區塊鏈:研究 | 區塊鏈賦能傳統視頻安防監控行業

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視頻安防監控行業經過幾十年的發展，逐漸發展成為一個市場成熟度高、規模龐大的傳統行業，其核心產品——基于IP的網絡視頻監控系統已經成為維護社會治安，實施社會綜合治理的核心應用系統，也是實施科技強警，實現整體聯防聯控聯動和快速反應的城市公共安全體系建設的重要組成部分。

傳統的網絡視頻監控系統是由攝像、傳輸、控制、顯示和存儲這五大部分組成。部署在各個監控點的攝像機通過IP網絡將現場采集到的視頻圖像傳輸到控制設備，由控制設備再將視頻分發到對應的監視器和存儲設備。監控人員可以通過控制設備給攝像機發出指令，從而控制云臺來調整攝像機上、下、左、右的角度以及對鏡頭進行調焦變倍等操作，也可通過控制設備實現在多路攝像機及云臺之間進行切換。實時視頻流可以分為三路，一路送給監視器，監視器除了顯示各個監控點的實時畫面外，還能接收并處理實時告警，比如異物闖入劃定禁區等；第二路送入存儲設備進行存儲備份；第三路送入分析設備，該設備可以使用人工智能技術對視頻內容進行分析，比如人體行為識別、人臉識別、車輛識別等；存儲設備里的視頻不但可以對視頻進行回放、剪輯等操作，還可以對視頻內容進行后期分析，比如人員/車輛軌跡分析等。

傳統的網絡視頻監控系統

傳統的網絡視頻監控系統存在一個嚴重的弊端，即視頻數據被中心機構所掌握，容易被篡改或刪除。比如近幾年國內接二連三爆出的幼兒園安全事故。我們從新聞上看到，視頻監控資料一般都保存在園方，當執法部門和家長要求查看視頻監控時，相關責任人總會以攝像機損壞、硬盤受損等原因導致監控視頻丟失或者監控視頻中一些關鍵畫面的缺失來推脫，造成執法部門不能有效取證，進而不能快速、有效的懲戒罪犯。雖然在有些城市，幼兒園的實時視頻是被要求同時傳送給監管部門進行保存，但是對于家長而言，要想查看視頻也并非易事。

京東探索研究院院長：當下人們更應關注元宇宙的仿真優化能力在實體經濟中的巨大價值:金色財經報道，近日，京東探索研究院院長、澳大利亞科學院院士陶大程表示，我們不止強調數字世界的構建，而是更加重視數字世界對現實世界的再創造能力，著力提升人類在現實世界、實體經濟中認識和改造世界的能力才是京東針對元宇宙的內涵解讀，也就是產業元宇宙的主要內容。

當下人們更應關注元宇宙的仿真優化能力在實體經濟中的巨大價值；而被認為是 \" 元宇宙 + 產業 \" 的產業元宇宙，作為數字能力引入現實世界、實體經濟的接口，不止使用了數字世界重構現實世界中的物理屬性和社會屬性，更加重視數字世界對現實世界再創造能力的提升。 因此，我們認為產業元宇宙將會成為實體經濟的重要組成部分，在這場全新的產業數智化革命中，產業元宇宙將延展泛人工智能技術在產業落地的深度和廣度，加速技術與產業的深度融合，激發實體經濟的活力和創造力。

此外，陶大程還表示，產業元宇宙的未來，或許會將人類帶進一個超歷史時空，但面對如今的火熱局面，我們還是要保持冷靜與耐心的態度，明確現在的產業元宇宙才剛剛起步，通過漫長的發展與積累以及多學科的綜合發展，才能從量變實現質變，真正達成重要范式的革新。[2021/12/27 8:05:46]

針對傳統網絡視頻監控的弊端，本文作者在《零基礎學區塊鏈》一書中簡要介紹了一種基于區塊鏈技術的視頻監控系統。該系統能有效防范視頻數據丟失，并實現視頻數據丟失檢測、恢復，以及視頻的提取，從而為調查取證提供強有力的支撐，為社會監管提供有力保障。

以這套系統在幼兒園的場景應用為例，本文將詳細介紹該系統的基礎架構和各功能模塊組件。

整套系統基于聯盟鏈架構，其中幼兒園、管理部門、家長A和家長B是聯盟鏈中的節點，它們共同構成P2P視頻監控網絡。該系統設立多級管理權限認證，管理部門決定幼兒園節點的進入，幼兒園節點決定家長節點的進入。視頻數據源是由架設在幼兒園教室里的攝像機獲取，產生的視頻數據除了發送給幼兒園節點，同時也發送給管理部門節點、家長A節點和家長B節點。

