1、视频监控后端应用探索一、监控发展历史视频监控行业经历了短短二十几年的风风雨雨，伴随着社会的进步，视频监控越来越被广泛地应用于各个领域，从最早模拟监控到前些年火热数字监控再到现在方兴未艾网络视频监控，发生了翻天覆的变化。目前以网络摄像机、视频服务器为代表的第三代网络视频监控系统取得了长足的发展，在 IP 技术逐步完善、统一的全球性今天，网络视频监控在全球市场占有份额迅速增加，在各地项目中也逐步获得广泛应用，全国的平安城市、全球眼项目更是掀起了网络视频应用的高潮，网络视频厂商如雨后春笋般在全国范围内迅速增加，市场上出现了大量的网络视频监控产品品牌，其它 IT 厂商或传统行业也加入了网络视频行业的竞
2、争，纷纷推出了自己的网络视频产品及解决方案。面对市场上众多的网络视频监控产品，工程商和最终用户如何选择产品和解决方案，一直是一个比较头疼的问题，希望通过对监控系统后端的关键要素分析，可以给工程商和最终用户一些建议，选择适合自己的产品和解决方案。 从技术角度分析，视频监控系统发展划分为第一代模拟视频监控系统(CCTV)，到第二代是基于“PC多媒体卡”数字视频监控系统(DVR) ，到第三代完全基于 IP 网络视频监控系统(IPVS)。首先我们针对视频监控系统发展阶段作一个简单回顾，以便系统集成商、工程商根据工程项目需求和项目预算实际情况，推荐给客户最合适的产品和系统解决方案。第一代视频监控：传统模
3、拟闭路视监控系统(CCTV)：依赖摄像机、缆、录像机和监视器等专用设备。例如，摄像机通过专用同轴缆输出视频信号，缆连接到专用模拟视频设备，如视频画面分割器、矩阵、切换器、卡带式录像机(VCR)及视频监视器等。模拟 CCTV 存在大量局限性：有限监控能力：只支持本地监控，受到模拟视频线缆传输长度和线缆放大器限制。有限扩展性：系统通常受到视频画面分割器、矩阵和切换器输入容量限制。录像负载重：用户必须从录像机中取出或更换新录像带保存，且录像带易于丢失、被盗或无意中被擦除。录像质量不高：录像是主要限制因素。录像质量随拷贝数量增加而降低。第二代视频监控：当前“模拟-数字”监控系统(DVR)：“模拟-数字
4、” 监控系统是以数字硬盘录像 DVR 为核心半模拟半数字方案，从摄像机到 DVR 仍采用同轴线缆输出视频信号，通过 DVR 同时支持录像和回放，并可支持有限 IP 网络访问，由于 DVR 产品五花八门，没有标准，所以这一代系统是非标准封闭系统，DVR 系统仍存在大量局限：复杂布线：“ 模拟-数字” 方案仍需要在每个摄像机上安装单独视频缆，导致布线复杂性。有限扩展性 ：DVR 典型限制是一次最多只能扩展 16 个摄像机。有限管理性：您需要外部服务器和管理软件来控制多个 DVR 或监控点。有限远程监视/控制能力：您不能从任意客户机访问任意摄像机。您只能通过 DVR 间接地访问摄像机。磁盘发生故障风
5、险 ：与 RAID 冗余和磁带相比， “模拟 -数字” 方案录像没有保护，易于丢失。第三代视频监控：未来完全 IP 视频监控系统 IPVS： 全 IP 视频监控系统与前面两种方案相比存在显著区别，该系统优势主要是摄像机内置 Web 服务器，并直接提供以太网端口。这些摄像机生成 JPEG 或MPEG4 或 H.264 数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视、记录并打印，而不是生成连续模拟视频信号形式图像。全 IP 视频监控系统它巨大优势是：简便性：所有摄像机都通过经济高效有线或者无线以太网简单连接到网络，使您能够利用现有局域网基础设施，您可使用 5 类网络缆或无线网络方式传输摄
6、像机输出图像以及水平、垂直、变倍(PTZ)控制命令或者直接通过以太网供。强大中心控制：台工业标准服务器和一套控制管理应用软件就可运行整个监控系统。易于升级与全面可扩展性：轻松添加更多摄像机，中心服务器将来能够方便升级到更快速处理器、更大容量磁盘驱动器以及更大带宽等。全面远程监视：任何经授权客户机都可直接访问任意摄像机，您也可通过中央服务器访问监视图像。坚固冗余存储器：可同时利用 SCSI、RAID 以及磁带备份存储技术永久保护监视图像不受硬盘驱动器故障影响。二、后端存储技术发展存储一直以来都是监控系统的后防，也是监控系统稳定性的关键随着数字化监控的应用越来越广、规模越来越大，采用何种方式对数字
