視頻監(jiān)控市場(chǎng)在過去10年經(jīng)歷了爆炸式的增長(zhǎng)，由于高清智能攝像頭的價(jià)格比之前有了大幅下降，使得高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭在視頻監(jiān)控項(xiàng)目中的部署越來越普遍。而自2018年以來，人工智能（AI）也得到了迅猛發(fā)展，其中落地速度最快的當(dāng)屬視頻監(jiān)控項(xiàng)目，因此，出現(xiàn)了越來越多的嵌入了視頻分析功能的智能攝像頭，讓“安防+AI”成為了安防行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。
視頻監(jiān)控市場(chǎng)中國(guó)最大，印度越南增速最快
根據(jù)IHS Markit統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2018年和2019年全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)規(guī)模分別為182億美元和199億美元。從市場(chǎng)增長(zhǎng)率上來看，2015年到2018年，全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)的增長(zhǎng)率分別為1.9%、3.9%、9.3%和8.7%，持續(xù)保持了一個(gè)較高的增長(zhǎng)率。這與政府和企業(yè)在安防方面的支出持續(xù)增加密不可分，特別是近幾年來，智慧城市和平安城市項(xiàng)目的展開，大大促進(jìn)了安防方面的支出。
圖1：IHS Markit統(tǒng)計(jì)的全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)規(guī)模和近5年的市場(chǎng)增長(zhǎng)率。
從市場(chǎng)分布來看，2018年中國(guó)視頻監(jiān)控市場(chǎng)占了全球市場(chǎng)份額的45%，是全球最大的一塊市場(chǎng)，而且增長(zhǎng)速度也遠(yuǎn)高于海外市場(chǎng)。據(jù)IHS Markit預(yù)計(jì)，2018年至2023年，視頻監(jiān)控市場(chǎng)增長(zhǎng)率比較快的市場(chǎng)有中國(guó)、印度、越南和泰國(guó)。其中，增長(zhǎng)速度最快的印度將會(huì)達(dá)到16.6%，其次是10.7%，當(dāng)然，中國(guó)的增長(zhǎng)速度也不慢，有10.5%。
圖2：視頻監(jiān)控市場(chǎng)增速較快的幾個(gè)地區(qū)。
國(guó)內(nèi)城市攝像頭密度排名深圳最高，205個(gè)/平方公里
中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)較快的一個(gè)重要原因是政府“雪亮工程”“平安城市”等推動(dòng)了對(duì)城市監(jiān)控項(xiàng)目的投資，而且還擴(kuò)展到了周邊農(nóng)村地區(qū)。比如在2020存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)峰會(huì)上，有嘉賓介紹中國(guó)的“平安城市”項(xiàng)目里使用的攝像頭數(shù)目，其中深圳在1953平方公里的城市里使用了40萬個(gè)攝像頭，平均每平方公里就有205個(gè)攝像頭。攝像頭數(shù)目上100萬的城市有北京和上海兩個(gè)，北京115萬個(gè)，上海100萬個(gè)，不過由于這兩個(gè)城市的面積相對(duì)較大，密度并沒有深圳高。
圖3：“平安城市”項(xiàng)目中不同城市使用的攝像頭數(shù)目統(tǒng)計(jì)。
除了政府和企業(yè)的推動(dòng)，視頻監(jiān)控市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的原因還有視頻監(jiān)控?cái)z像頭的價(jià)格下降了很多。自2015年以來，全球市場(chǎng)上網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭的平均價(jià)格下降了22%以上。
此外，視頻監(jiān)控的用途越來越廣。攝像頭除了在傳統(tǒng)公共安全或者防盜應(yīng)用中使用外，還有很多場(chǎng)景中會(huì)用到，比如監(jiān)控、控制和記錄業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)情況；安全生產(chǎn)監(jiān)督，像滑倒和跌落，火災(zāi)和煙霧報(bào)警檢測(cè)等；市場(chǎng)營(yíng)銷信息收集，像零售行業(yè)中的客戶數(shù)目統(tǒng)計(jì)、整理客戶信息資料，繪制商店客流熱力圖等等；以及在訴訟案件中用于收集潛在的視頻證據(jù)等等。
