CN109587438A - 一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法。本申请通过主动检测视频监控网络中客户端的带宽状态，为监控网络中不同带宽和不同监控需求的客户端用户，适配和提供差异化的服务，使客户端用户最大程度地获取和感知视频监控区域的状态。本申请提出的面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，能够在视频监控过程中不受网络带宽不稳定和网络带宽输出有限等因素的影响，主动检测客户端的实际带宽并适配相应的视频内容传输方案，更可靠地为客户端视频监控人员提供视频监控区域的状态信息。
Description
技术领域
本申请属于多媒体传输领域，具体涉及一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法的设计与应用，是一种在网络带宽检测基础上根据网络带宽检测值确定视频传输内容的系统设计方法，该方法可以最大程度的利用网络带宽，为不同网络状况和需求的客户端用户提供差异化的视频服务。
背景技术
视频处理数据在网络传输中具有带宽需求量大、实时性强、对延迟敏感等特点，因此当前基于IP的网络在视频处理数据传输等应用上遇到了很多挑战，服务质量(Qualityof Service)很难直接满足用户的需求。一方面当前网络只提供一种“竭尽全力”的传输服务，并不能保证大量以UDP协议作为传输协议的视频相关数据能够准确的传输到目的节点；另一方面随着新一代视频编码标准HEVC(High Effective Video Coding)的提出，视频质量越来越高，近些年来出现的超高清视频标准分辨率甚至达到了8K×4K，编码帧率达到120帧/秒，此外伴随云计算等基础技术的蓬勃发展和高清视频的逐步推广应用，视频传输对网络高码率低延迟的要求越来越高。综合两方面因素，网络背景带宽对监控视频传输服务起着非常重要的决定性作用。
当前视频监控传输系统应用主要面向实时视频。随着大数据概念和视频处理技术的兴起，计算机视觉和图像处理的方法对获取的视频和图像的信息进行分析，并对监视场景中的目标和行为进行理解和描述，通过借助计算机强大的计算功能对海量视频数据进行分析，为用户提供有效的视频处理数据。随着视频监控技术智能化发展趋势，视频及相关处理数据在监控系统内的实时共享变得日益重要，用户一方面能够通过数据共享实时的观测到监控场景的情况，另一方面通过共享视频处理信息进行用户间高效的视频协作，视频处理数据共享在众多领域都具有重要的应用价值。通过视频处理技术可以获取多种类型和尺寸的数据，这些数据均可以应用到视频监控之中，这样就使得视频监控系统能够适应更大范围的网络，并且提供较好的服务质量。
本申请主要针对不同网络带宽下监控系统的多种类型视频及处理数据的可靠传输。已有的方法通过对网络传输带宽的探测值对视频编码器进行码率控制，输出符合当前网络状态的码流。这种方法在差异性网络中并不普遍使用，如果用户网络带宽较低会直接影响用户的监控质量。
本申请根据网络中不同用户的网络带宽及需求，为其适配差异化的视频传输服务，使其最大程度的获取和感知视频监控区域的状态。在不同带宽尺度下传输不同类型的视频处理数据，为用户在带宽有限的约束条件下尽可能提供较好的监控质量。
申请内容
针对监控系统网络差异性较大的问题，根据网络中不同用户的网络带宽及需求，为其适配差异化的视频传输服务，使其最大程度的获取和感知视频监控区域的状态。在网络状态较好时，系统自适应进行码率控制进行视频传输；网络状态一般时，为了节约带宽，系统进行全景图传输；网络状态较差时，系统将视频处理中识别的目标进行传输。系统测试表明本方法能够在较为准确的带宽检测下，提供有效的传输服务，尽可能利用网络传输带宽。
为实现上述目的，本申请采用下述技术方案：
步骤(1)、服务端接收到客户端视频服务请求后，主动检测客户端间的当前网络带宽，并根据具体带宽将网络状态分为“优”、“良”、“中”、“差”四个状态；
步骤(2)、若网络状态为“优”，服务端和客户端建立实时视频连接，为客户端提供带宽值相适应的实时监控视频码流，同时根据客户端用户需求提供实时视频中检测到的异常目标信息；
步骤(3)、若网络状态为“良”，服务端和客户端建立连接，服务端根据客户端需求提供多种监视模式，包括含有运动目标的异常视频、经全景拼接技术拼接后的全景图以及视频摘要；
