數(shù)字視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究

數(shù)字視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究

圖像分辨率無(wú)疑是監(jiān)控?cái)?shù)字視頻的系統(tǒng)最重要的特征。圖像解析度越高則圖像就越清晰,細(xì)節(jié)就越明顯,觀看的效果就越好,其在智能視頻監(jiān)控方面應(yīng)用的準(zhǔn)確度與利用價(jià)值也就越高。高清視頻有常見(jiàn)的三種分辨率,分別是:視頻編碼格式,720P(1280×720P)線;視頻編碼格式,1080i(1920×1080i)隔行;視頻編碼格式,1080P(1920×1080P)逐行。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字高清視頻資源以720P和1080P是最常見(jiàn)的,這是作為一個(gè)高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高清部分已普遍采用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。一、對(duì)現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求數(shù)字視頻圖像的清晰度是視頻監(jiān)控系統(tǒng)永無(wú)止境的追求目標(biāo),但作為一個(gè)數(shù)字高清視頻,所需的存儲(chǔ)空間越來(lái)越大,幾個(gè)GB到幾十個(gè)GB甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)GB的文件,對(duì)現(xiàn)有的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)是常見(jiàn)的基本需求。大量的視頻文件不僅對(duì)存儲(chǔ)容量,且對(duì)后端存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)性能和可靠性提出了更高的要求。(一)錄像文件的存儲(chǔ)高清數(shù)字化視頻在經(jīng)過(guò)不同階段的編碼處理以后,依據(jù)碼率不同,有不同的碼率要求?？偟膩?lái)說(shuō),高清數(shù)字視頻的碼率在4MB和20MB之間,所采用的壓縮效率和壓縮的方法是不同的,這使得最終的文件大小約為2～10GB/小時(shí),為此便產(chǎn)生了對(duì)超大存儲(chǔ)空間的要求。當(dāng)然一般意義上的視頻,壓縮模式不同,占用的存儲(chǔ)空間非常小,本文主要簡(jiǎn)單地討論一下高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)錄像文件的存儲(chǔ)空間。高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng),考慮到經(jīng)濟(jì)方面的因素,應(yīng)用高清數(shù)字化監(jiān)控視頻壓縮率會(huì)比較高,例如:單路720p高清視頻數(shù)字視頻的錄像存儲(chǔ)容量可壓縮到2GB/小時(shí)左右,而日常的監(jiān)控系統(tǒng)中攝像機(jī)的數(shù)目乃是成百上千臺(tái),因此這種應(yīng)用將需要更多的存儲(chǔ)設(shè)備和更大的存儲(chǔ)空間來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。以這個(gè)為背景,以1路視頻錄像至少1個(gè)月的時(shí)間來(lái)節(jié)省計(jì)算所需的空間,可以得到這樣的數(shù)據(jù):2GB/小時(shí)×24小時(shí)×30天×1路=1440GB/1024≈1.4TB。每保存1路視頻的錄像至少必需1.4TB以上的凈存儲(chǔ)容量,那么計(jì)算一個(gè)擁有千路高清數(shù)字化攝像機(jī)(IPC)的視頻監(jiān)控系統(tǒng),如果該系統(tǒng)的錄像保存時(shí)間按30天來(lái)計(jì)算,則該系統(tǒng)所需的最少存容量(空間)是1400TB,即1.4PB。(二)數(shù)據(jù)安全功能高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在獲得更高畫(huà)質(zhì)的同時(shí),所面對(duì)的問(wèn)題是跟著視頻流編碼的壓力增大,一樣的存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)數(shù)量也有所增加,這就需要存儲(chǔ)設(shè)備能夠基于高解晰度數(shù)字視頻碼流的特點(diǎn),可以高效、充分地實(shí)現(xiàn)大容量、大并發(fā)數(shù)據(jù)的疾速、安全地寫(xiě)入。同時(shí),高清數(shù)字化視頻的存儲(chǔ)將改變以往監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)設(shè)備本地存儲(chǔ)為主的特性,進(jìn)而將數(shù)據(jù)集中到一處存儲(chǔ),這就要求必須對(duì)大量的高清數(shù)字化視頻錄像中的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速檢索和獲取。(三)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的用戶主要是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的用戶高清數(shù)字視頻監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,它的主要功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù),盡管服務(wù)器主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的損傷可以修復(fù),而數(shù)據(jù)丟失或被盜是無(wú)法挽回的,這包括數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性、恢復(fù)、冗余和不間斷性。