CN202696787U - 一种监控视频调度架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种监控视频调度架构，其中视频流的发送为串行发送方式，且该监控视频调度架构，一个以数字视频为基础的大型广域视频监控环境，其包括处于一主干网络中若干网络节点，且该各网络节点分别连接一流媒体服务器。本实用新型的监控视频调度架构可以适用于跨城域的大型视频系统，使系统可以承载大量的集中式访问。

Description

一种监控视频调度架构

技术领域

本实用新型涉及一种监控视频调度架构，更具体地说是一种实现广域网络环境的监控视频流调度技术。 

背景技术

数字视频监控技术是继模拟视频监控技术之后的新一代视频监控技术，当前最为广泛的数字视频监控技术就是将视频流转换为IP数据包，通过网络技术在网络上传递之后，再通过解码设备，将IP数据包还原成视频画面并进行播放。无论是IP数字摄像机还是用于模拟视频转换的编码器均采用了数据包传递的技术来实施。 

相比于模拟视频技术，数字视频技术最大的优势在于可以通过覆盖全球的网络进行传输，只要是计算机能联网的地区均可以传输视频，这个网络可以是一个企业的内部网，也可以是一个跨国公司的覆盖多个地区的专用网络，而其极致状态就是利用覆盖全球的Internet进行视频传输。该应用模式打破了模拟视频受专用传输线路的限制，使视频监控应用的范围大大扩大，而成本，特别是广域视频监控系统的成本，大大降低。 

和模拟视频不同，数字视频因其基础是IP数据包的传输，因此必然存在视频流(IP数据包)的转发和调度，特别是在视频解码端，从何处取得视频流(来源)是数字视频系统的一个特色。 

当前主流的视频流调度模式主要有两种： 

1、数字视频源(编码器或者IP摄像机)将源视频流发送到视频转发服务器(或称流媒体服务器)，所有解码器(和存储服务器)从视频转发服务器以单播或者组播形式获得被转发的视频流，并进行解码操作，回显为原始图像。如Honeywell DVM数字视频解决方案。 

2、数字视频源(编码器或者IP摄像机)将源视频流在获得请求的情况下，以单播或者组播的形式直接发送到解码器(和存储服务器)，解码器则直接解码来自于视频源的IP数据包，回显为原始图像。如GE VisioWave数字视频解决方案。 

现有的数字视频流调度方式无论是第一种(有流媒体服务器)还是第二种(无流媒体服务器)均涉及到了一种特有的网络技术，组播。在一个小型或者区域封闭型的网络中，组播技术是视频调度中一个相对合理和理想的解决方案。但是在大型异地组网的应用中，特别是开放式网络，如Internet，根本无法实现远程的组播应用。在大型企业级网络中，特别是一些相对不完善(或者投资有限)的广域网络中，一般或多或少存在以下问题： 

1、缺少冗余节点，导致多路路由不可形成； 

2、无法进行有效的动态路由(特别是对于视频流的调度，广域的动态路由可能造成视频流大面积延时和丢帧)，仅能进行静态路由； 

3、网络往往呈树状分布，而非环状或者网状分布； 

4、节点间，特别是干线或者子干线间的带宽有限，并往往缺乏Qos管理能力； 

5、网络各个环节的延时有很大差异，往往干线小，而越下级子干线延时越大。存在上述问题的广域网络从本质上根本无法实现数字视频监控环境中的组播应用。单播成为其唯一的方法。而在广域环境中的单播视频组网方式受视频监控特点影响在应急情况下会造成全网瘫痪。视频监控的特点是当一切正常的情况下，广域环境中各个节点大多访问自有的或者临近小区域的视频，此时，网络流量平衡，无问题，但是此时的视频监控并不起到决定性的作用；而真正起作用的场景是当某一区域产生问题(安全问题，环境灾难等需要视频监控的情况)，可能形成大规模的本地、临近、远程各个解码端集中访问该区域视频，形成访问风暴，在具有上述特点的单播网络中其最终结果就是系统瘫痪。也就是说，在不需要视频监控的时候视频监控系统是正常的，而在需要视频监控的时候反而视频监控系统会不正常。 