步骤(4)、若网络状态为“中”，由于网络带宽有限，服务端和客户端建立连接后，服务端只向客户端提供服务端对采集视频进行智能分析处理后的异常目标图片和属性信息；
步骤(5)、若网络状态为“差”，由于网络带宽极小，服务端和客户端建立连接后，服务端以文本方式向客户端提供服务端对采集视频进行智能分析处理后得到的异常情况信息；
步骤(6)、针对网络状态为“优”、“良”、“中”的情况，客户端选择带宽要求更低的服务；
步骤(7)、当网络状态变化时，服务端自适应的根据变化后的网络状态调整服务内容，为客户端用户提供服务。
所述步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)、客户端通过网络向服务端发起视频服务请求；
步骤(12)、服务端接收到客户端视频服务请求后，根据丢包率和往返时延估算当前网络带宽BW，并实时更新；
步骤(13)、服务端对客户端网络状态进行划分：设定三个阈值bw1、bw2和bw3，bw1>bw2>bw3，将网络分为以下四种情况：
步骤(14)、若BW>bw1，定义网络状态为“优”；
步骤(15)、若bw1>BW>bw2，定义网络状态为“良”；
步骤(16)、若bw2>BW>bw3，定义网络状态为“中”；
步骤(17)、若BW<bw3，定义网络状态为“差”。
所述步骤(2)具体包括如下步骤：
步骤(21)、服务端和客户端建立实时视频连接；
步骤(22)、根据实时检测到的网络带宽，动态调整视频编码器的目标码率，输出与网络带宽一致的实时监控视频码流；
步骤(23)、为客户端提供与带宽值适应的实时监控视频码流；
步骤(24)、根据客户端需求提供实时视频中检测到的异常目标信息。
所述步骤(3)具体包括如下步骤：
步骤(31)、服务端位客户端提供全景图监视、异常视频监视和视频摘要监视三种模式供客户端进行选择；
步骤(32)、若客户端选择全景图监视模式，则服务端控制对应视频传感器进入全景图监视模式并将获取的实时视频拼接成全景图，经全景图编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整全景图传输的更新周期和压缩倍数；
步骤(33)、若客户端选择异常视频监视模式，则服务端开启对应视频的异常检测功能，并将检测得到的异常视频经视频编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整异常检测模式的检测灵敏度和异常视频的压缩倍数；
步骤(34)、若客户端选择视频摘要监视模式，则服务端开启对应视频的视频摘要功能，并将得到的视频摘要经视频编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整视频摘要的压缩程度和编码倍数。
所述步骤(4)具体包括如下步骤：
步骤(41)、服务端开启监控视频实时智能分析功能，对实时监控视频进行智能分析，并对得到的异常目标进行分类和属性分析；
步骤(42)、对检测得到的异常目标图像进行压缩，生成目标图像码流；服务端根据带宽变化自适应调整异常目标图像的压缩倍数；
步骤(43)、服务端将压缩后的目标图像码流和目标属性信息传给客户端；客户端根据需要定时刷新显示并存储到本地目标数据库。
所述步骤(5)具体包括如下步骤：
步骤(51)、服务端每采集一帧视频，通过分类学习算法对该帧的监控区域出现的目标进行分类，并统计目标的属性；
步骤(52)、服务端将每一帧产生的目标属性统一组织成xml文件的形式发送给客户端；
步骤(53)、客户端接收文件后存储在本地，供用户进行查询。
本申请与现有技术相比的优点在于：
1.本申请能够主动检测客户端的当前网络带宽，并在不同带宽环境下自适应的调整编码码率，实现大范围带宽变化情况下的监控视频实时编码与传输服务；
2.与以往视频监控系统仅仅提供实时视频不同，本申请能够针对不同的网络带宽状态，提供异常视频、全景图、视频摘要、异常目标图片、属性信息和异常情况信息文本等多种类型不同带宽尺度的监控模式，在不同带宽环境下自适应提供不同类型的视频服务，更可靠地为视频监控人员提供视频监控区域的状态信息，满足了差异化网络环境下不同用户的需求。
附图说明
图1为面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法功能设计图
图2为服务端为客户端提供传输服务的流程图
具体实施方式
