数字视频监控系统的性能评测与分析

数字视频监控系统的性能评测与分析

0性能测评的意义目前，网络数字视频监控系统的性能较差，功能差异很大。由于缺乏统一的标准来评估监控系统的性能，因此很难对系统进行定性分析，并选择满足需求的产品。另一方面,由于数字视频监控系统组成较为复杂,当系统出现异常时,往往需要将所有的部件都进行排查,时间和人力成本较大,研究对系统各部分进行单独功能测试和评价的方法显得尤为重要。1视频监控系统网络视频监控系统的逻辑结构通常可分三个层次,分别是前端接入、媒体交换以及用户访问层次。监控系统主要采用前端监控摄像机采集视频,并通过视频编码器单元进行视频信号的采集编码,编码压缩后的视频一路传输至视频服务器,实现网络媒体数据的数字化录像、存储、检索、回放以及管理。另一路视频信号通过LAN、WAN等IP网络传输至解码器单元,进行视视频信号的解码输出,最终在监视器上显示,从而实现视频监控功能。监控系统的逻辑结构框图如图1所示:从图1中可以看出,不管是从摄像头采集到的原始视频,还是最终由监视器显示的解码后的视频,视频是整个系统处理中心,也是观察者与监控系统进行交互所获取到的最直接的信息。因此视频质量的好坏是评价系统性能不可缺少的一个要素。影响监控系统质量的另外一个重要因素是实时性,即需要能够快速的将监视地点所发生的事件画面传输至监控中心,从而使监控人员迅速做出反应。从数学上来看,实时性可以理解为若原始视频在A时间点由摄像头采集至编码器,在B时间点由视频显示单元输出从而使工作人员可见。当Δt=B-A的值超过一定范围时,系统的实时性就较差,其中Δt称为系统时延。为了正确度量系统实时性,就需要对系统时延进行分析,因此时延成为了评价系统性能的另一类重要指标。另外从系统可用性的角度来考虑,还需要保证系统能长时间稳定运行,不出现死机,黑屏等现象,因此需要对整个监控系统的稳定性进行客观分析2系统时延与稳定性视频图像质量可以通过主观目测的方法进行分析,观测显示画面是否流畅,图像是否清晰可辨,色度/亮度是否逼真等等由图1中可以看出,一个典型的视频监视系统主要由三个部分组成,即由摄像头,编码器模块组成的编码端,由解码器,监视器显示模块所组成的解码端以及中间的网络传输模块。每个部分的处理都需要经过一定的时间,即:编码端时延、网络多媒体数据传输时延、解码端时延。这三部分时延之和称为系统时延。在实际系统优化中,测试这三个时延数据并统计分别在整个时延过程中所占据的比率。根据测试得到的时延结果,对系统做出判定,做出相应的改进。在系统稳定性方面,则主要测量丢帧率、编码误码率、网络传输的抖动程度以及系统运行的可靠性。以上三大类11项测量指标如表1所示。3监控系统的重要指标3.1图像质量的重要指标3.1.1网络录像分辨率分辨率越高的图像,其图像越清晰,但所需网络带宽及存储空间则越大,在编码和解码过程中所需计算量也就越大。目前监控行业中主要使用Qcif(176×144)、CIF(352×288)、HALFD1(704×288)、4CIF(704×576)、D1:480i格式(525i):720×480(水平480线,隔行扫描)等几种分辨率。CIF录像分辨率是主流分辨率,绝大部分产品都采用CIF分辨率。国内主流的硬盘录像机采用两种分辨率:CIF和4CIF(D1),分为两种型号。硬盘录像机常见的路数有1路、2路、4路、8路、9路、12路和16路。3.1.2视频传输频率由于人眼视觉暂留时间为1/24秒,故每秒钟帧率应至少为24帧秒。帧率越高,图像越流畅。一个数字视频监控中视频的传输频率必须是一个固定的数值,即每秒中固定传输指定帧数的视频,这一数值就是FPS(FramesPerSecond),一个系统的FPS越大,在视频显示端所显示的视频就会越流畅。为了评价监控系统的图像编码性能,对系统进行帧率的测量,作为不同系统之间比较的指标3.1.3录像视频质量小结码率大小由帧率及分辨率共同作用。一般我们用的单位是kbps即千位每秒。传统的监控场合对于CIF图像其码率上限为400k/秒,而D1图像其码率上限为2m/秒。一个数字视频系统的码率越小,说明该系统对图像的压缩比例越高,压缩性能就越优秀。一个好的数字视频系统可以在占用较低的网络带宽的情况下传输优质的视频,事实上,几乎所有的数字视频产品都在性能上追求用最低的码率。峰值信噪比(PSNR)是一种评价图像的客观标准。通常在经过影像压缩之后,输出的影像通常都会有某种程度与原始影像不一样。为了客观衡量经过处理以后的影像品质,行业内通用的做法是参考PSNR值。3.2图像原住民系统的延迟指标3.2.1编码时延的时延编码端输入视频序列,由最后编码结束时间减去开始编码时间,即为整个编码的时延。编码时延的大小与监控系统所采用的编码算法相关,其次与系统的信号处理器的运算频率有关。3.2.2解码期间的延迟解码端记录解码开始时间和结束时间,解码结束时间与解码开始时间相减为整个视频序列的解码时延。3.2.3接收端接受的数据所经历的时延从发送端发送数据开始,经过网络传输,然后在接收端接受数据所经历的这一过程的时延。系统总时延的计算可以通过上述三个时延值线性迭加得到,其中时延的单位是毫秒。3.3图像系统的稳定指标3.3.1传输丢失帧数在一个数字视频系统中,由于网络传输阻塞的原因,会造成视频流丢帧,其中,把丢帧率定义为网络传输中丢失的帧数与传输总帧数的比值,反映整个系统的传输丢帧程度丢帧率=(发送帧数-收到帧数)/发送帧数×100%数字视频系统在传输视频流时,视频流在打包传输过程中,会在某个数据包字段上表明该视频流的帧号。利用这一特性,分析收到视频流的帧号信息,就能知道有多少帧在传输过程中丢失,从而得到丢帧率。3.3.2导致不能解码在一个数字视频系统中,由于编码端故障、网络传输误码等原因,会造成某些帧出错而导致不能解码。其中,把误码率定义为出错帧数与总帧数的比值,反映整个系统的误码程度。误码率的公式为:误码率=误码帧数/总帧数×100%3.3.3振动在网络中传输的数据包到达目的地时的延迟具有随机性,这种延迟的变化被称为抖动。3.3.4系统运行的可靠性系统要保持7×24小时的可靠性运行。通过以上三类十一项指标,可以比较客观完备得体现一个数字视频系统的性能优劣性。4关键指标的理论含义和实际意