传统的两种方法无一能解决该问题，在访问风暴产生的时候，该流媒体服务器(方式一)或者访问点编码器或IP摄像机(方式二)和其所处网段的路由器成为集中访问的节点，大量访问将导致其快速瘫痪。(即使不考虑网络拥堵，前者如采用PC服务器一般仅能承受100-150路视频，而后者一般不超过20路)。 

实用新型内容

由于现有技术的上述问题，本实用新型公开一种监控视频调度架构，其可以解决现有技术的上述问题。 

本实用新型采用以下技术方案： 

一种监控视频调度架构，其中视频流的发送为串行发送方式，且该监控视频调度架构，一个以数字视频为基础的大型广域视频监控环境，其特征在于，其包括处于一主干网络中若干网络节点，且该各网络节点分别连接一流媒体服务器；监控视频调度架构将网络的拓扑结构进行合理有效分析，结合视频系统的访问权限，通过特定编程的解码设备和软件，将原本点对点的视频流传输方式转化为串行的视频转发方式，从而避免访问风暴的出现，使视频监控网络的承载量能随着访问量的增加而增加。 

所述网络节点包括连接若干软硬件解码器、若干视频源、若干客户端。 

所述视频源为编码器或IP摄像机。 

本实用新型具有以下优点： 

1、在单播网络中可以实现大路数的视频访问； 

2、数字视频网络的承载力可以随着访问量的上升而上升，避免访问风暴造成的系统瘫痪； 

3、可以适用于任何的数字视频设备和IP网络。 

附图说明

图1是本实用新型的传统视频流转发的一实施例的结构示意图。 

图2是本实用新型的传统视频流转发的另一实施例的结构示意图。 

图3是监控视频调度架构的原理示意图。 

图4为监控视频调度架构的系统示意图。 

具体实施方式：

下面结合具体实施方式，详细描述本实用新型。应理解，这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 

如图1、2所示，传统视频流转发是由视频源A以一点对一点的方式发送到解码设备上的。可以有两种方式，由如图1所示视频源A通过一点对一点的方式分别送到解码设备X解码11、Y解码12、Z解码13上。或如图2所示，由视频源A通过一点对一点方式先送到视频服务器2，然后再送到解码设备X解码11、Y解码12、Z解码13。在传统方式中，如果每条视频流带宽为1Mbps，那么编码器直发方式对于编码器的压力是3Mbps，流媒体转发服务器方式中视频源压力仍为1Mbps，而流媒体转发服务器则为3Mbps。 

本实用新型是一种视频流串行发送的方式，类似于“Peer to Peer”的技术，取名“电鼠”，取其网络转发，位置快速变化之意，以实现广域网络环境的监控视频流调度技术。 

如图3所示，其为监控视频调度架构的原理示意图。“电鼠”技术采用串行方式进行视频传输，而”电鼠”技术中3个解码客户端同样获得了视频，但是编码器的压 力仍为1Mbps。 

