云計算在安防管理平臺中的應用

文/勞定雄

作者系高新興科技集團股份有限公司首席架構師

視頻監(jiān)控由八十年代的模擬閉路電視開始，在經(jīng)歷了數(shù)字化、網(wǎng)絡化等重要發(fā)展歷程后，如今正邁向系統(tǒng)融合和視頻大數(shù)據(jù)的新時代。與此同時，也不得不面對由此引發(fā)的一系列問題。本文認為，云計算技術能為這些問題提供良好的解決方案。

安防管理平臺目前發(fā)展現(xiàn)狀

視頻系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的協(xié)同與融合

安防管理平臺目前主要是針對視頻監(jiān)控的管理，GB/T28181-2011標準的發(fā)布和實施，將在很大程度上改善各大平臺廠家各自為戰(zhàn)、互不兼容的亂象，安防行業(yè)也迎來了“大聯(lián)網(wǎng)”的潮流。而其它系統(tǒng)例如警綜、消防、卡口、門禁等，只是基于視頻瀏覽等基礎功能進行有限的對接。但隨著技術能力的發(fā)展和信息平臺的建設，多個不同系統(tǒng)之間的協(xié)同應用是一個重要的趨勢，這些系統(tǒng)之間將能實現(xiàn)無縫的深度整合，形成社會化的融合大系統(tǒng)。

圖1：視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)量的增長趨勢（單位：PB）

視頻大數(shù)據(jù)爆炸性增長

首先，數(shù)據(jù)生成的厚度和精度不斷提升，高清技術要求不斷提升視頻數(shù)據(jù)精度，高分辨率和高幀率成為視頻監(jiān)控建設主流需求。其次，數(shù)據(jù)的生成點不斷增加，每年的監(jiān)控覆蓋范圍和監(jiān)控點、卡口數(shù)量都以30%以上的增長率快速增加。我國安裝的監(jiān)控攝像頭逐年增長，目前已超過3000萬個，每年產生數(shù)萬PB的數(shù)據(jù)量。如圖1所示。

據(jù)統(tǒng)計，目前在大數(shù)據(jù)中占主導地位的是圖像視頻數(shù)據(jù)，2012年其占比已達到了80%，2013年預計接近90%。

安防管理平臺在大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展困境

高清、聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同、融合，這些特性在提供了更有效的安防監(jiān)控管理手段的同時，也帶來了信息處理的難題。首先，數(shù)據(jù)的爆炸式增長，意味著需要付出更多的努力才能在更多的數(shù)據(jù)中尋找到有價值的信息。其次，視頻數(shù)據(jù)的非結構化特征決定其蘊含豐富信息的同時，價值密度卻不高，大多數(shù)的視頻是無用的，它們在存儲之后幾乎不會被瀏覽，卻又必須在硬盤中保存相當?shù)臅r間。所以，如果僅靠人力來甄別所有這些信息的價值，是極其困難的。如何讓這些海量的數(shù)據(jù)更好地為社會服務，對安防行業(yè)來說是一個必須面對的挑戰(zhàn)，體現(xiàn)在以下幾方面。

視頻大數(shù)據(jù)的海量存儲和管理

在安防應用中，視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通常進行集中存儲和管理，監(jiān)控數(shù)據(jù)并發(fā)地持續(xù)寫入安防管理平臺的存儲系統(tǒng)中，作為備份或提供瀏覽訪問。這些數(shù)據(jù)具有高并發(fā)、大容量的特點。以720P為例，在5Mbps的碼率下，每個攝像頭每天產生的視頻數(shù)據(jù)約42GB，而一個中等城市的監(jiān)控規(guī)模一般為數(shù)千到數(shù)萬個攝像頭。同時，這些數(shù)據(jù)一般要求必須在系統(tǒng)中保存一個月以上。對普通的文件系統(tǒng)來說，其塊大小一般為1-16KB，用于存儲視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)會產生較大的開銷，大block的設計更適合此類存儲。存儲系統(tǒng)還必須具有高級別的容錯性，存儲介質的故障率通常較高，故障發(fā)生時不應造成監(jiān)控數(shù)據(jù)的丟失。此外，由于城市安防項目的不斷建設，系統(tǒng)需要進行在線擴容和升級，這就要求存儲系統(tǒng)具有高度的可擴展性，可在系統(tǒng)中簡單便捷地增加存儲設備。

