數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能評測與分析

0性能測評的意義目前，網(wǎng)絡數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能較差，功能差異很大。由于缺乏統(tǒng)一的標準來評估監(jiān)控系統(tǒng)的性能，因此很難對系統(tǒng)進行定性分析，并選擇滿足需求的產(chǎn)品。另一方面,由于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成較為復雜,當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,往往需要將所有的部件都進行排查,時間和人力成本較大,研究對系統(tǒng)各部分進行單獨功能測試和評價的方法顯得尤為重要。1視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯結構通?？煞秩齻€層次,分別是前端接入、媒體交換以及用戶訪問層次。監(jiān)控系統(tǒng)主要采用前端監(jiān)控攝像機采集視頻,并通過視頻編碼器單元進行視頻信號的采集編碼,編碼壓縮后的視頻一路傳輸至視頻服務器,實現(xiàn)網(wǎng)絡媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化錄像、存儲、檢索、回放以及管理。另一路視頻信號通過LAN、WAN等IP網(wǎng)絡傳輸至解碼器單元,進行視視頻信號的解碼輸出,最終在監(jiān)視器上顯示,從而實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯結構框圖如圖1所示:從圖1中可以看出,不管是從攝像頭采集到的原始視頻,還是最終由監(jiān)視器顯示的解碼后的視頻,視頻是整個系統(tǒng)處理中心,也是觀察者與監(jiān)控系統(tǒng)進行交互所獲取到的最直接的信息。因此視頻質(zhì)量的好壞是評價系統(tǒng)性能不可缺少的一個要素。影響監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)量的另外一個重要因素是實時性,即需要能夠快速的將監(jiān)視地點所發(fā)生的事件畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心,從而使監(jiān)控人員迅速做出反應。從數(shù)學上來看,實時性可以理解為若原始視頻在A時間點由攝像頭采集至編碼器,在B時間點由視頻顯示單元輸出從而使工作人員可見。當Δt=B-A的值超過一定范圍時,系統(tǒng)的實時性就較差,其中Δt稱為系統(tǒng)時延。為了正確度量系統(tǒng)實時性,就需要對系統(tǒng)時延進行分析,因此時延成為了評價系統(tǒng)性能的另一類重要指標。另外從系統(tǒng)可用性的角度來考慮,還需要保證系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定運行,不出現(xiàn)死機,黑屏等現(xiàn)象,因此需要對整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行客觀分析2系統(tǒng)時延與穩(wěn)定性視頻圖像質(zhì)量可以通過主觀目測的方法進行分析,觀測顯示畫面是否流暢,圖像是否清晰可辨,色度/亮度是否逼真等等由圖1中可以看出,一個典型的視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由三個部分組成,即由攝像頭,編碼器模塊組成的編碼端,由解碼器,監(jiān)視器顯示模塊所組成的解碼端以及中間的網(wǎng)絡傳輸模塊。每個部分的處理都需要經(jīng)過一定的時間,即:編碼端時延、網(wǎng)絡多媒體數(shù)據(jù)傳輸時延、解碼端時延。這三部分時延之和稱為系統(tǒng)時延。在實際系統(tǒng)優(yōu)化中,測試這三個時延數(shù)據(jù)并統(tǒng)計分別在整個時延過程中所占據(jù)的比率。根據(jù)測試得到的時延結果,對系統(tǒng)做出判定,做出相應的改進。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面,則主要測量丟幀率、編碼誤碼率、網(wǎng)絡傳輸?shù)亩秳映潭纫约跋到y(tǒng)運行的可靠性。以上三大類11項測量指標如表1所示。3監(jiān)控系統(tǒng)的重要指標3.1圖像質(zhì)量的重要指標3.1.1網(wǎng)絡錄像分辨率分辨率越高的圖像,其圖像越清晰,但所需網(wǎng)絡帶寬及存儲空間則越大,在編碼和解碼過程中所需計算量也就越大。