基于有线电视网的智能视频监控能耗优化技术研究

孙护军

(西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077)

1 引言

近几年来，信息产业受云计算的巨大影响，基于有线电视网的智能视频监控也产生了本质改变，从原来的区域性安全防护逐渐渗透到环境保护、交通安全、连锁机构管理、检验检疫等更多的领域中[1]。基于云架构的智能视频监控服务，即就是VSaaS成为智能视频监控产业的一种新兴模式，在当前物联网发展中，其属于一种比较重要业务[2]。对于当前有线电视网的智能监控系统而言，通过云监控服务可以降低运行成本，在云视频监控系统当中非常消耗电能，这种高能耗的问题将会直接影响数据中心[3]。随着日渐增多的云视频监控系统的数量和规模，数据中心的存储及管理的海量视频数据、持续运行的众多监控节点等，消耗的电能都非常巨大[4]。因而，在视频服务质量得到保证的同时，将云视频监控系统电能利用率提高，使其电能消耗减少，是当前云计算技术发展方向。本文基于有线电视网，对其智能视频监控能耗优化技术进行了研究。

2 有线电视网视频优点及监控服务模式

目前，有线电视城域网骨干光纤的高清传输能力非常强大。相比于互联网和电信网传输的数据，有线电视网传输的数据非常大，通常情况下，其视频信号在高于每秒3 M。因此，有线电视网具有显著的高清传输优势，根据传输网络性质、运营平台、用户视频调用需求，监控服务模式可分为开放式视频监控服务、专有的视频监控服务、存储托管服务。其中根据接入视频带宽和监控点密度等，专有视频监控服务分为局域监控场景、广域监控场景、商业用户场景。

2 云视频监控系统结构及能耗分析

2.1 云视频监控系统体系结构

电视网的智能监控系统是指以云计算为基础的视频监控系统。运营者和用户在云视频监控服务模式下，签订服务等级协议，即SLA，对监视时间、视频质量、付费标准、数据访问及存储等服务指标进行规定。将电视网视频监控节点布置在需要监控的位置，用户可以直接在云监控中心获取监控视频，实际上云监控中心能够充分发挥管理和存储的职能，确保用户能够实时监控和查看。按照不同功能可以将云监控划分为三个部分，包括监控中心、监控端、客户端，图1为云视频监控系统体系结构图。

图1 电视网的智能监控系统体系结构图

2.1.1 监控端

一般来说，云视频监控终端也包括三部分内容，分别是控制路线、控制设备以及监控终端摄像头[5]。监控终端可以同时实现传输、编码和采集的多元化功能。

2.1.2 监控中心

云监控系统与云视频监控中心有着重要的关联性，其中包括数据中心、服务器以及接入控制虚拟机等。云视频监控中心能够实现普通监控系统无法实现的功能，即在控制服务的支持下，接入管理监控和浏览节点，对于来自客户端及监控端的两类任务，通过庞大虚拟机群进行调度和运行，从而使用户需求分析、系统计费以及海量视频数据存储管理等功能得到实现。

2.1.3 客户端

客户浏览端的建立，首先要支持主流浏览器视频访问端口，其功能主要包括用户登录、用户识别和管理以及视频浏览等，用户通过客户浏览端，可对监控视频进行管理和查看。

2.2 能耗优化机理

通常情况下，电视网的智能监控规模较庞大，在理论上，对于无限的客户浏览端和监控终端可进行支持，尤其在监控中心当中，还涉及到非常丰富的物流服务器，要及时迅速的响应客户端和监控端的浏览请求，但这又会产生复杂繁琐的系统交互和运营过程。所以，针对云视频监控系统展开分析，并优化其能耗的过程，不能把系统看做整体研究对象，要细化系统能耗，按照不同层次进行划分，这样可对电视网的智能监控的系统能耗优化进行有效分析。全面分析云视频监控系统体系的特征，并对比分析传统视频和云计算数据中心在传输视频过程中的不同点，对其进行划分具体情况见图2所示。

图 2 系统能耗优化研究层次划分示意图

定义云视频监控终端的能耗优化为对节点层面的监控，由于在云视频监控中心，系统功能重要且结构复杂，因此将监控中心的能耗优化分为存储节点层面、物理节点层面。对于客户端来说，服务器不同，则浏览器性能会不一样，在能耗和运行效率上会有差别，用户在登录视频监控以及对视频进行管理的过程中，客户端的能耗量是不同的。此外，在访问视频数据的过程中，因为不能确定用户使用时长、偏好以及具体需求等，所以很难确定其使用能耗。所以，在云视频监控系统当中，客户端成本费用的使用情况影响因素表现出多元化特征，例如移动设备类型、用户访问频度等，对于云视频监控系统维护者及运营商来说，讨论客户端能耗无实际意义。

