CN114257785A - 一种基于边缘计算的视频处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于边缘计算的视频处理方法，采用基于端侧AI芯片，实现视频数据就地计算、分析及联动，减少数据并发上传量，减轻站端系统计算、存储及传输的压力。视频图像处理流程为“拉流‑>解码‑>算法处理‑>推流”，实现多路视频流零时延透传实时显示。基于边缘计算的视频处理方法性能优异、扩展性强，采用算力达16TOPS，最多可支持20路1080P视频数据并行处理，多算法可并行运行；装置侧AI算法给出分析结果，配合联动装置，可做到快速响应；支持二次开发，对外提供业务接口，可基于项目需求快速搭建业务系统。
Description
技术领域
本发明涉及边缘计算领域，具体涉及一种用于视频数据分析及在线监控领域的基于边缘计算的视频处理方法。
背景技术
现今，在电力系统的诸多场景，已经部署了众多网络摄像头，摄像头将生产现场的图像数据传输到服务器端，通过人工进行图像数据中环境、设备运行状况等的监测。该方式需将海量图像数据从网络边缘侧经长距离传输到服务器端，然后通过人工对图像数据进行分析。海量的图像数据使得网络带宽压力大，远距离传输使得监控的实时性不够，还存在数据安全等问题，人工对图像数据进行分析费时费力，并且存在疲劳失误问题。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种实现视频数据就地计算、分析及联动，减少数据并发上传量，减轻站端系统计算、存储及传输的压力的基于边缘计算的视频处理方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于边缘计算的视频处理方法，包括如下步骤：
a)构建由Atlas200板卡、交换机、服务器、与服务器相连的显示器以及若干网络摄像头构成的多场景适用边缘智能系统，网路摄像头、Atlas200板卡、服务器均与交换机相连，Atlas200板卡通过交换机获取网络摄像头采集的图像数据；
b)Atlas200板卡上电后进行初始化；
c)Atlas200板卡对网络摄像头拍摄的视频图像数据进行并行处理分析，判断适配图像数据中是否具有特定目标，根据Atlas200板卡工作模式判断是否上传适配图像数据；
d)Atlas200板卡将除视频外的其它数据打包成MODBUS协议标准数据包，通过串口发送给Atlas200板卡的协议转换模块，协议转换模块将MODBUS协议标准数据包转换为辅控系统支持的协议，辅控系统下发的数据通过协议转换模块转换为MODBUS协议，实现辅控系统与Atlas200板卡之间的通信。
进一步的，网路摄像头、Atlas200板卡通过网线与交换机相连，服务器通过光纤与交换机相连。
进一步的，上述Atlas200板卡由Atlas200模块、电源模块、时钟电路、复位电路、看门狗、LED指示模块、RS485电路、开出回路、协议转换模块、存储电路和网络电路构成，所述Atlas200模块内置昇腾310 AI处理器，Atlas200模块的UART0与RS485电路相连，Atlas200模块的UART1与协议转换模块相连，协议转换模块与辅控系统相连，Atlas200模块的IIC接口与存储电路相连，Atlas200模块的GPIO与开出回路相连，开出回路连接风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃，Atlas200模块的RGMII与网络电路相连。
进一步的，上述Atlas200板卡监测到特点目标时，计算出待定目标在图片中的坐标，将坐标和具有特定目标的图像数据同时传输到服务器中，服务器中的监控软件将特点目标通过矩形框在图像中框出显示，若图像数据中未监测到特点目标，则图像数据不向服务器传输。
进一步的，步骤b)中Atlas200板卡上电后进行存储模块初始化操作，读取存储芯片内容，如果存储芯片存在初始化和配置信息，则根据存储信息进行初始化操作及加载配置信息，如存储芯片未初始化，则等待串口初始化和调试接口初始化后，通过调试接口下发初始化和配置信息后进行协议转换模块初始化、LED指示模块初始化、开出回路初始化、看门狗初始化和网络模块初始化。
