基于云計(jì)算的大規(guī)模污染源高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)

徐 潔，張海天

（1.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇南京 210036；2.南京云創(chuàng)存儲(chǔ)科技有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

改革開放以來(lái)，環(huán)境保護(hù)部門針對(duì)環(huán)境保護(hù)開展了一系列措施，然而在城市經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程不斷加快的情況下，部分企業(yè)投機(jī)取巧、打擦邊球，更有甚者只是在環(huán)保部門進(jìn)行企業(yè)檢查時(shí)才搞一些表面工作，給環(huán)境監(jiān)管帶來(lái)困難。目前絕大部分環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，而沒有實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控功能，無(wú)法直觀的看到排污點(diǎn)的實(shí)際景像。江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能看到各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)能看到實(shí)時(shí)的圖像。它的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是以環(huán)保部門為中心，相關(guān)排污企業(yè)為支點(diǎn)的基于云計(jì)算的大規(guī)模污染源視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控技術(shù)正在不斷地向前發(fā)展，用戶對(duì)于視頻監(jiān)控產(chǎn)品的要求也在不斷提高，要有著更高清的畫面，更完善的功能，更穩(wěn)定的性能，更豐富的終端等［1］。要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高清視頻監(jiān)控，就必須從多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面考慮，如：攝像機(jī)采集視頻信號(hào)的碼率、視頻圖像的編解碼、視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)、錄像文件的存儲(chǔ)等［2］。但這樣一來(lái)，又給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)了一系列新的問題，如：存儲(chǔ)空間需求量大、傳輸帶寬不足、服務(wù)器性能指標(biāo)壓力、系統(tǒng)可靠性要求驟增等。

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的架構(gòu)如圖1所示，通常采用大量“固件”的形式組合成平臺(tái)。從攝像機(jī)、到硬盤錄像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、視頻切換矩陣、編碼器、解碼器、轉(zhuǎn)碼器、數(shù)字化綜合平臺(tái)、操作切換平臺(tái)、數(shù)字業(yè)務(wù)平臺(tái)、流媒體服務(wù)器等，最后輸出到PC機(jī)、大屏等終端設(shè)備［3］

隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)場(chǎng)景的不斷變化，傳統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)愈發(fā)不能滿足現(xiàn)有的需求［4］，因此，如何將新的技術(shù)融入到監(jiān)控系統(tǒng)中，從而形成一種全新的模式，逐步成為了監(jiān)控行業(yè)的熱門話題。

云計(jì)算的概念最早是由Google公司提出的［5］，到目前為止，仍然沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)化定義，其概念描述如下：云計(jì)算是分布式計(jì)算技術(shù)的一種，主要通過網(wǎng)絡(luò)將大量服務(wù)器連接在一起，并且將計(jì)算量很大的處理任務(wù)自動(dòng)分為許多個(gè)較小的子任務(wù)，再交由這些服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)進(jìn)行處理，并將結(jié)果返回給用戶［6］。

由此，可以將云計(jì)算應(yīng)用于視頻監(jiān)控，通過采用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器硬件加軟件的形式，組建成統(tǒng)一的服務(wù)器集群，共同對(duì)外提供視頻監(jiān)控服務(wù)［7］。將云計(jì)算的概念和方法引入視頻監(jiān)控，充分利用“云”的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，無(wú)論是從系統(tǒng)的架構(gòu)方面，還是可靠性、通用性、兼容性和可擴(kuò)展性等方面都有著巨大的提升［8］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

云視頻（Cloud Video，cVideo）監(jiān)控平臺(tái)，是在服務(wù)器集群上部署的基于云架構(gòu)的視頻監(jiān)控軟件，其核心內(nèi)容是將海量的前端視頻信號(hào)統(tǒng)一接入，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和分析。系統(tǒng)基于云計(jì)算的模式，采取海量分布式云調(diào)度架構(gòu)，以集群的形式共同對(duì)外服務(wù)，通過合理的云調(diào)度，實(shí)現(xiàn)諸如視頻云端轉(zhuǎn)碼、內(nèi)容識(shí)別、智能分析等需求。最終將處理好的視頻圖像以標(biāo)準(zhǔn)流媒體的格式進(jìn)行輸出，推送給用戶，并提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，以供上層應(yīng)用的調(diào)用。

cVideo監(jiān)控平臺(tái)主要由6個(gè)系統(tǒng)模塊組成，分別是：接入模塊、處理模塊、存儲(chǔ)模塊、流媒體模塊、中心調(diào)度模塊和客戶端模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 接入模塊