美國銀行組建由Alkesh Shah領導的加密貨幣研究團隊:美國銀行成立了專門的加密貨幣研究團隊，Alkesh Shah將領導加密貨幣研究團隊，研究涵蓋與數字貨幣相關的技術等。調查結果將報告給全球固定收益、貨幣和商品研究主管Micheal Maras。（bloomberglaw）[2021/7/8 0:37:37]

這四個節點每次收到視頻幀數據后，首先要檢查幀數據的安全性，防止有視頻幀數據損壞或者有惡意非法數據進入網絡，檢查通過的視頻數據，節點會將它放入視頻幀池，同時從視頻幀池里面按照視頻產生的先后順序提取若干視頻幀來構建視頻區塊，并等待被記入視頻區塊鏈。本系統拋棄傳統聯盟鏈選取記賬節點的方式，因為傳統聯盟鏈畢竟還是屬于多中心管理，一旦數據由多中心來管理，那么數據的真實性就會受到質疑。此外，本系統的數據沒有急需實時處理的硬性要求，所以這四個節點采用比特幣所使用的工作量證明機制來公平競爭記賬權，獲得記賬權的節點有權提議自己構建的視頻區塊寫入視頻區塊鏈，將這個視頻區塊廣播給其他節點，由其他節點驗證后同步到各自本地的視頻區塊鏈上，從而實現全網視頻數據的同步。

上述是基于區塊鏈技術的視頻監控的大致流程，下面介紹大體的設計方案。

視頻創世區塊的建立

在教室監控視頻數據生成之前，首先創建視頻區塊鏈的創世區塊，其結構如下圖所示：

視頻創世區塊

創世區塊分為兩部分，一部分是各路攝像機的IP地址，另一部分是時間戳，即創世區塊的創建時間。計算所有攝像機IP地址加上時間戳的哈希值，即hash。將該哈希值放置于訪問受限區域，這樣能有效保護各路攝像機IP和時間戳不會被篡改。

成都凱斯人工智能研究院羅祖脈：IPFS&Filecoin分布式存儲是天然的數據存儲和交易的基礎設施:金色財經現場報道，4月23日，數御未來—2021數據與存儲產業峰會在成都舉辦。在會議現場，成都凱斯人工智能研究院技術顧問羅祖脈表示，IPFS&Filecoin分布式存儲是天然的數據存儲和交易的基礎設施，但存儲的成本很高，如何將數據轉化更加簡單，讓數據價值、算法變現更加快速是我們要研究的。基于Filecoin和IPFS的特點，我們計劃建立一個以提供四大數據服務為主要業務的大數據存儲交易平臺SmartCity Network，這四大數據服務是：數據存儲服務、數據檢索服務、數據算法服務、數據交易服務。[2021/4/23 20:50:43]

攝像機的頭區塊數據結構

本系統允許每路攝像機創建屬于自己的一條視頻區塊鏈，視頻區塊鏈共同指向同一個視頻創世區塊，各自鏈上的第一個區塊稱為攝像機頭區塊，其數據結構由三個部分組成：

①創世區塊哈希值：簡寫為pre_iniBlock。該哈希指針指向視頻創世區塊。

②攝像機IP地址：簡寫為camera_ip。體現地理位置信息，用于標識采集視頻數據的攝像機。

③時間戳：簡寫為timestamp。表示頭區塊創建的時間。

本方案中，視頻區塊鏈里并不只包含一條區塊鏈，而是根據不同的攝像機IP地址，分別創建對應的視頻區塊鏈，后續每路攝像機產生的視頻區塊可以根據攝像機IP地址來掛到相應的視頻區塊鏈上。每條視頻區塊鏈都指向同一個創世區塊，如下圖所示。

動態 | 麻省理工研究員指責Facebook在Libra的設計上剽竊其論文成果:據CoinDesk 消息，麻省理工學院研究員Alex Lipton、Thomas Hardjono、Alex “Sandy” Pentland曾于2018年7月在Royal Society的公開科學出版物上發表了一篇論文，在該論文中，研究員們描述了一種由資產支持的超主權數字代幣。這一設計與Facebook的加密貨幣項目Libra驚人的相似。 研究員Alex Lipton向媒體表示：“我可以告訴你，Libra的實際結構幾乎完全照搬了我和Sandy、Thomas去年發表的論文。” Facebook方面對此拒絕置評。[2019/7/26]

