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基于AVS的高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術簡析

AVS是構建我國“技術→專利→標準→芯片與軟件→整機與系統(tǒng)制造→數(shù)字媒體運營”的產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)物,廣泛應用于廣電、通信、安防、娛樂各領域,技術水平與H.264 相當,突出優(yōu)點是專利使用費極低(此為AVS首要核心競爭力)...

  AVS現(xiàn)狀

  AVS(audiovideocodingstandard)是我國自主制定的第二代數(shù)字音視頻信源標準,于2008年3月作為國標正式實施。AVS是構建我國“技術→專利→標準→芯片與軟件→整機與系統(tǒng)制造→數(shù)字媒體運營”的產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)物,廣泛應用于廣電、通信、安防、娛樂各領域,技術水平與H.264相當,突出優(yōu)點是專利使用費極低(此為AVS首要核心競爭力)。

  AVS產(chǎn)業(yè)化剛剛起步,與形成壟斷的MPEG-4和H.264相比差距甚遠。AVS規(guī)劃的重點市場為IPTV(互動電視)、數(shù)字電視、手機電視、安防監(jiān)控,目前AVS產(chǎn)業(yè)化僅在IPTV上取得了局部的有限進展,關鍵在于 AVS屬于非強制標準,深入研究開發(fā)該標準的企業(yè)極少,特別是由于缺少成熟的案例,用戶對AVS的可靠性、穩(wěn)定性、成本方面心存疑慮。正如工信部產(chǎn)品司白為民處長所述:“AVS標準的產(chǎn)業(yè)化確實碰到了問題,現(xiàn)在我們要選擇一個大家能接受、能動起來的突破口”。中科院計算所上海分所所長、上海AVS產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)起人孔華威等一批專家認為,“安防市場或許能成為AVS產(chǎn)業(yè)化的一個切入口”。

  針對安防行業(yè)需求,AVS工作組擴展了面向安防的數(shù)字音視頻監(jiān)控標準(AVS-S)。相對于現(xiàn)存標準如MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC(簡稱AVC,也稱JVT、H.264)及其它私有標準而言,其最大優(yōu)點就是能夠滿足目前安防產(chǎn)業(yè)的特殊需求,以解決阻礙國內(nèi)安防產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的專利壁壘等問題,為安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的契機。

  競爭形勢分析

  就目前情況而言,對于AVS產(chǎn)品的競爭從本質上說均為來自標準的競爭。網(wǎng)絡視頻技術主要有傳輸技術和信源編碼技術兩大部分,AVS屬于信源編碼標準。在核心技術上,AVS與H.264都采取了類似的技術框架,均屬于最先進的第二代信源標準。就技術而言,AVS主要是和H.264競爭。

  (一)綜合技術水平比較

  AVS和H.264各有所長,水平相當。在性能上,AVS稍弱于 H.264:變塊大小運動補償AVS較H.264下降約為0.1dB,熵編碼AVS下降約為0.5dB,變換和量化AVS提高大約0.1dB,B幀宏塊直接編碼模式AVS提升大約0.2~0.3dB,其余性能大致持平。在復雜度上,AVS優(yōu)勢明顯:幀內(nèi)預測AVS較H.264降低約為50%,幀間預測 AVS存儲空間降低50%以上,變塊大小運動補償AVS節(jié)省30%~

  40%,B幀宏塊雙向預測模式AVS最大降低50%,1/4像素運動補償AVS節(jié)省30%的存儲器訪問量,環(huán)路濾波AVS降低50%。AVS吸收了H.264的精華,但為了繞過專利的困擾,又放棄H.264的一些核心算法。

  在壓縮及回放效果上,AVS相比H.264在相同碼率下的峰值信噪比(PSNR)平均有大約0.11dB的損失。而在主觀測試上,對比國家廣電總局廣播電視規(guī)劃院的《AVS視頻壓縮質量主觀評價》測試報告與MPEG標準組織對MPEG-4AVC/H.264的測試報告,AVS碼率為現(xiàn)行MPEG-2標準的一半時,無論是標準清晰度還是高清晰度,編碼質量都達到優(yōu)秀。

  碼率不到其三分之一時,也達到良好到優(yōu)秀。

  (二)產(chǎn)業(yè)化水平比較

  在目前上下游產(chǎn)業(yè)鏈中,無論是從芯片廠商支持,還是市場上已有的產(chǎn)品,AVS都大大落后于H.264。這是AVS推廣最大的軟肋!

