古鵬　黃崢　溫武

摘 要：從現(xiàn)狀入手，對于安防存儲容量的有限與信息容量的巨大， 特別是海量的非結(jié)構(gòu)化視頻數(shù)據(jù)處理的問題，進行了分析研究，指出當前安防的存儲、數(shù)據(jù)的處理所存在的問題。對大數(shù)下的安防數(shù)存儲進行一些研究，本文提出了今后關(guān)于智慧型安防存儲的一些建議。

Abstract：From the present situation，the limited information capacity and security of storage capacity greatly， especially the vast amounts of unstructured video data processing problems are analyzed and studied， points out the existing problems about current the security storage and data processed. About of the security storage for of some research， the article put forward some suggestions about the future of intelligent security storage.

Keywords：Security；unstructured；mass data；cloud storage intelligence

關(guān)鍵詞：安防；非結(jié)構(gòu)；海量數(shù)據(jù)；云存儲；智慧

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A

0.概述

視頻監(jiān)控安防其主要特點是圖像信息量大，所以對存儲空間需求明顯。視頻監(jiān)控步入高清化時代，存儲與安防的存在著緊密結(jié)合，存儲容量的有限與信息容量的巨大， 而海量的非結(jié)構(gòu)化視頻、特征數(shù)據(jù)，帶動了大數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析等一系列問題，存在不少的矛盾需要解決，吸引著更多人的關(guān)注與研究。

1.當前存儲存在的問題

1.1后端存儲技術(shù)

當前，在安防監(jiān)控中，后端存儲系統(tǒng)從“模擬時代”到”數(shù)字時代”到如今的”云時代”。云時代，是以海量云存儲為代表，針對海量數(shù)據(jù)進行存儲。目前安防存儲中有使用前端存儲和后端集中存儲兩種方式。前端存儲指的是將攝像機的視頻信息存儲在攝像機自帶的SD卡中，這種方式主要適用于存儲時間比較短，類似于小型商鋪等地點，性價比比較高；不足之處在于數(shù)據(jù)孤島化，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合分析。后端存儲是將眾多前端視頻統(tǒng)一管理，存儲到一起。可以實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)保護機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度管理，便于數(shù)據(jù)的二次分析。

后端存儲技術(shù)包括DAS、NAS、SAN。DAS是最主要的應(yīng)用模式，存儲系統(tǒng)被直連到應(yīng)用的服務(wù)器中，許多的數(shù)據(jù)應(yīng)用是必須安裝在直連的DAS存儲器上；NAS存儲就是存儲設(shè)備通過標準的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)添加到一群計算機上，是文件級的存儲方法，它的重點在于幫助工作組和部門級機構(gòu)解決迅速增加存儲容量的需求；SAN提供了一種與現(xiàn)有LAN連接的簡易方法，并且通過同一物理通道支持廣泛使用的SCSI和IP協(xié)議。而今將固態(tài)硬盤、分層存儲技術(shù)引入安防行業(yè)，基于高速固態(tài)硬盤，結(jié)合先進的分層存儲管理技術(shù)，提升10倍錄像檢索性能。

1.2安防大數(shù)據(jù)面臨的主要問題

由于隨著視頻監(jiān)控的高清視頻的大量應(yīng)用，存儲的數(shù)據(jù)容量增大和應(yīng)用的復(fù)雜程度在不斷提高，傳統(tǒng)的存儲技術(shù)和設(shè)備滿足不了現(xiàn)有的需求。視頻監(jiān)控的高清視頻復(fù)雜系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)爆炸性的海量增長，數(shù)據(jù)的快速存儲及檢索技術(shù)，顯得尤為重要，高性能的存儲系統(tǒng)將正在成為視頻監(jiān)控技術(shù)的決定性因素。

安防大數(shù)據(jù)面臨的主要存在以下問題：

其一，海量數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)之間的矛盾。以一線特大城市廣州市為例，目前安防高清攝像頭約60萬個；一個攝像頭一下天存儲48G左右，一個月下來大概是1500G。在監(jiān)控系統(tǒng)中成千上萬路的高清監(jiān)控，按安防信息處理要求保存3個月，其產(chǎn)生的龐大視頻文件存儲容量信息，僅記錄信息是不夠的，因為對于視頻監(jiān)控來講可能大部分信息是無用的，有效信息只分布在一個較短的時間段內(nèi)，依按照數(shù)學(xué)統(tǒng)計，有用的視頻監(jiān)控信息是呈現(xiàn)冪律分布的，往往越高密度的信息價值越大。