接入模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)前端設(shè)備的接入，同時(shí)，對(duì)上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的調(diào)用接口。前端設(shè)備主要包括：模擬、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、已有第三方平臺(tái)等?？梢詫⒔尤敕?wù)器模塊中交互的內(nèi)容分為數(shù)據(jù)流和信令流，數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 接入模塊數(shù)據(jù)流示意圖

接入模塊所處的位置是介于中心調(diào)度模塊和前端設(shè)備之間，起到了一個(gè)“中間件”的作用，主要用途類似于“語(yǔ)言翻譯”［9］，主要負(fù)責(zé)將cVideo平臺(tái)內(nèi)部的控制信息，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)前端設(shè)備可以識(shí)別的控制信息，獲取響應(yīng)后再轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_(tái)內(nèi)部信息。接入模塊珠寶涉及到的內(nèi)容有：前端設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、攝像機(jī)云臺(tái)控制、前端平臺(tái)通信等，從而實(shí)現(xiàn)cVideo平臺(tái)對(duì)前端設(shè)備的透明接入。

接入模塊運(yùn)行的環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，用C語(yǔ)言編寫，程序的流程圖如圖4所示。

當(dāng)接入模塊啟動(dòng)后，首先向中心模塊進(jìn)行注冊(cè)，如果連續(xù)3次訪問不成功則認(rèn)為注冊(cè)失敗，程序退出。如果注冊(cè)成功，則程序正式進(jìn)入工作模式。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，并且可以捕獲系統(tǒng)中斷響應(yīng)不會(huì)造成直接終止而導(dǎo)致不必要的問題，接入模塊將消息（Socket）監(jiān)聽［10］和處理任務(wù)放入子進(jìn)程，而父進(jìn)程則負(fù)責(zé)等待和監(jiān)聽系統(tǒng)中斷信息。子系統(tǒng)每捕獲到一個(gè)中心模塊發(fā)來(lái)的消息，則新建一個(gè)子線程與之對(duì)應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)并發(fā)的操作與控制，根據(jù)Socket類型中定義的前端設(shè)備信息，調(diào)用相應(yīng)的SDK訪問該前端設(shè)備，并將返回的信息封裝成平臺(tái)內(nèi)部定義的信息反饋給中心端。

圖4 接入服務(wù)器流程圖

1.2 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊包括存儲(chǔ)客戶端軟件和存儲(chǔ)服務(wù)器集群兩部分。存儲(chǔ)客戶端軟件部署在處理服務(wù)器集群上，由中心服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度，按需求將視頻流按固定的時(shí)長(zhǎng)保持為文件，并通過存儲(chǔ)客戶端寫入存儲(chǔ)集群；存儲(chǔ)服務(wù)器集群為整個(gè)系統(tǒng)提供海量的存儲(chǔ)空間，處理服務(wù)器和流媒體服務(wù)器通過掛載存儲(chǔ)客戶端，即可訪問該存儲(chǔ)空間，從而完成視頻存儲(chǔ)、處理、回放等任務(wù)，圖5為存儲(chǔ)模塊的示意圖。

1.3 處理模塊

處理模塊由中心云調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一綜合管理，主要負(fù)責(zé)的工作是從接入分析，到數(shù)據(jù)處理，再到結(jié)果分發(fā)這3個(gè)部分，從而完成對(duì)接入視頻的各項(xiàng)處理任務(wù)，包括從接入到處理再到存儲(chǔ)及回看等一系列處理任務(wù)的分發(fā)工作。

圖5 存儲(chǔ)模塊示意圖

（1）標(biāo)準(zhǔn)RTSP協(xié)議的視頻流接入：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RTSP協(xié)議，獲取前端設(shè)備視頻流，同時(shí)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到平臺(tái)內(nèi)的流媒體服務(wù)器上，以供后續(xù)轉(zhuǎn)碼、識(shí)別、存儲(chǔ)等部分的使用。

