数字电视技术在高清监控系统中的应用探讨

山东省枣庄广播电视台　李修刚



数字电视技术在高清监控系统中的应用探讨

山东省枣庄广播电视台李修刚

【摘要】随着高清监控技术的不断发展和进步，高清监控不只是IP的单独专项，监控设备和管理系统在应用和功能方面，不断融合广电技术。本文以广电MPEG-2、H.264编码技术，智能视频识别技术和全台网MSB技术在高清监控的应用为例，探讨广电数字技术在安防高清监控系统中的应用。

【关键词】IP监控；ASMF文件系统；MPEG-2；H264；最高有效位MSB

近年来的发展表明，随着网络和电视视频编码技术飞速发展，视频监控进入到网络化、智能化时代，与过去的监控相比智能分析和图像处理能力更加强大，基于网络和数字电视技术的高效监控管理软件实现应用服务的全数字化，为用户提供了更多智能视频分析和提前预警功能，很大程度上提高视频监控的效率。

1　高级媒体文件系统（ASMF）高码率可实现高清监控要求

在数字化进程中，数字信号的标准化是最重要的环节之一。MPEG-2的视频编码被分为三类，称为I帧，P帧和B帧，后缀“I”和“P”分别表示隔行扫描与逐行扫描，I帧图像利用单帧图像内的空间相关性，采用帧内编码方式，P帧和B帧图像利用空间和时间上的相关性，采用帧间编码方式。提高压缩和图像质量的方法是利用P帧图像前向时间预测的原理，意即P帧中的宏块既可以前向预测，也可以是帧内编码；B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。数字高清信号数字电视扫描线的分为1080P、1080I、720P，1080P是最高等级高清视频编码，逐行扫描可以获得更好的动态图像，这原本用于广电行业的高清视频标准目前已被视频监控行业作为公认的技术标准而普通沿用。

在编码格式MPEG-2、MPEG-4、H.264和VC-1这四种算法中。H.264编码效率是最高的。在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍，所以H.264有很高的数据压缩比率。H.264高的压缩比，主要是低码率起的作用，下载时间和数据流量收费将降低很多。高质量流畅的图像、高压缩的视频数据，占用传输带宽小，因此更加经济有效。

上述由ITU-T或ISO/IEC标准化组织制定的视频压缩编码标准是一个规范了压缩码流数据结构的开放式标准，可以提供给研究和开发者更多关键技术的创新空间。如消除空间相关性的变换编码技术、帧内预测编码技术，消除时间相关性的帧间预测编码技术都被应用在这些标准中。此外，H.264标准中采用帧内预测技术，更小块整数变换技术等。通过运动估计的帧间预测编码技术消除了时间冗余，前向、后向和双向预测技术解决了运动对象移动引起的遮挡、覆盖等问题，进一步提高压缩包。视频监控主要采用H.264标准。（见图1）

图1　MEPG-2帧间结构

高效全格式帧精确编解码的技术是高清安防系统关键。MPEG-2编码标准制定了标清和高清数字电视的压缩方案和规范，其码率上限可达100Mbt/s，所以MPEG-2除适用于广播级的编码，更适用监控的10Mbps的高码率要求。

图像中大量的冗余信息是由于MPEG-2压缩编码的空间和时间的相关特性所致，在传输中去除多余的冗余信息，保存少量非相关信息，可以节省传输带宽。在接收端依照非相关信息的解码算法，可以还原图像。尽可能有效地去除图像中的冗余信息就是好的压缩编码。

在播出和非线性编辑系统中，采用帧间压缩的方式MPEG-2，帧内压缩由I帧的来处理，通过前后预测获得B帧和P帧，较高的压缩比数据量也较小，因此，由帧之间的时间相关性即可得到传输和运算的数据。MPEG-2在非线性编辑系统得到普及和应用，节约了人员和编辑设备的成本，实现了精确快速搜索包括连续回放和逐帧倒放等。MPEG-2的解压缩标准是开放和兼容的，压缩数据的压缩器件和解压缩器可由不同厂家设计和制造，能过保证各设备之间通用。