目前一般采用分級集中存儲的方案，在區(qū)級、地市級的子平臺中存儲所管轄區(qū)域的監(jiān)控數(shù)據(jù)，而與上級平臺之間通過提供接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向訪問。子平臺中的存儲系統(tǒng)通常使用iSCSI磁盤陣列來進行存儲，針對不同的應用等級而選擇相應的RAID級別，以達到平衡其性能與容錯性的目的。在當前的應用之下，大部分數(shù)據(jù)僅僅只是被寫入存儲系統(tǒng)中，而在將來，數(shù)據(jù)可能被頻繁地讀出以供系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析。相比較而言，云存儲是更理想的方案，在大容量、并發(fā)性、吞吐量、可靠性、可擴展等方面有著天然的優(yōu)勢，除了能更好地滿足安防監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲的各項需求，還能更方便地開展數(shù)據(jù)的再加工和再分析，可以更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同監(jiān)控。

視頻大數(shù)據(jù)的信息分析與抽取

圖像視頻數(shù)據(jù)的理解和識別一直是計算機視覺領域的難題，計算機通過對像素的分析，可以很容易獲得圖像的色塊、紋理、形狀等信息，但無法像人一樣對其蘊含的豐富內容進行識別并進行語義上的描述，這也稱為“語義鴻溝”。因此，我們仍然要耗費大量的人力物力，在海量的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)中查找有價值的信息。最近十多年來，基于內容的智能分析在安防領域得到了研究和推廣，但目前也僅局限于較低層次的應用，例如人臉識別、車牌識別、物體檢測、人流統(tǒng)計、周界防范等。智能分析的除了受限于算法的發(fā)展，更受限于計算能力的發(fā)展，智能分析的算法復雜度較高，而且其樣本數(shù)量龐大，非普通計算系統(tǒng)所能勝任。

近期發(fā)生的一些典型案件，其偵破過程都耗費了大量人力物力在海量的視頻中尋找蛛絲馬跡，例如波士頓爆炸案，警方稱每段視頻至少要看400遍。而在長春“304”案件中，投資上億元的天網(wǎng)工程未能發(fā)揮作用，也引起公眾的強烈質疑。目前監(jiān)控系統(tǒng)所獲取的絕大部分視頻數(shù)據(jù)，僅僅作為備份證據(jù)存儲在硬盤中，監(jiān)控系統(tǒng)幾乎沒有能力對這些非結構化的視頻數(shù)據(jù)進行任何有價值的挖掘，導致我們陷入管中窺豹的困境。那么，我們該如何管理和利用這些體量巨大而且不斷增長的視頻數(shù)據(jù)？

視頻轉碼也是安防監(jiān)控中常見的需求，應能根據(jù)視頻的等級、時效等因素制定轉碼策略，選擇在空域、時域上重采樣后重新壓縮，或者轉換成更高級別的編碼標準，例如最新發(fā)布的H.265，從而可以更有效地利用存儲資源、適應更豐富的終端類型。

視頻大數(shù)據(jù)的信息融合與協(xié)同

安防監(jiān)控的發(fā)展趨勢是融合化，多種系統(tǒng)之間資源和數(shù)據(jù)深度共享，實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)作。通過對多種關聯(lián)數(shù)據(jù)進行挖掘，可以分析出更有價值的信息。例如利用卡口系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻的錄像，獲得指定車輛的行駛軌跡，可用于套牌車輛的檢測或嫌疑車輛的追蹤。利用人像、指紋、社交網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)，進行針對人員的刑偵線索分析。此外，還可進行社會輿情分析、金融詐騙分析、案件規(guī)律分析、事故災害分析、公共交通優(yōu)化等等更深層次的應用，為公共安全的指揮決策、情報分析提供有力的支撐。

基于云計算技術構建安防管理平臺

云計算的概念在2006年被正式提出，是一場由互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)起的技術革命，而在其它行業(yè)，也如火如荼地開展了相應的研究和應用。安防監(jiān)控面臨的各種問題，歸根結底是對海量的安防數(shù)據(jù)進行存儲、處理、分析的問題，同時又能靈活地提供多樣化的應用服務，云計算無疑是最熱門也最適合的解決方案。

