数字视频存储系统的研究

数字视频存储系统的研究

图像分辨率无疑是监控数字视频的系统最重要的特征。图像解析度越高则图像就越清晰,细节就越明显,观看的效果就越好,其在智能视频监控方面应用的准确度与利用价值也就越高。高清视频有常见的三种分辨率,分别是:视频编码格式,720P(1280×720P)线;视频编码格式,1080i(1920×1080i)隔行;视频编码格式,1080P(1920×1080P)逐行。网络数字高清视频资源以720P和1080P是最常见的,这是作为一个高清数字视频监控系统在高清部分已普遍采用的压缩标准。一、对现有视频监控系统的基本需求数字视频图像的清晰度是视频监控系统永无止境的追求目标,但作为一个数字高清视频,所需的存储空间越来越大,几个GB到几十个GB甚至数十万个GB的文件,对现有的高清视频监控系统是常见的基本需求。大量的视频文件不仅对存储容量,且对后端存储设备的读写性能和可靠性提出了更高的要求。(一)录像文件的存储高清数字化视频在经过不同阶段的编码处理以后,依据码率不同,有不同的码率要求。总的来说,高清数字视频的码率在4MB和20MB之间,所采用的压缩效率和压缩的方法是不同的,这使得最终的文件大小约为2～10GB/小时,为此便产生了对超大存储空间的要求。当然一般意义上的视频,压缩模式不同,占用的存储空间非常小,本文主要简单地讨论一下高清数字化视频监控系统录像文件的存储空间。高清数字化视频监控系统,考虑到经济方面的因素,应用高清数字化监控视频压缩率会比较高,例如:单路720p高清视频数字视频的录像存储容量可压缩到2GB/小时左右,而日常的监控系统中摄像机的数目乃是成百上千台,因此这种应用将需要更多的存储设备和更大的存储空间来满足市场的需求。以这个为背景,以1路视频录像至少1个月的时间来节省计算所需的空间,可以得到这样的数据:2GB/小时×24小时×30天×1路=1440GB/1024≈1.4TB。每保存1路视频的录像至少必需1.4TB以上的净存储容量,那么计算一个拥有千路高清数字化摄像机(IPC)的视频监控系统,如果该系统的录像保存时间按30天来计算,则该系统所需的最少存容量(空间)是1400TB,即1.4PB。(二)数据安全功能高清数字视频监控系统在获得更高画质的同时,所面对的问题是跟着视频流编码的压力增大,一样的存储时间内存储的数据数量也有所增加,这就需要存储设备能够基于高解晰度数字视频码流的特点,可以高效、充分地实现大容量、大并发数据的疾速、安全地写入。同时,高清数字化视频的存储将改变以往监控系统的数据以及存储设备本地存储为主的特性,进而将数据集中到一处存储,这就要求必须对大量的高清数字化视频录像中的数据进行快速检索和获取。(三)数据安全存储。网络数据安全的用户主要是存储数据的用户高清数字视频监控存储系统是监控系统的重要组成部分,它的主要功能是存储数据,尽管服务器主机或网络的损伤可以修复,而数据丢失或被盗是无法挽回的,这包括数据的完整性、及时性、恢复、冗余和不间断性。二、数字视频监控系统高清视频监控存储系统的主要实现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点位分散规模不大的应用场所,产品主要体现在数字硬盘录像机或称之为网络视频服务器(NVR)上面,根据不同系统采用不同的视频存储设备。在大型视频监控系统的管理中心,更多的是采用集中式存储对视频录像进行保存,常规采用可扩展的磁盘阵列/存储集群来对大量的视频录像进行存储。(一)网络视频服务器存储分布式存储是一种分布式存储系统,它分布存储在多个独立的分布式设备中,它采用可扩展的架构,共享存储负载使用多个存储设备来定位存储在不同位置的存储设备信息,这不仅提高了系统的可靠性、可用性和访问效率。分布式视频存储系统结构如图1所示。