目前采用纯以太网组建非线性编辑网络系统是最为成熟的网络，加上有比较完善的管理系统，性价比较高。

H.264实现了毫秒级的帧精确定位，能够满足安防监控秒级检索定位。

高码率表征了高清晰度，较高安全性、实效性和可靠性是高码率数据存储的基本要求，文件格式MXF就符合这项要求。

能够满足广播制作的所有需求的文件外壳格式目前还没有。MXF设计为能够允许不同的公司间不需依赖特定的文件格式就能交换资源，满足绝大数新旧的媒体交换的需求。媒体在不同的载体上交换是我们的愿望，如音视频服务器、存储系统、编辑工作站、录像设备、流媒文件格式等。无疑MXF解决了这些问题。而苹果公司著名的非编软件Final Cut Pro最新推出的5.0版本中，可以直接导入MXF。

发送端和接受端设备必须支持相同的音视频压缩、无压缩格式和数据格式才是真正的兼容。不断增加新的MXF支持的格式可以支持各种业务的要求，MXF的特性被MXF的操作规范定义了多种，如压缩类型、数据结构等，如一个规范支持DV和多轨音频格式，另一种规范则支持D10 MPEG-2格式等。MXF的全兼容，是继续努力发展的方向。

对音视频设备和非线性设备的升级就要率先用到MXF。MXF作为存储格式使用时，要与其他文件格式能够共存，并把这些格式转化为MXF格式来使用，MXF真的普及有待时日（见图2）。

图2　ASMF高级媒体文件格式

把ASMF文件核心技术中的平行域架构、多级金字塔索引架构、虚拟存储条带、N+M备份策略等多种技术引进系统管理平台当中，可使各监控系统互联互通、并可进行秒级海量数据检索以及监控系统的平滑升级。

多级金字塔式索引技术。智能监控采用了多级金字塔式超级索引，运用ASMF文件技术，通过数据库、存储服务器、文件的三级索引，实现视频图像的秒级回放的速度。多级金字塔式超级索引技术在定位时采用逐层分段查询方式，不需要分析整个索引，就能够快速找到文件中的任意帧及视频段，极大地提高文件定位和响应速度；ASMF文件完全独立于操作系统，直接对磁盘进行读写操作，具有极高的I/O读写性能，可控多个高清摄像头，海量存储、20PB数据检索实现秒级检索回放。

无限扩展的虚拟存储条带技术。智能监控集成管理平台提供了虚拟存储条带技术，所谓虚拟存储条带技术，就是通过精确核算，将一定规模的摄像头、对应容量的存储单元，和存储流媒体服务器关联起来，构成一个基本单元，这个基本单元就是虚拟存储条带，虚拟存储条带可以无限扩展，满足监视监控系统的无缝扩容，能够支持从几十路到数万路摄像头的无缝搭建，从而构建大型、超大型监控系统，虚拟存储条带既相对独立，又被管理平台统一管理，统一调度。

2　智能识别技术在视频监控的应用

智能视频分析技术主要包括图像处理、跟踪技术、模式识别、数字信号处理等系统通常都具有以下功能：

（1）图像采集与还原。监控采集图像信号通常是以压缩流的形式存在，可以将图像流解压还原成原始图像格式后再进行分析。对于图像处理系统来说，在接收到视频图像后，对计算机而言只是一个数据数列，视频识别技术便是为了通过特定的核心算法程序提取视频信号中所包含的内容信息，以实现计算机对于视频的“理解”，让计算机能“明白”视频中所展现的是什么内容或者发生的是什么样的“事件”。

（2）对动态物体检测捕捉。系统采用高清的IP摄像头和高速的视频抓取、跟踪和图像质量评估算法，保证了所采集图像为高质量的清晰图，使监控人员能够在不身处现场的情况下通过摄像头看到现场的情景，而这一现场还由于传输技术的进步通过数字网络传输视频摆脱了地域的限制；而视频分析技术则给监控系统加上了“大脑”，使机器能够代替人来随时监看这些视频，无须再由人工随时去监看这些视频。

