基于視頻監(jiān)控的數(shù)字化城管系統(tǒng)應用與設計

鄧上海

摘 要

隨著多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控等技術(shù)的快速發(fā)展和改進，其已經(jīng)在城市數(shù)字化管理系統(tǒng)建設中得到廣泛普及和使用，實現(xiàn)了城市網(wǎng)格化、數(shù)字化、信息化和智能化管理，建立一個城市快速綜合管理制度，形成一個溝通快捷、處置及時、高效運轉(zhuǎn)、信息共享等城市管理機制。數(shù)字化城管系統(tǒng)建設中，為了能夠采集、傳輸、存儲城市交通要道、重要場所的現(xiàn)場環(huán)境信息，引入了許多高清晰、數(shù)字化、紅外攝像頭，構(gòu)成了一個完善的數(shù)字化城管前端拍攝子系統(tǒng)，提高了數(shù)字化城管系統(tǒng)的可視化、交互性，具有重要的作用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化城管系統(tǒng) 視頻監(jiān)控 最小視頻編碼 宏塊交織 數(shù)據(jù)遷移

1 引言

隨著我國城市化進程加快，城市人口和面積規(guī)模迅速增大，建立一個良好的城市運行秩序和提高城市管理效率已經(jīng)成為城市管理的研究方向。隨著互聯(lián)網(wǎng)、存儲器、攝像機、GIS、投影儀等軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，為城市網(wǎng)格化、信息化、共享化、智能化管理提供支撐，許多城市已經(jīng)引入了數(shù)字化城市管理系統(tǒng)。數(shù)字化城市化管理系統(tǒng)主要包括前端攝像頭、服務器、后端陣列顯示器等部分，可以將現(xiàn)代計算機技術(shù)與市政服務、社會管理、基礎設施管理集成在一起，實現(xiàn)城市資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，為疏導城市交通、巡視監(jiān)控城市安全等建立一個高校機制，全面提高城市管理信息化水平，創(chuàng)新城市管理機制，改進城市市民的工作、生活和學習秩序，具有重要的作用和意義。

2 數(shù)字化城管系統(tǒng)功能分析與設計

數(shù)字化城市管理系統(tǒng)可以提高城市管理網(wǎng)格化、信息化、智能化管理水平，其將高清晰攝像頭、陣列存儲器、三層交換機、光纖網(wǎng)絡或移動通信網(wǎng)絡、視頻墻等集成在一起，利用無線數(shù)據(jù)傳輸攝像頭采集的數(shù)據(jù)，同時可以在數(shù)字化城市管理系統(tǒng)中引入GPS技術(shù)、圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)視頻圖像、語音信息、目標位置管理和服務，強化城市監(jiān)控和管理能力。通過對數(shù)字化城市管理系統(tǒng)進行分析，數(shù)字化城市管理系統(tǒng)的功能主要包括以下五個方面，分別是城市現(xiàn)場環(huán)境視頻采集功能、數(shù)據(jù)傳輸和交換功能、大容量數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)展示功能、城市集中控制中心功能等五個部分。

2.1 城市現(xiàn)場環(huán)境視頻采集功能

城市管理者可以在交通卡口、政府機關(guān)、金融單位、娛樂生活廣場等位置部署高清晰、數(shù)字化、紅外線攝像頭，可以實現(xiàn)24小時無間斷視頻拍攝，并且可以將音視頻信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用視頻編碼技術(shù)實現(xiàn)視頻圖像壓縮、編碼，提高視頻傳輸準確度和便捷性。

2.2 視頻數(shù)據(jù)傳輸和交換功能

視頻數(shù)據(jù)傳輸和交換功能可以將攝像頭拍攝的現(xiàn)場環(huán)境信息發(fā)送至服務器。數(shù)字化城市管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量非常大，因此構(gòu)建一個高帶寬、高速率的傳輸和交換子功能非常重要，該功能主要由光纖網(wǎng)絡、三層交換機等構(gòu)成，這樣就可以支持多媒體視頻信息安全傳輸，并且提供組播和QoS保障，實現(xiàn)多媒體視頻流的無阻塞傳輸和交換，確保城市現(xiàn)場環(huán)境圖像、音頻信息采集功能，具有較高的安全性、可擴展性和靈活性。

2.3 視頻數(shù)據(jù)存儲功能

城市管理系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境拍攝多采用720P、1080P等高清晰攝像頭，24小時不間斷的持續(xù)拍攝產(chǎn)生的信息量非常大，因此數(shù)字化城市管理系統(tǒng)需要構(gòu)建一個功能完善存儲系統(tǒng)，將海量的多媒體視頻信息保存在數(shù)據(jù)庫匯總，同時引入數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)放置、數(shù)據(jù)備份和恢復等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效率、安全訪問，引入陣列存儲器構(gòu)建冗余管理機制，提高數(shù)據(jù)的完整性保護功能。