其二，目前非結(jié)構(gòu)化視頻數(shù)據(jù)，以及智能識別技術(shù)仍不能滿足智能視頻監(jiān)控安防的需要。視頻監(jiān)控的大數(shù)據(jù)，需要將非結(jié)構(gòu)化的視頻轉(zhuǎn)換成能讀懂的視頻結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。從海量的視頻數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，已成為視頻監(jiān)控的一個瓶頸。

其三，資源利用和效率之間的矛盾，串行計算和并行計算的矛盾。視頻監(jiān)控的廣域的網(wǎng)絡(luò)化，更低的延遲、更準確的分析往往是最基本需求，視頻信息的分析，不能依賴于傳統(tǒng)的手段，并行計算是視頻智能分析的唯一出路。

其四，數(shù)據(jù)量的急劇擴大與各地區(qū)不能完全互通，不能相互共享信息與資源的矛盾。

2.關(guān)于存儲研究

2.1當前的視頻監(jiān)控安防存儲技術(shù)

現(xiàn)有的安防存儲模式云存儲技術(shù)與傳統(tǒng)存儲技：

（1）DVR/NVR前端本地存儲；

（2）集中存儲模式；

（3）云存儲模式。

云計算系統(tǒng)可以劃分為IaaS，PaaS，SaaS幾個層次。IaaS將功能是云存儲是服務(wù)重要部分，信息處理邏輯與物理存儲分開，使得信息處理專注于信息本身，將信息系統(tǒng)資源管理交給了云計算處理。它可以使信息處理邏輯變得靈活，可以根據(jù)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計需求，虛擬出相應(yīng)的應(yīng)用。安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)云存儲是以各部分以存儲設(shè)備為核心，通過軟件運用集群技術(shù)、虛擬化技術(shù)、分布式存儲技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲設(shè)備集合起來協(xié)同工作，共同對外提供視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲和處理等訪問功能。

安防視頻監(jiān)控的云存儲支持源數(shù)據(jù)模塊獨立和非獨立部署，應(yīng)基于云架構(gòu)的分布式集群和虛擬化設(shè)計的大數(shù)據(jù)存儲計算，提供合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置和存儲計算設(shè)備，利用現(xiàn)有的視頻專網(wǎng)和公安信息網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，支持視頻、圖片、對象文件混合存儲方式；支持存儲資源虛擬化整合，容量空間按需分配，可提高存儲空間的利用率；即實現(xiàn)廣域的安防視頻監(jiān)控資源共享、統(tǒng)查；同時，采用分布式技術(shù)，能將存儲計算指令分配到各個節(jié)點，避免由單個處理節(jié)點進行超負荷運算，大大提升數(shù)據(jù)存儲、計算、檢索速度。安防視頻監(jiān)控云存儲系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件全天候全方位監(jiān)控，發(fā)生故障及時告警；支持智能算法，提供以圖搜圖等豐富的智能應(yīng)用；提供開放的視頻直存技術(shù)，可接入標準第三方前端直寫，還可支持標準IP-SAN、FC-SAN存儲設(shè)備整合，保護用戶已有投資。endprint

分層存儲其實已經(jīng)不是一個新鮮的概念，其與計算機的發(fā)明與發(fā)展相伴相生而行。分層存儲（Tiered Storage），也稱為層級存儲管理（Hierarchical Storage Management），存儲介質(zhì)上的差別主要是在存取速度上及容量上。存取速度快的介質(zhì)通常都是存儲單位成本高，而且容量相對來講比較低；所以，從這方面來說，分層存儲其實是一種在高速小容量層級的介質(zhì)層與低速大容量層級的介質(zhì)層之間進行系統(tǒng)控制的智能或者手動數(shù)據(jù)遷移、復(fù)制、管理等操作的一種存儲技術(shù)及方案。

2.2安防視頻監(jiān)控大數(shù)據(jù)存儲相關(guān)的核心技術(shù)