7、视频信息进行保存开始成为厂商以及用户都非常关心的问题。视频监控存储的发展关于录像存储的应用主要经历了以下几个阶段：录像带存储在九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。在这种监控系统中，视频存储主要是应用录像带实现。如下图所示：前端摄像机将采集到的模拟视频信号，通过模拟信号传输线路传送至模拟视频矩阵;通过模拟视频矩阵将视频信号在大屏系统上显示，同时将需要进行录像的线路通过视频分配器分成两路，一路在大屏上显示，另一路通过磁带录像机进行录像;视频信号的控制通过模拟键盘实现。采用这种方式进行录像在成本上比较低廉，而且系统连接也比较简单，同时由于全部都是模拟信号，
8、所以图像而录像带虽然在成本以及实现方式上具备得天独厚的优势，但也有着如下的致命缺点：1、 难以检索2、 录像时长短3、 维护复杂硬盘存储直接采用硬盘存储作为数字化之后的第一代存储介质，在监控存储的历程中具有承上启下的重要作用。其实现方式非常简单，即采用服务器或者 DVR中的硬盘对数字视频信号进行存储。但随着视频数据的重要性日益加强，人们也越来越多地考虑到数据的安全性和写入的高效性，这时，硬盘本身损毁数据难以恢复以及计算机内部总线带宽瓶颈等问题就都暴露出来。所以在大型项目中，往往都采用磁盘阵列设备将存储系统作为独立的系统进行构建。磁盘阵列存储采用磁盘阵列存储一般有以下几种方式：1. DAS(直接
9、附加存储)将外置存储设备通过连接电缆，直接连接到一台服务器上采用直接附加存储方案的服务器结构如同 PC 机架构，外部数据存储设备采用 SCSI 技术或者FC(Fibre Channel)技术，直接挂接在内部总线上的方式，数据存储是整个服务器结构的一部分，在这种情况下往往是数据和操作系统都未分离。 DAS 这种直连方式，能够解决单台服务器的存储空间扩展、高性能传输需求。但是直接附加存储设备依赖服务器主机操作系统进行数据的 I/O 读写和存储维护管理。但其 DAS 的扩展性是所有专业存储架构中最差的。DAS 示意图2. NAS(网络附加存储)NAS 是一种专业的网络文件存储及文件备份设备，或称为网
10、络直联存储设备、网络磁盘阵列。NAS 是一种专业的网络文件存储及文件备份设备，它是基于 LAN(局域网 )环境，按照 TCP/IP 协议进行通信，以文件的 I/O(输入/输出)方式进行数据传输。一个 NAS 单元包括核心处理器，文件服务管理工具，一个或者多个的硬盘驱动器用于数据的存储。 NAS 可以应用在任何的网络环境当中。主服务器和客户端可以非常方便地在 NAS 上存取任意格式的文件，包括 SMB格式(Windows)NFS 格式(Unix，Linux)和 CIFS 格式等等。但由于其协议的影响，NAS 对网络的利用率一般在 40%以下，无法提供高性能的数据写入服务NAS 示意图3. FC-
11、SAN(光纤存储区域网络)通过光纤集线器、光纤路由器、光纤交换机等连接设备将磁盘阵列、磁带等存储设备与相关服务器连接起来的高速专用子网。SAN 提供一个专用的、高可靠性的基于光通道的存储网络，SAN 允许独立地增加它们的存储容量，也使得管理及集中控制(特别是对于全部存储设备都集群在一起的时候)更加简化。缺点是其价格现在比较昂贵。SAN 架构示意图4. IP-SAN(以太网存储区域网络)继承了 FC-SAN 的几乎全部特性，通过普通 IP 网络对外提供以往只有 FC-SAN 才能提供的存储性能，而且由于采用了 IP 网络作为传输线路，所以价格较 FC-SAN 便宜很多。也正是因为这样，在目前的监
12、控存储中更多使用的是 IP-SAN。各存储系统特性对比如下表所示： DAS NAS FC-SAN IP-SAN集中化存储（高共享性能） 不具备 具备 具备 具备存储设备集中管理具备 具备 具备 具备设备高可用性 具备 具备 具备 具备高速读写性能 具备 不具备 具备 具备可扩展性 不具备 具备 有限具备 具备投入成本 低 低 高 低监控专用存储设备通用的存储设备都是为了满足高性能数据存储而设计，在面对监控系统这种 7*24 小时持续写入的系统应用时，就会暴露出磁盘碎片过多等问题。而监控系统本身也会因为系统过于庞大，而出现服务器过多、管理复杂等问题。所以在 2008 年之后，存储厂商陆续推出监控
