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[摘 要]随着宽带接入技术的长足发展，网络传输带宽越来越高、速度越来越快、可靠性越来越好，提道路监控图像的窄带传输似乎不合时宜。然而由于种种原因，在很多场景下可用带宽并不乐观，无法满足大量监控图像信息的传输。尤其是道路监控图像的传输，往往兼具跨网络传输、高传输成本与高实时性要求，特别容易产生带宽不足的问题。因而道路监控图像的窄带传输方式仍然是非常值得研究的主题。
[关键词]道路监控图像；窄带传输
中图分类号：TU351 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0339-02
[Abstract]With the rapid development of broadband access technology， network transmission bandwidth is higher， faster and more reliable， and the narrow-band transmission of road monitoring images seems out of place. However， for a variety of reasons， the available bandwidth in many scenarios is not optimistic enough to satisfy the large amount of monitoring image information transmission. In particular， the transmission of road monitoring images often has a cross-network transmission， high transmission cost and high real-time requirement， which is particularly prone to the problem of insufficient bandwidth. Therefore， the narrow band transmission mode of road monitoring image is still a very important topic.
[Key words]Road monitoring image； Narrowband transmission
0、现状分析
随着宽带接入技术的长足发展，网络传输带宽越来越高、速度越来越快、可靠性越来越好，重提道路监控图像的窄带传输似乎不合时宜。然而，由于种种原因，在很多场景下可用带宽并不乐观，无法满足大量监控图像信息的传输。
1、跨网络传输安全限制导致带宽不足
随着信息化建设的不断深入发展，政府各行业部门的大型专用网络已经实现了内部多级联网，但行业部门间网络仍然保持着横向分割、内外分离的局面[1]。各分割的广域网，出于网络安全的需要，均对于数据进出专网进行了严格的安全限制，需要经由一定的安全设备。比如按照公安科技信息化部门的要求，视频图像数据公安网时，需要经过视频边界安全接入平台又称视频边界。这类安全设备的转发带宽有限，而且由于接入、接出节点交换设备、网络并不具有电信主干网络的带宽与速度，无法通过简单地提升安全设备性能来提高跨网络实际交换带宽。面对专网内数以千计万计的视频监控设备的并行传输需要，分配到每个设备仅有很小的带宽，实际是窄带的环境。
2、高昂的传输成本造成带宽不足
电信运营商对于长距离、跨地区（跨地市、跨省）光纤专线制定了高昂的价格，往往一路10M带宽的专线一年租金就超10万，而10M带宽仅够一路高清视频传输需要。这种价格对于很多单位来说过于昂贵，势必存在部分单位租用带宽远远低于实际需要的情况。
3、带宽充裕度难以满足高实时性要求