安防視頻監(jiān)控大數(shù)據(jù)存儲不僅是存儲數(shù)據(jù)的問題，存儲質(zhì)量的好壞關(guān)系直接影響公共安全，好的存儲用4個字來描述就是為“感、傳、知、用”方便智慧；同時，安防系統(tǒng)的各個部分技術(shù)也會影響存儲質(zhì)量好壞。

其一，前端感知與攝像技術(shù)，用于的安防攝像機有槍機攝像機、板機、球機、半球攝像機、全景攝像機、紅外攝像機（紅外熱成像儀） 以及日夜兩用攝像機等監(jiān)控攝像機；日夜兩用攝像機可以或許進一步分為彩轉(zhuǎn)黑（口角）超低照度攝像機、艱深紅外攝像機、陣列式紅外攝像機、激光紅外攝像機、熱成像儀（不主動紅外攝像機）幾類。其關(guān)鍵技術(shù)是軟件處理、光學(xué)鏡頭、CCD、紅外傳器、MCU與前端芯片等技術(shù)。

視頻圖像控制器有CCD、CMOS兩種；視頻圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，視頻圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS傳感器的是電源消耗量比CCD低，CCD能提供較好的視頻圖像品質(zhì)。

主要有兩種類型的CCD光敏元件，分別是線性CCD和矩陣性CCD。矩陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖像中的一個像素，整個圖像一次同時曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩種。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。兩種排列方式成原理是相同的。內(nèi)部的微處理器從每個像素獲得信號，將相鄰的4個點合成為一個像素點。因為不是同點合成，其中包含著數(shù)學(xué)計算，因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖像總是無法達到如刀刻般的銳利。目前生產(chǎn) CCD 的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp。

魚眼全景攝像機為例，此類攝像機所有的功能實現(xiàn)軟件，包括圖像矯正、虛擬PTZ、智能部件以及壓縮算法等全部被集成在攝像機內(nèi)部的固件上，未來的升級亦只需對前端設(shè)置進行更新。與此同時，其后臺亦可提供虛擬PTZ等功能，給予用戶事后靈活改變觀看視角及側(cè)重點的可能。

紅外激光在視頻監(jiān)控攝像機夜間照明領(lǐng)域中應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于激光具有很高的發(fā)光效力、發(fā)光強度和方向性，紅外激光照明設(shè)備與配有長焦距鏡頭的攝像機組合，可以或許較好地實現(xiàn)夜間遠距離視頻監(jiān)控。

無入侵檢測的視頻監(jiān)控安防系統(tǒng)，一般用于不間斷的監(jiān)控，此類系統(tǒng)可靠性要求高，設(shè)備的存儲量大；而具有入侵檢測的監(jiān)控，實施有效實時性視頻監(jiān)控，則系統(tǒng)的各種資源的利用率的高，可靠性的要求降低，因此，在需要引入入侵檢測的視頻監(jiān)控，對減少存儲容量是可行的，有用的、必要的。

傳感器是入侵檢測的核心，通常傳感器有以下6種類型：開關(guān)傳感器、聲傳感器、光電傳感器、熱電傳感器以及電感應(yīng)傳感器。

其二，信息的編碼與傳輸技術(shù)，利用信息處理的采樣技術(shù)，信息冗余以及人的視覺殘留效應(yīng)，通過制定視頻協(xié)議，采用壓縮與解壓技術(shù)，完成對視頻的信息的較高效處理；采用壓縮編碼，有效利用存儲空間，解壓則準確還原視頻。

主要的技術(shù)有以下兩個，MPEG-4編碼標準、H.264/AVC編碼標準。

MPEG-4標準它是基于對象的編碼理念，即在編碼時將一幅景物分成若干在時間和空間上相互聯(lián)系的視頻音頻對象，分別編碼后，再經(jīng)過復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩?，然后再對不同的對象分別解碼，從而組合成所需要的視頻和音頻。

H.264/AVC包含兩個層次，視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)抽象層。視頻編碼層主要致力于有效地表示視頻內(nèi)容，采用變換編碼，使用空間和時間預(yù)測的混合編碼網(wǎng)絡(luò)抽象層格式化VCL視頻表示，提供頭部信息，適合多種傳輸和存儲媒體。