13、专用的存储设备，通过 DVS 直写、文件定长写入等多种方式，解决传统架构中产生的问题。监控专用存储系统架构图三、后端存储选型应用（1 ） 存储方式选择存储方式的选择已决定了存储设备的选型，从以上分析，我们知道存储有以下的三种选择：DVR 存储，编码直连存储，集中存储，而我们针对这三种又如何选择呢？1、DVR 存储由于 DVR 本身就可以挂载多块硬盘，所以采用直接添加硬盘的方式进行存储也就成为理所当然的想法。但这样应用会造成系统负荷增加，故障率提高，同时，由于数据没有必要的保护措施，经常会由于硬盘损坏造成数据丢失。正是因为以上问题，所以有了 DVR 增加外挂存储的做法。采用外挂存储基本上是通过
14、DAS(直接附加存储)方式实现，即通过USB、1394、SCSI 线、SAS 线、IP 网线或者光纤线直接与 DVR 连接，并为其提供空间。这样不仅保证了系统的存储空间，更具备了 RAID 技术对磁盘数据进行保护。但采用 DAS 方式并不能同时支持很多视频存储服务单元同时接入，而且其扩容能力严重依赖所选择的存储设备自身的扩容能力，所以在大型数字视频监控系统中，应用 DAS 存储方式将造成系统维护难度的极大提升。正是由于 DVR 存储的这些特点，所以这种存储方式一般应用于小型数字视频监控项目中。在这个领域的产品，技术门槛低，所以这个领域的存储市场还属于战国时代。2、编码直连存储 采用编码直接存储
15、，主要有两种方式：一是通过编码器上自带的 USB 接口连接 USB 硬盘，另一种则是在中心配置 NAS(网络附加存储)，为前端的编码器提供文件级存储空间，并共享给中心平台以备调用。采用 USB 硬盘的方式，由于硬盘无法长期在野外工作，所以很少被使用;而采用 NAS 附加的方式，可以同时支持多个主机端同时进行读写，具备非常优秀的共享性能和扩展能力;同时 NAS 可以应用在复杂的网络环境中，部署也非常灵活。但是由于 NAS 采用 CIF/NFS 协议进行数据的文件级传输，所以网络开销非常大，特别是在写入数据时带宽的利用率一般只有 20%-40%之间，这就对传输网络造成极大的压力。所以目前 NAS
16、一般应用于小型的网络数字视频监控系统中或者只是用于部分数据的共享存储。在这个领域，主要都是国内的一些服务器架构的厂家在竞争，诸如 H3C、邦诺、海康等。其中 H3C 凭借其早期介入以及强大的市场能力的优势，在这个领域占据了重要的地位，但其高昂的价格一直制约着其产品的推广;而海康则是凭借其在编码器市场老大的地位，后来居上，占据了大量的市场份额。3、分布式和集中式存储的选择集中存储的优缺点是，物理介质集中布放；视频流上传到中心对机房环境要求高，要求机房空间大，承重、空调等都是需要考虑的问题。分布存储，集中管理的优缺点是，物理介质分布到不同的地理位置；视频流就近上传，对骨干网带宽没有什么要求；可采用
17、多套低端的小容量的存储设备分布部署，设备价格和维护成本较低；小容量设备分布部署，对机房环境要求低。在大型项目中，一般都会采用集中存储的方式，进行监控数据的存放。在集中存储系统中，选用的一般都是 SAN 架构。SAN 提供一个专用的、高可靠性的存储网络，允许独立地增加它们的存储容量，也使得管理及集中控制(特别是对于全部存储设备都集中在一起的时候)更加简化。正是由于这些特点，SAN 架构特别适合于大型网络数字视频监控系统的存储应用，可以应对上千、上万个前端监控点的存储。目前 SAN 主要分为 FC-SAN(光纤存储区域网络)和 IP-SAN(以太网存储区域网络)。它们之间的区别是连接线路以及使用数
18、据传输协议的不同。虽然 FC-SAN 由于采用专用协议可以保证传输时更加稳定、高效，但其部署方式、构建成本均较之 IP-SAN 高出很多，所以目前在大型网络数字视频监控系统中更多采用的是 IP-SAN 架构。视频监控存储采购需要注意的问题因为监控是一个视频应用类系统，具有和其它系统不同的访问特点：以流媒体方式对存储设备进行访问，多路视频长时间同时写入同一个存储，实时多路视频访问同一个文件，视频访问带宽恒定，带宽稳定性要求高，为 1/25 秒的平均值，视频访问时间长，容量需求巨大，存储扩展性能高。视频存储对存储环境没有特殊的要求。按常规监控系统的数据基本上都是临时性，超过在线存储时间（如 7 天
