云端社會視頻資源接入系統(tǒng)淺析*

柳 娜，陶 山，栗紅梅

（1.公安部第一研究所，北京 100048；2.北京市公安局指揮部，北京 100085；3.視頻圖像信息智能分析與共享應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100048）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)也層出不窮，相比其他載體，視頻能夠承載更多的信息，已經(jīng)廣泛滲透到各行各業(yè)，在政府、金融、教育、電商等領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。隨著公安信息化應(yīng)用的不斷深入，大集成、大聯(lián)網(wǎng)、高效數(shù)據(jù)分析和處理已經(jīng)成為安防行業(yè)的大趨勢，視頻監(jiān)控已經(jīng)成為公安機(jī)關(guān)治安防范、打擊犯罪等重要工作的關(guān)鍵手段。但是由于種種歷史原因，大量社會視頻監(jiān)控點(diǎn)位存在建設(shè)時期不同、品牌眾多、參考標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在建設(shè)初期缺乏頂層設(shè)計(jì)和全局規(guī)劃，導(dǎo)致各社會視頻資源系統(tǒng)各自為政，分散建造，存在有監(jiān)控?zé)o共享、只分散難集中、系統(tǒng)效能難以最大化等諸多短板，社會視頻資源尚不能充分為實(shí)戰(zhàn)服務(wù)，整體應(yīng)用水平較低。

本文提出了一種云端社會視頻資源接入系統(tǒng)，云計(jì)算其超大規(guī)模、虛擬化、高可擴(kuò)展性、高可用性及按需服務(wù)的特點(diǎn)與社會視頻資源接入系統(tǒng)的目標(biāo)不謀而合，通過構(gòu)建云端社會視頻資源接入平臺，基于云存儲、云預(yù)測、云轉(zhuǎn)碼等計(jì)算技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率地匯聚一個區(qū)域內(nèi)的社會視頻資源，將各社會領(lǐng)域的社會視頻圖像集中起來，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中管理，統(tǒng)一遠(yuǎn)程監(jiān)管，按需共享，真正做到平臺化、集中化、綜合化。

1 相關(guān)背景及技術(shù)

1.1 業(yè)務(wù)需求和現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的社會資源系統(tǒng)中涉及多種資源接入方式，視頻編碼格式不統(tǒng)一，綜合管理平臺相互不兼容,導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間不能互聯(lián)互通，已建設(shè)的社會視頻平臺不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，難以接入公安視頻傳輸網(wǎng)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）頂層設(shè)計(jì)缺失。現(xiàn)有社會視頻資源接入平臺僅考慮安裝覆蓋率，缺少后期應(yīng)用規(guī)劃，各地存在平臺兼容困難，所處網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各不相同，很多無法實(shí)現(xiàn)與公安視頻傳輸網(wǎng)的對接，視頻錄像分散存儲難以最大化利用存儲資源實(shí)現(xiàn)集中管理，系統(tǒng)效能低。

（2）重復(fù)建設(shè)問題突出。各社會視頻資源接入平臺基本都是依賴傳統(tǒng)硬件架構(gòu)服務(wù)器集合，每一套平臺都需要單獨(dú)配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、信令控制服務(wù)器、存儲服務(wù)器等多臺設(shè)備，往往為了避免單點(diǎn)故障還會配置冗余設(shè)備，這種方式很難將服務(wù)器的資源統(tǒng)籌管理，重復(fù)建設(shè)問題突出，極易造成資源浪費(fèi)。

（3）視頻調(diào)閱可靠性差。已經(jīng)與公安視頻傳輸網(wǎng)對接的社會視頻資源接入系統(tǒng)存在建設(shè)質(zhì)量參差不齊、建設(shè)周期難以統(tǒng)一、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等諸多問題，當(dāng)上級平臺調(diào)閱所需視頻內(nèi)容時，視頻資源很多時候呈不可用狀態(tài)，卻不能及時感知，缺乏統(tǒng)一的監(jiān)管手段。

（4）現(xiàn)有系統(tǒng)互聯(lián)互通性差。小區(qū)、娛樂場所等小規(guī)模視頻監(jiān)控平臺采用的前端設(shè)備、協(xié)議多數(shù)為設(shè)備公司私有協(xié)議，不完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 28181-2016），導(dǎo)致系統(tǒng)之間無法互聯(lián)、互通，為社會視頻資源整合增加了技術(shù)難度。