2.4 視頻數(shù)據(jù)展示功能

城市管理系統(tǒng)最為重要的作用是拍攝現(xiàn)場環(huán)境信息，將其投影到多媒體電視墻、PC終端顯示器、智能手機顯示器等設備上，展示城市各個重要位置的實時現(xiàn)場環(huán)境信息。目前，許多城市構(gòu)建了數(shù)字城管中心，將城市現(xiàn)場環(huán)境信息利用多媒體矩陣管理模式實現(xiàn)靈活切換、展示和控制，并且具備歷史回放、實時查看和分屏展示功能。

2.5 城市集中控制中心功能

目前，為了提高城市管理系統(tǒng)的機動性、靈活性，統(tǒng)一調(diào)度和管理警力、城管等執(zhí)法人員，城市管理中心構(gòu)建了一個集中控制中心，利用云平臺實現(xiàn)控制中心與執(zhí)法管理人員的實時交流、互動，便于及時的處置城市管理事件。

3 視頻監(jiān)控在數(shù)字化城管系統(tǒng)中的應用技術(shù)

3.1 視頻監(jiān)控應用構(gòu)成

視頻監(jiān)控是數(shù)字化城管系統(tǒng)的重要組成部分，其位于城市管理系統(tǒng)的前端位置，可以完成城市現(xiàn)場環(huán)境視頻采集、視頻編碼處理、視頻信息傳輸和視頻信息接收功能，以便能夠利用多功能攝像頭將現(xiàn)場環(huán)境信息拍攝下來，同時利用攝像頭集成的微處理器進行編碼、壓縮和濾波處理，將大容量視頻信息進行壓縮，封裝到數(shù)據(jù)包中，利用光纖網(wǎng)絡發(fā)送到服務器，以便用戶進行接收視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容，視頻監(jiān)控在數(shù)字化城管系統(tǒng)中的應用架構(gòu)如圖1所示。

視頻采集位于智慧城市管理系統(tǒng)的最前端，目前常用的視頻采集攝像頭包括HD攝像頭、紅外攝像頭、網(wǎng)絡攝像頭，這些攝像頭可以部署在交通要道、十字路口、城市廣場、金融單位門口、政府機關(guān)單位門口的電線桿上，并且通過光纖網(wǎng)絡、移動4G網(wǎng)絡等將采集的信息發(fā)送至服務器。

視頻處理可以將攝像頭采集的信息進行編碼、壓縮、濾波之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼流。視頻采集完畢之后，可以利用攝像頭自帶的微處理器芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和視頻圖像編碼，視頻圖像編碼的格式主要為視頻流媒體格式，比如MPEG、RMV、AVG等，由于攝像頭采集的原始數(shù)據(jù)非常大，容量非常高，將這些碼流按照一定的壓縮比進行壓縮，傳輸時可以降低占用的帶寬資源，更快的傳輸信息。

視頻傳輸是指利用運營商建設的光纖網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡傳輸經(jīng)過視頻處理的信息。目前，城市中心地帶覆蓋的光纖網(wǎng)絡較多，因此可以直接利用有線網(wǎng)絡快速傳輸數(shù)據(jù)；城市的邊緣地帶、郊區(qū)等覆蓋的光纖網(wǎng)絡不足，可以利用TD-LTE、FDD-LTE等4G網(wǎng)絡進行傳輸，靈活組件視頻傳輸網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

視頻接收位于用戶端，用戶可以直接使用手機、平板電腦、陣列電視墻等顯示設備接收城市現(xiàn)場環(huán)境拍攝信息，以便能夠及時的定位卡口信息，幫助人們進行道路選擇，也可以為治安事件處理、消防事件處理選擇便捷的道路。

3.2 視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 城市視頻監(jiān)控圖像編碼技術(shù)

數(shù)字化城市管理系統(tǒng)部署在現(xiàn)場的攝像頭拍攝的內(nèi)容非常多，并且占用的容量和帶寬較大，因此為了能夠提高數(shù)字化資源利用率，可以針對數(shù)字視頻進行壓縮和編碼，提高數(shù)據(jù)傳輸成效。目前，視頻監(jiān)控圖像采用的編碼技術(shù)包括很多，比如小波編碼、熵編碼等，常用的編碼技術(shù)包括可伸縮編碼技術(shù)、最小傳輸編碼技術(shù)。最小視頻編碼能夠有效解決光纖通信、移動無線通信環(huán)境中帶寬不足的問題，按照數(shù)字化城市管理系統(tǒng)用戶接收的最低需求壓縮視頻圖像，可能會損失一部分視頻清晰度，但是可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴ｋS著數(shù)字化城市管理系統(tǒng)用戶對視頻編碼的高清晰需求，人們又提出了一種可伸縮的編碼技術(shù)，能夠自適應頻繁變動的通信帶寬資源，引入了先進的運動補償時域濾波技術(shù)、可擴展編碼技術(shù)、分層編碼技術(shù)，針對固定時域內(nèi)的幀進行預測，進一步改進了編碼的效果。

3.2.2 視頻傳輸容錯技術(shù)