19、、15 天，个别会要求 30 天）后，就可以删除了，因此监控系统的备份很多时候只要能满足一个月就可以了。因此的设备选型时，不一定非要选带宽最大的，而要选择带宽波动最小的，曲线最平稳的。因为要长时间运行，最好在用控制器架构的存储设备，不要选择 PC 架构的，选择容量可以扩张的设备。另外，在超过 100TB 容量的情况下，FC-sata 设备的价格不一定就比 ISCSI设备贵。FC 支持的磁盘数量多， ISCSI 设备一般支持的数量少，假设容量要求为 500TB，FC-sata 只需要一套就可以，而 ISCSI 设备就需要很多到才行，仅仅ISCSI 设备的控制器部门的费用就是很大一块。视频监控系统
20、首先是一个视频应用系统，因为存储设备要能够提供稳定的带宽输出，满足长时间视频读写的要求，其次，视频监控系统既要满足大量摄像头的实时数据写入，和要满足大量监控端的视频回放需求，因此，还要考虑存储系统可以提供足够的 IOPS 性能。由于视频监控系统一般遍布全市甚至全国，因此存储设备还要考虑是否可以实现物理上分散，但管理和监控上可以统一的功能。网络视频系统的存储方案选择视频应用类系统包括如网络视频、IPTV、VOD 点播和视频监控。但由于网络视频系统的码率一般相对较小，大约为 100Kb/S-200Kb/s 左右，因此对带宽要求相对较小。需要在线播放的用户很多，因此一般来将存储设备的 IOPS 性能
21、要求很高，一般网站机房的总带宽一般都在 1-2Gb/s（实际可用的带宽）左右，个别大型网站可能达到 4-5Gb/s.能分配给网络视频板块的也就差不多 100-200MB/S，因此对于带宽来讲一般的ISCSI 存储和 FC 存储都可以轻松满足，但如果采用 NAS 存储，则需要中高端产品。虽然采用高端 NAS 设备的成本较高，但 NAS 本身对外提供共享的文件系统，在网络视频的管理和共享方面区有天然的优势，方便后期的视频服务器数量扩张和升级。ISCSI 和中低端的 FC 设备由于采用低成本的 SATA 磁盘，IOPS 新能一般都在 6w-10w 左右，因此无法用与大型的网络视频系统。建议网络视频系
22、统选型是要从带宽和 IOPS 两个方面去考虑，在两个方面都满足的情况，尽量采用 NAS 产品。大型系统建议采用 FC 磁盘的光纤设备。如果系统有一个好的视频管理系统和分发软件系统的话，可以采用小容量的高性能存储作为在线存储为用户提高实时访问，再采用一台低成本的 ISCSI或 NAS 设备作为二级存储。而在这个领域，竞争也较为激烈，特别是 IBM、HP、EMC 等国外知名存储厂商的介入使得整体格局更加混乱。不过这些厂家昂贵的成本也使得很多项目中用户更加倾向于选用服务、性价比更好的国内厂商，诸如威视数据、邦诺等。（2 ） 视频监控存储设备选购原则视频监控系统是一个相对特殊的系统，主要要求大容量和成
23、本，否则根本没有那么大的资金去建立遍布全市，甚至于全国的监控系统。因此选择大容量低成本的 IP 存储是监控系统本身的特点和需求决定的，同时可以保证系统的安全性。1、存储算法按照监控系统配置选择存储设备的容量考虑存储设备容量的大小，除了与摄像头数量有关外，还与视频的格式，码率，存储的天数有关。存储系统容量的计算方法如下：假设视频的格式为 D1，码率为 2Mb/s.单路视频每天存储容量为：1 路*（2Mb/s*3600s ）/8bit*24 小时 =21GB.单路视频每月存储容量为：1路*（2Mb/s*3600s）/8bit*24 小时*30 天=648GB.摄像头数量、码率、存储时间可根据实际情
