數(shù)字視頻存儲系統(tǒng)的研究

數(shù)字視頻存儲系統(tǒng)的研究

圖像分辨率無疑是監(jiān)控數(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)控方面應用的準確度與利用價值也就越高。高清視頻有常見的三種分辨率,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)絡數(shù)字高清視頻資源以720P和1080P是最常見的,這是作為一個高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高清部分已普遍采用的壓縮標準。一、對現(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)永無止境的追求目標,但作為一個數(shù)字高清視頻,所需的存儲空間越來越大,幾個GB到幾十個GB甚至數(shù)十萬個GB的文件,對現(xiàn)有的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)是常見的基本需求。大量的視頻文件不僅對存儲容量,且對后端存儲設備的讀寫性能和可靠性提出了更高的要求。(一)錄像文件的存儲高清數(shù)字化視頻在經(jīng)過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。總的來說,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,為此便產(chǎn)生了對超大存儲空間的要求。當然一般意義上的視頻,壓縮模式不同,占用的存儲空間非常小,本文主要簡單地討論一下高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)錄像文件的存儲空間。高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng),考慮到經(jīng)濟方面的因素,應用高清數(shù)字化監(jiān)控視頻壓縮率會比較高,例如:單路720p高清視頻數(shù)字視頻的錄像存儲容量可壓縮到2GB/小時左右,而日常的監(jiān)控系統(tǒng)中攝像機的數(shù)目乃是成百上千臺,因此這種應用將需要更多的存儲設備和更大的存儲空間來滿足市場的需求。以這個為背景,以1路視頻錄像至少1個月的時間來節(jié)省計算所需的空間,可以得到這樣的數(shù)據(jù):2GB/小時×24小時×30天×1路=1440GB/1024≈1.4TB。每保存1路視頻的錄像至少必需1.4TB以上的凈存儲容量,那么計算一個擁有千路高清數(shù)字化攝像機(IPC)的視頻監(jiān)控系統(tǒng),如果該系統(tǒng)的錄像保存時間按30天來計算,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)在獲得更高畫質的同時,所面對的問題是跟著視頻流編碼的壓力增大,一樣的存儲時間內存儲的數(shù)據(jù)數(shù)量也有所增加,這就需要存儲設備能夠基于高解晰度數(shù)字視頻碼流的特點,可以高效、充分地實現(xiàn)大容量、大并發(fā)數(shù)據(jù)的疾速、安全地寫入。同時,高清數(shù)字化視頻的存儲將改變以往監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及存儲設備本地存儲為主的特性,進而將數(shù)據(jù)集中到一處存儲,這就要求必須對大量的高清數(shù)字化視頻錄像中的數(shù)據(jù)進行快速檢索和獲取。(三)數(shù)據(jù)安全存儲。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全的用戶主要是存儲數(shù)據(jù)的用戶高清數(shù)字視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,它的主要功能是存儲數(shù)據(jù),盡管服務器主機或網(wǎng)絡的損傷可以修復,而數(shù)據(jù)丟失或被盜是無法挽回的,這包括數(shù)據(jù)的完整性、及時性、恢復、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)控存儲系統(tǒng)的主要實現(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位分散規(guī)模不大的應用場所,產(chǎn)品主要體現(xiàn)在數(shù)字硬盤錄像機或稱之為網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)上面,根據(jù)不同系統(tǒng)采用不同的視頻存儲設備。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對視頻錄像進行保存,常規(guī)采用可擴展的磁盤陣列/存儲集群來對大量的視頻錄像進行存儲。(一)網(wǎng)絡視頻服務器存儲分布式存儲是一種分布式存儲系統(tǒng),它分布存儲在多個獨立的分布式設備中,它采用可擴展的架構,共享存儲負載使用多個存儲設備來定位存儲在不同位置的存儲設備信息,這不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和訪問效率。分布式視頻存儲系統(tǒng)結構如圖1所示。此種存儲形式主要適應于:在監(jiān)控系統(tǒng)前端采用一定存儲容量的網(wǎng)絡視頻服務器(NVR),所有需要的視頻錄像均保存在前端網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)的存儲介質中,終端的后臺軟件可以管理和維護前端多臺的網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)設備,包括這些網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)設備的存儲數(shù)據(jù),如錄像的轉存、刪除和調閱、回放等功能。