智能安防時(shí)代的基礎(chǔ)架構(gòu)變化
如此多攝像頭的部署，加上新部署的攝像頭很多都是高分辨率的攝像頭，比如1080p，2K，甚至是4K分辨率的攝像頭，盡管壓縮技術(shù)正在不斷進(jìn)步，但這么多攝像頭產(chǎn)生的數(shù)據(jù)依然是個(gè)龐大的數(shù)字，企業(yè)需要的存儲(chǔ)空間不斷提升。據(jù)IHS Markit估計(jì)，2018年全球用于視頻監(jiān)控的存儲(chǔ)出貨達(dá)81 EB，相當(dāng)9200萬小時(shí)的視頻（1080p @ 2Mbps）。這些存儲(chǔ)通常分布在錄像機(jī)（DVR或者NVR），內(nèi)部存儲(chǔ)以及外部存儲(chǔ)系統(tǒng)中。
西部數(shù)據(jù)公司高級(jí)副總裁兼中國(guó)區(qū)總經(jīng)理Steven Craig曾表示，2018年約產(chǎn)生了32ZB（約1萬億GB）的數(shù)據(jù)。“到2023年，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生103ZB的數(shù)據(jù)?！?Steven Craig進(jìn)一步指出。這些數(shù)據(jù)主要來源于末端的邊緣數(shù)據(jù)、在邊緣進(jìn)行整合后的數(shù)據(jù)，以及在云端經(jīng)過了處理和轉(zhuǎn)換的智能信息。
在Steven Craig看來，這些看似龐大的數(shù)據(jù)其實(shí)只有小部分會(huì)被存儲(chǔ)下來，比如說2018年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量是5ZB左右，占產(chǎn)生數(shù)據(jù)的15%；預(yù)計(jì)到2023年，存儲(chǔ)下來的數(shù)據(jù)為12ZB左右，占產(chǎn)生數(shù)據(jù)的11%，其他的數(shù)據(jù)將會(huì)失散掉，而且將永遠(yuǎn)也不可能找回來了。
如此海量的數(shù)據(jù)，原有的視頻監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)不再適用新的形勢(shì)，尤其是對(duì)于大型項(xiàng)目。一種結(jié)合了AI、云，大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型架構(gòu)正在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中大規(guī)模落地，尤其是在中國(guó)的平安城市項(xiàng)目中。
隨著AI、云、大數(shù)據(jù)和IoT等變革性技術(shù)越發(fā)滲透于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，出現(xiàn)了不同的方法來滿足將這些技術(shù)集成到現(xiàn)代系統(tǒng)的需求。諸如安全城市等的大型項(xiàng)目需要從全局了解公共安全狀況，簡(jiǎn)化視頻監(jiān)控并自動(dòng)化視頻處理和分析過程。
圖4：新型視頻監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)。
云、邊、端（在國(guó)外也稱為云、霧、邊）是基于物聯(lián)網(wǎng)概念的三層架構(gòu)，在許多中國(guó)公共安全項(xiàng)目中被廣泛使用。從傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)中心演變而來的該體系結(jié)構(gòu)通過添加霧層作為云和端的中間層，而傳統(tǒng)的架構(gòu)正在被這種新型的分布式架構(gòu)所取代。不同于傳統(tǒng)的架構(gòu)，云中心將計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源整合在一起并對(duì)這些資源進(jìn)行集中管理。同樣，邊側(cè)也在各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的平臺(tái)管理并整合來自不同廠商的IT基礎(chǔ)設(shè)施部件以及端側(cè)設(shè)備。
圖5：AI賦能的基礎(chǔ)架構(gòu)
AI從云遷移到端側(cè)，數(shù)據(jù)從端側(cè)匯聚到云
AI解決方案一開始是部署在數(shù)據(jù)中心，或者云端的，然后逐漸擴(kuò)展到邊緣端。特別是近年來，隨著ASIC和SoC技術(shù)的發(fā)展，芯片的算力越來越強(qiáng)，攝像頭也能夠運(yùn)行一些AI推理算法。因此視頻分析既可以在現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)化分析服務(wù)器或錄像機(jī)上運(yùn)行，又可以嵌入到網(wǎng)絡(luò)攝像頭和編碼器之類的視頻監(jiān)控端側(cè)設(shè)備中。
