基于视频监控的数字化城管系统应用与设计

邓上海

摘 要

随着多媒体、互联网、视频监控等技术的快速发展和改进，其已经在城市数字化管理系统建设中得到广泛普及和使用，实现了城市网格化、数字化、信息化和智能化管理，建立一个城市快速综合管理制度，形成一个沟通快捷、处置及时、高效运转、信息共享等城市管理机制。数字化城管系统建设中，为了能够采集、传输、存储城市交通要道、重要场所的现场环境信息，引入了许多高清晰、数字化、红外摄像头，构成了一个完善的数字化城管前端拍摄子系统，提高了数字化城管系统的可视化、交互性，具有重要的作用。

【关键词】数字化城管系统 视频监控 最小视频编码 宏块交织 数据迁移

1 引言

随着我国城市化进程加快，城市人口和面积规模迅速增大，建立一个良好的城市运行秩序和提高城市管理效率已经成为城市管理的研究方向。随着互联网、存储器、摄像机、GIS、投影仪等软硬件技术的快速发展，为城市网格化、信息化、共享化、智能化管理提供支撑，许多城市已经引入了数字化城市管理系统。数字化城市化管理系统主要包括前端摄像头、服务器、后端阵列显示器等部分，可以将现代计算机技术与市政服务、社会管理、基础设施管理集成在一起，实现城市资源的统一调度和管理，为疏导城市交通、巡视监控城市安全等建立一个高校机制，全面提高城市管理信息化水平，创新城市管理机制，改进城市市民的工作、生活和学习秩序，具有重要的作用和意义。

2 数字化城管系统功能分析与设计

数字化城市管理系统可以提高城市管理网格化、信息化、智能化管理水平，其将高清晰摄像头、阵列存储器、三层交换机、光纤网络或移动通信网络、视频墙等集成在一起，利用无线数据传输摄像头采集的数据，同时可以在数字化城市管理系统中引入GPS技术、图像处理技术，实现视频图像、语音信息、目标位置管理和服务，强化城市监控和管理能力。通过对数字化城市管理系统进行分析，数字化城市管理系统的功能主要包括以下五个方面，分别是城市现场环境视频采集功能、数据传输和交换功能、大容量数据存储功能、数据展示功能、城市集中控制中心功能等五个部分。

2.1 城市现场环境视频采集功能

城市管理者可以在交通卡口、政府机关、金融单位、娱乐生活广场等位置部署高清晰、数字化、红外线摄像头，可以实现24小时无间断视频拍摄，并且可以将音视频信息进行模数转换，利用视频编码技术实现视频图像压缩、编码，提高视频传输准确度和便捷性。

2.2 视频数据传输和交换功能

视频数据传输和交换功能可以将摄像头拍摄的现场环境信息发送至服务器。数字化城市管理系统采集的数据量非常大，因此构建一个高带宽、高速率的传输和交换子功能非常重要，该功能主要由光纤网络、三层交换机等构成，这样就可以支持多媒体视频信息安全传输，并且提供组播和QoS保障，实现多媒体视频流的无阻塞传输和交换，确保城市现场环境图像、音频信息采集功能，具有较高的安全性、可扩展性和灵活性。

2.3 视频数据存储功能

城市管理系统现场环境拍摄多采用720P、1080P等高清晰摄像头，24小时不间断的持续拍摄产生的信息量非常大，因此数字化城市管理系统需要构建一个功能完善存储系统，将海量的多媒体视频信息保存在数据库汇总，同时引入数据迁移、数据放置、数据备份和恢复等技术实现数据高效率、安全访问，引入阵列存储器构建冗余管理机制，提高数据的完整性保护功能。

2.4 视频数据展示功能

城市管理系统最为重要的作用是拍摄现场环境信息，将其投影到多媒体电视墙、PC终端显示器、智能手机显示器等设备上，展示城市各个重要位置的实时现场环境信息。目前，许多城市构建了数字城管中心，将城市现场环境信息利用多媒体矩阵管理模式实现灵活切换、展示和控制，并且具备历史回放、实时查看和分屏展示功能。

2.5 城市集中控制中心功能

目前，为了提高城市管理系统的机动性、灵活性，统一调度和管理警力、城管等执法人员，城市管理中心构建了一个集中控制中心，利用云平台实现控制中心与执法管理人员的实时交流、互动，便于及时的处置城市管理事件。

3 视频监控在数字化城管系统中的应用技术

3.1 视频监控应用构成

视频监控是数字化城管系统的重要组成部分，其位于城市管理系统的前端位置，可以完成城市现场环境视频采集、视频编码处理、视频信息传输和视频信息接收功能，以便能够利用多功能摄像头将现场环境信息拍摄下来，同时利用摄像头集成的微处理器进行编码、压缩和滤波处理，将大容量视频信息进行压缩，封装到数据包中，利用光纤网络发送到服务器，以便用戶进行接收视频数据内容，视频监控在数字化城管系统中的应用架构如图1所示。

视频采集位于智慧城市管理系统的最前端，目前常用的视频采集摄像头包括HD摄像头、红外摄像头、网络摄像头，这些摄像头可以部署在交通要道、十字路口、城市广场、金融单位门口、政府机关单位门口的电线杆上，并且通过光纤网络、移动4G网络等将采集的信息发送至服务器。

视频处理可以将摄像头采集的信息进行编码、压缩、滤波之后转换为数字码流。视频采集完毕之后，可以利用摄像头自带的微处理器芯片实现A/D转换和视频图像编码，视频图像编码的格式主要为视频流媒体格式，比如MPEG、RMV、AVG等，由于摄像头采集的原始数据非常大，容量非常高，将这些码流按照一定的压缩比进行压缩，传输时可以降低占用的带宽资源，更快的传输信息。