1.2 云計(jì)算與安防

云計(jì)算技術(shù)是分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、負(fù)載均衡等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其核心目標(biāo)是將大量的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，形成統(tǒng)一管理的資源池，并對外提供高質(zhì)量的按需服務(wù)以實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化。

當(dāng)前社會視頻資源主要具有三個特征：一是信息種類多，數(shù)據(jù)容量大，所涉及的信息種類主要包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中以視頻圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，更新速度快，視頻監(jiān)控一般均處于7×24 小時持續(xù)不斷地產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的狀態(tài)，逐步形成海量數(shù)據(jù)中心。二是分發(fā)需求頻繁，同一時間可能有很多用戶需調(diào)看同一個視頻資源。所以如將社會視頻資源采取云端接入的方式，需重點(diǎn)研究云存儲、云資源管理等技術(shù)，采用存儲技術(shù)可以解決海量視頻大規(guī)模存儲、管理問題，采用云預(yù)測技術(shù)可以為即將產(chǎn)生的資源需求進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測，為資源的動態(tài)調(diào)整做好準(zhǔn)備。

2 系統(tǒng)模型

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》 GB/T 28181-2016 和《安全防范監(jiān)控數(shù)字視音頻編解碼技術(shù)要求》GB/T 25724-2010 在應(yīng)用層面上展開研究，設(shè)計(jì)云端社會視頻資源接入系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在云端將社會視頻資源進(jìn)行整合實(shí)現(xiàn)云存儲、云共享、云備份，可對外提供流媒體大規(guī)模分發(fā)、云端存儲及回放、報警聯(lián)動、即時分享等核心功能，可為用戶提供安全可靠、高質(zhì)穩(wěn)定的云服務(wù)，該系統(tǒng)既能夠兼容現(xiàn)有的各類互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源系統(tǒng)的接入，又為即將新建的系統(tǒng)提供基于國標(biāo)的設(shè)計(jì)方案，確保后期與公安視頻傳輸網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的低成本對接。

該云端社會視頻資源接入系統(tǒng)可以市為單位，將全市范圍內(nèi)的社會視頻資源進(jìn)行統(tǒng)一匯聚，各類政府管理部門可通過云端社會視頻資源接入系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)管各自負(fù)責(zé)區(qū)域。第三方監(jiān)管機(jī)構(gòu)也可通過系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管。不改變現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源平臺建設(shè)的主體和方式，已建平臺通過低成本改造接入，未建平臺可直接接入。可將食藥監(jiān)、教育、旅游、消防等各領(lǐng)域視頻圖像，統(tǒng)一接入平臺中，完善全過程監(jiān)管，形成完整的管控體系，如圖1 所示。

通過云端社會視頻資源接入系統(tǒng)將社會視頻資源進(jìn)行整合接入，如圖2 所示，系統(tǒng)可對接入的視頻資源實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度及管理，針對不同傳輸協(xié)議、編碼格式的視頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一對其進(jìn)行云端轉(zhuǎn)碼、云端封裝、云端存儲及云端分發(fā)，并對用戶進(jìn)行分級分類管理。為了保證安全，在接入各類社會視頻資源時設(shè)置了安全防護(hù)區(qū)。同時，該系統(tǒng)還可依據(jù)公安視頻傳輸網(wǎng)邊界接入規(guī)范，通過安全邊界向公安視頻傳輸網(wǎng)等其他專網(wǎng)推送視頻數(shù)據(jù)，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。

圖1 云端社會視頻資源接入系統(tǒng)監(jiān)管體系結(jié)構(gòu)

圖2 云端社會視頻資源接入系統(tǒng)拓?fù)鋱D

云端社會視頻資源接入系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）云端社會視頻資源接入系統(tǒng)具有大容量、高并發(fā)、可融合、可擴(kuò)展等特性，是一個面向服務(wù)的綜合性系統(tǒng)，能夠充分滿足社會視頻資源海量后臺數(shù)據(jù)監(jiān)管的需求，如圖3 所示，該系統(tǒng)可以兼容多種協(xié)議的前端設(shè)備。

（2）云端社會視頻資源接入系統(tǒng)能夠兼容現(xiàn)有的各類互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源監(jiān)控畫面的接入，如圖4 所示，同時支持模塊功能接入，支持互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源平臺的接入。