24、况来选择。2、视频编码的发展史目前比较流行的编码主要是 H.264，追溯视频编码的历史须从历史回顾，在视频编码的发展出现几代影响性时代。美国 TI 时代优点：价格低、简单易用、功能强大等特点，已经逐渐成为目前最有影响、最为成功的 DSP 处理器。缺点：无法实现 H.264 模式，对硬件的要求比较高。如海康视频编码器。美国 ADI 时代优点：DSP 具有功耗小，运算能力强的特点。 缺点：只能处理到 CIF 的 MPEG4 编码，在很多对于图像清晰度要求高的场合无法满足。 台湾佳映(Imagia) 行业应用比较少，采用的压缩算法是标准的 MPEG4，单片芯片可以做到D1，占用带宽较大。华为海思(H
25、isilicon)优点：基于纯硬件 H264 处理，DSP 具有功耗小，运算能力强的特点，处理速度快 。H.264 时代数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域，带来了会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用，促使了许多视频编码标准的产生。ITU-T 与 ISO/IEC 是制定视频编码标准的两大组织，ITU-T 的标准包括 H.261、H.263、H.264，主要应用于实时视频通信领域，如会议电视;MPEG系列标准是由 ISO/IEC 制定的，主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。两个组织也共同制定了一些标准，H.262 标准等同于 MPEG-
26、2 的视频编码标准，而最新的 H.264 标准则被纳入 MPEG-4 的第 10部分。H264 是目前流行的编码，以下针对 H264 的发展史作详细介绍按照 ITU-T 视频编码标准的发展过程，介绍 H.261、H.263 及 H.264。H.261 视频编码标准H.261 是 ITU-T 为在综合业务数字网 (ISDN)上开展双向声像业务(可视电话、视频会议) 而制定的，速率为 64kb/s 的整数倍。H.261 只对 CIF 和 QCIF 两种图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层、宏块(MB) 层、块(Block)层来处理。H.261 是最早的运动图像压缩标准，它详细制
27、定了视频编码的各个部分，包括运动补偿的帧间预测、DCT 变换、量化、熵编码，以及与固定速率的信道相适配的速率控制等部分。H.263 视频编码标准H.263 是最早用于低码率视频编码的 ITU-T 标准，随后出现的第二版(H.263+)及 H.263+增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。H.263 视频压缩标准H.263 是 ITU-T 为低于 64kb/s 的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在 H.261 基础上发展起来的，其标准输入图像格式可以是 S-QCIF、QCIF、CIF 、4CIF 或者 16CIF 的彩色 420 亚取样图像。H.263 与 H.261相比采用了半象素的运动
28、补偿，并增加了 4 种有效的压缩编码模式。无限制的运动矢量模式允许运动矢量指向图像以外的区域。当某一运动矢量所指的参考宏块位于编码图像之外时，就用其边缘的图像象素值来代替。当存在跨边界的运动时，这种模式能取得很大的编码增益，特别是对小图像而言。另外，这种模式包括了运动矢量范围的扩展，允许使用更大的运动矢量，这对摄像机运动特别有利。基于句法的算术编码模式使用算术编码代替霍夫曼编码，可在信噪比和重建图像质量相同的情况下降低码率。先进的预测模式允许一个宏块中 4 个 88 亮度块各对应一个运动矢量，从而提高了预测精度;两个色度块的运动矢量则取这 4 个亮度块运动矢量的平均值。补偿时，使用重叠的块运动
29、补偿，88 亮度块的每个象素的补偿值由 3 个预测值加权平均得到。使用该模式可以产生显著的编码增益，特别是采用重叠的块运动补偿，会减少块效应，提高主观质量。H.263 视频压缩标准版本 2ITU-T 在 H.263 发布后又修订发布了 H.263 标准的版本 2，非正式地命名为H.263+标准。它在保证原 H.263 标准核心句法和语义不变的基础上，增加了若干选项以提高压缩效率或改善某方面的功能。原 H.263 标准限制了其应用的图像输入格式，仅允许 5 种视频源格式。H.263+ 标准允许更大范围的图像输入格式，自定义图像的尺寸，从而拓宽了标准使用的范围，使之可以处理基于视窗的计算机图像、更