其三，信息的應(yīng)用技術(shù)。視頻智能分析技術(shù)感知系統(tǒng)，可以智能提取視頻圖像中的重要信息，進行存儲和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，為視頻大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；也可以地不同的場景中預(yù)設(shè)不同的報警規(guī)則，一旦檢測出目標在場景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，通過硬件與軟件實現(xiàn)智能化的智能監(jiān)測報警功能，其主要包括：入侵探測、物體追蹤、移走物體檢測、非法滯留、遺留物體檢測、視頻移動偵測等。此外，城市交通管理、環(huán)境管理、政務(wù)服務(wù)、零售服等行業(yè)應(yīng)用：人數(shù)統(tǒng)計、交通流量控制、車輛安全控制探測與報警。

視頻監(jiān)控安防信息庫和海量數(shù)據(jù)的處理、分析、檢索，是提高效率的有力手段。通過視頻智能分析技術(shù)，把海量的視頻數(shù)據(jù)進行濃縮、提取特征摘要、減少了存儲空間。同時，視頻監(jiān)控安防信息庫有別于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，針對結(jié)構(gòu)化，半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的多個副本分布式保存方式，可以有效節(jié)約存儲空間，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的二次備份，使系統(tǒng)架構(gòu)更加穩(wěn)定和可擴展，并且提供安全的負載均衡和容錯機制。

其四、基礎(chǔ)的器件技術(shù)，基礎(chǔ)研究的主要是開發(fā)新的器件，微電子進入了納米領(lǐng)域，它的制造主要涉及深亞微米技術(shù)，特殊電路的工藝兼容技術(shù)，設(shè)計方法的研究，嵌入式IP核設(shè)計技術(shù)，測試策略和可測性技術(shù)，軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)和安全保密技術(shù)。

目前我國集成電路的加工水平為達到了0.18μm的水平，與當前國際水平為0.09μm，相差約為2至3代。新一代的光刻技術(shù)，X射線和離子投影光刻技術(shù)也在研究之中。SoC作為系統(tǒng)級集成電路，能在單一硅芯片上實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理和I/O等功能，將MCU 、MPU、DSP、數(shù)字電路、存儲器等集成在一塊芯片上實現(xiàn)一個完整系統(tǒng)的功能。電子產(chǎn)品向便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展的市場需求對電路組裝技術(shù)提出了苛刻需求，集成電路封裝技術(shù)包括：裸芯片、微組裝、圓片級封裝、無焊內(nèi)建層等技術(shù)。endprint

3.視頻監(jiān)控安防數(shù)存儲發(fā)展研究與建議

3.1視頻安防大數(shù)據(jù)的特征

安防監(jiān)控領(lǐng)域的視頻數(shù)據(jù)則具有非常明顯的特征，依照時間順序持續(xù)產(chǎn)生，并且數(shù)據(jù)量非常龐大，數(shù)據(jù)量的爆炸性增長可想而知。安防大數(shù)據(jù)涵蓋了4V面向，分別是處理時效（Velocity）、數(shù)據(jù)格式（Variety）、數(shù)據(jù)量（Volume）與真實性（Veracity），要通過快速的采集、發(fā)現(xiàn)和分析，從大量化、多類別的數(shù)據(jù)中提取價值。

視頻監(jiān)控安防大數(shù)據(jù)時代最顯著的特征就是數(shù)據(jù)共享，快速的數(shù)據(jù)處理能力，智能、智慧處理信息。視頻監(jiān)控的大數(shù)據(jù)處理難度尤其大，首先，視頻錄像是更原始的非文本非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過復(fù)雜繁重的分析處理才能提取出文本結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進行下一步處理，必須對數(shù)據(jù)進行一定的改造，讓不同形式的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、存儲與識別相關(guān)聯(lián)；其次視頻錄像相對其他形式數(shù)據(jù)的容量要大幾個數(shù)量級，對傳輸、存儲和計算的帶寬要求大。

3.2建設(shè)視頻監(jiān)控安防大數(shù)據(jù)的智慧型云存儲

如果把云計算比喻成手機系統(tǒng)，那么IaaS就是硬件，要自己寫代碼研發(fā)系統(tǒng)才能用；PaaS是系統(tǒng)，則是要實現(xiàn)什么功能就要裝什么軟件；SaaS就是硬件+系統(tǒng)+軟件。