进一步的，步骤c)包括如下步骤：
c-1)网络摄像头拍摄的视频图像数据为H264编码格式的视频流，Atlas200板卡获取网络摄像头发出的H264编码格式的视频流；
c-2)将H264编码格式的视频流进行保存操作，并将H264编码格式的视频流另外拷贝一份H264编码格式的视频流，将拷贝的H264编码格式的视频流解码为若干幅YUV420格式的图像；
c-3)将YUV420格式的图像进行缩放操作，进行分辨率调节；
c-4)Atlas200板卡判断YUV420格式的图像中是否有特定目标，将特定目标进行分类；
c-5)Atlas200板卡将分类结果通过串口输出或Atlas200板卡将H264编码格式的视频流与分类结果整合为Protobuf格式的数据推送给WebSocket Server，WebSocketServer通过µWS与Nginx服务器相连，Nginx服务器与服务器进行数据交换。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用基于端侧AI芯片，实现视频数据就地计算、分析及联动，减少数据并发上传量，减轻站端系统计算、存储及传输的压力。
（2）本发明基于数据扩充+算法+自动超参搜索技术，实现环境异常状态识别，异常识别平均精度在95%以上。
（3）本发明基于多源数据融合技术，可将传感器数据与AI视频分析结果作为双判据。完成环境异常状态的精准研判。
（4）本发明视频图像处理流程为“拉流->解码->算法处理->推流”，实现多路视频流零时延透传实时显示。
（5）本发明的基于边缘计算的视频处理方法性能优异、扩展性强，采用算力达16TOPS，最多可支持20路1080P视频数据并行处理，多算法可并行运行；装置侧AI算法给出分析结果，配合联动装置，可做到快速响应；支持二次开发，对外提供业务接口，可基于项目需求快速搭建业务系统。
（6）本发明算法丰富、准确率高：预置多种AI算法，并且支持多算法混跑（串行、并行、串并结合），可灵活配置各类业务场景；通过不断对算法进行优化迭代，使其具有了较高的准确率，误报率低于5%。
（7）本发明部署简单，运维便捷：不需对现有视频监控线路进行改造，通过网线接入现有视频监控网络，即具有了AI处理能力；支持远程系统配置、人脸库管理、算法和软件升级等功能。
（8）本发明经济实用，安全可靠：采用边缘计算技术，可做到就地分析，减少了非必要信息的传输及存储，极大节省了带宽传输和服务器硬件等成本；具备访问权限管理，数据传输及存储时均进行了软件加密。
附图说明
图1为本发明的多场景适用边缘智能系统组网图；
图2为本发明的Atlas200板卡的硬件结构图；
图3为本发明的Atlas200板卡的运行流程图；
图4为本发明的Atlas200板卡的视频处理分析流程图。
具体实施方式
下面结合附图1至附图4对本发明做进一步说明。
如附图1所示，一种基于边缘计算的视频处理方法，包括如下步骤：
a)构建由Atlas200板卡、交换机、服务器、与服务器相连的显示器以及若干网络摄像头构成的多场景适用边缘智能系统，网路摄像头、Atlas200板卡、服务器均与交换机相连，Atlas200板卡通过交换机获取网络摄像头采集的图像数据。
b)Atlas200板卡上电后进行初始化。
c) 如附图3所示，初始化结束后进入到自检环节，首先进行通讯链路自检，软件自检和硬件自检操作，如自检失败则结束，如自检成功后则开始循环采集各网络摄像头视频图像数据，Atlas200板卡对网络摄像头拍摄的视频图像数据进行并行处理分析，判断适配图像数据中是否具有特定目标，根据处理分析结果得出开出回路是否需要动作，根据Atlas200工作模式（特定目标显示模式和实时显示模式）决定是否需要上送视频图像数据，根据Atlas200板卡工作模式判断是否上传适配图像数据。
d)Atlas200板卡将除视频外的其它数据打包成MODBUS协议标准数据包，通过串口发送给Atlas200板卡的协议转换模块，协议转换模块将MODBUS协议标准数据包转换为辅控系统支持的协议，辅控系统下发的数据通过协议转换模块转换为MODBUS协议，实现辅控系统与Atlas200板卡之间的通信。Atlas200板卡实现的功能依次执行初始化、自检、信息采集、信息判断、信息交互、状态指示，并支持调试接口中断响应，设置看门狗防止程序死机功能。