（2）非標(biāo)準(zhǔn)的視頻流接入：使用廠商提供的協(xié)議接口獲取視頻流，并重新封裝成標(biāo)準(zhǔn)RTSP視頻流，然后通過流媒體服務(wù)器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）內(nèi)容識(shí)別：智能的內(nèi)容識(shí)別需要消耗大量的CPU和內(nèi)存資源，而通過云計(jì)算的分布式的特點(diǎn)和強(qiáng)大的計(jì)算性能，可以使傳統(tǒng)架構(gòu)下難以實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模識(shí)別成為可能。

（4）云端轉(zhuǎn)碼：將視頻轉(zhuǎn)碼放到云端進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)時(shí)視頻轉(zhuǎn)碼，以滿足不同用戶對(duì)不同終端，不同分辨率，不同碼流的需求。

（5）視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錄像：將處理轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，按時(shí)間段保存為視頻文件并保存到存儲(chǔ)服務(wù)器上，以提供日后回調(diào)查看。

1.4 中心云調(diào)度模塊

中心調(diào)度模塊主要負(fù)責(zé)整合、調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)的其他各個(gè)模塊，用戶通過在終端發(fā)起請(qǐng)求，請(qǐng)求被提交到中心服務(wù)器，中心服務(wù)器調(diào)度管理系統(tǒng)根據(jù)具體的請(qǐng)求調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)模塊的資源對(duì)其進(jìn)行處理，最后將處理好的結(jié)果返回給用戶顯示查看。同時(shí)，中心模塊還對(duì)上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一接口，大大提高了擴(kuò)展性和伸縮性，更方便其他第三方平臺(tái)的對(duì)接。例如：用戶使用實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，前臺(tái)操作后，后臺(tái)通過調(diào)用調(diào)度命令去執(zhí)行視頻轉(zhuǎn)碼任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后中心服務(wù)器把得到的視頻流的地址返回給客戶端瀏覽器控件，播放器控件則顯示對(duì)應(yīng)的視頻。

中心調(diào)度模塊主要功能和任務(wù)包括了實(shí)時(shí)監(jiān)控、服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、錄像回調(diào)、設(shè)備管理、用戶管理等，對(duì)應(yīng)的流程如圖6所示。

整個(gè)中心云調(diào)度模塊啟動(dòng)后，會(huì)保持監(jiān)聽Socket消息，根據(jù)不同用戶終端發(fā)來(lái)的不同請(qǐng)求，進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)度，并把集群處理后的結(jié)果，或者視頻流地址反饋給對(duì)應(yīng)的用戶終端，給出相應(yīng)的提示，并記錄日志，以后后期查備。

圖6 中心調(diào)度任務(wù)流程圖

1.5 流媒體模塊

流媒體服務(wù)器作為流媒體應(yīng)用的核心系統(tǒng)，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)向用戶提供視頻服務(wù)的關(guān)鍵模塊。其主要功能是提供RTSP/HTTP流媒體服務(wù)，其中RTSP提供實(shí)時(shí)視頻流及錄像回調(diào)視頻流，HTTP則只提供錄像回調(diào)視頻流。

流媒體模塊支持多臺(tái)流媒體服務(wù)器集群化部署，對(duì)外提供負(fù)載均衡的標(biāo)準(zhǔn)RTSP流媒體并發(fā)推流服務(wù)，用戶根據(jù)相應(yīng)的流媒體RTSP地址，即可實(shí)時(shí)地獲取系統(tǒng)處理完后的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的歷史視頻數(shù)據(jù)，以供監(jiān)控和遠(yuǎn)程訪問。模塊輸出為標(biāo)準(zhǔn)RTSP視頻流，通過構(gòu)建流媒體服務(wù)器集群和負(fù)載均衡機(jī)制，使得多臺(tái)流媒體服務(wù)器可以共同對(duì)外提供服務(wù)，支持高并發(fā)訪問。

同時(shí)，流媒體服務(wù)器也可以提供對(duì)歷史視頻數(shù)據(jù)的流化推送。存儲(chǔ)系統(tǒng)將歷史視頻數(shù)據(jù)保存在cStor存儲(chǔ)集群上，將cStor掛載到流媒體服務(wù)器上，流媒體服務(wù)器就可以像訪問本地文件一樣訪問到cStor上的歷史視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶需要查看歷史錄像時(shí)，流媒體服務(wù)器可以將這些視頻文件流化，通過RTSP或者HTTP協(xié)議推送給用戶，實(shí)現(xiàn)用戶查看遠(yuǎn)程歷史錄像的需求。

