基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究_方權(quán)亮

1、ExampleofApplication基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究方權(quán)亮，余諒（四川大學(xué)計算機學(xué)院，四川成都610065）摘要：網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對海量視頻數(shù)據(jù)存儲和智能視頻分析服務(wù)的需求日益突出，針對系統(tǒng)硬件計算能力有限，不能滿足用戶需求的多樣性，系統(tǒng)擴展性受到存儲設(shè)備容量的限制等問題，通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建云計算基礎(chǔ)資源池，以Hadoop分布式文件系統(tǒng)存儲海量視頻數(shù)據(jù)，使用MapReduce編程模型實現(xiàn)大規(guī)模并行計算，提高了系統(tǒng)的可擴展性和可靠性，為用戶提供實時視頻監(jiān)控和智能視頻分析服務(wù)。關(guān)鍵詞：云計算；視頻監(jiān)控；Hadoop中圖分類號：TP302.1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-

2、7720（2013）03-0090-03ResearchofintelligentHDvideosurveillancesystembasedoncloudcomputingFangQuanliang，YuLiang（CollegeofComputerScience，SichuanUniversity，Chengdu610065，China）Abstract：Demandformassivevideodatastorageandintelligentvideoanalysisserviceofnetworkvideosurveillancesystemisoutstanding.Thehard

3、warecalculationabilityispoor，cantmeetthediverseneedsofuser，systemscalabilityislimitedbythecapacityofthestoragedevice.Toimprovethesystemscalabilityandreliability，provideuserswithreal-timevideomonitoringandintelligentvideoanalysisservice，massivevideodataarestoredinHadoopdistributedfilesystem，MapReduce

4、programmingmodelisusedtorealizelarge-scaleparallelcomputing，constructcloudcomputinginfrastructureresourcepoolbythevirtualizationtechnology.Keywords：cloudcomputing；videosurveillamce；Hadoop頻監(jiān)控系統(tǒng)提供可擴展的海量存儲資源和超強計算能力，靈活地為用戶提供所需的視頻監(jiān)控服務(wù)，同時減少系統(tǒng)建設(shè)、升級及運維管理的成本，提高資源利用率及系統(tǒng)運行可靠性。近年來，隨著視頻編碼技術(shù)、視頻存儲技術(shù)、視頻內(nèi)容分析以及IT技術(shù)的發(fā)

5、展，視頻監(jiān)控正在向網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控方案改變了模擬監(jiān)控中的視頻傳輸及存儲方式，系統(tǒng)架構(gòu)更簡潔、部署實施更便捷。盡管網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，但用戶的需求也在不斷提高，用戶希望系統(tǒng)要有更高的清晰度，更完善的功能，更穩(wěn)定的性能，更豐富的終端等。要實現(xiàn)大規(guī)模智能高清監(jiān)控，就必須從視頻源采集、視頻信號編解碼和傳輸、視頻實時監(jiān)控與分析、視頻文件存儲與回放等環(huán)節(jié)全面支持大規(guī)模智能高清。這樣就給系統(tǒng)設(shè)計、部署帶來了一系列現(xiàn)實的問題：網(wǎng)絡(luò)帶寬緊張、存儲空間龐大、對計算性能的要求成倍增長、投資與維護成本高昂、系統(tǒng)擴容升級壓力等。云計算通過虛擬化技術(shù)將大量異構(gòu)的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備構(gòu)

6、建成統(tǒng)一的資源池，為大規(guī)模智能高清視1云計算與虛擬化技術(shù)1.1云計算NIST將云計算（CloudComputing）定義為用戶可以方便地、按需通過網(wǎng)絡(luò)訪問共享資源池（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)等），并且具有快速部署、最小的管理代價或最少的服務(wù)提供商干預(yù)的一種新型IT基礎(chǔ)運營模式1。Google、亞馬遜、IBM（藍云）、Oracle、微軟等公司出于不同的商業(yè)模式，對云計算給出了不同的商業(yè)概念，它們都體現(xiàn)了云計算五個方面的特征：超大規(guī)模、高可靠性、高可擴展性、按需服務(wù)、高可用性，同時提供三種類型的服務(wù)，分別是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）。90微型機

7、與應(yīng)用2013年第32卷第3期1.2虛擬化技術(shù)ExampleofApplication物理資源構(gòu)建成統(tǒng)一的資源池，形成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。圖2表示了在虛擬機資源的分配情況。在可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)中，所有系統(tǒng)資源都是模塊化的，并且可以根據(jù)實際使用情況進行動態(tài)分配。VM策略控制云計算通過互聯(lián)網(wǎng)提供動態(tài)分配的、可擴展的和虛擬化的資源。虛擬化技術(shù)是所有云計算架構(gòu)的基礎(chǔ)技術(shù)，為快速實施存儲和計算性能的無縫擴展提供了保障。虛擬化既可以將單個的物理資源（比如一臺服務(wù)器，一個操作系統(tǒng)，一個應(yīng)用程序，一個存儲設(shè)備）劃分成多個虛擬資源，也可以將多個物理資源（比如存儲設(shè)備或服務(wù)器）整合成一個虛擬資源池，虛擬化對上層