云存儲由存儲層、設(shè)備層、管理層、應(yīng)用接口層等組成。智慧型云存儲與現(xiàn)在的云存儲不同之處就是讓存儲有智慧。視頻監(jiān)控安防領(lǐng)域的云存儲首先面臨的就是對文件系統(tǒng)的改造，針對視頻數(shù)據(jù)的特點，在持續(xù)寫入時需要強關(guān)聯(lián)其時間屬性，同時優(yōu)化磁盤的存儲空間，合理安排數(shù)據(jù)的存儲資源分配。在對文件系統(tǒng)進行全面優(yōu)化后形成一套適合視頻數(shù)據(jù)存儲和讀取、應(yīng)用的云存儲文件系統(tǒng)。

存儲層要存儲器的材料、存儲結(jié)構(gòu)、分層存儲以及并行存儲等下功夫研究，以快速、大容量、安全解決存儲問題。通過軟件與硬件結(jié)合使其智慧化，系統(tǒng)的設(shè)備層要實現(xiàn)存儲容量、速度、利用率的最大化。存儲結(jié)構(gòu)的多樣性，分布式與集中式相結(jié)合；私有與公有云相互動。視頻監(jiān)控安防應(yīng)用接口層是云存儲最靈活多變的部分，面向用戶應(yīng)用提供完善以及統(tǒng)一的訪問接口，開發(fā)不同的應(yīng)用服務(wù)接口，提供不同的應(yīng)用服務(wù)；實現(xiàn)存儲設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理，以及硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護等；存儲業(yè)務(wù)響應(yīng)，以及存儲資源調(diào)配。

3.3建設(shè)各類與視頻監(jiān)控安防相關(guān)聯(lián)的物體外型識別數(shù)據(jù)庫存

視頻監(jiān)控安防最重要是人的安全，當前的安防的技術(shù)只能識別人與車輛，加強人或以人相關(guān)的物體外形識別，與人相關(guān)的不同數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，有利于提高安防識別的水平。如果以類似處理中文字的方式技術(shù)，加之提高視頻前端技術(shù)對物體與人識別處理關(guān)聯(lián)，建立人工智能識別，相信能識別更多物體。建交例如：衣服、工具、包、手機等與人有相關(guān)聯(lián)的影響安全的資源信息庫，用于安防智慧識別。

3.4視頻監(jiān)控安防前端設(shè)備更智能化、攝像方式多元化

前端設(shè)備應(yīng)以智慧識別為目標獲取圖像等信息，前端設(shè)備包括檢測與視音頻設(shè)備，如果前端能對信息作高質(zhì)量的、利于識別與存儲的處理，無疑是對安防存儲的提高有大幫助；在以下方面要大力做好產(chǎn)品的研究與研發(fā)：其一，核心檢測元器件的研發(fā)；其二，檢測方法的多樣性與人為主體的關(guān)聯(lián)檢測技術(shù)；其三，提高攝像素、秒幀數(shù)；智能選取秒幀數(shù)，壓縮方式，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，形成相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)；其四，除現(xiàn)有紅外、光電、多槍、魚眼全景外，研發(fā)新的攝像槍，如：三D攝像槍或其他形式攝像槍產(chǎn)品。

3.5圖形信息容量小而質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)化利于智能識別

對編碼、解碼以及相關(guān)標準與技術(shù)的研發(fā)，優(yōu)化壓縮與解壓技術(shù)提高存儲的空間利用率，研究圖像信息分類、預(yù)測、識別、關(guān)聯(lián)，形成新的技術(shù)與標準。優(yōu)化分析算法，研發(fā)智能處理推送、圖像結(jié)構(gòu)化、各類數(shù)據(jù)庫異構(gòu)與關(guān)聯(lián)、優(yōu)化存儲、數(shù)據(jù)安全與挖掘。一切以安防信息智能利用為目的擴展信息為安防的利用價值，構(gòu)建智慧安防。

結(jié)語

視頻監(jiān)控安防的數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)爆炸性的海量增長，非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，為安防的有效應(yīng)用提出的新的課題，通過對現(xiàn)有的理論與技術(shù)研究，提出：提高檢測方式與技術(shù)、壓縮與解壓、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化與關(guān)聯(lián)、智能攝像機與智慧型云存儲建議，相信經(jīng)過深入的研發(fā)，智慧型視頻監(jiān)控安防云存儲在不久的將來一定可以實現(xiàn)。

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