30、高帧频的图像序列及宽屏图像。为提高压缩效率，H.263+ 采用先进的帧内编码模式 ;增强的 PB-帧模式改进了 H.263 的不足，增强了帧间预测的效果;去块效应滤波器不仅提高了压缩效率，而且提供重建图像的主观质量。为适应网络传输，H.263+ 增加了时间分级、信噪比和空间分级，对在噪声信道和存在大量包丢失的网络中传送视频信号很有意义;另外，片结构模式、参考帧选择模式增强了视频传输的抗误码能力。H.264 是由 ISO/IEC 与 ITU-T 组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频压缩编码标准。事实上，H.264 标准的开展可以追溯到 8 年前。1996 年制定H.263 标准后，ITU-
31、T 的视频编码专家组 (VCEG)开始了两个方面的研究：一个是短期研究计划，在 H.263 基础上增加选项(之后产生了 H.263+与 H.263+);另一个是长期研究计划，制定一种新标准以支持低码率的视频通信。长期研究计划产生了 H.26L 标准草案，在压缩效率方面与先期的 ITU-T 视频压缩标准相比，具有明显的优越性。2001 年，ISO 的 MPEG 组织认识到 H.26L 潜在的优势，随后 ISO 与 ITU 开始组建包括来自 ISO/IEC MPEG 与 ITU-T VCEG 的联合视频组(JVT)，JVT 的主要任务就是将 H.26L 草案发展为一个国际性标准。于是，在ISO/I
32、EC 中该标准命名为 AVC(Advanced Video Coding)，作为 MPEG-4 标准的第 10 个选项;在 ITU-T 中正式命名为 H.264 标准。H.264 的主要优点如下：在相同的重建图像质量下，H.264 比 H.263+和 MPEG-4(SP)减小 50%码率。对信道时延的适应性较强，既可工作于低时延模式以满足实时业务，如会议电视等;又可工作于无时延限制的场合，如视频存储等。提高网络适应性，采用“ 网络友好 ”的结构和语法，加强对误码和丢包的处理，提高解码器的差错恢复能力。在编/解码器中采用复杂度可分级设计，在图像质量和编码处理之间可分级，以适应不同复杂度的应用。相
33、对于先期的视频压缩标准，H.264 引入了很多先进的技术，包括 44 整数变换、空域内的帧内预测、1/4 象素精度的运动估计、多参考帧与多种大小块的帧间预测技术等。新技术带来了较高的压缩比，同时大大提高了算法的复杂度。44 整数变换，以前的标准，如 H.263 或 MPEG-4，都是采用 8x8 的 DCT变换。H.26L 中建议的整数变换实际上接近于 44 的 DCT 变换，整数的引入降低了算法的复杂度，也避免了反变换的失配问题，44 的块可以减小块效应。而 H.264 的 44 整数变换进一步降低了算法的复杂度，相比 H.26L 中建议的整数变换，对于 9b 输入残差数据，由以前的 32b
34、 降为现在的 16b 运算，而且整个变换无乘法，只需加法和一些移位运算。新的变换对编码的性能几乎没有影响，而且实际编码略好一些。基于空域的帧内预测技术视频编码是通过去除图像的空间与时间相关性来达到压缩的目的。空间相关性通过有效的变换来去除，如 DCT 变换、H.264 的整数变换;时间相关性则通过帧间预测来去除。这里所说的变换去除空间相关性，仅仅局限在所变换的块内，如 88 或者 44，并没有块与块之间的处理。H.263+与 MPEG-4 引入了帧内预测技术，在变换域中根据相临块对当前块的某些系数做预测。H.264 则是在空域中，利用当前块的相临象素直接对每个系数做预测，更有效地去除相临块之间