二、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清視頻監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方法有集中式保存和分布式保存,分布式保存更多的集中于點(diǎn)位分散規(guī)模不大的應(yīng)用場(chǎng)所,產(chǎn)品主要體現(xiàn)在數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)或稱之為網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)上面,根據(jù)不同系統(tǒng)采用不同的視頻存儲(chǔ)設(shè)備。在大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心,更多的是采用集中式存儲(chǔ)對(duì)視頻錄像進(jìn)行保存,常規(guī)采用可擴(kuò)展的磁盤(pán)陣列/存儲(chǔ)集群來(lái)對(duì)大量的視頻錄像進(jìn)行存儲(chǔ)。(一)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器存儲(chǔ)分布式存儲(chǔ)是一種分布式存儲(chǔ)系統(tǒng),它分布存儲(chǔ)在多個(gè)獨(dú)立的分布式設(shè)備中,它采用可擴(kuò)展的架構(gòu),共享存儲(chǔ)負(fù)載使用多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)定位存儲(chǔ)在不同位置的存儲(chǔ)設(shè)備信息,這不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和訪問(wèn)效率。分布式視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此種存儲(chǔ)形式主要適應(yīng)于:在監(jiān)控系統(tǒng)前端采用一定存儲(chǔ)容量的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR),所有需要的視頻錄像均保存在前端網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)的存儲(chǔ)介質(zhì)中,終端的后臺(tái)軟件可以管理和維護(hù)前端多臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)設(shè)備,包括這些網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)設(shè)備的存儲(chǔ)數(shù)據(jù),如錄像的轉(zhuǎn)存、刪除和調(diào)閱、回放等功能。此存儲(chǔ)系統(tǒng)中,當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)量極多,在需要存儲(chǔ)空間相當(dāng)大的情況下,就會(huì)產(chǎn)生由于存儲(chǔ)分散而導(dǎo)致難以維護(hù),由于專業(yè)化程度不高,整個(gè)系統(tǒng)的可靠性不高,導(dǎo)致整體系統(tǒng)存儲(chǔ)的利用率偏低,存儲(chǔ)的擴(kuò)展性不是太好。(二)網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控管理隨著電子科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展,高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)(IPC)作為監(jiān)控點(diǎn)的視頻采集設(shè)備,高清數(shù)字化視頻錄像的存儲(chǔ)過(guò)程更多的是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量視頻數(shù)據(jù)的傳輸,然后在后端采用專用的大容量存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字化視頻錄像的存儲(chǔ)。集中式存儲(chǔ)是指在后端的監(jiān)控管理中心利用視頻管理服務(wù)器和磁盤(pán)陣列等存儲(chǔ)設(shè)備,構(gòu)建起來(lái)的一個(gè)大型的存儲(chǔ)、管理的核心,把前端所有網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)(IPC)的視頻信號(hào)通過(guò)項(xiàng)目構(gòu)建的視頻傳輸網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理控中心,進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理集中式視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。前端網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(IPC)采集視頻后,通過(guò)其內(nèi)部的高清數(shù)字化視頻編碼器把高清的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并通過(guò)視頻以太網(wǎng)交換機(jī)和項(xiàng)目構(gòu)建的視頻傳輸網(wǎng)直接將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心,通過(guò)視頻管理服務(wù)器處理,保存在一個(gè)專用的存儲(chǔ)陣列中。經(jīng)由用戶發(fā)出查詢調(diào)閱視頻錄像的請(qǐng)求,通過(guò)視頻管理服務(wù)器處理轉(zhuǎn)發(fā)并將存儲(chǔ)中的錄像碼流反饋給用戶,以實(shí)現(xiàn)高清視頻錄像的檢索和回放。