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宇视杂志No.8

视频监控存储技术:前世、今生及未来

许钟生

20世纪80年代,我国安防视频监控行业从民用领域开始兴起,经过30多年的发展,安防视频监控技术历经模拟监控、数字监控、网络监控、智能监控的发展历程,依旧如火如荼、方兴未艾。在整个视频监控技术发展历程中,视频存储也历经了不同的时代的技术革新与蓬勃发展,本文作者试图以自己浅显的认知来阐述视频监控存储的前世、今生及未来。

模拟监控时代的视频存储——前世之缘

模拟时代的监控系统由视频采集(摄像机)、视频传输(视频同轴电缆)、视频交换和管理(矩阵)、视频显示(监视器)和视频录像(录像机)构成。视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,只适用于较小的地理范围,施工难度大,需要铺设“视频”、“音频”、“控制”等线路,也无法与信息系统交换数据。在这个时代,用于存储视频图像的设备叫做VCR(Video Cassette Recorder,盒式磁带录像机)。存储视频图像的介质为盒式磁带,使用磁带存储存在着很多问题:如易受潮、消磁、粘连,数据难以利用等。


VCR

盒式磁带

数字监控时代的视频存储——今生之初、少年之时、青年之路

数字时代的视频监控系统其实是随着计算机技术的发展演进而来。随着计算机视频编解码技术的发展,出现了DVR(Digital VideoRecord,数字视频录像机),通过DVR,可将模拟视频转换为数字信号并进行压缩编码,实现了视频的数字存储。由于DVR能够实现视频图像数字化存储,很好的解决了VCR易受潮、消磁、粘连,难于长期保存等问题,DVR很快取代VCR成为监控系统的存储部分。就DVR本身而言,其本身也经历了两个阶段:PC 式DVR(今生之初)和嵌入式DVR(少年之时)。

今生之初(PC 式DVR):

PC 式DVR 作为DVR 的早期产品形态,主要就是工控机/PC+ Windows 操作系统+图像采集卡+硬盘;图像编码格式主要有:M-JEPG、MPEG-1;图像分辨率为:QCIF、CIF,由于编码格式以及设备可靠性等问题,很快就被市场淘汰。

少年之时(嵌入式 DVR):

嵌入式DVR 产品是以专用电路+ Linux操作系统+硬盘组成;图像编码格式主要有:MPEG-4、MPEG-2; 图像分辨率为:QCIF、CIF、DCIF 、4CIF、D1, 嵌入式DVR 因安装使用简单、系统可靠性相对较高等因素,曾经长时间占据了整个安防视频存储市场的绝大部分市场份额。


第一代 PC 式DVR

第二代 PC 式DVR

青年之路(DAS 存储):

在DVR 诞生之后,因为DVR 的存储容量相对较小,2005 年起,DAS(Direct AttachedStorage-- 直接附加存储)曾经占据了一段市场主流地位。采用DAS 方案存储主要包括PC式DVR+DAS 的存储解决方案和嵌入式DVR+服务器+DAS 的存储解决方案两种。DAS 存储解决方案由于资源利用率低,无法实现资源共享,管理分散繁琐,异构化严重及管理维护成本居高不下等一系列问题,到2008 年逐渐退出安防监控市场。


模数结合方案

大规模数字方案(DVR+ 流媒体服务器)

需要说明的是:从事过多年安防视频监控系统建设的专家或工程师会说:“在模拟时代和数字时代之间还有一个模数结合时代。”其实在DVR 替代VCR 作为存储设备时,DVR 不仅提供了视频图像编解码、数字存储,同时也提供了简单的网络访问功能,整个模数结合的方案已经具备了绝大部分的数字属性,因此笔者也将其归属于数字监控。另外,对于采用DVR+ 流媒体服务器的大型数字监控解决方案,其本质已经将TCP/IP 网络作为一个虚拟交换矩阵,实现了联网监控,这种方案本身已经是一种简单的网络监控。