2.2.1 监控节点能耗

在电视网的智能监控系统中，对于监控节点能耗来说，其实质是监控终端摄像头在集成视频编码、采集、传输过程产生的。在进行视频图像的采集时，监控摄像头需要分析监控场景，为适应场景动态变化，需多摄像头进行高速缓存和交叉采集技术，易有较多冗余数据产生，从而使资源造成浪费；在传输过程中，视频数据需进行压缩、编码等，必须要通过加密传输的方式处理部分数据，传输策略的使用与能耗水平之间存在显著的相关性，所以可以采取多元化的措施优化能耗。监控节点并不是固定的，而是随着需求的扩大而增多，在运行过程中，将会消耗大量的电能，再加上全天候运行的节点将持续性消耗电能；在部分特殊的地区，无源节点的运行只能使用电池作为支撑，其监视时间通过能耗优化可延长。因而，对于监控节点无源或有源，在电视网的智能监控系统中，如果监控节点数量较多，且持续性展开工作，此时消耗电能将会是持续的，所以必须要优化该问题。

2.2.2 物理节点能耗

通过云计算可以对虚拟机的载体进行物理节点的定义，物理节点虚拟机对于电视网的智能监控中心来说，其主要功能包括运行视频监控以及浏览视频监控两部分。虚拟机类型的差异，不会影响其同时运行监控和浏览任务。只有充足的电能作为基础才能确保物理节点的正常运行，使物理服务器和宿主机运转，内部设备表现出较低的设备运转效率，这将直接造成能量资源的无谓消耗；在各虚拟机上，多个浏览任务或监控需同时运行，任务和调度接入的不合理性，将会造成一系列问题甚至发生显著的故障，对成本造成极大损失；因为云视频监控系统任务特征具有显著的不确定性，因此，采取虚拟机实时迁移等措施适应这种动态变化，这会造成能耗成本和通信成本的巨大浪费。因而，影响云监控物理节点产生的能耗因素包括云任务在虚拟机上的接入、调整服务器利用率、虚拟机对接入任务的调度和迁移、虚拟机在主机服务器上的部署等。

2.2.3 存储节点能耗

在云计算环境下，分布存储是以电视网智能监控视频存储节点的底层数据框架，能够对监控视频产生存储和管理的功能。云视频监控系统数据中心实际上属于云数据中心，其中涉及到庞大的数据容量，数据中心同时也是构成云视频监控中心的核心内容，各部分设备的运行都离不开电能的支持，所以对于系统能耗来说，数据中心会消耗巨大的能量。现阶段，因为数据中心维持设备效率较低所产生的电能消耗占比较大，因此能耗优化空间较大。

3 云视频监控系统能耗优化

3.1 监控终端能耗优化

合理优化控制系统监控资源和资源收集渠道，根据实际情况调整电压。完善视频监控终端设备，安装电池能耗控制系统，对其损耗情况展开分析，适当的开展视频拍摄调整等相关供应状况，优化能量损耗水平。从而保证视频监控终端的拍摄时效性。例如完善电流损耗控制编码器，如果视频监控设备的电能损耗超过一定范围，此时视频监控系统将会自动调整内部损耗情况，降低资源编码，确保视频终端信息能耗处于较低水平，优化控制资源能耗。在对视频监控终端节点开展控制措施时，必须要综合考虑系统资源水平。将自动视频覆盖程序与视频监控系统相连接。在视频拍摄中，当有视频存储压缩、交叉视频存在时，视频交叉覆盖可自动进行，在视频监控段，可对信息进行自动筛选，从而将拍摄终端能源损耗减小；视频监控终端能够同时共同同一能源点，这样可可控制能耗大小。

3.2 计算节点优化

就当前资源优化比例来看，要对已有资源展开综合处理，对计算节点进行优化，增强控制能耗的水平，可以根据实际情况将其划分为实体结构控制和虚拟处理控制。合理分配实体控制节点耗能情况和应用效率，增强外部辅助系统和主服务器系统之间的匹配性。对系统资源资源控制任务进行合理调节，加强控制视频设备能耗水平。

3.3 存储节点优化

对于电视网智能监控系统来说，可以通过系统资源的优化手段实现能耗的降低。应用云空间进一步增强视频监控资源的空间。在硬盘中，通过电视网的智能监控系统，可自动整合系统信息的存储，存储信息分化在程序内部可实现。在进行电视网的智能监控处理时，根据用户标注信息、视频存储状态，对电视网的智能监控进行归类；就视频存储时间来看，需要将硬盘存盘与云空间存储进行接轨。

4 结语

本文基于有线电视网，对其智能视频监控能耗优化技术进行了研究，将电视网的智能监控系统能耗分为物理节点、监控节点、存储节点三个层次；对三个层面上的云视频监控系统能耗优化方法进行分析和比较；优化改进电视网的智能监控系统能耗问题，显著加快电视网的智能监控系统技术理论发展。