网络摄像头采集被监控环境的图像数据。Atlas200板卡负责对图像数据进行处理分析。服务器对图像数据进行显示，并可保存含有特定目标的图像数据。显示器实时显示图像数据或含有特定目标的图像数据。Atlas200板卡通过交换机获取网络摄像头采集到的图像数据，并对其进行处理分析，之后将图像数据传输到监控机房中的服务器中通过监控软件在显示器显示出来。Atlas200板卡有两种工作模式，一种工作模式为只在图像数据中有特定目标时，向监控机房中的服务器传输图像数据，为特定目标显示模式。另一种工作模式为不管图像数据中是否有特定目标，均向监控机房中的服务器传输图像数据，为实时显示模式。在特定目标显示模式下，Atlas200板卡监测到特定目标时，会计算出特定目标在图片中的坐标，并将坐标和具有特定目标的图像数据同时传输到监控机房的服务器中，监控软件会将特定目标通过矩形框在图像中框出显示，若图像数据中未监测到特定目标，则该图像数据不向服务器传输。在实时显示模式下，经Atlas200板卡的实时图像数据传输到服务器进行实时显示，即未有特定目标时，显示没有矩形框的图像数据，有特定目标时，显示有矩形框的图像数据。
优选的，网路摄像头、Atlas200板卡通过网线与交换机相连，服务器通过光纤与交换机相连。
进一步的，如附图2所示，Atlas200板卡由Atlas200模块、电源模块、时钟电路、复位电路、看门狗、LED指示模块、RS485电路、开出回路、协议转换模块、存储电路和网络电路构成，所述Atlas200模块内置昇腾310 AI处理器，Atlas200模块的UART0与RS485电路相连，Atlas200模块的UART1与协议转换模块相连，协议转换模块与辅控系统相连，Atlas200模块的IIC接口与存储电路相连，Atlas200模块的GPIO与开出回路相连，开出回路连接风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃，Atlas200模块的RGMII与网络电路相连。Atlas200板卡可在边缘侧实现图像识别，图像分类等功能，最大可提供22 TOPS INT8算力，最多支持20路高清视频实时分析。电源模块、时钟电路、复位电路、看门狗是Atlas200模块开机和运行最基本的硬件环境。LED指示模块用来指示Atlas200模块的运行、告警和模式状态。Atlas200模块的UART0与RS485电路相连，用于程序调试。UART1与协议转换模块相连，协议转换模块与辅控系统相连。IIC接口与存储电路相连，存储电路具有掉电保存功能，可保存配置参数和系统运行信息。另外GPIO与开出回路相连，开出回路连接外部控制柜，控制柜可控制风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃等的开断。RGMII与网络电路相连，用于将Atlas200板卡接入附图1的组网中。
进一步的，步骤b)中Atlas200板卡上电后进行存储模块初始化操作，读取存储芯片内容，如果存储芯片存在初始化和配置信息，则根据存储信息进行初始化操作及加载配置信息，如存储芯片未初始化，则等待串口初始化和调试接口初始化后，通过调试接口下发初始化和配置信息后进行协议转换模块初始化、LED指示模块初始化、开出回路初始化、看门狗初始化和网络模块初始化。
如附图4所示，进一步的，步骤c)包括如下步骤：
c-1)网络摄像头拍摄的视频图像数据为H264编码格式的视频流，Atlas200板卡获取网络摄像头发出的H264编码格式的视频流。
c-2)将H264编码格式的视频流进行保存操作，并将H264编码格式的视频流另外拷贝一份H264编码格式的视频流，将拷贝的H264编码格式的视频流解码为若干幅YUV420格式的图像。1路视频流需在1秒钟时间内解码出25帧-30帧的YUV420格式的图像。
c-3)将YUV420格式的图像进行缩放操作，进行分辨率调节。
c-4)Atlas200板卡判断YUV420格式的图像中是否有特定目标，将特定目标进行分类。