視頻數據結構

視頻數據結構除了包含一幀完整數據外，還包含攝像機IP、時間戳和幀數據長度。如下圖所示。攝像機將幀數據、攝像機IP、時間戳、幀數據長度組裝成視頻數據，并發送給視頻監控網絡，每個節點都會收到視頻數據。

節點檢測視頻數據的安全性

視頻數據在網絡中傳播時，難免會因為網絡問題出現視頻數據全部丟失或者里面關鍵幀數據丟失的情況，如果是全部丟失，那么后期可以通過從其他節點同步視頻數據來解決，但是如果是第二種情況，那么在后期通過視頻數據還原視頻時會出現錯誤；此外，還要防范非法數據在網絡里傳播。所以節點需要檢測視頻數據的安全性，包括合法性和完整性。合法性表示該視頻數據是否來源于合法的攝像機，即檢查視頻數據里的攝像機IP是否屬于視頻創世區塊里設置的攝像機IP，如果是非法視頻數據，則被最先接收到的節點丟棄，這樣能有效防止非法視頻數據在網絡里泛濫，造成網絡擁塞；完整性，即一幀數據的完整性。

澳門“一帶一路”研究中心主任：利用“區塊鏈”模式建設大灣區:4月25日，首屆“粵港澳大灣區智庫論壇”在香港舉行。澳門“一帶一路”研究中心主任、澳門城市大學副教授周平表示，可以將“區塊鏈”模式運用到智慧管理中。在整個區塊建設的過程里，不是由某一個地方牽頭主導，而是由大灣區“9+2”城市作為不同的“功能部門”共同打造，即指每一個城市作為一個核心模塊，有其不同的定位和功能，每一個城市在粵港澳大灣區建設中承擔不同的責任，發揮不同的優勢，然后運用大數據構建成整體鏈條，從而形成一個“粵港澳大灣區區塊鏈”。[2018/4/27]

由視頻數據結構可知，通過比較視頻數據中的幀數據長度和接收到的幀數據長度是否一致來判斷，如果不一致，則丟棄該數據，把壞幀信息記錄到本地告警池里，同時將告警信息向鄰居節點廣播，鄰居節點收到告警信息，根據攝像機ip和時間戳在本地視頻幀池里定位該視頻數據，如果在池里定位到該數據，則說明鄰居節點已經驗證通過了這個視頻數據的安全性檢測，這時就把該視頻數據發送給告警節點，告警節點根據該數據重新恢復幀數據；如果沒有定位到該視頻數據，可能有兩個原因，一是鄰居節點收到的也是壞幀，二是該視頻數據還沒有到達鄰居節點。

對于前者，鄰居節點在接收到壞幀時同樣會記錄進告警池，因此在收到告警信息后，在本地視頻幀池里面沒有找到視頻數據就去查看告警池，如果告警池里存在則不再轉發此告警信息，以防止網絡泛洪；對于后者，鄰居節點會將告警信息轉發給它的鄰居節點。告警節點收到其他節點回復的正確視頻數據后，會再次檢測安全性，檢測通過則從告警池里將壞幀信息刪除，多個節點的回復數據如果都一致則基本確認恢復的數據是正確可靠的，以防惡意節點回復錯誤幀。

節點檢查視頻數據通過后，會將視頻數據轉發給它的鄰居節點，鄰居節點同樣要作安全性檢查。

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視頻幀池和孤兒池

教室攝像機監控一旦啟動后，就會源源不斷地往監控網絡推送視頻流，通過安全性檢測的視頻數據被接收節點放在本地的視頻幀池里，按照時間戳先后順序排列，這是為了能夠及時檢測到是否有視頻數據丟失，防止后期無法恢復視頻，特別是丟失了關鍵幀。由于P2P網絡可能會存在延時，所以會出現后續時間的視頻數據先到節點，如果有些視頻數據沒有前序視頻數據到來就暫時放入視頻幀孤兒池。我們可以假定等待某個時間段，如果超過這個時間段還沒有收到缺失的視頻數據，那么將缺失信息記入本地告警池，同時向鄰居節點廣播告警消息，鄰居節點收到告警消息后會檢查自己的視頻幀池里是否含有該視頻數據，如果有就發送該數據過去，并不再轉發告警消息。如果視頻幀池沒有則檢查告警池，一旦告警池里也存在則不再轉發此告警消息。