目前主要有三種方法來部署AI解決方案：
部署在端側(cè)的AI攝像頭。AI攝像頭生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，用于例如面部圖像識(shí)別和車輛識(shí)別等基于場(chǎng)景的其他應(yīng)用程序。但是，這種方法難以被廣泛采用的原因是AI攝相頭替換傳統(tǒng)攝像頭的成本相對(duì)較高。此外，端側(cè)AI攝像頭的算力限制也阻礙了廣泛應(yīng)用。即使使用最新的ASIC芯片，許多端側(cè)設(shè)備也將無法同時(shí)運(yùn)行多種算法。因此，僅靠端側(cè)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益。
部署在中心的AI解決方案。借助這種方法，無需更換傳統(tǒng)的攝像機(jī)便可將視頻流發(fā)送到分析服務(wù)器或錄像機(jī)或云端以進(jìn)行集中處理。這使系統(tǒng)能夠?yàn)槊總€(gè)攝像頭視頻運(yùn)行更多樣的分析，并將多路攝像頭聯(lián)動(dòng)來運(yùn)行不同的視頻分析。但是所有數(shù)據(jù)都需要被發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，而這種方法需要高帶寬支持。數(shù)據(jù)中心必須能夠提供所有算力，這很大程度上意味著用戶為購(gòu)買AI服務(wù)器和錄像機(jī)需要支付高昂成本。
云-邊-端基礎(chǔ)架構(gòu)上分布的AI解決方案。這種混合方式可通過結(jié)合使用端側(cè)的智能攝像頭、邊側(cè)集中式服務(wù)器和云中心，來確保視頻分析的工作負(fù)載更加均衡。這意味著可以在攝像頭上運(yùn)行一些分析，例如人群監(jiān)視、計(jì)數(shù)和對(duì)象檢測(cè)，目的是節(jié)省帶寬并減輕后端的算力壓力。可以使用功能更強(qiáng)大的集中式分析來運(yùn)行需要大算力的應(yīng)用程序，例如人或車輛的特征提取以及對(duì)象搜索。
另外，由于深度學(xué)習(xí)分析能夠?qū)⒎墙Y(jié)構(gòu)化的視頻和圖像轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過云-邊-端基礎(chǔ)架構(gòu)匯聚，從AI攝像頭開始，然后到邊緣側(cè)的服務(wù)器或錄像機(jī)，再到云數(shù)據(jù)中心。該過程由算法和算力實(shí)現(xiàn)，需要用到強(qiáng)大的邏輯處理器、圖像處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)的支持。
在端側(cè)，目前具有1TOPS算力的嵌入式SoC的智能攝像頭已經(jīng)很普遍，有些高端的攝像頭已經(jīng)采用了16TOPS算力的芯片，這些高端攝像頭可以運(yùn)行多種深度學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用程序。還有，高性能大容量并且具有高P/E（寫入/擦除）周期的嵌入式閃存存儲(chǔ)器在端側(cè)的AI攝像頭中被越來越多的使用，例如e.MMC和UFS。
由于大量基于AI技術(shù)的上層應(yīng)用，顯著增加了用戶對(duì)視頻數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的讀操作，這就需要存放這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器具有更好的順序和隨機(jī)讀寫性能，以及更大的本地存儲(chǔ)空間。<電子發(fā)燒友>從視頻監(jiān)控設(shè)備供應(yīng)商處了解到，現(xiàn)在很多視頻監(jiān)控廠商其實(shí)都是使用消費(fèi)級(jí)的存儲(chǔ)卡，但這類存儲(chǔ)卡很容易損壞，這時(shí)客戶就認(rèn)為這是監(jiān)控設(shè)備出了問題。這給他們帶來了很大的困擾。也正是為了解決這個(gè)問題，西部數(shù)據(jù)去年開始特意推出了專門針對(duì)安防市場(chǎng)的存儲(chǔ)設(shè)備------WD Purple系列產(chǎn)品。比如下面這款專門針對(duì)端側(cè)的WD PurpleSC QD101耐久度microSD存儲(chǔ)卡，該產(chǎn)品專為主流安全攝像頭市場(chǎng)中的設(shè)備制造商、經(jīng)銷商和安裝人員而設(shè)計(jì)。它采用了西部數(shù)據(jù)先進(jìn)的96層3D NAND技術(shù)，并提供了高耐久度、高性能存儲(chǔ)和512GB大容量的高性價(jià)比組合，可滿足不斷增長(zhǎng)的視頻安防市場(chǎng)的需求；重要的是，在兼容的攝像頭中，存儲(chǔ)卡的運(yùn)行狀況管理使安裝人員和集成商能夠查看剩余續(xù)航時(shí)間，并在需要時(shí)預(yù)先維修存儲(chǔ)卡；此外，該存儲(chǔ)卡可提供32GB、64GB、128GB、256GB和512GB容量選擇。