网络监控时代的视频存储——壮年之盛

很长一段时间,人们一直在争论:有人认为DVR 的下一代是NVR,有人认为是IPSAN。笔者认为NVR 也好,IP SAN 也罢,其实只是在网络监控时代,这两种存储设备在不同场景应用下的产品形态。前端采集设备——摄像机由模拟摄像机向高清网络摄像机转变,随之而来的就是后端的视频存储设备由DVR 向NVR 转变。而IP SAN 则是视频监控系统分布式存储向集中式存储转变过程中,从IT 行业的通用数据存储应需演变而来。在演变的过程中,通用IP SAN 根据视频监控业务的特点,不断的进行革新与优化,存储中增加视频监控的媒体及业务功能,使之形成今天的安防视频存储。

由DVR 进化而来的NVR,其自身集成接入、编解码、管理、预览/ 回放、存储等一系列功能,是一个典型的All In One 产品,其产品正在向高性能接入和大容量方向发展;而应需而变的IP SAN 产品也随着视频监控业务的需要,融合进了视频接入、转发、回放等一系列的视频业务功能,由标准的IP SAN 演进成为具有一系列安防监控业务功能的专有视频存储设备。

智能监控时代的视频存储——未来之梦


云存储

中国的安防视频监控产业正在蓬勃发展,各行业视频监控系统的建设规模也在不断扩大,安防视频监控行业不断向着IT 化、应用化、智能化的方向演进,视频监控系统发展已经进入了“智能监控时代”。在未来的视频监控系统中,随着高清视频/ 图片采集的大规模应用,各类数据将呈现爆炸性的海量增长,视频监控系统中需要存储的数据类型和数据应用的复杂程度不断提高,非结构化数据(例如:视频/ 图片)、结构化数据(例如:智能分析结果)等需要长时间持续地保存到存储系统中,并要求随时可以调用和分析,这对新一代安防视频存储系统的性能、可靠性、安全性、智能化以及运维管理等方面都提出了新的要求。未来的视频存储系统要能够支持海量数据的快速存储及检索,能够满足多路并发智能分析、大数据分析/ 检索等一系列的高速数据访问需求,新一代存储系统正在成为“智能监控时代”未来技术发展的决定性因素。

笔者认为新IT 技术领域里的计算、存储融合的发展趋势会在安防视频监控领域得以进一步应用,同时分布式存储与集中式存储并进的业务模型仍将会长期存在,因此笔者认为在“智能监控时代”,新一代的存储设备会有两种形态:智能监控一体机与安防云存储。

智能监控一体机主要部署在少量数据小规模存储应用场景中,除了具备NVR 产品的所有功能外,应具备视频/ 图片/ 智能信息混合存储、视频/ 图片智能实时分析、设备堆叠/集群、业务无缝接管、高性能视频解码等一系列监控业务功能。

而针对于数十PB 甚至数百PB 级的海量数据大规模集中存储的应用场景中,传统的IP SAN 无论是在容量还是在性能的扩展上都存在瓶颈,而云存储作为云计算领域兴起的一种新技术,通过软件将系统内大量的存储设备管理起来,运用分布式技术、虚拟化技术、集群技术等对系统内的设备资源、存储空间资源进行整合,为用户提供大容量、高性能的透明存储服务。通过云存储可以突破容量和性能瓶颈,实现性能与容量的线性扩展,并提供数据高速读写访问接口,满足视频/ 图片智能分析业务、大数据分析业务的高速数据访问需求。同时,云存储作为视频监控应用的一个组件来说,将视频/ 图片的查询、检索、回放、下载等视频业务嵌入到云存储系统内部,也是云存储在安防视频监控行业应用创新和技术发展的必然趋势。

IT 行业依托于大量结构化数据俨然已经从IT 时代步入DT 时代,安防视频监控行业借助于海量的非结构化数据,通过智能分析技术的快速发展和不断引入新IT 技术,不久的将来,也一定会从VT 时代快速进入DT时代。

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