數(shù)字化城市管理視頻監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于移動通信網(wǎng)絡、光纖通信網(wǎng)絡面臨的自然環(huán)境較為復雜，比如頻繁的雷電襲擊等故障，許多視頻數(shù)據(jù)傳輸過程會存在丟包、碼流錯誤等現(xiàn)象，嚴重干擾城市管理數(shù)據(jù)的準確傳輸。為了保證視頻數(shù)據(jù)流傳輸不發(fā)生錯誤，視頻傳輸需要采用容錯熵編碼、宏塊交織技術(shù)、多幀參考編碼、迭代錯誤恢復技術(shù)等，提高視頻傳輸?shù)娜蒎e性能。容錯熵編碼可以在視頻傳輸碼流中插入周期性的同步標識位，接收端可以從有效碼字序列中區(qū)分出來，如果同步標識位發(fā)生錯誤，就象征著碼流錯誤，可以利用同步標識位同步語音、視頻信號，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜浴：陦K交織方法可以有效抑制視頻傳輸?shù)耐话l(fā)性錯誤，避免視頻傳輸受到外部突發(fā)干擾造成碼流錯誤。迭代錯誤恢復技術(shù)可以部署在解碼端，通過迭代的方法可以對比碼流比特進行糾錯，利用視頻幀序列存在的時空相關(guān)性、同步碼字等特性檢查錯誤，如果一個宏塊不可解碼，可以替換一個灰度塊，直接進入到下一個宏塊進行解碼。

3.2.3 視頻存儲技術(shù)

數(shù)字化城管系統(tǒng)在運行過程中，為了能夠保證視頻數(shù)據(jù)能夠快速的訪問，需要構(gòu)建一個智能化的存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)放置技術(shù)、數(shù)據(jù)遷移技術(shù)、數(shù)據(jù)分類技術(shù)等，將訪問頻次較高、拍攝時間最新的數(shù)據(jù)放置在優(yōu)先級較高的位置，以便能夠保證用戶訪問的數(shù)據(jù)均位于效率較高的位置。目前，針對不同的視頻數(shù)據(jù)對象進行有效的描述，比如可以按照數(shù)據(jù)錄制的形式進行劃分，分別是視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)；按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以將視頻數(shù)據(jù)劃分為結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)三種類型，智能化存儲系統(tǒng)可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型進行有效的對象估值，以便能夠保證數(shù)據(jù)對象的估值準確，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移。數(shù)據(jù)放置技術(shù)包括順序放置技術(shù)、分層放置技術(shù)、隨機放置技術(shù)等多種模式，大數(shù)據(jù)智能存在系統(tǒng)可以采用優(yōu)先級較強的層次放置模式，將訪問頻次較多的數(shù)據(jù)放置在優(yōu)先級較高的存儲器上，以便能夠有效提高用戶訪問命中率和訪問效率，具體的放置過程中，還需要充分的考慮智能存儲器的容量。如果優(yōu)先級較高的位置存儲已滿，則可以利用替換策略，將訪問頻次變少的數(shù)據(jù)替換出去，提高存儲資源的利用率。大數(shù)據(jù)智能存儲系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)遷移技術(shù)包括同級數(shù)據(jù)遷移、異級數(shù)據(jù)遷移兩種技術(shù)，同級遷移技術(shù)可以將相同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)利用替換策略實現(xiàn)動態(tài)遷移；異級數(shù)據(jù)遷移可以將原始訪問量較少、后期訪問頻次上升的數(shù)據(jù)對象較低優(yōu)先級位置遷移到較高優(yōu)先級位置，這樣就可以均衡數(shù)據(jù)庫存儲的負載處理性。大數(shù)據(jù)遷移技術(shù)還可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)的訪問狀態(tài)實現(xiàn)在線遷移、離線遷移等兩種模式，在線遷移可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)遷移和并發(fā)處理遷移，這樣可以滿足數(shù)據(jù)實時訪問和處理需求，能夠大幅度提升數(shù)據(jù)的訪問命中率；離線遷移可以根據(jù)系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫片的特點，將處于同一塊的內(nèi)容遷移到相同優(yōu)先級位置的存儲器上，這樣可以利用聯(lián)想處理操作提高系統(tǒng)處理效率。數(shù)據(jù)遷移組合可以實現(xiàn)更多的遷移技術(shù)，比如同級在線遷移、異級在線遷移、同級離線遷移和異級離線遷移等方法，可以大幅度提升系統(tǒng)存儲的實時性。

4 結(jié)束語

隨著人們生活水平的的逐漸提高和經(jīng)濟快速發(fā)展，我國城市化人口和面積規(guī)模迅速上升，城市管理引入信息化、數(shù)字化、智慧化、共享化的管理理念，可以充分的利用先進的計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、光纖通信技術(shù)等在城市的各個交通路口、重要單位部署攝像頭，以便能夠現(xiàn)場采集重要部位的實時信息，充分的利用光纖網(wǎng)絡進行有效地操作，移動通信網(wǎng)絡傳輸至智慧城市管理系統(tǒng)之后，系統(tǒng)可以將其輸出到陣列顯示器、智能手機、PC終端上，以便能夠幫助城市管理人員、執(zhí)法人員隨時的調(diào)度資源，保證城市正常秩序。

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作者單位

佳都新太科技股份有限公司 廣東省廣州市 510665