c-5)Atlas200板卡将分类结果通过串口输出或Atlas200板卡将H264编码格式的视频流与分类结果整合为Protobuf格式的数据推送给WebSocket Server，WebSocketServer通过µWS与Nginx服务器相连，Nginx服务器与服务器进行数据交换。
WebSocket Server是一个 TCP应用程序，监听服务器上任何遵循特定协议的端口。Nginx是一个高性能的HTTP和反向代理web服务器，同时也提供了IMAP/POP3/SMTP服务。µWS为客户端和服务端集成WebSocket和HTTP实现。Protobuf是是 Google 公司内部的混合语言数据标准，是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据串行化，或者说序列化。
下面通过具体的实例对本发明作出进一步说明：
本发明适用于多种场景，在系统组网之前需要根据被监控环境特点，采集被监控环境图像，对被监控环境图像中的特定目标或特征进行标注，通过算法学习工作站进行算法的训练，训练结束后，将算法转换为.om文件后，导入Atlas200板卡。
算法准备好后，根据附图1进行系统组网，Atlas200板卡和摄像头安装在被监控环境中，摄像头采集被监控环境的视频图像数据，之后各摄像头视频图像数据传送给Atlas200板卡（一个Atlas200板卡最多可汇集16路1080P 25FPS视频图像数据，若被监控环境有多于16路摄像头，可选择多安装一台Atlas200板卡），服务器安装利监控环境较远的监控机房，被监控环境各摄像头、Atlas200板卡、监控机房服务器等的IP地址需为同一网段。
Atlas200板卡通过其GPIO与开出回路相连，开出回路连接控制柜，控制柜可根据监控环境特点，用于控制风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃等的开断。Atlas200板卡通过其UART1与协议转换电路相连，协议转换电路可连接辅控系统。
组网完成后，在监控机房服务器通过web访问Atlas200板卡，配置Atlas200板卡需要访问的摄像头IP地址及密码，配置Atlas200板卡的工作模式（特定目标显示模式或实时显示模式）。在web界面还可进行人脸库管理、算法选择，算法和软件升级等操作以及算法工作方式的配置（串行、并行、串并结合），配置完成后，Atlas200板卡即可正常工作。
Atlas200板卡拉取各摄像头采集的编码格式为H264的视频图像数据，之后对视频图像数据进行处理分析，首先该H264编码格式的视频流保存，另外拷贝一份H264编码格式的视频流解码为一幅幅YUV420格式的图像，1路视频流须在1秒钟时间内解码出25帧~30帧的YUV420格式的图像；然后需将YUV420格式的图像数据进行缩放操作（缩小或放大图像），以满足推理模型要求的图像分辨率大小；接着将满足推流分辨率大小的图像数据送入推理模型进行推理，该过程可以得出视频中是否有特定目标，还可将特定目标进行分类；再然后推理结果可一通过串口输出，也可将同时将保存的H264视频流与推理结果（类别、置信度、坐标）整合为Protobuf格式的数据推送给WebSocket Server，将该过程称之为推流；WebSocket Server通过 µWS与Nginx服务器相连，最后Nginx服务器与机房服务器进行数据交换。
在特定目标显示模式下，Atlas200板卡监测到特定目标时，会计算出特定目标在图片中的坐标，并将坐标和具有特定目标的图像数据同时传输到监控机房的服务器中，监控软件会将特定目标通过矩形框在图像中框出显示，若图像数据中未监测到特定目标，则该图像数据不向服务器传输，在特定目标检测模式下可以节省大量网络带宽，防止网络拥堵现象的发生。在实时显示模式下，经Atlas200板卡的实时图像数据传输到服务器进行实时显示，即未有特定目标时，显示没有矩形框的图像数据，有特定目标时，显示有矩形框的图像数据。另外监控机房的服务器可以保存Atlas200板卡检测到的具有特定目标的图像数据，并可进行查看。