35、的相关性，极大地提高了帧内编码的效率。H.264 基本部分的帧内预测包括 9 种 44 亮度块的预测、 4 种 1616 亮度块的预测和 4 种色度块的预测。运动估计H.264 的运动估计具有 3 个新的特点：1/4 象素精度的运动估计;7 种大小不同的块进行匹配;前向与后向多参考帧。H.264 在帧间编码中，一个宏块(1616)可以被分为 168、816、88 的块，而 88 的块被称为子宏块，又可以分为 84、48 、44 的块。总体而言，共有7 种大小不同的块做运动估计，以找出最匹配的类型。与以往标准的 P 帧、B帧不同，H.264 采用了前向与后向多个参考帧的预测。半象素精度的运动估计
36、比整象素运动估计有效地提高了压缩比，而 1/4 象素精度的运动估计可带来更好的压缩效果。编码器中运用多种大小不同的块进行运动估计，可节省 15%以上的比特率(相对于 1616 的块)。运用 1/4 象素精度的运动估计，可以节省 20%的码率(相对于整象素预测) 。多参考帧预测方面，假设为 5 个参考帧预测，相对于一个参考帧，可降低 5%10% 的码率。以上百分比都是统计数据，不同视频因其细节特征与运动情况而有所差异。熵编码H.264 标准采用的熵编码有两种：一种是基于内容的自适应变长编码(CAVLC)与统一的变长编码(UVLC)结合;另一种是基于内容的自适应二进制算术编码(CABAC)。CAV
37、LC 与 CABAC 根据相临块的情况进行当前块的编码，以达到更好的编码效率。CABAC 比 CAVLC 压缩效率高，但要复杂一些。去块效应滤波器H.264 标准引入了去块效应滤波器，对块的边界进行滤波，滤波强度与块的编码模式、运动矢量及块的系数有关。去块效应滤波器在提高压缩效率的同时，改善了图像的主观效果。其他视频编码标准除上述 ITU-T 的视频压缩标准外，还有一些标准也比较流行，如 MPEG-4、AVS、WM9。H.264 也称为 MPEG-4 AVC，而目前业内所说的 MPEG-4 一般是指 SP(简级)或 ASP(先进的简级)，主要针对低码率应用，如因特网上的流媒体、无线网的视频传输
38、及视频存储等，其核心类似于 H.263。MPEG-4 SP 和 H.263 有很多相似的地方，如附表所示。然而，这两个标准之间也有显著的不同，主要表现在：码流结构和头信息、熵编码的部分码表、编码技术的一些细节。MPEG-4 ASP 较 SP 增加了一些技术，主要有：1/4 象素精度的运动估计、B 帧、全局运动矢量(GMV)，因而压缩效率得以提高。Window Meida 9(WM9)是微软公司开发的新一代数字媒体技术。一些测试表明，WM9 的视频压缩效率比 MPEG-2、MPEG-4 SP 及 H.263 高很多，而与H.264 的压缩效率相当。目前，H.261 与 H.263 在视频通信中广
39、泛应用，成熟的产品已经很多。H.263 与 H.261 相比，增加了若干选项，提供了更灵活的编码方式，压缩效率大大提高，更适应网络传输。H.264 标准的推出，是视频编码标准的一次重要进步，它与现有的 MPEG-2、MPEG-4 SP 及 H.263 相比，具有明显的优越性，特别是在编码效率上的提高，使之能用于许多新的领域。尽管 H.264 的算法复杂度是现有编码压缩标准的 4 倍以上，随着集成电路技术的快速发展，H.264的应用将成为现实。3、设备选型原则监控后端存储设备关系到整个系统稳定性，选择适配的存储设备对监控至关重要，出于整体系统考虑，后端的设备选型必须遵循以下几个原则选型要注重产品
40、性能：应用存储是指当存储设备本身所能提供的性能远超过系统需求时，借用存储设备的高可靠性和稳定性，在存储上运行一定的应用软件服务。与普通存储设备相对，应用存储除了增加了许多软件应用及服务功能，也将改变很多应用系统的架构设计，存储并非其它设备，存储一旦出现整个系统便难于运行，甚至瘫痪。高可用性：应用存储设备一般都基于模块化、冗余的、支持热插拔的原则而设计的，消除了内部的单点故障，其它安全性和稳定性远超于系统中采用的普通 PC 服务器，应用软件和服务器内嵌在存储内部，能够为系统提供更高的稳定性和系统安全性。高效性：应用存储设备的核心，即控制器，一般都采用专门设计的总线结构、专门的处理芯片和缓存，在数
