數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)與分析

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)與分析

0性能測(cè)評(píng)的意義目前，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估監(jiān)控系統(tǒng)的性能，因此很難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，并選擇滿(mǎn)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(fù)雜,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),往往需要將所有的部件都進(jìn)行排查,時(shí)間和人力成本較大,研究對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行單獨(dú)功能測(cè)試和評(píng)價(jià)的方法顯得尤為重要。1視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)通常可分三個(gè)層次,分別是前端接入、媒體交換以及用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層次。監(jiān)控系統(tǒng)主要采用前端監(jiān)控?cái)z像機(jī)采集視頻,并通過(guò)視頻編碼器單元進(jìn)行視頻信號(hào)的采集編碼,編碼壓縮后的視頻一路傳輸至視頻服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化錄像、存儲(chǔ)、檢索、回放以及管理。另一路視頻信號(hào)通過(guò)LAN、WAN等IP網(wǎng)絡(luò)傳輸至解碼器單元,進(jìn)行視視頻信號(hào)的解碼輸出,最終在監(jiān)視器上顯示,從而實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)處理中心,也是觀察者與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)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(píng)價(jià)系統(tǒng)性能不可缺少的一個(gè)要素。影響監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)量的另外一個(gè)重要因素是實(shí)時(shí)性,即需要能夠快速的將監(jiān)視地點(diǎn)所發(fā)生的事件畫(huà)面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心,從而使監(jiān)控人員迅速做出反應(yīng)。從數(shù)學(xué)上來(lái)看,實(shí)時(shí)性可以理解為若原始視頻在A時(shí)間點(diǎn)由攝像頭采集至編碼器,在B時(shí)間點(diǎn)由視頻顯示單元輸出從而使工作人員可見(jiàn)。當(dāng)Δt=B-A的值超過(guò)一定范圍時(shí),系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就較差,其中Δt稱(chēng)為系統(tǒng)時(shí)延。為了正確度量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,就需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)延進(jìn)行分析,因此時(shí)延成為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的另一類(lèi)重要指標(biāo)。另外從系統(tǒng)可用性的角度來(lái)考慮,還需要保證系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,不出現(xiàn)死機(jī),黑屏等現(xiàn)象,因此需要對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行客觀分析2系統(tǒng)時(shí)延與穩(wěn)定性視頻圖像質(zhì)量可以通過(guò)主觀目測(cè)的方法進(jìn)行分析,觀測(cè)顯示畫(huà)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(gè)典型的視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由三個(gè)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(luò)傳輸模塊。每個(gè)部分的處理都需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,即:編碼端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、解碼端時(shí)延。這三部分時(shí)延之和稱(chēng)為系統(tǒng)時(shí)延。在實(shí)際系統(tǒng)優(yōu)化中,測(cè)試這三個(gè)時(shí)延數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)分別在整個(gè)時(shí)延過(guò)程中所占據(jù)的比率。根據(jù)測(cè)試得到的時(shí)延結(jié)果,對(duì)系統(tǒng)做出判定,做出相應(yīng)的改進(jìn)。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面,則主要測(cè)量丟幀率、編碼誤碼率、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩秳?dòng)程度以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。以上三大類(lèi)11項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)如表1所示。3監(jiān)控系統(tǒng)的重要指標(biāo)3.1圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)3.1.1網(wǎng)絡(luò)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(luò)帶寬及存儲(chǔ)空間則越大,在編碼和解碼過(guò)程中所需計(jì)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(xiàn),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(guó)內(nèi)主流的硬盤(pán)錄像機(jī)采用兩種分辨率:CIF和4CIF(D1),分為兩種型號(hào)。硬盤(pán)錄像機(jī)常見(jiàn)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(jué)暫留時(shí)間為1/24秒,故每秒鐘幀率應(yīng)至少為24幀秒。幀率越高,圖像越流暢。一個(gè)數(shù)字視頻監(jiān)控中視頻的傳輸頻率必須是一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的FPS越大,在視頻顯示端所顯示的視頻就會(huì)越流暢。為了評(píng)價(jià)監(jiān)控系統(tǒng)的圖像編碼性能,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行幀率的測(cè)量,作為不同系統(tǒng)之間比較的指標(biāo)3.1.3錄像視頻質(zhì)量小結(jié)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(chǎng)合對(duì)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(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)的碼率越小,說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)圖像的壓縮比例越高,壓縮性能就越優(yōu)秀。一個(gè)好的數(shù)字視頻系統(tǒng)可以在占用較低的網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況下傳輸優(yōu)質(zhì)的視頻,事實(shí)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(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)。通常在經(jīng)過(guò)影像壓縮之后,輸出的影像通常都會(huì)有某種程度與原始影像不一樣。為了客觀衡量經(jīng)過(guò)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(biāo)3.2.1編碼時(shí)延的時(shí)延編碼端輸入視頻序列,由最后編碼結(jié)束時(shí)間減去開(kāi)始編碼時(shí)間,即為整個(gè)編碼的時(shí)延。編碼時(shí)延的大小與監(jiān)控系統(tǒng)所采用的編碼算法相關(guān),其次與系統(tǒng)的信號(hào)處理器的運(yùn)算頻率有關(guān)。3.2.2解碼期間的延遲解碼端記錄解碼開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間,解碼結(jié)束時(shí)間與解碼開(kāi)始時(shí)間相減為整個(gè)視頻序列的解碼時(shí)延。3.2.3接收端接受的數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)延從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸,然后在接收端接受數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的這一過(guò)程的時(shí)延。系統(tǒng)總時(shí)延的計(jì)算可以通過(guò)上述三個(gè)時(shí)延值線(xiàn)性迭加得到,其中時(shí)延的單位是毫秒。3.3圖像系統(tǒng)的穩(wěn)定指標(biāo)3.3.1傳輸丟失幀數(shù)在一個(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)中,由于網(wǎng)絡(luò)傳輸阻塞的原因,會(huì)造成視頻流丟幀,其中,把丟幀率定義為網(wǎng)絡(luò)傳輸中丟失的幀數(shù)與傳輸總幀數(shù)的比值,反映整個(gè)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(shí),視頻流在打包傳輸過(guò)程中,會(huì)在某個(gè)數(shù)據(jù)包字段上表明該視頻流的幀號(hào)。利用這一特性,分析收到視頻流的幀號(hào)信息,就能知道有多少幀在傳輸過(guò)程中丟失,從而得到丟幀率。3.3.2導(dǎo)致不能解碼在一個(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)中,由于編碼端故障、網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼等原因,會(huì)造成某些幀出錯(cuò)而導(dǎo)致不能解碼。其中,把誤碼率定義為出錯(cuò)幀數(shù)與總幀數(shù)的比值,反映整個(gè)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(dòng)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包到達(dá)目的地時(shí)的延遲具有隨機(jī)性,這種延遲的變化被稱(chēng)為抖動(dòng)。3.3.4系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性系統(tǒng)要保持7×24小時(shí)的可靠性運(yùn)行。通過(guò)以上三類(lèi)十一項(xiàng)指標(biāo),可以比較客觀完備得體現(xiàn)一個(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)的性能優(yōu)劣性。4關(guān)鍵指標(biāo)的理論含義和實(shí)際意