为了满足异构网络下不同用户的视频监控需求，本申请提出了一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，主要是提供了一套为了满足不同用户在异构网络下的视频服务需求的系统设计与实现的方法。本申请以网络带宽估计值作为网络状态的判定依据，在不同网络状态下为用户提供不同内容的视频监控内容服务。经过分析可知，系统支持每秒传输的视频帧数量在20-25帧，在视频编码器正常压缩和码率控制下，需要网络带宽在200Kbps以上；服务端采用全景图监视模式，那么全景图生成时间在30-150s，需要的网络带宽在理论上的极限为200Kbps；服务端采用目标监视模式，只向客户端传输区域内的重要和敏感目标其所需带宽不过20Kbps；而如果服务端仅以文本方式向客户端提供服务端对采集视频进行智能分析处理后得到的异常情况信息，如异常目标(如人员、车辆等)等的属性信息(如目标出现的时间、地点、大小、类型等)的话，其数据量可控制在2Kbps以内；因此根据网络带宽的预测情况自适应的选择监控模式能够尽可能的利用网络带宽，获取较多的感知监控信息。
为了设计并实现异构网络下视频监控服务方法，本申请将系统业务结构划分为传输层、调度层和系统层三个层次，传输层主要处理服务器端和客户端连接建立后的管理工作，自适应感知网络的波动，输出平滑并适应网络状态的传输码率，从逻辑层次上属于点对点的传输控制与管理层次。调度层主要从点对多点的逻辑关系上处理数据流量的调度问题，以更好的实现更多的用户请求并能保证一定的视频及相关数据的传输质量。系统层主要负责对于视频监控传输系统的设计实现，协议及数据包格式设计、缓冲区管理等工作，以保证最终完成研制总要求的系统设计与实现的工作。
本申请描述的方法主要包括三部分，本申请以网络带宽估计作为网络状态的评价基准，假设网络带宽当前为BW，根据实际实验测试结果选择三个经验值bw1、bw2，bw3，其中bw1>bw2>bw3。若BW>bw1，表明网络状态好，系统直接选择实时视频传输服务；若bw1>BW>bw2，表明网络状态良，用户可以在异常视频、视频摘要、全景图等监视模式中做出选择；若bw2>BW>bw3，表明网络状态较中，系统直接选择运动目标传输服务模式；若bw3>BW，表明网络状态较差，系统直接选择运动目标属性信息传输服务。每种服务模式的具体实施方法如下：
1.实时视频传输服务
实时视频是视频监控系统提供的最重要的传输服务，本方法所述系统为多源接入系统，同时支持多个客户端的视频并发请求，在有限的网络带宽下尽可能支持多个客户端的请求，具体实施方式如下：
预先对视频编码器进行分类，每类视频码流根据反馈的网络带宽动态调整编码码率，不同用户所处监控点的网络状况不同，差异化严重，如果采用同一的视频编码器，便无法满足不同用户差异化服务需求；如果为每一个用户单独启用一路视频编码器便会消耗服务端较大的计算资源和存储资源，直接限制了同时连接客户端的数目。本申请将视频编码器根据网络带宽的预测值划分为若干级别的视频编码器，这样划分既能尽可能照顾到用户间的差异化服务需求，又能有效利用服务器的计算资源和内存资源。网络带宽与码流类型对应关系见下表1。
表1网络带宽与视频码流类型对应表
| 网络带宽 | 视频编码码流类型 |
| 大于800Kbps | 高位率码流 |
| 400Kbps-800Kbps | 中位率码流 |
| 200Kbps-400Kbps | 低位率码流 |
2.异常视频/视频摘要/全景图传输服务
网络状态一般时，实时视频的连续监控会有较大的带宽压力，在这种网络状态下系统支持三种类型的监控模式：异常视频、视频摘要和全景图，这三种数据均不是连续图像数据，根据不同用户需求对传输内容重点不尽相同。
(1)异常视频传输服务
异常视频是指服务端监控视频中出现运动目标的视频帧，异常视频传输模式下系统只是传输出现运动目标的视频帧，对于静态视频帧不向客户端进行传输。异常视频传输更加关注监控场景的运动目标和用户感兴趣的目标，其算法和实现方式也较简单。传输时与实时视频相同采用动态的码率控制来改变视频的压缩倍数动态改变输出码率的大小以适应网络带宽。
(2)视频摘要传输服务
视频摘要将视频帧中的重要内容和用户感兴趣的内容抽取出来并重新组织成视频帧，是视频内容的浓缩。视频摘要监控模式下若干视频帧的重要内容会被组织成一个视频帧传送到客户端，相对于异常视频，视频摘要算法和实现方式相对复杂，但是对感兴趣内容的理解更加全面并连贯。传输时与实时视频相同采用动态的码率控制来改变视频的压缩倍数动态改变输出码率的大小以适应网络带宽。
(3)全景图传输服务