网络中传输的数据量不固定，媒体流大小也不固定，偶尔会有很高的传输峰值，数倍于正常的传输需要。带宽充裕度不够时，峰值数据可以自然排队等待，但会造成数据传输不实时。对于高实时性要求的业务，带宽能勉强满足传输需求却难以满足峰值传输需求，实际还是将面临窄带环境类似的问题。
尤其是道路监控图像的传输，往往兼具跨网络传输、高传输成本与高实时性要求，特别容易产生带宽不足的问题。
1、道路监控网络接入安全存在天然问题，容易被私接入侵，因而跨网传输时必然要接受严格的安全限制，进而造成跨网带宽不足。
2、高速、国省道等主干道路大部分重要点段需要远距离数据传输甚至跨辖区传输，专线价格势必高昂，很难充分满足传输需要。
3、道路监控获取的实时路况是交通管理指挥调度或者交通诱导的重要信息，因而实时性要求相当高，因而更容易面临峰值时传输带宽不足的问题。
因而道路监控图像的窄带传输方式仍然是非常值得研究的主题。
1、几种道路监控视频窄带传输的思路
为解决监控视频的窄带传输，有几种思路：
1、跨网传输或远距离传输采用非标高压缩率视频編码
同样的画质和同样的码率，H.265比H.264 占用的存储空间要少理论50%，而一些非标准的视频编码算法压缩率可以更高。目前视频联网的标准比如GBT28181中规定了联网的视频编码格式为H.264，这决定了视频监控设备前端编码的格式为H.264，由于码率相对较高，面对一些跨网络、远距离带宽不足的传输瓶颈，可以先转码为更高压缩率的编码格式，完成传输后转换为标准码流。如图1为公安部门GBT28181视频联网标准下采用两次转码通过视频安全边界。图中跨边界传输采用H.265编码，也可以采用压缩率更高的非标准编码。
采用非标高压缩率视频编码本质上是用运算能力换带宽的方法，因而最大的缺陷即计算能力的消耗过大，需要增加后端计算设备，难以满足大规模的监控视频窄带传输需要。 2、采用低帧率码流进行窄带传输
大部分的道路监控图像后台应用，比如视频巡逻、视频会议、实时路况展示等，对于图像变化细节并不敏感，画面的流畅度不是特别重要。在遇到窄带传输环境，不必拘泥于24帧以上码率，可以适当地降低视频码率，自然也就降低了传输带宽。
可以利用前端视频监控设备的双码流、多码流特点，在前端设置一个低帧率码流，专门进行长距离、跨网络的窄带传输或者实时传输。该方法可以显著降低传输数据量，而且不增加后端的计算能力，因而不需要增加后端计算设備，是一种廉价有效的窄带传输方法。
然而前端视频监控设备未必支持双码流。其次，帧率下降有限则码率下降不明显，帧率下降过多则可能丢失关键信息。因而该方法的适用范围也是有限的。
3、提取视频关键帧图片进行窄带传输
视频关键字图片
提取视频关键帧图片跟帧率为1或者更低（即若干秒一个关键帧）的视频压缩效果类似，然而图片传输有不少优势：
（1）图片传输具有更多通道与方式
比如在公安视频专网与公安信息网之间跨网络传输，图片传输可以走传统的数据安全边界接入平台的文件交换、驻地外链路而不必走视频安全接入平台，增加了传输通道，变相增加了传输带宽。
（2）图片传输低帧率传输实时性可以更好
从视频中提取关键帧图片后，会比低帧率视频传输实时性更好？然而事实确实如此。一般的视频播放软件均需要缓存一定量视频数据（比如几十帧）才可以正常解码播放，而对于低帧率视频来说，这样的缓存可能就是几十秒时间的延迟。而关键帧图片传输后无须缓存立刻显示，提取关键帧与传输都是毫秒级的，实时性反而更好。
（3）可选择性提取信息量更大的关键帧图片
低帧率视频很可能错过关键信息，而提取视频关键帧图片只要附加一定的快速识别算法，就可以提取道路监控视频中信息丰富的帧比如有完整车辆的帧作为关键帧，从而避免关键信息丢失。
当然关键帧图片窄带传输的缺陷也很明显，就是提取关键帧需要额外消耗大量计算资源与带宽资源，但如果将关键帧图片提取算法嵌入至前端视频监控设备或者存储设备，则可以大大减轻整个系统的负担。
2、关键帧图片窄带传输的几种应用场景
上述3种常用的道路监控图像窄带传输方案各有优缺点，可以根据具体应用场景合理选择，得到最好的传输效果。特别是提取视频关键帧图片窄带传输，在很多场景下具有不可替代的优势：
1、仅支持文件传输的跨网交换环境