圖3 各類協(xié)議設(shè)備

圖4 模塊功能接入

（3）云端社會視頻資源接入系統(tǒng)支持多級別、多類別的權(quán)限設(shè)置，如圖5 所示，在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)、功能和角色進(jìn)行定級分類，為每個級別分配不同的功能和數(shù)據(jù)權(quán)限，當(dāng)該系統(tǒng)與公安視頻傳輸網(wǎng)等專網(wǎng)對接時可以根據(jù)相關(guān)政策，為不同的級別用戶賦予相關(guān)系統(tǒng)角色，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，按權(quán)限向其他專網(wǎng)共享社會視頻資源，為信息共享提供保障。

（4）云端社會視頻資源接入系統(tǒng)本身符合國標(biāo)各類安全性協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供從后端到前端的完整行業(yè)技術(shù)方案，從系統(tǒng)性上保障了整體的技術(shù)路線方向與國家后期建設(shè)方向的一致性，不存在技術(shù)選型風(fēng)險。

圖5 多級別多權(quán)限設(shè)置

2.2 方案設(shè)計(jì)

本方案采用基于SVAC 編碼SVC（Scalable Video Coding，可伸縮視頻編碼，簡稱SVC）技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)碼流共享實(shí)現(xiàn)，完成實(shí)時點(diǎn)播中空域編碼能力的調(diào)節(jié)以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即通過控制視頻幀中基本層和增強(qiáng)層傳輸?shù)膶?shí)時變化來適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。基于支持多種傳輸方式、高并發(fā)、高性能碼流收發(fā)的基礎(chǔ)架構(gòu)，解決互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下SDP 消息內(nèi)容無法識別碼流身份的問題，實(shí)現(xiàn)更有效的碼流識別機(jī)制。設(shè)備目錄數(shù)據(jù)共享技術(shù)完成平臺間設(shè)備目錄數(shù)據(jù)相互獲取和推送各平臺設(shè)備列表，實(shí)現(xiàn)平臺間的設(shè)備狀態(tài)更新信息的實(shí)時報送。使用SIP 信令完成NAT 穿越，完成接入平臺對接入設(shè)備的控制及管理功能。

2.2.1 系統(tǒng)組成

云端社會視頻資源接入系統(tǒng)包括中心調(diào)度管理系統(tǒng)、云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)、云存儲系統(tǒng)、流媒體服務(wù)器集群、云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及其他業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，如圖6 所示。

（1）中心調(diào)度管理系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)云服務(wù)器資源的調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理，充分提升資源的使用效率。

（2）云轉(zhuǎn)碼模塊：主要負(fù)責(zé)在云端提供對視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效轉(zhuǎn)碼，將不同格式及協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指定的標(biāo)準(zhǔn)格式。

（3）云存儲系統(tǒng)：主要對海量視頻數(shù)據(jù)提供高性能、高可靠、安全、低成本的標(biāo)準(zhǔn)存儲服務(wù)。

（4）流媒體服務(wù)器集群負(fù)：責(zé)接收前端各類社會視頻資源以及社會視頻資源子系統(tǒng)推送的媒體流并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、存儲等操作。

（5）云數(shù)據(jù)庫：主要負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源接入系統(tǒng)中設(shè)備、用戶及其他相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集中存儲與管理。

（6）其他業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)GB/T 28181 協(xié)議與其他主流標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換與管理、互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源接入系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的設(shè)備目錄和設(shè)備狀態(tài)的同步與通信等任務(wù)。

圖6 云端社會視頻資源接入系統(tǒng)方案

2.2.2 系統(tǒng)價值

（1）兼容現(xiàn)有的各類社會視頻資源監(jiān)控畫面的接入。

云端社會視頻資源接入系統(tǒng)通過云轉(zhuǎn)碼、業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、設(shè)備目錄同步及碼流互傳，從而實(shí)現(xiàn)與已建設(shè)的非國標(biāo)互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺的對接，完成平臺間的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源共享。業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)中的信令轉(zhuǎn)換模塊中集成已建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源接入平臺的私有協(xié)議SDK，完成已建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺私有協(xié)議和國標(biāo)信令的轉(zhuǎn)換。向已建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺提供標(biāo)準(zhǔn)的REST 接口及集成SDK，完成互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源接入系統(tǒng)與已建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備目錄同步。向已建設(shè)的社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺提供標(biāo)準(zhǔn)碼流封裝SDK 和SVAC 編解碼插件，完成互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源接入系統(tǒng)與已建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源互聯(lián)網(wǎng)平臺的碼流共享。