41、据校验和数据传输方面做了优化。长时间运行情况下，应用存储不仅能保证软件和服务功能的安全和稳定，还能保证具有比普通 PC 服务器更高的运行和计算效率，可为系统提供更高的服务质量。注重产品功能网络管理功能：应用存储中可以内置大量常用的以太网络管理服务，如域管理服务、DHCP 服务、 DNS 服务等。存储网络系统不需要再配置专门的域管理服务器，仅通过应用存储就可以实现存储网络系统的域管理、DHCP 服务和 DNS 服务等功能。存储共享管理功能：在一些特殊的应用环境中，如 IP-SAN 网络存储架构中，由于应用软件系统要求多台服务器需要对同一个卷中的数据进行读写操作，就需要存储设备上的文件系统实现在多
42、台服务器之间进行共享，那么存储网络中的所有服务器和工作站就需要安装存储共享管理软件，并配置专门的 MDC 服务器来对共享的文件系统进行管理。数据保护功能：应用存储中可以内嵌备份恢复软件、CDP（连续数据保护）软件、VTL（虚拟磁带库）等软件，可实现在线/近线, 本地/ 远程的数据保护。四、后端平台整合应用数字视频监控技术从单一的 DVR 已经发展到今天的通过 IP 网络实现远程联网视频监控的水平，目前，城市安防系统及各行各业的普及范围已经从局部监控到整个城市的联网监控，进而从城市延伸到全省、整个国家等更广泛的区域，大规模运营的安防联网系统成为新的需求趋势。但是，与已经得到广范应用的区域联网监控
43、技术相比，大规模的联网监控需求对既有技术提出了新的挑战。海量用户、海量设备接入、海量信息存储、海量信息传输等的“海量”问题；多形态、多区域、多级别、多元化的应用需求对大型系统软件平台的服务体系新的考验，是前所未有的。许多问题不可能通过在传统技术的改造或传统软件版本上的升级而得到根本的解决。平台的应用必须要求有更高的存储技术要求，存储技术必然与存储设备有着息息相关的关系，庞大的系统自然涉及到海量的访问量。只有海量视频访问技术、分布式视频信息存储技术、自适应视频网络传输技术、视频源并发访问处理技术、视频传输故障自愈技术等先进的设计方法和视频前沿技术的开发，才可能成功地解决了一个大型系统所必须解决的
44、诸如海量用户和设备的接入管理、区域/分级联网、服务质量体系构建、异构网络和系统的互联互通互控、视频信息的多元存储模式、海量视频信息的分布式并发存储/检索与分发等技术难点。一个大型的视频监控系统光前端设备动辄就是数千数万只摄像机，将这些数量众多的设备和节点分门别类组织在系统中并实现有效的管理控制，就要求系统需要采取能适应这种情况的先进架构。一个先进的系统架构至少应当符合以下条件： 对系统设备和节点巨大数量的容纳能力和系统设备、节点不断扩张的自动适应能力 能够涵盖不同用户群典型的系统结构并将其整合形成更大系统的能力 对应用系统随着应用不断深入和拓展系统局部获整体的结构调整变化的自动适应能力。大型的
45、联网频监控系统均具有从最高级别监控中心开始向各级下属监控中心、下属应用节点和用户端系统以及前端摄像设备逐级扩展的向下发散展开的管理控制特点，同时，大型视频监控系统还具有从前端视频监控点开始向各级监控中心逐级收拢的向上汇聚的传输特点。这就是大型视频监控系统的管理控制流向下逐级展开视频传输流向上逐渐汇聚的相向流动特点。针对大型视频监控系统中视频信息的应用特点，设计了独特的基于资源树的分布式海量视频信息存储技术。该技术是以资源树中节点之间的备份为基础，将网络连接存储（NAS）、存储局域网（SAN）等多种不同的技术、不同的管理工具和不同的存储应用融合在一起，使得系统可以根据实际情况的需要，实现在多重节
46、点上进行内容管理与储存，在存储环境上的多重节点进行资料转移与传输。由于 Centaurus 系统独特的海量视频信息存储机制，使系统存储简单化，兼容不同的网络协议，支持不同的系统平台，在各个分布系统上运行而且同步。Centaurus 系统基于资源树的分布式海量视频信息存储技术使安防系统的大规模视频网络化的海量存储不再是难于逾越的难关。五、结语目前在数字视频监控市场对于 IP-SAN 的应用还是以传统应用为主，但是应该看到，随着项目规模越来越大，系统功能要求越来越高，采用新模式将是大势所趋。而随着一部分项目开始采用新的模式，存储厂商对于新模式的研发也日臻成熟。应该说就像监控专用硬盘在 DVR 中的广泛采用一样，视频监控专用 IP-SAN 存储也会成为数字视频监控未来的主流产品。也让我们共同期待广大存储厂商能为平安中国、和谐中国做更大的贡献。