  (三)專利費用比較

  AVS大大低于H.264。H.264不但對設備廠商收取費用,對終端客戶也收取專利費用,且費用高昂(如廣電用戶,每用戶每年收費14.6美元)。而AVS只對設備廠商對每臺設備收取專利費1元人民幣,不對運營商與最終用戶收取。[nextpage]

  面對H.264高昂的專利費用及巨大的國內(nèi)市場,越來越多的芯片廠商已經(jīng)推出了支持AVS的視頻解碼芯片(如前所述)。這意味著廠商對于AVS的愿望,也成為AVS產(chǎn)業(yè)化更為現(xiàn)實的基礎。

  由于AVS還未正式成為國際標準,H.264及MPEG-4卻早已瓜分了市場,目前能夠支持AVS的芯片為數(shù)甚少,基于此類芯片專門開發(fā)的產(chǎn)品并批量投放市場的更是少之又少!基于AVS標準的高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計如果能夠采取“站到巨人肩膀上”的策略,在前端產(chǎn)品方面重點針對“AVS高清IP攝像機”(全高清,F(xiàn)ullHD1080p)進行開發(fā)研究,在傳輸系統(tǒng)方面重點提升流媒體轉發(fā)服務的速度和可靠性,在后端重點開發(fā)真正高兼容性、智能化的平臺軟件,就完全可能在安防行業(yè)的下一步發(fā)展中取得先機。

  基于AVS高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的一種思路

  “基于AVS的高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)”可以在視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)上,通過技術創(chuàng)新,研究、開發(fā)出具有核心地位和引領作用的核心產(chǎn)品。一種解決思路是:前端產(chǎn)品采用“AVS高清IP攝像機”,傳輸產(chǎn)品采用“嵌入式流媒體轉發(fā)服務器”,后端產(chǎn)品采用“基于AVS標準的高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控軟件平臺”等。

  (一)“AVS高清IP攝像機”重點應解決的技術問題:

  重點需解決基于AVS的高清視頻處理算法問題和硬件優(yōu)化組合問題。在高清視頻處理算法問題上,可以采用目前的主流算法,并針對AVS的特點進行調(diào)整和優(yōu)化。在硬件優(yōu)化組合方面,可采用500萬像素的CMOS逐行掃描感光元件,配合優(yōu)質算法和濾波技術,形成最高支持FullHD(1920*1080)分辨率的視頻。此外,還可以采用DSP+FPGA結構,構成低成本高性能的 AVS編解碼系統(tǒng)(具體:把成熟而價廉的TMS320C6454與XC3SD3400A結合使用,利用FPGA作為協(xié)處理器,為DSP進行AVS編解碼的并行運算,把DSP的資源豐富與FPGA的并發(fā)處理有機整合)??梢栽诔杀驹黾虞^小的基礎上,較好地解決處理高清AVS硬件平臺的難題。

  (二)“嵌入式高性能流媒體轉發(fā)服務器”重點應解決的技術問題:

  重點需解決Linux系統(tǒng)裁減、流媒體轉發(fā)服務算法問題。

  網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中,多用戶同時訪問是極其常見和必然的。

  可以通過流媒體視頻轉發(fā)和協(xié)議轉換技術,解決以下三個問題:

  熱點連接時多用戶多通道的交叉訪問帶來的網(wǎng)絡帶寬和中心系統(tǒng)負荷問題;

  不同廠商不同壓縮格式的視頻交換問題;

  不同廠商不同設備的控制協(xié)議轉換問題。

  目前的流媒體轉發(fā)服務幾乎無一例外地采用了流媒體轉發(fā)軟件,該軟件運行于Windows操作系統(tǒng)之上(PC式流媒體轉發(fā)服務器),采用經(jīng)過裁減的Linux內(nèi)核,使得整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與可靠性,資源利用率大幅度提高。[nextpage]

  通過采用基于線程池技術的系統(tǒng)任務調(diào)度、多網(wǎng)卡匯聚及平衡的任務調(diào)度算法、智能空間分配存儲技術、可調(diào)帶寬/幀率的智能流技術等關鍵技術,使得流媒體服務器具有較高的系統(tǒng)吞吐率。相關技術簡介如下:

  基于線程池技術的系統(tǒng)任務調(diào)度:線程池技術通過對多個任務重用線程,線程創(chuàng)建的開銷被分攤到了多個任務上。其好處是,因為在請求到達時線程已經(jīng)存在,所以無意中也消除了線程創(chuàng)建所帶來的延遲。這樣,就可以立即為請求服務,使應用程序響應更快。而且,通過適當?shù)卣{(diào)整線程池中的線程數(shù)目,也就是當請求的數(shù)目超過某個閾值時,就強制其它任何新到的請求一直等待,直到獲得一個線程來處理為止,從而可以防止資源不足。

  異步通訊模式下的單線程并發(fā)訪問量是有限的,為了提高轉發(fā)服務器的并發(fā)訪問數(shù)量,系統(tǒng)使用一個具有多個通訊線程的線程池來負責與客戶端進行通訊。通過使用線程池技術,在保證轉發(fā)服務器的數(shù)據(jù)吞吐量的同時,提高了系統(tǒng)的并發(fā)訪問數(shù)量,在網(wǎng)絡帶寬足夠的情況下,可以顯著的提高流媒體轉發(fā)服務器的處理能力。