圖6：西部數(shù)據(jù)針對(duì)安防市場(chǎng)的WD Purple microSD存儲(chǔ)卡。
在邊緣側(cè)和云端，適合運(yùn)行包括圖像識(shí)別在內(nèi)的大量深度學(xué)習(xí)任務(wù)的“CPU+GPU”架構(gòu)變得流行。
隨著越來越多的數(shù)據(jù)在包括錄像機(jī)和企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)在內(nèi)的后端存儲(chǔ)中被匯聚，需要更大的存儲(chǔ)支撐。具有更高容量的硬盤存儲(chǔ)陣列可在有限物理區(qū)域中提供更大的容量。由于疊瓦式磁記錄（SMR）技術(shù)的發(fā)展，使得最新一代3.5英寸硬盤的容量可以最高達(dá)到20TB。疊瓦式硬盤通過將驅(qū)動(dòng)器磁道部分彼此疊置（類似于屋頂上重疊的瓦片）來實(shí)現(xiàn)更大的容量，從而以較低的成本增加同一區(qū)域的存儲(chǔ)密度。這種方法可以在視頻監(jiān)控云中心中很好地發(fā)揮作用，因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)流具有順序化存儲(chǔ)的特性，并且視頻云中海量歸檔的視頻都不會(huì)進(jìn)行隨機(jī)寫操作。
另外，為了提升在云端進(jìn)行密集的AI計(jì)算的能力，一些廠商開始在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的AI計(jì)算中引入非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口（NVMe）存儲(chǔ)，即NVMe enterprise SSD。為了獲得更好的性能，西部數(shù)據(jù)還提出了一個(gè)開源的標(biāo)準(zhǔn)化的分區(qū)存儲(chǔ)技術(shù)ZNS，以在NVMe SSD上實(shí)現(xiàn)更好的耐久性、可預(yù)測(cè)的低延遲和QoS（服務(wù)質(zhì)量）性能。
當(dāng)然，西部數(shù)據(jù)也沒忘記在邊緣和云端推出相應(yīng)的產(chǎn)品，其最新的WD Purple 14TB* HDD就是專門針對(duì)安防市場(chǎng)的存儲(chǔ)產(chǎn)品。與西部數(shù)據(jù)其他WD Purple系列硬盤一樣，WD Purple 14TB硬盤專為24/7全天候高清安防系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)；它采用西部數(shù)據(jù)專有的AllFrame技術(shù)，可改善視頻獲取能力，同時(shí)有助于減少錄像系統(tǒng)中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，例如像素失幀或視頻中斷；而且，WD Purple硬盤可處理更繁重的工作負(fù)載，支持配有64個(gè)攝像頭并進(jìn)行24x7錄像的系統(tǒng)。
圖7：西部數(shù)據(jù)針對(duì)安防邊緣端和云端的存儲(chǔ)產(chǎn)品。
結(jié)語
基于AI和深度學(xué)習(xí)的視頻分析現(xiàn)在正影響著新型的視頻監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)，即從端到邊再到云數(shù)據(jù)中心。AI初創(chuàng)公司，半導(dǎo)體廠商與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控供應(yīng)商已經(jīng)建立了一個(gè)完整生態(tài)系統(tǒng)以提供從芯片到算法和應(yīng)用程序的解決方案，推動(dòng)AI技術(shù)的落地。
AI解決方案的開發(fā)需要涉及科技界多方共同努力。沒有一家企業(yè)可以獨(dú)自推動(dòng)AI產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，因?yàn)锳I硬件和軟件的開發(fā)非常耗時(shí)耗資，甚至對(duì)一些科技巨頭都是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。由于AI的這個(gè)特點(diǎn)，各廠商的AI技術(shù)的協(xié)作和整合是構(gòu)建可持續(xù)視頻監(jiān)控生態(tài)系統(tǒng)的必要條件。
未來在AI加持下的安防行業(yè)，將會(huì)出現(xiàn)兩大趨勢(shì)，即數(shù)據(jù)匯聚到云端數(shù)據(jù)中心，而算力則逐漸下放至邊緣測(cè)和端側(cè)。
作者：程文智