（3）多个物体跟踪技术。跟踪就是把发现的同一物体每一帧沿时间顺序串起来，在多个运动物体，多个相机之间互相影响情况下进行有效检测。利用先进的识别算法为基础，通过高性能超级图形计算，能对高清视频实时全帧分析，多种算法相结合，对目标多维度进行比较识别，能有效提高识别的准确度，减少误报干扰。

在广电领域中，体育节目制作部门会经常制作一个足球精彩射门集锦，以前都是通过制作人员逐个浏览足球赛录像资料，将其中的精彩片段剪辑到一起，非常耗时，工作效率非常低。后来广电设备厂商针对这个问题研发了一个足球精彩度分析智能算法，能自动分析录像中足球射门镜头，并这些镜头自动剪辑成一个短片，制作人只需对剪辑完成的短片做出简单调整就可播出，极大地缩短了节目制作周期。这里的足球精彩度分析智能算法其实就是安防领域中提到的视频智能算法，通过识别画面中的人群密度，足球运动速度、球门的特征和守门员特殊的服装颜色等参数准确识别出射门的精彩镜头。

3　MSB在全台网络及视频监控中的应用

当前安防网络化的重点侧重在多个监控子系统间的联网，监控与相关业务、与工作流程的结合还比较少。在这方面，广电领域的MSB（媒体服务总线，见图3）高清全台网的技术体系架构就与用户的业务和流程结合的较好，通过在中央电视台、奥运会等项目的运用，取得了不错的效果，非常值得在设计视频监控系统时借鉴。

图3　MSB广播电视全台网的技术体系架构

将“松耦合”网络技术应用于电视节目生产业务系统，使得子系统能够相对独立的建设和运行，降低存储压力和网络带宽要求。系统以媒体资产管理技术作为系统核心，为全台业务系统提供了资料的归档、管理、再利用和数据交换，实现全台共享资源，为用户权限认证、生产进程控制等提供支撑。系统应用全程非线性工作技术，使得资料从收录或上载开始，就工作在非线性文件模式中，实现全程无带化文件工作方式。

采用工作流引擎驱动的流程管理技术，系统能够灵活高效地管理和控制各个业务流程，提高了管理水平和工作效率。应用演播室网络播出技术、后台整理技术和后台合成服务器技术，实现全台演播室播出网络化。以媒体服务总线的软件架构、基于FC协议和SNFS文件系统二次共享为基础的柔性可扩充网络构建的信息整合平台，实现了系统间的互联互通。通过控制矩阵切换，实现演播室与播出服务器的“多对多”的工作模式。OA应用与非线性编辑技术的有机融合实现办公与生产整合后的桌面终端。

全台网基于SOA架构设计，引入MSB媒体服务总线旗下的ESB和EMB两大企业系统集成利器，对各系统进行松耦合的互联；同时各应用系统的高内聚设计特性保证其可以完整独立运行。MSB媒体服务总线是构建全台业务主干支撑平台。借助MSB，可以实现电视台多个业务系统间元数据、媒体数据和流程的互联互通，实现业务流程的高效管理和有效监控。为用户提供一个高可靠性的文件存储环境，保障用户的业务流程可靠、安全，保障业务的安全完整。这一架构的全台网络增强了视音频应用系统安全高效的运行能力，满足广电用户大数据量、高带宽、快速响应的要求。

4　结束语

高清数字监控系统是信息时代发展的产物。监控系统采用数字电视技术技术，使数字监控系统技术上了一个新台阶。高清数字监控系统已成为行业安保管理系统重要环节，结合无线、移动通信的快速发展，以视频技术为核心的无线多媒体传感网得到人们的普遍关注，共同推动智能高清监控时代的来临。

参考文献

[1]杜百川.数字电视[M].中国电子学会广播电视技术分会,1998.

[2]《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395-2007[S].

李修刚（1967－），男，山东枣庄人，工程师，现供职于枣庄广播电视台，从事广播电视技术方面工作及研究。

作者简介：