如图4所示，其为监控视频调度架构的系统示意图。“电鼠”技术是一个基于数据结构和网络技术的一个转发和重构的技术，因难以用概括性的文字描述，因此下文以图4一个典型的结构为例对系统中各级用户的转发和重构过程进行一个示例性的描述，以说明”电鼠”技术的实现方式。最基本的视频网络状况为处于节点C的解码器D-C-134需要解码出同网段的编码器E-C-131的视频图像。在当前广域网络中，因为数字技术被广泛应用一般的用户大多使用PC机(包含软件)来解码和观察图像，但是为了保证图像的质量，在指挥中心/指挥室/专用的控制室/重要解码场所还是会使用硬件解码器来解码视频图像，因此在”电鼠”系统中解码器被一律定义为0级最高用户。当D-C-134解码器需要解码E-C-131的图像的时候，E-C-131编码器会发送出一路新的视频流(视频源)供解码器D-C-134解码使用。此时和传统视频网络没有两样。当E-C-131和D-C-134保持稳定的连接的状态下，C节点内的一台PC解码客户端P-C-135需要获得编码器E-C-232的视频，由于E-C-232视频未被访问过，因此E-C-232会输出一路新的视频流供P-C-135解码PC使用。当P-C-135切换视频需要访问E-C-1的视频的情况下，传统视频网络(假设为无视频转发服务器的架构，如需假设为有视频转发服务器的架构，那么可以想象本图中的编码器为视频流媒体转发服务器)必然产生E-C-131再次发出一路视频流供P-C-135使用，由于D-C-134和P-C-135的存在，E-C-131同时输出了2路视频。在”电鼠”系统中，普通PC解码客户端(除了特殊资源获取者，即1级用户外，均为2，3级用户)因其级别较低，因此它将通过系统的调度获取由D-C-134解码器输出的视频流来回看E-C-131的视频，同样两个客户端访问E-C-131视频，但是对于E-C-131而言仅有一路输出。当E-C-131和两个解码设备D-C-134和P-C-135保持连接的情况下，如一个在B节点的1级用户(特殊资源获取者，该类用户往往是系统中的高级管理者或者高级领导，如指挥长)P-B-1-1 211也需要获取E-C-131的图像，由于系统定义其为1级用户，因此P-B-1-1211并不会从D-C-134获取图像资源，而是直接要求E-C-131输出视频流供其使用，以保证质量和延时。 

假设此时同样B节点的某普通用户P-B-1-2212也同时需要E-C-131的视频图像，由于P-C-135的存在，根据编码器最少输出原则，它将从P-C-135获取视频流，而非E-C-131和D-C-134，即编码器最少输出原则也同样适用于硬件解码器(0级用户)。 当B节点的某二级子节点B-1-1 213下的某PC，P-B-1-1-1 2131需要获取E-C-1 31的图像，根据主干最少流量最少原则和最短路径原则，其视频来源是P-B-1-2212(P-B-1-1211是1级用户，原则上1级用户任何时候不输出视频流)，那么此时P-B-1-1-12131获取了E-C-131的视频图像，但是无论是节点B还是主干B-C段还是E-C-131、D-C-134均未有额外的流量产生，仅仅在B-121和B-1-1213网络节点产生了局部流量，从而完全避免了全局层面的视频流产生。 

同样如果P-B-1-1-22132解码端要获取E-C-13视频流，那么其视频来源是P-B-1-1-12131，最短路径原则使其只在B-1-1213子节点上产生视频流。 

如果此时B-323节点上某指挥中心的硬件解码器D-B-3-1231需要回放E-C-131视频流，因其为0级用户，其依然通过主干网络B-C段从E-C-131获取实时视频流。在D-B-3-1231获取视频流的同时，如B-3节点内的某PC用户，P-B-3-1232需要回放E-C-131视频，根据最短路径原则，其获取的视频流来源不会是P-B-1-2212，更不会是P-B-1-1-12131，而是D-B-3-1231。 

当B-3网络节点中的P-B-3-2233需要获取编码器E-C-333的视频图像，因其网段内无其它设备在访问，因此P-B-3-2233将直接从E-C-333编码器获得。所有的这些寻址工作均通过“资源供应者-资源获取者”关系图(表)获得。 

总结上述描述，在”电鼠”技术中， 

1、所有0级和1级用户为重要用户，因其数量较少，因此其视频流的获取方式遵循传统的视频获取方式，从编码器(或IP摄像机)直接获取； 

2、所有2、3级客户(理论上可以是无限级)，根据“资源供应者-资源获取者”关系表寻找本网段内或者最近网段内的视频源进行转发回放，除非无被转发视频，则直接从编码器获得。 

