時(shí)食堂畫面碼率只有用餐時(shí)畫面碼率的約30%，所以選擇“變碼率加高碼率上限”的配置組合能節(jié)約較多存儲(chǔ)資源。

表1 不同場景下不同攝像頭配置參數(shù)的實(shí)際碼率交叉對比表Tab.1 Actual bit rate cross comparison table of different camera configuration parameters in different scenarios

3 視頻存儲(chǔ)

3.1 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

虛擬化存儲(chǔ)指的是把物理存儲(chǔ)設(shè)備通過計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源池生成，這樣做能將物理存儲(chǔ)設(shè)備的邊界消除，并能方便地在軟件技術(shù)支持下通過增加物理存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)容。其他計(jì)算機(jī)設(shè)備直接與虛擬的資源池匹配并在資源池上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而不需要與物理存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行對接，這在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景和價(jià)值。

視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)IP-SAN上融合了計(jì)算機(jī)集群、虛擬化等技術(shù)，針對視頻流開發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)。與傳統(tǒng)IP-SAN以文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行讀寫相比，視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)集成了編、解碼器，實(shí)現(xiàn)了視頻流的直接讀寫，并運(yùn)用了虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，通過生成大小可編輯的虛擬化資源池，擺脫了以邏輯卷作為最小存儲(chǔ)單元的容量邊界束縛。

3.2 虛擬資源池的編輯

在搭建好的視頻云存儲(chǔ)系統(tǒng)上，可以在容量范圍內(nèi)配置處一個(gè)或多個(gè)容量大小不一的虛擬資源池。如圖2所示，在總虛擬資源池上用戶可按存儲(chǔ)天數(shù)、攝像頭分辨率及其他需求開設(shè)多個(gè)子資源池進(jìn)行分類管理，并分配不同大小的存儲(chǔ)容量。經(jīng)計(jì)算后對錄像存儲(chǔ)時(shí)間需求不一的攝像頭進(jìn)行分類配置，分別與不同容量大小的虛擬資源池進(jìn)行錄像計(jì)劃關(guān)聯(lián)配置。低需求場景的攝像頭存儲(chǔ)路徑關(guān)聯(lián)低容量資源池，再把節(jié)省出來的容量分配給高需求場景攝像頭關(guān)聯(lián)的資源池，實(shí)現(xiàn)對攝像頭錄像存儲(chǔ)差異化管理的目的，這種管理優(yōu)勢是傳統(tǒng)NVR、DVR等獨(dú)立錄像機(jī)所不具備的。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)虛擬資源池示意圖Fig.2 Virtual resource pool of video surveillance system

4 結(jié)語

本文描述了前端攝像頭在H.265編碼格式標(biāo)準(zhǔn)下，根據(jù)場景需求的差異化配置實(shí)現(xiàn)輸出視頻流碼率最優(yōu)的原理；并介紹了后端虛擬化技術(shù)在視頻存儲(chǔ)的應(yīng)用，和通過虛擬化資源池配置實(shí)現(xiàn)錄像存儲(chǔ)時(shí)間差異化管理方法。結(jié)合以上兩點(diǎn)，為讀者提供一種節(jié)省視頻錄像存儲(chǔ)資源的開放性思路和相關(guān)理論。