视频传输是指利用运营商建设的光纤网络、移动通信网络传输经过视频处理的信息。目前，城市中心地带覆盖的光纤网络较多，因此可以直接利用有线网络快速传输数据；城市的边缘地带、郊区等覆盖的光纤网络不足，可以利用TD-LTE、FDD-LTE等4G网络进行传输，灵活组件视频传输网络拓扑结构。

视频接收位于用户端，用户可以直接使用手机、平板电脑、阵列电视墙等显示设备接收城市现场环境拍摄信息，以便能够及时的定位卡口信息，帮助人们进行道路选择，也可以为治安事件处理、消防事件处理选择便捷的道路。

3.2 视频监控关键技术

3.2.1 城市视频监控图像编码技术

数字化城市管理系统部署在现场的摄像头拍摄的内容非常多，并且占用的容量和带宽较大，因此为了能够提高数字化资源利用率，可以针对数字视频进行压缩和编码，提高数据传输成效。目前，视频监控图像采用的编码技术包括很多，比如小波编码、熵编码等，常用的编码技术包括可伸缩编码技术、最小传输编码技术。最小视频编码能够有效解决光纤通信、移动无线通信环境中带宽不足的问题，按照数字化城市管理系统用户接收的最低需求压缩视频图像，可能会损失一部分视频清晰度，但是可以保证数据传输的流畅性。随着数字化城市管理系统用户对视频编码的高清晰需求，人们又提出了一种可伸缩的编码技术，能够自适应频繁变动的通信带宽资源，引入了先进的运动补偿时域滤波技术、可扩展编码技术、分层编码技术，针对固定时域内的帧进行预测，进一步改进了编码的效果。

3.2.2 视频传输容错技术

数字化城市管理视频监控系统拍摄的数据传输过程中，由于移动通信网络、光纤通信网络面临的自然环境较为复杂，比如频繁的雷电袭击等故障，许多视频数据传输过程会存在丢包、码流错误等现象，严重干扰城市管理数据的准确传输。为了保证视频数据流传输不发生错误，视频传输需要采用容错熵编码、宏块交织技术、多帧参考编码、迭代错误恢复技术等，提高视频传输的容错性能。容错熵编码可以在视频传输码流中插入周期性的同步标识位，接收端可以从有效码字序列中区分出来，如果同步标识位发生错误，就象征着码流错误，可以利用同步标识位同步语音、视频信号，提高数据传输的鲁棒性。宏块交织方法可以有效抑制视频传输的突发性错误，避免视频传输受到外部突发干扰造成码流错误。迭代错误恢复技术可以部署在解码端，通过迭代的方法可以对比码流比特进行纠错，利用视频帧序列存在的时空相关性、同步码字等特性检查错误，如果一个宏块不可解码，可以替换一个灰度块，直接进入到下一个宏块进行解码。

3.2.3 视频存储技术

数字化城管系统在运行过程中，为了能够保证视频数据能够快速的访问，需要构建一个智能化的存储系统，该系统主要采用数据放置技术、数据迁移技术、数据分类技术等，将访问频次较高、拍摄时间最新的数据放置在优先级较高的位置，以便能够保证用户访问的数据均位于效率较高的位置。目前，针对不同的视频数据对象进行有效的描述，比如可以按照数据录制的形式进行划分，分别是视频数据、音频数据和图像数据；按照数据结构可以将视频数据划分为结构化、半结构化、无结构数据三种类型，智能化存储系统可以根据不同的数据类型进行有效的对象估值，以便能够保证数据对象的估值准确，实现数据迁移。数据放置技术包括顺序放置技术、分层放置技术、随机放置技术等多种模式，大数据智能存在系统可以采用优先级较强的层次放置模式，将访问频次较多的数据放置在优先级较高的存储器上，以便能够有效提高用户访问命中率和访问效率，具体的放置过程中，还需要充分的考虑智能存储器的容量。如果优先级较高的位置存储已满，则可以利用替换策略，将访问频次变少的数据替换出去，提高存储资源的利用率。大数据智能存储系统采用的数据迁移技术包括同级数据迁移、异级数据迁移两种技术，同级迁移技术可以将相同优先级的数据利用替换策略实现动态迁移；异级数据迁移可以将原始访问量较少、后期访问频次上升的数据对象较低优先级位置迁移到较高优先级位置，这样就可以均衡数据库存储的负载处理性。大数据迁移技术还可以根据不同数据的访问状态实现在线迁移、离线迁移等两种模式，在线迁移可以实现数据联网迁移和并发处理迁移，这样可以满足数据实时访问和处理需求，能够大幅度提升数据的访问命中率；离线迁移可以根据系统访问数据库片的特点，将处于同一块的内容迁移到相同优先级位置的存储器上，这样可以利用联想处理操作提高系统处理效率。数据迁移组合可以实现更多的迁移技术，比如同级在线迁移、异级在线迁移、同级离线迁移和异级离线迁移等方法，可以大幅度提升系统存储的实时性。

4 结束语

随着人们生活水平的的逐渐提高和经济快速发展，我国城市化人口和面积规模迅速上升，城市管理引入信息化、数字化、智慧化、共享化的管理理念，可以充分的利用先进的计算机技术、数据库技术、视频监控技术、光纤通信技术等在城市的各个交通路口、重要单位部署摄像头，以便能够现场采集重要部位的实时信息，充分的利用光纤网络进行有效地操作，移動通信网络传输至智慧城市管理系统之后，系统可以将其输出到阵列显示器、智能手机、PC终端上，以便能够帮助城市管理人员、执法人员随时的调度资源，保证城市正常秩序。

参考文献

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作者单位

佳都新太科技股份有限公司 广东省广州市 510665