根据实际广域视频网络的应用调研，常态情况下，一般极少有跨区域的调用，即使有也相当少，对网络基本不会造成压力；而应急状态下，出于多级监管或者联合指挥或者信息获取的需求，往往会造成很多客户端同时访问某一节点上的视频源(可能是某一节点的多个视频源)，从而造成局部压力(包括编码器、网络设备、网络传输路径)增加，直至崩溃。”电鼠”技术将每一个客户端(资源获取者)同时转换为一个资源供应者，那么在应急状态下某一视频源被访问的次数越多(即资源获取者越多)，也意味着资源供应者也越多，即访问越集中，其提供的被访问能力也越强，两 者成正比，由此从根本上解决了因访问集中而造成的系统承载力不够的问题。“电鼠”技术由于对于串行后端的用户处于之中连续转发的状态，因此2、3级用户随着其串行层次的加深时期视频访问的延时加大，但是这种延时在实际使用中并不会产生过大的应用问题，原因在于： 

1、系统中的真正高级人员(用户)处于0和1级，他们是直接获取视频流的，因此不在串行之列； 

2、而处于串行之列的一般均是非指挥决策人员，因此即使有延时也不影响工作； 

3、针对固定摄像机，1-5s的延时并不会对工作产生实质性的影响，可以忽略； 

4、对于PTZ摄像机， 

a.如果系统中存在0，1级用户，那么2，3级用户很难获得实际的PTZ控制器，因此和固定摄像机没有差别； 

b.如果系统中无0，1级用户，那么2，3级用户也是直接连接到编码器获得的资源，此时他实际的权限和0，1一样，而且也退化为传统的结构，因此也不影响工作。 

也就是说“电鼠”技术是分析了实际应用效果和状态而作出的一种视频流实时性和负载间的一种“妥协”。 

传统视频网络的视频流转发为星形模式，因此单一用户的切换不会影响其他用户，而”电鼠”系统中视频流转发为串行转发，单一用户的切换可能造成所有串行链路上的客户无法获取视频源。 

该问题的解决取决于业务模式而非纯计算机技术。根据对应用调研，真正在应急状况下对工作产生最直接影响的仅有两类人员，一类为处于指挥中心/控制室的人员，如各个业务部门的指挥员，处于指挥中心/控制室的人员在应急状态下一般其获得视频的方式是通过大屏或者专用监视器，这些设备的后端为处于0级用户状态的解码器，0级用户任何时候都处于串行流的顶端，因此不存在重构视频问题，其仍遵循星形原则；另一类为异地的高级指挥员，如政府视频网中的市领导或者指挥长。这类用户虽然可能不处于指挥室，其客户端也可能是PC，甚至于手持设备，但其定义为1级特殊资源获取者，其特性为任何时候都不处于串行流的任何一级，也是遵循星形原则的，因此也不存在重构问题。 

而2、3级用户由于其工作特性，一般都是在计算机上访问图像，其往往是单纯 的信息获取者，即使“输出”信息，也大多为参考信息，并非决策信息，例如各个相关部门的一般工作人员(不出现在指挥中心的人员)。因此在串行线路中的中间和结尾者都是2和3级用户，其设备都为PC机以及相关软件。 

虽然2、3级用户非决定性人员，但是保证其访问也是必要的工作，这就是”电鼠”技术中的重构过程。”电鼠”的重构就是指当串行视频流的端或者中间某一个环节切换视频而造成跟随的串行节点无法获取视频的情况下有效地再次建立和视频源(或转发视频源)的连接。 

仍沿用前文说明，当D-C-134解码器根据需要而访问E-C-232编码器的视频，那么除了P-B-1-1211不受影响外，串行的视频流获取用户P-C-135、P-B-1-2212、P-B-1-1-12131、P-B-1-1-22132均失去了视频源。一个重构过程需要有效进行。”电鼠”技术中的串行重构并非串行流中的所有用户的重构过程，而是串行端的重构，也就是说当D-C-134切换图像后“资源供应者—资源获取者”关系表中D-C-134的信息发生变化，此时由后端数据库的触发机制(trigger)主动启动重构过程。重构过程仅针对D-C-134的原有跟随者进行，而不涉及串行后端的用户。当P-C-135失去源后，”电鼠”系统在“资源供应者—资源获取者”关系图中寻找E-C-131视频源，该过程首先服从编码器最少输出原则，除非编码器的负载低于额定负载的50％，如低于50％则根据最简原则P-C-135直接从E-C-131中获取视频源，(本例中E-C-131拆除和D-C-134的视频链路后无任何其他输出)一旦P-C-135获取了E-C-131的视频流后，则所有串行用户均重新获得E-C-131的视频。如E-C-131视频源输出超过50％，则根据编码器最少输出原则，由P-C-135在“资源供应者-资源获取者”关系表中寻找最短路径重构链路。以上例，如果D-A-111此时处于解码E-C-131的情况下，则P-C-135从D-A-1中获取。系统重构的过程是由视频源断裂而主动触发的，因此被断裂源(本例的P-C-135)在获取需要重构的消息后将保持重构前的最后一帧画面，并向串行流客户发送“系统重构中，请等待”消息，一旦重构完成，则视频流重新发送，一般该时滞会在1～5s之间，视网络情况而定。 