8、應(yīng)用或用戶隱藏了物理資源的底層屬性。虛擬化技術(shù)可以分為存儲虛擬化、計算虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、應(yīng)用虛擬化等。2VM視頻輸入代理VM智能分析VM視頻輸出代理VMWeb服務(wù)Hadoop數(shù)Hadoop命名節(jié)點據(jù)節(jié)點Hadoop數(shù)據(jù)節(jié)點Hadoop數(shù)據(jù)節(jié)點2基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計2.1網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)大型網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由多個分布式的監(jiān)控節(jié)點組成3Hypervisor存儲網(wǎng)絡(luò)圖2虛擬資源配置，每個監(jiān)控節(jié)點主要由三部分組成：前端視（2）視頻流采集：將前端設(shè)備輸入的視頻流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻格式，通過動態(tài)地分配實時負載，支持大規(guī)模視頻流采集。（3）流媒體服務(wù)器：在分布式監(jiān)控節(jié)點中的每臺虛擬機上

9、安裝流媒體服務(wù)器，虛擬機之間共享計算資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。使用內(nèi)存映射文件技術(shù)（memrory-mapped頻采集設(shè)備、集中管理系統(tǒng)（CMS）及客戶端。前端視頻采集設(shè)備包括IP攝像機和網(wǎng)絡(luò)視頻存儲設(shè)備（NVR），視頻數(shù)據(jù)存儲在NVR中，并由NVR向CMS和用戶轉(zhuǎn)發(fā)。視頻智能分析通常由單獨的硬件或嵌入到CMS中的軟件來實現(xiàn)。這種方案便于對設(shè)備和視頻數(shù)據(jù)進行集中管理，但是在可擴展性、資源利用率及系統(tǒng)性能方面卻存在不足。在可擴展性方面，隨著前端攝像機數(shù)量的增加，要相應(yīng)地增加NVR。在資源利用率方面，NVR的剩余存儲容量不能進行靈活分配。在系統(tǒng)性能方面，當(dāng)有多個用戶并發(fā)訪問同一NVR或?qū)Χ鄠€視頻流進行實時智

10、能分析時，網(wǎng)絡(luò)帶寬和硬件計算能力成為系統(tǒng)瓶頸。file）來存儲臨時視頻數(shù)據(jù)，減少了用戶進行實時監(jiān)控視頻時的磁盤I/O開銷。通過集成開源軟件FFmpeg，對實時監(jiān)控視頻進行格式和分辨率轉(zhuǎn)碼。（4）Hadoop文件系統(tǒng)：實現(xiàn)分布式的視頻數(shù)據(jù)存儲和備份機制。在視頻流采集模塊處理完輸入視頻流后，使用Hadoop-Fuse協(xié)議將視頻數(shù)據(jù)存儲在Hadoop文件系統(tǒng)中4。（5）策略控制模塊：該模塊通過操作分布式數(shù)據(jù)庫2.2系統(tǒng)功能架構(gòu)基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯上可分為前端視頻輸入、云計算部分及視頻輸出。視頻數(shù)據(jù)從前端設(shè)備上傳到“云”端，在大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)中前端攝像機的數(shù)量可能達到數(shù)以千計，需要

11、設(shè)計可擴展的存儲架構(gòu)來優(yōu)化視頻數(shù)據(jù)的存儲和分發(fā)，同時提供進行實時視頻智能分析所需的計算性能?；谠朴嬎愕闹悄芨咔逡曨l監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。大規(guī)模視頻輸入接收器接收器視頻流采集內(nèi)存映射文件策略控制智能分析接收器HBase，實現(xiàn)訪問控制并記錄用戶操作日志。（6）智能分析模塊：由于視頻數(shù)據(jù)存儲在Hadoop文件系統(tǒng)中，可以使用HadoopMap/Reduce分布式計算模型來進行智能視頻分析。（7）Web服務(wù)器：用戶不需要安裝單獨的軟件，通過Web瀏覽器就可進行內(nèi)容管理及視頻檢索服務(wù)。2.3系統(tǒng)部署方式如圖3所示，部署基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括中心節(jié)點和監(jiān)控節(jié)點兩部分。中心節(jié)點為所