无论在特定目标显示模式还是实时显示模式下，Atlas200板卡检测到特定目标时，Atlas200板卡通过GPIO控制开出回路动作，开出回路连接的控制柜控制风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃等的开断，以达到及时反应，实时控制的目的。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)构建由Atlas200板卡、交换机、服务器、与服务器相连的显示器以及若干网络摄像头构成的多场景适用边缘智能系统，网路摄像头、Atlas200板卡、服务器均与交换机相连，Atlas200板卡通过交换机获取网络摄像头采集的图像数据；
b)Atlas200板卡上电后进行初始化；
c)Atlas200板卡对网络摄像头拍摄的视频图像数据进行并行处理分析，判断适配图像数据中是否具有特定目标，根据Atlas200板卡工作模式判断是否上传适配图像数据；
d)Atlas200板卡将除视频外的其它数据打包成MODBUS协议标准数据包，通过串口发送给Atlas200板卡的协议转换模块，协议转换模块将MODBUS协议标准数据包转换为辅控系统支持的协议，辅控系统下发的数据通过协议转换模块转换为MODBUS协议，实现辅控系统与Atlas200板卡之间的通信。
2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于：网路摄像头、Atlas200板卡通过网线与交换机相连，服务器通过光纤与交换机相连。
3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于：所述Atlas200板卡由Atlas200模块、电源模块、时钟电路、复位电路、看门狗、LED指示模块、RS485电路、开出回路、协议转换模块、存储电路和网络电路构成，所述Atlas200模块内置昇腾310 AI处理器，Atlas200模块的UART0与RS485电路相连，Atlas200模块的UART1与协议转换模块相连，协议转换模块与辅控系统相连，Atlas200模块的IIC接口与存储电路相连，Atlas200模块的GPIO与开出回路相连，开出回路连接风机、水泵、照明灯、门闸、报警灯、报警铃，Atlas200模块的RGMII与网络电路相连。
4.根据权利要求1所述的基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于：所述Atlas200板卡监测到特点目标时，计算出待定目标在图片中的坐标，将坐标和具有特定目标的图像数据同时传输到服务器中，服务器中的监控软件将特点目标通过矩形框在图像中框出显示，若图像数据中未监测到特点目标，则图像数据不向服务器传输。
5.根据权利要求1所述的基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于：步骤b)中Atlas200板卡上电后进行存储模块初始化操作，读取存储芯片内容，如果存储芯片存在初始化和配置信息，则根据存储信息进行初始化操作及加载配置信息，如存储芯片未初始化，则等待串口初始化和调试接口初始化后，通过调试接口下发初始化和配置信息后进行协议转换模块初始化、LED指示模块初始化、开出回路初始化、看门狗初始化和网络模块初始化。
6.根据权利要求1所述的基于边缘计算的视频处理方法，其特征在于，步骤c)包括如下步骤：
c-1)网络摄像头拍摄的视频图像数据为H264编码格式的视频流，Atlas200板卡获取网络摄像头发出的H264编码格式的视频流；
c-2)将H264编码格式的视频流进行保存操作，并将H264编码格式的视频流另外拷贝一份H264编码格式的视频流，将拷贝的H264编码格式的视频流解码为若干幅YUV420格式的图像；
c-3)将YUV420格式的图像进行缩放操作，进行分辨率调节；
c-4)Atlas200板卡判断YUV420格式的图像中是否有特定目标，将特定目标进行分类；
c-5)Atlas200板卡将分类结果通过串口输出或Atlas200板卡将H264编码格式的视频流与分类结果整合为Protobuf格式的数据推送给WebSocket Server，WebSocket Server通过µWS与Nginx服务器相连，Nginx服务器与服务器进行数据交换。
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