基于云計算的安防管理平臺整體架構

面對廣域范圍密集監(jiān)控下不斷增長的海量視頻數(shù)據(jù)以及多個城市管理部門的多元業(yè)務需要，廣域級安防管理平臺需要解決數(shù)據(jù)中心管理、底層資源虛擬化、海量數(shù)據(jù)存儲與分析、多元業(yè)務集成與融合等關鍵問題。

安防管理平臺采集視頻數(shù)據(jù)和其它與安防相關的業(yè)務數(shù)據(jù)，存儲在云計算系統(tǒng)中，并根據(jù)應用請求和任務策略進行相應的計算處理，并呈現(xiàn)給用戶。具體來說，安防監(jiān)控平臺的云計算系統(tǒng)可抽象為物理資源層、云計算框架、功能服務層。如圖2所示。

圖2：安防管理平臺的云計算應用框架

其中，視頻接入、數(shù)據(jù)采集、內容分發(fā)、應用管理通過獨立的服務集群來完成，云計算系統(tǒng)專注于對大數(shù)據(jù)的存儲和處理。

物理資源層

物理資源層的主要任務是統(tǒng)一組織管理云計算系統(tǒng)涉及的各類物理資源，包括計算節(jié)點、存儲節(jié)點、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡傳輸設備在內的各種底層異構物理資源，經(jīng)過虛擬化管理和調度，對平臺提供自由擴展的能力集合，可實現(xiàn)快速有效地存儲由監(jiān)控業(yè)務產生的海量視頻數(shù)據(jù)資源。

物理資源層有兩種實施方式，一種是建設廣域級的云計算數(shù)據(jù)中心，匯聚和處理各類安防業(yè)務數(shù)據(jù)，構建“警務云”或“安防云”，甚至成為智慧城市的組成部分。另一種方式是構建視頻監(jiān)控系統(tǒng)內的小型云計算平臺，僅負責存儲海量的視頻數(shù)據(jù)和抓取少量的外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對它們進行處理，如智能分析、視頻轉碼、車輛軌跡分析等。

功能服務層

功能服務層基于面向數(shù)據(jù)的理念，將服務抽象成訪問、融合、服務策略三大部分。訪問包括對數(shù)據(jù)的檢索、查看、統(tǒng)計，也包括對實時視頻和歷史錄像的轉發(fā)和播放。融合則是將各種類型的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，可以挖掘更深層次的融合應用。服務策略提供了指示監(jiān)控云執(zhí)行實時指令或計劃任務的方法。

通過在本層中統(tǒng)一實現(xiàn)各種基本功能模塊，包括離線或實時地對數(shù)據(jù)進行處理、分析、挖掘，如人臉識別、指紋比對、行為分析等，通過協(xié)議供上層不同應用程序請求執(zhí)行，使上層盡量使用系統(tǒng)中統(tǒng)一的服務功能，可消除軟件上的重復建設、相互孤立和標準不一。

云計算框架層

云計算框架層包括存儲、計算、控制三個部分，它屏蔽云計算平臺的編程細節(jié)，提供簡單開放的接口，使功能服務層的功能模塊可以很容易地進行云計算相關任務的開發(fā)。

基于云計算框架的開發(fā)與傳統(tǒng)開發(fā)在理念上稍有不同，傳統(tǒng)軟件設計原則的側重點在于穩(wěn)定性、低延時、局部性能等，而云計算時代在很大程度上是對大數(shù)據(jù)進行處理，它的評估指標發(fā)生了偏移，因此更多地考慮可擴展性、多用戶、高吞吐量、容錯性、全局效率等問題。另外，穩(wěn)定性的問題變得不再突出，云計算假設系統(tǒng)是不確定的，它可以容忍故障，能夠保證整個系統(tǒng)不受某個環(huán)節(jié)出錯的影響。

結束語

對于安防監(jiān)控來說，如果僅僅是利用云計算平臺對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行存儲，并不能發(fā)揮云計算的威力，關鍵的是要把數(shù)據(jù)的存儲和對數(shù)據(jù)的處理有效地整合起來，形成一個強大的可擴展的智能化監(jiān)控大系統(tǒng)。此外，還有一項重要的工作，是對云計算平臺應用算法的研究。根據(jù)安防監(jiān)控的應用需求，研究更優(yōu)化的各類算法，包括視頻處理、智能分析、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等各個方面。