系统资源重构同样适用于P-B-1-2212的断裂过程。 

系统重构的另一过程为反向重构，仍以上例为范本，P-C-135的视频流获取来自于D-A-111，一旦D-C-134重新切换为E-C-131的连接，那么P-C-135获取D-A-111的过程有悖于最短路径和最少流量原则，可以将P-C-135切换为D-C-134路径。反 向重构需要“资源供应者--资源获取者”关系表的轮询扫描，除非视频网络条件极差一般不推荐使用，反复重构虽然减少了网络流量但是造成服务器压力增加，同时也会带来用户不适。 

系统重构造成的视频中断(或停滞)实际也是视频流和负载之间的“妥协”，因其只影响2、3级用户，因此不构成对应用的实质性影响。 

PTZ权限控制：针对固定摄像机的系统，仅链路的建立和重构就已经可以完全满足，但是PTZ摄像机则牵涉到了控制权限问题。但是无论星形系统还是”电鼠”串行系统，单一时间只可能有一个用户进行PTZ操作，无论其是0，1，2还是3级。因此该过程服从常规的调度方式，和星形系统并无二致。 

如图5所示，其为本实用新型的监控视频调度架构的结构示意图。一种监控视频调度架构，其包括处于一主干网络中若干网络节点N-A、N-B、N-C、N-D、N-E，且该各网络节点分别连接一流媒体服务器M-A、M-B、M-C、M-D、M-E。所述网络节点包括连接若干硬件解码器D-C-134、D-B-3-1231、若干视频源、若干客户端P-C-135P-B-1-12111、P-B-1-2212、P-B-1-1-12131、P-B-1-1-22132、P-B-3-1232、P-B-3-2233，所述视频源为编码器或IP摄像机E-C-131、E-C-232、E-C-333。 

改进型“电鼠”技术是在每个主干网络节点上布设一台流媒体服务器M-X。和传统的有流媒体转发服务器的星形视频系统一样，编码器的输出是到流媒体服务器，而所有的资源获取者无论级别如何均从视频流媒体服务器获得。 

该模式的构建使得视频串行流的构建变得简单，因为任何一个网络节点的视频串行流的源必为本主节点的视频流媒体服务器，而重构的过程其源头也必为主节点的视频流媒体服务器。三大原则互悖的可能性也基本消除。仍以前文例，当P-C-135需要重构的情况下不可能是从D-A-111，而一定是从M-C流媒体服务器获得视频流，而P-B-1-22132的视频源必是M-B，而P-B-1-23132后的串行流仍以原有形态串行分布而不是来自于M-B。 

改进型”电鼠”技术优点在于： 

1、视频流构建和重构过程简单快捷； 

2、避免极端情况下的编码器拥阻； 

3、能承受系统具有较多的0和1级用户； 

Claims (3)

1.一种监控视频调度架构，其中视频流的发送为串行发送方式，且该监控视频调度架构，一个以数字视频为基础的大型广域视频监控环境，其特征在于，其包括处于一主干网络中若干网络节点，且该各网络节点分别连接一流媒体服务器。

2.根据权利要求1所述的监控视频调度架构，其特征在于，所述网络节点连接若干硬件解码器、若干视频源、若干客户端。

3.根据权利要求1所述的监控视频调度架构，其特征在于，所述视频源为编码器或IP摄像机。

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