此种存储形式主要适应于:在监控系统前端采用一定存储容量的网络视频服务器(NVR),所有需要的视频录像均保存在前端网络视频服务器(NVR)的存储介质中,终端的后台软件可以管理和维护前端多台的网络视频服务器(NVR)设备,包括这些网络视频服务器(NVR)设备的存储数据,如录像的转存、删除和调阅、回放等功能。此存储系统中,当监控点的数量极多,在需要存储空间相当大的情况下,就会产生由于存储分散而导致难以维护,由于专业化程度不高,整个系统的可靠性不高,导致整体系统存储的利用率偏低,存储的扩展性不是太好。(二)网络高清视频监控管理随着电子科学技术水平的发展,高清数字视频监控系统多采用网络高清摄像机(IPC)作为监控点的视频采集设备,高清数字化视频录像的存储过程更多的是通过网络进行大量视频数据的传输,然后在后端采用专用的大容量存储设备实现高清数字化视频录像的存储。集中式存储是指在后端的监控管理中心利用视频管理服务器和磁盘阵列等存储设备,构建起来的一个大型的存储、管理的核心,把前端所有网络高清摄像机(IPC)的视频信号通过项目构建的视频传输网传输到监控管理控中心,进行统一存储和管理集中式视频存储系统结构如图2所示。前端网络高清数字摄像机(IPC)采集视频后,通过其内部的高清数字化视频编码器把高清的视频信号转换成数字信号,并通过视频以太网交换机和项目构建的视频传输网直接将采集到的数据传输到监控管理中心,通过视频管理服务器处理,保存在一个专用的存储阵列中。经由用户发出查询调阅视频录像的请求,通过视频管理服务器处理转发并将存储中的录像码流反馈给用户,以实现高清视频录像的检索和回放。在一个大型的高清数字化视频监控系统中,前端网络高清数字化摄像机(IPC)的数量庞大,因此在扩展规模的形式上,高清晰度数字视频监控存储系统常采用灵活的结构,能够随时增添存储设备,只要在带宽允许的前提下,便能够最大限度地提高系统效率。(三)以集群存储和集中存储的比较1、集中存储、统一管理视频数据在监控中心后端采用磁盘阵列这一大型存储设备可以对所有的高清视频录像进行统一的存储,这样可有效地降低前端监控视频存储设备被损失所造成的影响,提高视频录像资料的安全保存,同时,统一管理视频数据,可最大限度地发挥视频监控系统纵缆全局的作用。2、录像视频监控系统丢失传统的网络视频服务器(NVR)录像存储方式缺乏技术冗余或数据备份手段,网络视频服务器(NVR)的硬盘出现故障后相关录像数据会丢失。磁盘阵列作为专业存储设备,可靠性要远高于网络视频服务器(NVR),通过其冗余数据保护、硬盘热备份、在线维护和冗余备份等技术,极大地提高了视频录像资料保存的安全性和稳定性。3、存储方式分类视频的长期保存是确保对事故的调查提供了强有力的证据,事故发生后,在网络视频服务器(NVR)内置硬盘录像存储的存储空间是有限的,无法满足海量的高清视频存储要求。而磁盘阵列单台设备提供了上千GB的存储空间,通过级联的方式,存储空间的扩容相当方便,能够满足超大的高清视频监控系统的需求。以网络视频服务器(NVR)为代表的分布式存储架构:主要针对中小型的监控环境,如园区、酒店等;以磁盘阵列为代表的集中式存储系统,其经常应用于大型的监控系统,采用集中式存储架构。存储产品采用开放式存储架构,具有良好的灵活性,可以定制和嵌入式硬件和软件,可以实现融合监控平台、服务器、存储、管理和维护变得更加简单。综上所述,分布式存储和集中存储这两种存储方式都有各自的优点和缺点:从存储过程的可靠性及便捷性上看,分布式存储更加可靠、更加便捷,因为它不需要传输网络的支持,不受网络带宽限制和网络故障的影响,而集中存储则土要依赖于网络进行高清数字视频信号的传输;从存储高清视频数据的安全性,重点放在存储由于使用专用的磁盘阵列,所以它不容易损坏,在安全方面有了很大的提高;从管理的角度来看,集中存储更简单,易于管理。集中式存储一次性采购成本较高,分布式存储只需要增加存储介质,在采购成本上具有一定的优势。然而在现有和未来的大型视频监控系统中,往往是采用两种存储模式混合的存储架构,即分布式存储与集中式存储并存。三、存储设