出于数据安全限制，不少专用网络禁止外网直接访问（如公安信息网至互联网）仅支持文件传输。很显然，该情况必须采用提取视频关键帧图片的方法进行窄带传输。
2、大量视频监控设备并发访问
视频访问的连接建立时间长且需要保持长连接，服务端、客户端、网络资源消耗大，窄带环境中难以支撑大量视频监控的并发访问，即便是低帧率的视频。而图片访问连接时间短，访问后资源迅速被释放，在大规模并发访问中性能效果更佳。
比如大屏幕的地图上显示多点实时路况就需要同时访问大量监控视频，采用视频显示根本无法实现，仅仅同时打开多个视频播放控件就足以令客户端崩溃，而显示图片则完全没有问题。这类场景就非常适合关键帧图片窄带传输方式。
3、移动终端访问监控图像
手机、PDA等移动终端首要的问题是性能较差视频解码计算能力弱，很多移动终端甚至无法支持常见的H.264编码的解码，需要转化为计算量较少的其他编码格式，意味着移动终端无法使用高压缩率的编码格式解决窄带问题。由于低帧率视频也遵循监控行业视频联网标准规定的相对高压缩高运算的编码格式，不可能支持移动互联网中低运算的格式，因而低帧率方式窄带传输也不是非常合适。此外，移动终端涉及较为昂贵的移动通信资费，视频访问因为需要数据缓冲，传输的数据量必然远高于单张图片，从成本上来讲移动终端图像应用也适合关键帧图片窄带传输。（见图2）
3、应用情况
在公安部交通局组织推广的“道路交通安全智能化管控关键技术及集成示范”项目中，应用了关键帧图片传输解决窄带传输问题，将公安视频专网的实时路况图像跨网络传输至互联网，供百度公司在地图导航中实时展示道路路况，有效引导社会交通流，缓解交通拥堵状况。
由于目前提取视频关键帧采用的是后台服务器方式，需要额外的运算成本，仅针对少数地区的少数关键节点进行了提取。计划与前端设备厂商合作，将关键帧提取工作固化到前端视频监控设备中，经过大规模可靠性测试后，将通过公安部交通管理局、公安交通管理科学研究所组织推广实施的公安交通集成指挥平台在全国各公安交通管理部门中广泛推广应用。
参考文献
[1] 陈兵，邹翔，沈寒辉，周国勇，万爱霞. 视频安全接入系统设计与实现.2010（8）：74-75
作者简介：
杨卓敏、张慧辰、施一珑、李小武，男，江苏省无锡市
[关键词]道路监控图像；窄带传输
中图分类号：TU351 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0339-02
[Abstract]With the rapid development of broadband access technology， network transmission bandwidth is higher， faster and more reliable， and the narrow-band transmission of road monitoring images seems out of place. However， for a variety of reasons， the available bandwidth in many scenarios is not optimistic enough to satisfy the large amount of monitoring image information transmission. In particular， the transmission of road monitoring images often has a cross-network transmission， high transmission cost and high real-time requirement， which is particularly prone to the problem of insufficient bandwidth. Therefore， the narrow band transmission mode of road monitoring image is still a very important topic.