（2）將建的社會視頻資源接入采用國標(biāo)接入。

對于即將建設(shè)的前端設(shè)備接入云端社會視頻資源接入系統(tǒng)則不再采用私有協(xié)議，而是遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》 GB/T 28181-2016 和《安全防范監(jiān)控數(shù)字視音頻編解碼技術(shù)要求》GB/T 25724-2010，完成對專網(wǎng)平臺的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行功能的升級。

（3）接入公安視頻傳輸網(wǎng)等其他專網(wǎng)。

云端社會視頻資源接入系統(tǒng)完成公共安全視頻圖像信息共享平臺UDP 視頻流與互聯(lián)網(wǎng)的TCP 視頻流的互轉(zhuǎn)，與公共安全視頻圖像信息共享平臺通過安全隔離設(shè)備或安全邊界互聯(lián)互通。通過用戶管理，支持多級別、多類別的權(quán)限設(shè)置，按權(quán)限查看共享互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.3.1 云平臺資源存儲

由于云端社會視頻資源接入系統(tǒng)重點(diǎn)匯聚視頻數(shù)據(jù)，而視頻數(shù)據(jù)是7×24 小時不間斷產(chǎn)生的，導(dǎo)致海量視頻數(shù)據(jù)的存儲需求激增，在傳統(tǒng)的社會視頻資源接入系統(tǒng)中，存儲方案均基于磁盤I/O，其工作性能受限于磁盤的讀寫性能，本文所設(shè)計(jì)的云端社會視頻資源接入系統(tǒng)中則采取了數(shù)據(jù)切片的方式，依據(jù)視頻數(shù)據(jù)的特征將其進(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)符合視頻數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)存儲策略將其分散存儲在云端的云存儲介質(zhì)中，該存儲系統(tǒng)的底層由索引服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，由一組存取訪問接口來對外提供存取服務(wù)，使得上層應(yīng)用與底層存儲分開，用戶在使用過程中無須了解底層實(shí)現(xiàn)，與使用普通存儲服務(wù)器操作相同。

2.3.2 云平臺資源分配

資源管理是所有云平臺面臨的關(guān)鍵問題，好的資源分配可以使得云端資源最大化利用，當(dāng)前很多云平臺均通過Openstack等項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)云基礎(chǔ)架構(gòu)，其本質(zhì)是以虛擬機(jī)的形式對外提供服務(wù)，這種方式的分配粒度較大，動態(tài)性較差，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的動態(tài)需求，極易造成資源浪費(fèi)。本文所設(shè)計(jì)的云端社會視頻資源接入系統(tǒng)通過深入分析視頻服務(wù)的特征，發(fā)現(xiàn)可將視頻應(yīng)用以微服務(wù)的方式進(jìn)行部署，并結(jié)合Docker 容器技術(shù)，使得資源的動態(tài)分配更加靈活。

3 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源系統(tǒng)中涉及多種資源接入方式，視頻編碼格式不統(tǒng)一，綜合管理平臺相互不兼容，導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間不能互聯(lián)互通，同時互聯(lián)網(wǎng)上社會視頻資源不能接入專網(wǎng)，已建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)社會視頻資源平臺不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，造成社會視頻圖像信息整合與共享工作無法有效推進(jìn)。本文遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《安全防范視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》 GB/T 28181-2016 和《安全防范監(jiān)控數(shù)字視音頻編解碼技術(shù)要求》GB/T 25724-2010，提出了一種云端社會視頻資源接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，該方案既能夠兼容現(xiàn)有的、已建的互聯(lián)網(wǎng)各類社會視頻資源系統(tǒng)的接入，又為新建系統(tǒng)提供基于國標(biāo)的設(shè)計(jì)方案，保證后期能夠跟其他公共安全網(wǎng)監(jiān)控體系無縫融合，形成完整的監(jiān)控監(jiān)管鏈條，建設(shè)完整的統(tǒng)一監(jiān)督、監(jiān)看、監(jiān)管系統(tǒng)。