  多網(wǎng)卡匯聚及平衡的任務調(diào)度算法:當流媒體轉發(fā)服務器工作在多網(wǎng)卡匯聚模式下時,基于優(yōu)先級和系統(tǒng)吞吐量的實時任務調(diào)度算法將根據(jù)各網(wǎng)卡的實時負載情況平均分配各塊網(wǎng)卡的并發(fā)訪問數(shù)與數(shù)據(jù)吞吐量,以盡可能的平衡各網(wǎng)卡的網(wǎng)絡負載情況。

  智能空間分配存儲技術:在實現(xiàn)流媒體存儲時,合理分配磁盤存儲空間,以完成流媒體文件的物理流式存儲。對存儲空間分配達到最優(yōu)化利用,減少冗余存儲空間。設計了多緩存和任務隊列機制,以達到流媒體文件的合理共享傳輸和存儲。在借鑒比特彗星(Bitcomet)的智能存儲技術基礎上,提出了流媒體應用的智能存儲解決方法。

  可調(diào)帶寬、幀率的智能流技術:根據(jù)網(wǎng)絡帶寬和狀況的變化,智能選擇 TCP、UDP、組播等傳輸方式。通過調(diào)整編碼質量、幀率、I幀間隔等方式來調(diào)度碼流帶寬適應復雜網(wǎng)絡狀況。采用反饋技術來實現(xiàn)碼流和網(wǎng)絡狀況的實時調(diào)整。該技術在國內(nèi)屬于首創(chuàng),國外RealNetworks公司的SureStream實現(xiàn)了自適應流技術,和本技術內(nèi)容接近。本技術中的智能選擇傳輸方式和調(diào)整幀率、I幀間隔技術優(yōu)于SureStream技術。

  就傳輸系統(tǒng)而言,一方面需要期待傳輸介質的創(chuàng)新與提升,另一方面需要對傳輸方式及相應產(chǎn)品進行創(chuàng)新與提升。就可行性而言,目前的安防企業(yè)大概只能選擇第二條路徑。例如,目前市場上進行流媒體轉發(fā)的產(chǎn)品全部采用在PC機上運行流媒體轉發(fā)服務軟件的形式,在轉發(fā)吞吐率、資源利用率、可靠性等各個方面都存在著顯著差距。如果采用基于Linux裁減技術、嵌入式架構的專用流媒體服務器,在同樣成本下,其功能,在性能將獲得大幅度提升,尤其在運行的穩(wěn)定與可靠性方面將產(chǎn)生質的飛躍。

  (三)“基于AVS標準的高清網(wǎng)絡視頻監(jiān)控軟件平臺”重點應解決的技術問題:

  解決平臺軟件對不同廠家設備的兼容性問題,并根據(jù)技術的發(fā)展逐步添加各種專用的、針對視頻圖像的智能分析模塊。平臺軟件主要由管理服務端軟件、監(jiān)控客戶端軟件、流媒體存儲服務軟件等3個主要模塊組成。

  管理服務端軟件主要實現(xiàn)對數(shù)字多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的集中監(jiān)控、管理,采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設備檔案、運行參數(shù)、賬戶權限等,提供給后臺客戶端播放軟件數(shù)據(jù)服務、加密服務接口,采用多線程、多任務機制實現(xiàn)了報警信息的實時處理。主要功能包括:現(xiàn)場管理、賬戶權限管理、報警管理、系統(tǒng)設置等功能。

  客戶端監(jiān)控軟件主要用于控制前端設備、預覽視頻、查看報警日志、語音對講、電子地圖導航、球形機預置點設置、錄像、拍照等功能。通過客戶端監(jiān)控軟件可以控制前端監(jiān)控設備。

  流媒體存儲服務軟件實現(xiàn)了在流媒體存儲服務器上的大容量流媒體數(shù)據(jù)存儲,該軟件支持長時間7×24不間斷流媒體循環(huán)存儲,流媒體存儲服務軟件將流媒體文件屬性信息存儲在系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫上,當數(shù)據(jù)庫服務器宕機時可存儲在本地。當磁盤出現(xiàn)故障后,硬件修復后流媒體存儲服務軟件可完成故障恢復,釋放故障空間。

  結束語

  現(xiàn)代視頻監(jiān)控技術發(fā)展趨勢是數(shù)字化、網(wǎng)絡化、高清化、智能化,其市場規(guī)模以及應用面都在迅速擴大。AVS(audiovideocodingstandard)作為我國自主制定的第二代數(shù)字音視頻信源標準,其推廣應用是我國振興民族產(chǎn)業(yè)的重要舉措之一。AVS的產(chǎn)業(yè)化遇到了瓶頸,安防行業(yè)或許是一個和有希望的突破口。如能“站在巨人的肩膀上”,在前端產(chǎn)品、傳輸系統(tǒng)、后臺系統(tǒng)的關鍵點上實施有效地突破,AVS首先通過安防(視頻監(jiān)控)行業(yè)撕開H.264及MPEG-4業(yè)已形成的壟斷壁壘將不是一句空話。

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