平安城市中的低码流高清解决方案探讨

平安城市进入了一轮新的建设高峰，尤其是在一些一线城市，平安城市覆盖面越来越广，不仅仅是传统的视频监控和报警管理等治安管理系统，还将交通电子警察、应急系统、停车管理等城市管理纳入，提升了数字城市、智慧城市的高度。

由于视频监控属于带宽密集型应用，在如火如荼的建设大潮背后，是大批的IT系统进入，这包括城域网建设、视频存储系统建设、视频流转发服务器建设等等，同时，这些系统的建设又带来了庞大、繁杂的系统维护问题。从2010年的世博会首次大范围建设高清监控系统，到2011年的重庆大规模高清监控系统投入使用，给视频监控系统带来越来越大的压力。这些压力主要体现在：

·实时高清图像清晰度和网络带宽之间的矛盾;

·高清录像回放清晰度和录像存储容量之间的矛盾;

·高清录像回放用户数量和录像存储系统吞吐能力之间的矛盾。

这一系列的矛盾直接对系统建设成本和复杂性提出了更高的要求，无论是政府直接建设还是电信运营商或视频监控厂商BT模式，在当前国际金融危机和国内通胀压力形势下，要从财政中拨出巨款投入城市治安管理建设，对于尚处于发展中阶段的各级政府，不亚于一个沉重的经济负担。

笔者有过多年的通信、图像处理的工作经验，本文中提出了个人技术见解，希望能够借此推动高清监控系统推进和完善。

方案一：借助于最新视频编码技术

当前平安城市中的高清监控采用编码、传输、解码、存储等一系列数据流程，为了节省投资，很多采用了分布式存储，也就是说将前端的高清视频数据通过NVR、H-DVR、NAS和IP-SAN等存储设备在分控中心进行集中存储，分布式存储的优势在于将数据集中于各分中心，在较大规模的系统中，管理便利，可靠性好。集中存储是将前端的高清视频数据通过NAS、IP-SAN等集中在存储中心，安全性好，但是投入成本与规模相关。

当前的高清编码主要采用H.264编码，一路1080p的码流一般为8Mb/s，存储一天需要的硬盘容量为8*3600*24/8/1024=84.4GB，一个月就是84.4*30/1024=2.5TB。如果部署40个1080p的监控点，一个月的录像文件达到100TB!目前48盘位的磁盘阵列，全部接2T的硬盘，做完RAID5后，可用空间也不够。所以，高清监控势必会增加存储设备上的成本投入。

所以，无论是分布式存储还是集中式存储，都不可避免需要建设庞大的录像存储系统。

IPTV视频点播实现低码流高质量

但是，当前电信IPTV视频点播应用已经做到了2Mbps@720P，4Mbps@1080P，甚至有些私有编码算法已经能够做到512Kbps@720P，1Mbps@1080P的超低码流级别，这甚至要比2013年才能真正发布的h.265编码算法(2Mbps@1080P)还要低。而且这些视频点播是全动感(fullmotion)的电影视频，画面复杂度要远远高于监控画面(监控一般为30%动感画面)，那么，是否两者之间有可借鉴之处呢?

诚然，超低码流的电信IPTV应用的视频点播数据一般是经过多次压缩(multipass)后，从而获得的低码流、高画质的小体积视频文件，这些工作都是离线、非实时完成的。

而实时转码一般是指将电视台的高清节目实时转码为私有格式，以便获得高质量、低码流，通过现有ADSL等网络传递到用户家中。在以上表格中，全高清1080P实时转码后的码流仅为2.2Mbps，这个码流对于我们监控行业动辄4Mbps的码流来讲，也是非常低的。考虑到监控行业的30%动态画面，笔者相信1Mbps的实时转码码流应该是能够做得到的。当然，对于交通卡口等全动感画面，2.2Mbps的码流也是相当不错的成绩了。

当然，以上电信级的视频压缩算法可能根本无法跑在当前的TI压缩处理芯片上，要么是跑在专门设计的ASIC压缩芯片上，要么是直接运行在PC服务器上，来实现低码流编码。

基于电信设计思路，增设视频转码层

基于以上技术发展，笔者建议采用电信系统的设计思路，对于当前的平安城市系统进行分层设计。

传统的平安城市视频监控一般是编码、传输到分控中心进行实时码流浏览和录像存储。从系统层次上划分，可分为视频接入层、视频录像层、视频实时显示层、视频转发层。

笔者提出的新设计是，相对于传统的4层规划，建议增加一个独立的视频转码层。视频转码层的工作是将视频接入层的视频进行解码，然后进行二次编码，在保持画面质量的同时，获得更小的码流，以便于节省存储空间。

按照传统的设计，视频编码层一般输出2个h.264码流，第一个h.264码流为高码流(6～8Mbps)，一般用于实时显示;第2个h.264码流一般为中等码流(3~5Mbps)，用于录像，主要是为了降低存储空间。

在新设计中，视频编码层直接输出MJPEG码流，MJPEG码流相对较大，1080P能够达到50Mbps，但是MJPEG基本上没有图像损失，在分控中心可以做到无延迟实时显示，清晰度最好。而且解码占用CPU极低。视频转码层收到MJPEG码流后，进行二次图像压缩，利用最先进的视频编码技术，进行二次编码，从而在保持画面质量的情况下，获得极低的压缩码流，然后将此码流送往视频录像层进行保存。

在新设计中，视频转发层将视频录像层的低码流录像转发至录像回放工作站或其他远程工作站，并利用标准的h.264解码器进行解码。

在以上设计中，新的视频编码层也可以支持HD-CCTV摄像机，直接接入SDI视频信号。按照电信行业的设计标准，实时编码需要的PC处理能力将是延迟编码的PC处理能力的2倍。所以，如果采用实时编码，那么大概一台I52.8GHZ的PC服务器可以处理2路1080P视频转码。按照摩尔定律，CPU每隔18个月性能翻一番(价格不变)，那么考虑到Intel很快就要释放最新采用3D晶体管技术的CPU系列，那么如果采用i7系列的PC服务器，将可以转码8路左右的高清视频。和降低的存储成本相比，总体成本应该还是要降下许多。

但是，由于直接采用了MJPEG码流，这会大大提高对网络带宽的要求，对于政府自建公安专网，最便宜的光纤收发器也是百兆以太网，所以主要网络压力还是在于核心交换机，在这里，为了适应新的转码层需要，建议采用多个千兆汇聚层交换机，分为多个网段，实现转码后再连接到录像存储层。

如果采用了电信BT建设模式，建议直接采用嵌入式低码流高清编码器模块，加装在高清网络摄像机和接入网络中间。如果采用HD-CCTV摄像机，则可以直接用嵌入式低码流高清编码器直接通过SDI接口接入进行编码。