全景图监视模式是本方法在网络状况一般时所采用的监控模式，在网络状态不足以支持每秒20帧视频传送时，服务端系统自动开启全景图监视。全景图监视具有监视视野广阔、传输频率较低等特点。全景图拼接算法拼接完整一帧图像所需时间范围在30-150秒之间，因此相比于实时视频其传输频率小数百倍。具体实施方式如下所示：
全景图监视模式下通过改变JPEG2000编码器的压缩倍数来控制全景图压缩码流大小和更新周期，这两者都起到了减少网络带宽需求的效果。压缩倍数和更新周期根据网络带宽变化情况如表2。
表2压缩倍数和更新周期与网络带宽关系表
| 网络带宽 | 压缩倍数 | 更新周期 |
| 150-200kbps | 6 | 30s |
| 100-150kbps | 10 | 60s |
| 50-150kbps | 15 | 90s |
| 20-50kbps | 20 | 150s |
在对非实时视频传输数据包进行设计时只需考虑数据包大小因素。在传输层基于UDP协议的传输过程中，以太网最大传输单元大小为1500字节，因此在设计基于RTCP传输的视频处理层数据和视频分析目标数据的数据包分包大小不超过1500字节，本方法一般设计为1400字节，在网络状态差的条件下设置为1100字节。
在传输层基于TCP协议的全景图传输过程中，理论上TCP协议无需关心数据分包大小的情况，但是由于全景图自身数据量较大，最大的全景图能够达到60MB，其中描述纹理的Y分量达到40MB，如果不对数据进行分包发送，那么需要40MB的缓冲区对全景图接入并传输，这样系统内存无法得到充分利用，因此全景图也需要分包，并结合全景图对实时性要求并不严格的特点，因此全景图传输分包策略基于两点：首先，全景图Y、U、V三个分量分开编码传输，Y、U、V分量内部再次划分，进行分块编码传输；其次，考虑到全景图对实时性要求不高，本方法设计全景图每块大小为1500字节，并在每个分包之间设置时间间隔。这样设计利用了全景图的特点将网络的流量负载进行了均摊，避免了全景图监视模式下网络流量定期出现峰值的情况。
3.运动目标服务传输
当网络状态极差不足以支持全场景覆盖的监控内容传输时，系统自适应的切换到运动目标监视模式，服务端对监控视频进行异常检测，然后对每帧采集的异常视频进行运动目标的分类，类别有车、船、人，之后将目标出现的时间、地点、大小和类型的等重要信息传输到客户端，这些信息也是视频监控系统最重要和敏感的场景信息，具体实施方式如下所示：
(1)服务器端生成分类目标后对每个目标图片进行压缩
本方法应用场景为远程监控，因此运动目标尺寸较小，但是在复杂的监控场景中同一视频帧内可能会产生很多感兴趣的目标，为了使得目标传输具备多种网络监控场景的能力，目标生成后首先通过JPEG2000编码器进行压缩编码，减小对网络传输所需的带宽的需求。
(2)客户端对收到的目标信息进行存储
客户端在收到目标之后采用JPEG图像解码器对收到的目标图片进行解码，解码后的目标图片存储到客户端的本地以便于后期客户端进行目标比对和检索。
4.运动目标属性信息传输服务
当网络状态差到不足以支持多媒体信息传输时，系统通过传输文本信息来描述视频监控到的重要内容，服务端对每帧采集的视频进行运动目标的分类，具体分为车、船、人三个类别，将分类后目标的属性信息，包括时间、位置、尺寸、类型，统一组织并传送到客户端，客户端用户收到后可以直接查看文本内容。具体实施方式如下所示：
(1)以视频帧为单位进行目标属性信息传输
视频帧可能存在多个目标，也可能不存在目标，在进行属性信息的统计和组织时以视频帧为单位，将每一帧的内容组织起来进行传输。
(2)属性信息采用xml方式进行组织
属性信息具体包含的内容和字段如下：
frameNo：视频帧帧号；
time：目标出现的时间；
location：目标出现的位置(在视频帧上的坐标)；
type：目标的类型；
height：目标的长度；
width：目标的宽度；
以上公开的仅为本申请的具体实施例。根据本申请提供的技术思想，本领域的技术人员所能思及的变化，都应落入本申请的保护范围内。
Claims (6)
1.一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤(1)、服务端接收到客户端视频服务请求后，主动检测客户端间的当前网络带宽，并根据具体带宽将网络状态分为“优”、“良”、“中”、“差”四个状态；
步骤(2)、若网络状态为“优”，服务端和客户端建立实时视频连接，为客户端提供带宽值相适应的实时监控视频码流，同时根据客户端用户需求提供实时视频中检测到的异常目标信息；