[Key words]Road monitoring image； Narrowband transmission
0、现状分析
随着宽带接入技术的长足发展，网络传输带宽越来越高、速度越来越快、可靠性越来越好，重提道路监控图像的窄带传输似乎不合时宜。然而，由于种种原因，在很多场景下可用带宽并不乐观，无法满足大量监控图像信息的传输。
1、跨网络传输安全限制导致带宽不足
随着信息化建设的不断深入发展，政府各行业部门的大型专用网络已经实现了内部多级联网，但行业部门间网络仍然保持着横向分割、内外分离的局面[1]。各分割的广域网，出于网络安全的需要，均对于数据进出专网进行了严格的安全限制，需要经由一定的安全设备。比如按照公安科技信息化部门的要求，视频图像数据公安网时，需要经过视频边界安全接入平台又称视频边界。这类安全设备的转发带宽有限，而且由于接入、接出节点交换设备、网络并不具有电信主干网络的带宽与速度，无法通过简单地提升安全设备性能来提高跨网络实际交换带宽。面对专网内数以千计万计的视频监控设备的并行传输需要，分配到每个设备仅有很小的带宽，实际是窄带的环境。
2、高昂的传输成本造成带宽不足
电信运营商对于长距离、跨地区（跨地市、跨省）光纤专线制定了高昂的价格，往往一路10M带宽的专线一年租金就超10万，而10M带宽仅够一路高清视频传输需要。这种价格对于很多单位来说过于昂贵，势必存在部分单位租用带宽远远低于实际需要的情况。
3、带宽充裕度难以满足高实时性要求
网络中传输的数据量不固定，媒体流大小也不固定，偶尔会有很高的传输峰值，数倍于正常的传输需要。带宽充裕度不够时，峰值数据可以自然排队等待，但会造成数据传输不实时。对于高实时性要求的业务，带宽能勉强满足传输需求却难以满足峰值传输需求，实际还是将面临窄带环境类似的问题。
尤其是道路监控图像的传输，往往兼具跨网络传输、高传输成本与高实时性要求，特别容易产生带宽不足的问题。
1、道路监控网络接入安全存在天然问题，容易被私接入侵，因而跨网传输时必然要接受严格的安全限制，进而造成跨网带宽不足。
2、高速、国省道等主干道路大部分重要点段需要远距离数据传输甚至跨辖区传输，专线价格势必高昂，很难充分满足传输需要。
3、道路监控获取的实时路况是交通管理指挥调度或者交通诱导的重要信息，因而实时性要求相当高，因而更容易面临峰值时传输带宽不足的问题。
因而道路监控图像的窄带传输方式仍然是非常值得研究的主题。
1、几种道路监控视频窄带传输的思路
为解决监控视频的窄带传输，有几种思路：
1、跨网传输或远距离传输采用非标高压缩率视频編码
同样的画质和同样的码率，H.265比H.264 占用的存储空间要少理论50%，而一些非标准的视频编码算法压缩率可以更高。目前视频联网的标准比如GBT28181中规定了联网的视频编码格式为H.264，这决定了视频监控设备前端编码的格式为H.264，由于码率相对较高，面对一些跨网络、远距离带宽不足的传输瓶颈，可以先转码为更高压缩率的编码格式，完成传输后转换为标准码流。如图1为公安部门GBT28181视频联网标准下采用两次转码通过视频安全边界。图中跨边界传输采用H.265编码，也可以采用压缩率更高的非标准编码。
采用非标高压缩率视频编码本质上是用运算能力换带宽的方法，因而最大的缺陷即计算能力的消耗过大，需要增加后端计算设备，难以满足大规模的监控视频窄带传输需要。 2、采用低帧率码流进行窄带传输
大部分的道路监控图像后台应用，比如视频巡逻、视频会议、实时路况展示等，对于图像变化细节并不敏感，画面的流畅度不是特别重要。在遇到窄带传输环境，不必拘泥于24帧以上码率，可以适当地降低视频码率，自然也就降低了传输带宽。
可以利用前端视频监控设备的双码流、多码流特点，在前端设置一个低帧率码流，专门进行长距离、跨网络的窄带传输或者实时传输。该方法可以显著降低传输数据量，而且不增加后端的计算能力，因而不需要增加后端计算设備，是一种廉价有效的窄带传输方法。