1.6 客戶端模塊

客戶端模塊包括PC終端（支持Linux，Windows，MacOS等主流操作系統(tǒng)）、平板電腦終端（支持iOS，Android，Windows等操作系統(tǒng)）、智能手持終端（支持iOS，Android等操作系統(tǒng)）和監(jiān)控大屏終端。客戶端的功能主要是與用戶交互，對(duì)不同的操作進(jìn)行響應(yīng)，如：顯示視頻設(shè)備列表、播放視頻流、與用戶交互云臺(tái)控制、多路視頻播放等。

2 運(yùn)行環(huán)境

江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的固定風(fēng)險(xiǎn)源視頻監(jiān)控系統(tǒng)，總共使用15臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建，其中，用于中心調(diào)度模塊2臺(tái)，接入模塊2臺(tái)，處理模塊3臺(tái)，流媒體模塊3臺(tái)，同時(shí)使用了云存儲(chǔ)設(shè)備，以共享掛載盤符的方式，在每臺(tái)服務(wù)器相應(yīng)位置掛載了云存儲(chǔ)空間。接入模塊服務(wù)器使用Windows 2008 Server系統(tǒng)，其他服務(wù)器使用Ubuntu 12.04 Server版。接入的前端設(shè)備為江蘇省昆山市千燈鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)內(nèi)一些工廠的50個(gè)高清攝像頭。

cVideo監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這50路設(shè)備的透明接入，PC機(jī)監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 PC監(jiān)控界面

同時(shí)，為了支持多終端的監(jiān)控，我們也制作了移動(dòng)終端的客戶端，以IPad為例，如圖8所示。

圖8 IPad監(jiān)控界面

在半年的試運(yùn)行期間，監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)運(yùn)行正常，安全可靠，同時(shí)，中心任務(wù)調(diào)度分配均勻，其服務(wù)器的負(fù)載非常之低，也就意味著計(jì)算資源的余額十分充足，遠(yuǎn)未達(dá)到上限。

3 結(jié)語(yǔ)

視頻監(jiān)控的發(fā)展速度極快，人們的需求逐步從“看得見”向“看得清”再到“看明白”過度［11］，傳統(tǒng)的監(jiān)控模式已然不適應(yīng)需求的發(fā)展。而隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，將云的理念和技術(shù)引入視頻監(jiān)控行業(yè)，作為一種全新的解決方案，也愈發(fā)成為了可能。較之傳統(tǒng)監(jiān)控模式，云模式下的視頻監(jiān)控有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：統(tǒng)一的架構(gòu)、異構(gòu)資源的整合、優(yōu)異的可擴(kuò)展性、云轉(zhuǎn)碼和智能分析的靈活性等等?！?831”平臺(tái)的基于云計(jì)算的大規(guī)模污染源高清視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，正在為江蘇的環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

［1］原振升，袁華，羅曉奔.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻顯示布局設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005（2）：68-77.

［2］LEE Yachun，LIAO Ju，CHENG Huapu，LEE Weisong.A cloud computing framework of free view point real-time monitor system working on mobile devices［J］.International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems.2010（2）：148-162.

［3］趙涵萍.虛擬存儲(chǔ)在數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江大學(xué),2007.

［4］許志聞.流媒體網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（3）：304-307.

［5］劉鵬.云計(jì)算［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［6］FOSTER I.，KESSELMAN C，TUECKE S.The Anatomy of the Grid：Enabling Scalable Virtual Organizations［J］.International Journal of High Performance Computing Applications，2001（3）：200-222.

［7］杜百川.下一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)核心—云計(jì)算［R］.北京：IBTC2010論壇，2010：174-192.

［8］MICHAEL A，ARMANDO F，REAN G.Above the Clouds：A Berkeley View of Cloud Computing［M］.UC：Berkeley，2009.

［9］MACHE C.Cloud Computing:An Overview［J］.ACM Queue，2009（5）：3-14.

［10］JEREMIAH.windows平臺(tái)下vlc編譯之十：vlc-1.0.0的編譯［DB/OL］.http://jeremiah.blog.51cto.com/539865/178696，2009.

［11］張曉凱.淺談視頻編解碼技術(shù)［DB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/bf3d32a3b0717fd5360cdcc3.html，2009.