12、有監(jiān)控節(jié)點提供命名節(jié)點集群（Namenodecluster）、視頻分析算法函數(shù)庫及控制策略，對監(jiān)控節(jié)點資源進行統(tǒng)一分配5。監(jiān)控節(jié)點提供計算和存儲資源，負責(zé)接收處理本地輸入視頻流，視頻數(shù)據(jù)存儲在本地或相鄰的監(jiān)控節(jié)點上，并為用戶提供遠程實時視頻監(jiān)控和智能分析服務(wù)。Hadoop文件系統(tǒng)Web服務(wù)器流媒體服務(wù)器大規(guī)模視頻輸出圖1系統(tǒng)功能架構(gòu)流媒體服務(wù)器3關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)3.1視頻數(shù)據(jù)存儲備份系統(tǒng)基于Hadoop分布式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)副本機制對視頻數(shù)據(jù)進行備份。一個視頻數(shù)據(jù)塊有三個副本，副本的存儲位置如圖4所示，第一個、第二個副本放在監(jiān)系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成：（1）虛擬化資源池：使用虛擬化技術(shù)將監(jiān)控節(jié)點的9

13、1ExampleofApplication轉(zhuǎn)碼，以適合用戶實際的格式和分辨率。開源軟件FFmpeg能夠動態(tài)地對視頻進行轉(zhuǎn)碼，但是軟件本身是CPU敏感的應(yīng)用，如果有大量用戶訪問同一服務(wù)器，會造成系統(tǒng)瓶頸，通過在多臺服務(wù)器上存放視頻流不同的副本，由多臺服務(wù)器分擔(dān)轉(zhuǎn)碼任務(wù)，較好地滿足了不同的用戶請求。本文提出了一種基于云計算的智能高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。通過整合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中計算和存儲硬件資源，實現(xiàn)了對硬件資源的統(tǒng)一配置，提高了系統(tǒng)的可擴展性、資源的使用效率，滿足了用戶對高清化、智能化的需求，同時對視頻數(shù)據(jù)備份、視頻智能分析、實時轉(zhuǎn)碼等關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述和分析。參考文獻控節(jié)點本地的兩個數(shù)據(jù)節(jié)點上

14、，而第三個副本放在其他監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)節(jié)點上，當(dāng)某一節(jié)點上的數(shù)據(jù)被破壞后，可以讀取其他節(jié)點上的副本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。視頻數(shù)據(jù)副本區(qū)域1數(shù)據(jù)節(jié)點輸入復(fù)本1區(qū)域21MELLP，GRANCET.TheNISTDefinitionofCloudComputing（Draft）.NISTSpecialPublication800-145，January2011.2LIP.Selectingandusingvirtualizationsolutions：ourexperienceswithVMwareandVirtualBoxJ.JournalofComputingSciencesinColleges，2

15、010，25（3）：11-17.3OSTHEIMERD，LEMAYS，GHAZALM，etal.AmodulardistributedvideosurveillancesystemoverIPC.2006CanadianConference4KUOT，onNIC.ElectricalZ，IEEEDEandLEOComputerC，etal.Engineering，DesignandonCCECE06，May7-102006：518-521數(shù)據(jù)節(jié)點復(fù)本3數(shù)據(jù)節(jié)點復(fù)本2圖4數(shù)據(jù)節(jié)點ImplementationofNetworkComputeraWideArea，Large-ScaleCameraC

16、omputerSocietyConferenceHadoop分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份方式VisionandPatternRecognition，IEEEWorkshop3.2視頻智能分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能分析包括實時視頻分析和離線視頻分析。視頻數(shù)據(jù)存儲在Hadoop文件系統(tǒng)中，可以使用Map/Reduce大規(guī)模并行計算處理圖像識別、人臉識別、行為檢測、移動跟蹤等需要大量CPU計算能力的任務(wù)。onCameraNetworks，Jun.2010.5DETMOLDH，HENGELA，DICKA，etal.TopologyEstimationforThousand-CameraSurveillanceNe

17、tworksC.IEEEDistributedSmartCameras（ICDSC），2007：195-202（收稿日期：2012-11-14）3.3實時轉(zhuǎn)碼（Transcending）由于用戶端設(shè)備所支持的視頻格式不同，并且圖像顯示分辨率受到傳輸帶寬的限制，需要對源視頻流進行作者簡介：方權(quán)亮，男，1976年生，碩士在讀，主要研究方向：多媒體技術(shù)。!"!"!"NEP選擇泰克產(chǎn)品來裝備其全球移動視頻制作車隊2013年1月17日，泰克公司宣布，為全球各種大型活動提供外包電視制作服務(wù)的領(lǐng)先制作公司NEP將使用泰克的全系列波形監(jiān)測儀和同步脈沖發(fā)生器來裝備其旗下Supershooters部門的移動制作車隊。NEP的Supershooters部門幫助全球許多廣播業(yè)者制作和播送大型體育運動和娛樂活動（包括美國超級杯、奧運會、溫網(wǎng)、美網(wǎng)公開