此存儲系統(tǒng)中,當監(jiān)控點的數(shù)量極多,在需要存儲空間相當大的情況下,就會產(chǎn)生由于存儲分散而導致難以維護,由于專業(yè)化程度不高,整個系統(tǒng)的可靠性不高,導致整體系統(tǒng)存儲的利用率偏低,存儲的擴展性不是太好。(二)網(wǎng)絡高清視頻監(jiān)控管理隨著電子科學技術水平的發(fā)展,高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用網(wǎng)絡高清攝像機(IPC)作為監(jiān)控點的視頻采集設備,高清數(shù)字化視頻錄像的存儲過程更多的是通過網(wǎng)絡進行大量視頻數(shù)據(jù)的傳輸,然后在后端采用專用的大容量存儲設備實現(xiàn)高清數(shù)字化視頻錄像的存儲。集中式存儲是指在后端的監(jiān)控管理中心利用視頻管理服務器和磁盤陣列等存儲設備,構建起來的一個大型的存儲、管理的核心,把前端所有網(wǎng)絡高清攝像機(IPC)的視頻信號通過項目構建的視頻傳輸網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理控中心,進行統(tǒng)一存儲和管理集中式視頻存儲系統(tǒng)結構如圖2所示。前端網(wǎng)絡高清數(shù)字攝像機(IPC)采集視頻后,通過其內部的高清數(shù)字化視頻編碼器把高清的視頻信號轉換成數(shù)字信號,并通過視頻以太網(wǎng)交換機和項目構建的視頻傳輸網(wǎng)直接將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心,通過視頻管理服務器處理,保存在一個專用的存儲陣列中。經(jīng)由用戶發(fā)出查詢調閱視頻錄像的請求,通過視頻管理服務器處理轉發(fā)并將存儲中的錄像碼流反饋給用戶,以實現(xiàn)高清視頻錄像的檢索和回放。在一個大型的高清數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,前端網(wǎng)絡高清數(shù)字化攝像機(IPC)的數(shù)量龐大,因此在擴展規(guī)模的形式上,高清晰度數(shù)字視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)常采用靈活的結構,能夠隨時增添存儲設備,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)以集群存儲和集中存儲的比較1、集中存儲、統(tǒng)一管理視頻數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心后端采用磁盤陣列這一大型存儲設備可以對所有的高清視頻錄像進行統(tǒng)一的存儲,這樣可有效地降低前端監(jiān)控視頻存儲設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,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)絡視頻服務器(NVR)錄像存儲方式缺乏技術冗余或數(shù)據(jù)備份手段,網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)的硬盤出現(xiàn)故障后相關錄像數(shù)據(jù)會丟失。磁盤陣列作為專業(yè)存儲設備,可靠性要遠高于網(wǎng)絡視頻服務器(NVR),通過其冗余數(shù)據(jù)保護、硬盤熱備份、在線維護和冗余備份等技術,極大地提高了視頻錄像資料保存的安全性和穩(wěn)定性。3、存儲方式分類視頻的長期保存是確保對事故的調查提供了強有力的證據(jù),事故發(fā)生后,在網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)內置硬盤錄像存儲的存儲空間是有限的,無法滿足海量的高清視頻存儲要求。而磁盤陣列單臺設備提供了上千GB的存儲空間,通過級聯(lián)的方式,存儲空間的擴容相當方便,能夠滿足超大的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求。以網(wǎng)絡視頻服務器(NVR)為代表的分布式存儲架構:主要針對中小型的監(jiān)控環(huán)境,如園區(qū)、酒店等;以磁盤陣列為代表的集中式存儲系統(tǒng),其經(jīng)常應用于大型的監(jiān)控系統(tǒng),采用集中式存儲架構。存儲產(chǎn)品采用開放式存儲架構,具有良好的靈活性,可以定制和嵌入式硬件和軟件,可以實現(xiàn)融合監(jiān)控平臺、服務器、存儲、管理和維護變得更加簡單。綜上所述,分布式存儲和集中存儲這兩種存儲方式都有各自的優(yōu)點和缺點:從存儲過程的可靠性及便捷性上看,分布式存儲更加可靠、更加便捷,因為它不需要傳輸網(wǎng)絡的支持,不受網(wǎng)絡帶寬限制和網(wǎng)絡故障的影響,而集中存儲則土要依賴于網(wǎng)絡進行高清數(shù)字視頻信號的傳輸;從存儲高清視頻數(shù)據(jù)的安全性,重點放在存儲由于使用專用的磁盤陣列,所以它不容易損壞,在安全方面有了很大的提高;從管理的角度來看,集中存儲更簡單,易于管理。集中式存儲一次性采購成本較高,分布式存儲只需要增加存儲介質,在采購成本上具有一定的優(yōu)勢。然而在現(xiàn)有和未來的大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,往往是采用兩種存儲模式混合的存儲架構,即分布式存儲與集中式存儲并存。三、存儲設