在一個(gè)大型的高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,前端網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字化攝像機(jī)(IPC)的數(shù)量龐大,因此在擴(kuò)展規(guī)模的形式上,高清晰度數(shù)字視頻監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)常采用靈活的結(jié)構(gòu),能夠隨時(shí)增添存儲(chǔ)設(shè)備,只要在帶寬允許的前提下,便能夠最大限度地提高系統(tǒng)效率。(三)以集群存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)的比較1、集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理視頻數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心后端采用磁盤(pán)陣列這一大型存儲(chǔ)設(shè)備可以對(duì)所有的高清視頻錄像進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ),這樣可有效地降低前端監(jiān)控視頻存儲(chǔ)設(shè)備被損失所造成的影響,提高視頻錄像資料的安全保存,同時(shí),統(tǒng)一管理視頻數(shù)據(jù),可最大限度地發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)縱纜全局的作用。2、錄像視頻監(jiān)控系統(tǒng)丟失傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)錄像存儲(chǔ)方式缺乏技術(shù)冗余或數(shù)據(jù)備份手段,網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)的硬盤(pán)出現(xiàn)故障后相關(guān)錄像數(shù)據(jù)會(huì)丟失。磁盤(pán)陣列作為專業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備,可靠性要遠(yuǎn)高于網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR),通過(guò)其冗余數(shù)據(jù)保護(hù)、硬盤(pán)熱備份、在線維護(hù)和冗余備份等技術(shù),極大地提高了視頻錄像資料保存的安全性和穩(wěn)定性。3、存儲(chǔ)方式分類視頻的長(zhǎng)期保存是確保對(duì)事故的調(diào)查提供了強(qiáng)有力的證據(jù),事故發(fā)生后,在網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)內(nèi)置硬盤(pán)錄像存儲(chǔ)的存儲(chǔ)空間是有限的,無(wú)法滿足海量的高清視頻存儲(chǔ)要求。而磁盤(pán)陣列單臺(tái)設(shè)備提供了上千GB的存儲(chǔ)空間,通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式,存儲(chǔ)空間的擴(kuò)容相當(dāng)方便,能夠滿足超大的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求。以網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(NVR)為代表的分布式存儲(chǔ)架構(gòu):主要針對(duì)中小型的監(jiān)控環(huán)境,如園區(qū)、酒店等;以磁盤(pán)陣列為代表的集中式存儲(chǔ)系統(tǒng),其經(jīng)常應(yīng)用于大型的監(jiān)控系統(tǒng),采用集中式存儲(chǔ)架構(gòu)。存儲(chǔ)產(chǎn)品采用開(kāi)放式存儲(chǔ)架構(gòu),具有良好的靈活性,可以定制和嵌入式硬件和軟件,可以實(shí)現(xiàn)融合監(jiān)控平臺(tái)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、管理和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單。綜上所述,分布式存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)這兩種存儲(chǔ)方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):從存儲(chǔ)過(guò)程的可靠性及便捷性上看,分布式存儲(chǔ)更加可靠、更加便捷,因?yàn)樗恍枰獋鬏斁W(wǎng)絡(luò)的支持,不受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制和網(wǎng)絡(luò)故障的影響,而集中存儲(chǔ)則土要依賴于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高清數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸;從存儲(chǔ)高清視頻數(shù)據(jù)的安全性,重點(diǎn)放在存儲(chǔ)由于使用專用的磁盤(pán)陣列,所以它不容易損壞,在安全方面有了很大的提高;從管理的角度來(lái)看,集中存儲(chǔ)更簡(jiǎn)單,易于管理。集中式存儲(chǔ)一次性采購(gòu)成本較高,分布式存儲(chǔ)只需要增加存儲(chǔ)介質(zhì),在采購(gòu)成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而在現(xiàn)有和未來(lái)的大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,往往是采用兩種存儲(chǔ)模式混合的存儲(chǔ)架構(gòu),即分布式存儲(chǔ)與集中式存儲(chǔ)并存。三、存儲(chǔ)設(shè)