步骤(3)、若网络状态为“良”，服务端和客户端建立连接，服务端可根据客户端需求提供多种监视模式，包括含有运动目标的异常视频、经全景拼接技术拼接后的全景图或视频摘要；
步骤(4)、若网络状态为“中”，由于网络带宽有限，服务端和客户端建立连接后，服务端只向客户端提供服务端对采集视频进行智能分析处理后的异常目标图片和属性信息；
步骤(5)、若网络状态为“差”，由于网络带宽极小，服务端和客户端建立连接后，服务端以文本方式向客户端提供服务端对采集视频进行智能分析处理后得到的异常情况信息；
步骤(6)、针对网络状态为“优”、“良”、“中”的情况，客户端根据需要选择带宽要求更低的服务；
步骤(7)、当网络状态变化时，系统自适应的根据变化后的网络状态自动调整服务内容，为客户端用户提供服务。
2.如权利要求1所述的一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)、客户端通过网络向服务端发起视频服务请求；
步骤(12)、服务端接收到客户端视频服务请求后，根据丢包率和往返时延估算当前网络带宽BW，并实时更新；
步骤(13)、服务端对客户端网络状态进行划分：设定三个阈值bw1、bw2和bw3，bw1>bw2>bw3，将网络分为以下四种情况：
步骤(14)、若BW>bw1，定义网络状态为“优”；
步骤(15)、若bw1>BW>bw2，定义网络状态为“良”；
步骤(16)、若bw2>BW>bw3，定义网络状态为“中”；
步骤(17)、若BW<bw3，定义网络状态为“差”。
3.如权利要求1所述的一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下步骤：
步骤(21)、服务端和客户端建立实时视频连接；
步骤(22)、根据实时检测到的网络带宽，动态调整视频编码器的目标码率，输出与网络带宽一致的实时监控视频码流；
步骤(23)、为客户端提供与带宽值适应的实时监控视频码流；
步骤(24)、根据客户端需求提供实时视频中检测到的异常目标信息。
4.如权利要求1所述的一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括如下步骤：
步骤(31)、服务端位客户端提供全景图监视、异常视频监视和视频摘要监视三种模式供客户端进行选择；
步骤(32)、若客户端选择全景图监视模式，则服务端控制对应视频传感器进入全景图监视模式并将获取的实时视频拼接成全景图，经全景图编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整全景图传输的更新周期和压缩倍数；
步骤(33)、若客户端选择异常视频监视模式，则服务端开启对应视频的异常检测功能，并将检测得到的异常视频经视频编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整异常检测模式的检测灵敏度和异常视频的压缩倍数；
步骤(34)、若客户端选择视频摘要监视模式，则服务端开启对应视频的视频摘要功能，并将得到的视频摘要经视频编码器编码后分包传输给客户端；服务端根据带宽变化自适应调整视频摘要的压缩程度和编码倍数。
5.如权利要求1所述的一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括如下步骤：
步骤(41)、服务端开启监控视频实时智能分析功能，对实时监控视频进行智能分析，并对得到的异常目标进行分类和属性分析；
步骤(42)、对检测得到的异常目标图像进行压缩，生成目标图像码流；服务端根据带宽变化自适应调整异常目标图像的压缩倍数；
步骤(43)、服务端将压缩后的目标图像码流和目标属性信息传给客户端；客户端根据需要定时刷新显示并存储到本地目标数据库。
6.如权利要求1所述的一种面向智能视频监控的差异化视频内容服务方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括如下步骤：
步骤(51)、服务端开启监控视频实时智能分析功能，对实时监控视频进行智能分析，并对得到的异常目标进行分类和属性分析；
步骤(52)、服务端将实时监控视频智能分析的结果统一组织并以xml或文本形式发送给客户端；客户端根据需要定时刷新显示并存储到本地数据库中供客户端用户查询。
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