然而前端视频监控设备未必支持双码流。其次，帧率下降有限则码率下降不明显，帧率下降过多则可能丢失关键信息。因而该方法的适用范围也是有限的。
3、提取视频关键帧图片进行窄带传输
视频关键字图片
提取视频关键帧图片跟帧率为1或者更低（即若干秒一个关键帧）的视频压缩效果类似，然而图片传输有不少优势：
（1）图片传输具有更多通道与方式
比如在公安视频专网与公安信息网之间跨网络传输，图片传输可以走传统的数据安全边界接入平台的文件交换、驻地外链路而不必走视频安全接入平台，增加了传输通道，变相增加了传输带宽。
（2）图片传输低帧率传输实时性可以更好
从视频中提取关键帧图片后，会比低帧率视频传输实时性更好？然而事实确实如此。一般的视频播放软件均需要缓存一定量视频数据（比如几十帧）才可以正常解码播放，而对于低帧率视频来说，这样的缓存可能就是几十秒时间的延迟。而关键帧图片传输后无须缓存立刻显示，提取关键帧与传输都是毫秒级的，实时性反而更好。
（3）可选择性提取信息量更大的关键帧图片
低帧率视频很可能错过关键信息，而提取视频关键帧图片只要附加一定的快速识别算法，就可以提取道路监控视频中信息丰富的帧比如有完整车辆的帧作为关键帧，从而避免关键信息丢失。
当然关键帧图片窄带传输的缺陷也很明显，就是提取关键帧需要额外消耗大量计算资源与带宽资源，但如果将关键帧图片提取算法嵌入至前端视频监控设备或者存储设备，则可以大大减轻整个系统的负担。
2、关键帧图片窄带传输的几种应用场景
上述3种常用的道路监控图像窄带传输方案各有优缺点，可以根据具体应用场景合理选择，得到最好的传输效果。特别是提取视频关键帧图片窄带传输，在很多场景下具有不可替代的优势：
1、仅支持文件传输的跨网交换环境
出于数据安全限制，不少专用网络禁止外网直接访问（如公安信息网至互联网）仅支持文件传输。很显然，该情况必须采用提取视频关键帧图片的方法进行窄带传输。
2、大量视频监控设备并发访问
视频访问的连接建立时间长且需要保持长连接，服务端、客户端、网络资源消耗大，窄带环境中难以支撑大量视频监控的并发访问，即便是低帧率的视频。而图片访问连接时间短，访问后资源迅速被释放，在大规模并发访问中性能效果更佳。
比如大屏幕的地图上显示多点实时路况就需要同时访问大量监控视频，采用视频显示根本无法实现，仅仅同时打开多个视频播放控件就足以令客户端崩溃，而显示图片则完全没有问题。这类场景就非常适合关键帧图片窄带传输方式。
3、移动终端访问监控图像
手机、PDA等移动终端首要的问题是性能较差视频解码计算能力弱，很多移动终端甚至无法支持常见的H.264编码的解码，需要转化为计算量较少的其他编码格式，意味着移动终端无法使用高压缩率的编码格式解决窄带问题。由于低帧率视频也遵循监控行业视频联网标准规定的相对高压缩高运算的编码格式，不可能支持移动互联网中低运算的格式，因而低帧率方式窄带传输也不是非常合适。此外，移动终端涉及较为昂贵的移动通信资费，视频访问因为需要数据缓冲，传输的数据量必然远高于单张图片，从成本上来讲移动终端图像应用也适合关键帧图片窄带传输。（见图2）
3、应用情况
在公安部交通局组织推广的“道路交通安全智能化管控关键技术及集成示范”项目中，应用了关键帧图片传输解决窄带传输问题，将公安视频专网的实时路况图像跨网络传输至互联网，供百度公司在地图导航中实时展示道路路况，有效引导社会交通流，缓解交通拥堵状况。
由于目前提取视频关键帧采用的是后台服务器方式，需要额外的运算成本，仅针对少数地区的少数关键节点进行了提取。计划与前端设备厂商合作，将关键帧提取工作固化到前端视频监控设备中，经过大规模可靠性测试后，将通过公安部交通管理局、公安交通管理科学研究所组织推广实施的公安交通集成指挥平台在全国各公安交通管理部门中广泛推广应用。
参考文献
[1] 陈兵，邹翔，沈寒辉，周国勇，万爱霞. 视频安全接入系统设计与实现.2010（8）：74-75
作者简介：
杨卓敏、张慧辰、施一珑、李小武，男，江苏省无锡市