目前監(jiān)控行業(yè)中主要使用Qcif(176×144)、CIF(352×288)、HALFD1(704×288)、4CIF(704×576)、D1:480i格式(525i):720×480(水平480線,隔行掃描)等幾種分辨率。CIF錄像分辨率是主流分辨率,絕大部分產(chǎn)品都采用CIF分辨率。國內(nèi)主流的硬盤錄像機采用兩種分辨率:CIF和4CIF(D1),分為兩種型號。硬盤錄像機常見的路數(shù)有1路、2路、4路、8路、9路、12路和16路。3.1.2視頻傳輸頻率由于人眼視覺暫留時間為1/24秒,故每秒鐘幀率應至少為24幀秒。幀率越高,圖像越流暢。一個數(shù)字視頻監(jiān)控中視頻的傳輸頻率必須是一個固定的數(shù)值,即每秒中固定傳輸指定幀數(shù)的視頻,這一數(shù)值就是FPS(FramesPerSecond),一個系統(tǒng)的FPS越大,在視頻顯示端所顯示的視頻就會越流暢。為了評價監(jiān)控系統(tǒng)的圖像編碼性能,對系統(tǒng)進行幀率的測量,作為不同系統(tǒng)之間比較的指標3.1.3錄像視頻質(zhì)量小結碼率大小由幀率及分辨率共同作用。一般我們用的單位是kbps即千位每秒。傳統(tǒng)的監(jiān)控場合對于CIF圖像其碼率上限為400k/秒,而D1圖像其碼率上限為2m/秒。一個數(shù)字視頻系統(tǒng)的碼率越小,說明該系統(tǒng)對圖像的壓縮比例越高,壓縮性能就越優(yōu)秀。一個好的數(shù)字視頻系統(tǒng)可以在占用較低的網(wǎng)絡帶寬的情況下傳輸優(yōu)質(zhì)的視頻,事實上,幾乎所有的數(shù)字視頻產(chǎn)品都在性能上追求用最低的碼率。峰值信噪比(PSNR)是一種評價圖像的客觀標準。通常在經(jīng)過影像壓縮之后,輸出的影像通常都會有某種程度與原始影像不一樣。為了客觀衡量經(jīng)過處理以后的影像品質(zhì),行業(yè)內(nèi)通用的做法是參考PSNR值。3.2圖像原住民系統(tǒng)的延遲指標3.2.1編碼時延的時延編碼端輸入視頻序列,由最后編碼結束時間減去開始編碼時間,即為整個編碼的時延。編碼時延的大小與監(jiān)控系統(tǒng)所采用的編碼算法相關,其次與系統(tǒng)的信號處理器的運算頻率有關。3.2.2解碼期間的延遲解碼端記錄解碼開始時間和結束時間,解碼結束時間與解碼開始時間相減為整個視頻序列的解碼時延。3.2.3接收端接受的數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時延從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始,經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸,然后在接收端接受數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的這一過程的時延。系統(tǒng)總時延的計算可以通過上述三個時延值線性迭加得到,其中時延的單位是毫秒。3.3圖像系統(tǒng)的穩(wěn)定指標3.3.1傳輸丟失幀數(shù)在一個數(shù)字視頻系統(tǒng)中,由于網(wǎng)絡傳輸阻塞的原因,會造成視頻流丟幀,其中,把丟幀率定義為網(wǎng)絡傳輸中丟失的幀數(shù)與傳輸總幀數(shù)的比值,反映整個系統(tǒng)的傳輸丟幀程度丟幀率=(發(fā)送幀數(shù)-收到幀數(shù))/發(fā)送幀數(shù)×100%數(shù)字視頻系統(tǒng)在傳輸視頻流時,視頻流在打包傳輸過程中,會在某個數(shù)據(jù)包字段上表明該視頻流的幀號。利用這一特性,分析收到視頻流的幀號信息,就能知道有多少幀在傳輸過程中丟失,從而得到丟幀率。3.3.2導致不能解碼在一個數(shù)字視頻系統(tǒng)中,由于編碼端故障、網(wǎng)絡傳輸誤碼等原因,會造成某些幀出錯而導致不能解碼。其中,把誤碼率定義為出錯幀數(shù)與總幀數(shù)的比值,反映整個系統(tǒng)的誤碼程度。誤碼率的公式為:誤碼率=誤碼幀數(shù)/總幀數(shù)×100%3.3.3振動在網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達目的地時的延遲具有隨機性,這種延遲的變化被稱為抖動。3.3.4系統(tǒng)運行的可靠性系統(tǒng)要保持7×24小時的可靠性運行。通過以上三類十一項指標,可以比較客觀完備得體現(xiàn)一個數(shù)字視頻系統(tǒng)的性能優(yōu)劣性。4關鍵指標的理論含義和實際意