告警池

告警池主要存放本節點發出的告警信息，在節點收到壞幀或沒有收到視頻數據時，會將告警信息寫入告警池，同時全網廣播告警信息。本系統設計一個集中處理告警的中心進程，會定時去檢測每個節點的告警池，如果全網節點都收到壞幀或沒收到視頻數據，且持續一段時間，就要考慮是否是網絡出現問題。

節點重新同步視頻數據后，會將相關告警信息從告警池中刪除，并通知鄰居節點刪除相應的告警。

視頻區塊構建

節點從視頻幀池里按照時間戳順序提取視頻數據來構建視頻區塊，假設以1分鐘內的視頻數據構建為一個區塊，視頻區塊的數據結構由視頻區塊頭部數據結構和視頻數據梅克爾樹結構組成。視頻區塊頭部數據如下圖所示：

視頻區塊頭部數據主要由六部分組成，其他字段設計可以參考《零基礎學區塊鏈》里介紹的比特幣區塊頭數據結構：

①臨時隨機數nonce:用于工作量證明算法的臨時隨機數；

②前序區塊哈希值pre_H：指向前序視頻區塊的哈希指針；對于第一個視頻區塊，其指向的是該視頻區塊所屬的攝像機頭區塊；

③攝像機IP地址：簡寫為camera_ip。體現地理位置信息，用于標識采集視頻數據的攝像機；

④時間戳：簡寫為timestamp，視頻區塊生成的時間；

⑤幀總數：簡寫為frameCount，攝像機一秒鐘生成的幀數，一般為24幀，那么一分鐘就是1440幀。可以根據實際情況來確定幀數。該數據用來檢測視頻數據梅克爾樹下面掛接的幀數是否完整；

⑥視頻樹樹根：簡寫為root_hash，將1分鐘內生成的1440個視頻數據分別計算哈希值，構成梅克爾樹的第一層葉子節點。然后第一層葉子節點兩兩分組并結合，再次進行哈希計算，其計算結果形成第二層的葉子節點，這樣依次將下一層的葉子節點兩兩分組計算哈希值，得到上一層葉子節點，最后得到單一哈希值，即樹根節點，這樣形成梅克爾樹結構，如下圖所示：

系統要求從視頻幀池里面提取的都是時間連續的視頻數據才能組成視頻區塊，如果視頻幀池里有視頻數據沒有到或者丟失，就會導致時間不連續，那么后期提取的視頻信息將不完整。

節點競爭區塊記賬權

各個節點采用工作量證明機制來競爭區塊記賬權，獲得記賬權的節點把自己主張的區塊掛到本節點的視頻區塊鏈上，如下圖所示。同時把自己主張的區塊通過P2P網絡廣播給其他節點，這樣保證了各個節點的數據同步和數據內容的高度一致性。

節點對視頻區塊的驗證

節點收到視頻區塊后，停止當前正在進行的工作量證明計算，驗證收到的視頻區塊，主要是驗證區塊頭部是否符合工作量證明要求，其次驗證區塊里的視頻數據里的攝像機IP是否與區塊頭部里的攝像機IP一致、幀總數是否正確、時間戳是否連續、幀數據是否正確完整，幀數據是否為本地視頻幀池里的數據，然后把通過驗證的區塊掛入本地的視頻區塊鏈，同時更新自己的視頻幀池，刪除里面已經掛鏈的視頻數據。

在視頻區塊鏈中，通過驗證的區塊掛在前序區塊上的步驟如下：

①節點通過區塊頭部數據結構中攝像機IP找到對應的區塊鏈掛鏈，如果沒有找到對應的區塊鏈，則丟棄并產生告警信息，系統提示攝像機IP可能被修改。

②檢查新收到的區塊頭部數據結構中時間戳是否與前序區塊頭部數據結構中時間戳具備時間連續性，如果時間不連續，則將該區塊放入視頻區塊孤兒池里，等待其父區塊到達后再掛鏈。

通過上述的兩個步驟，就將前序區塊和當前區塊通過哈希值形成了關聯關系。

從視頻區塊鏈上提取視頻

輸入需要提取的視頻所屬的攝像機IP和時間范圍，遍歷視頻區塊鏈上的區塊，通過匹配各個區塊的時間戳來找到相應的時間段，然后提取該時間段內存儲在各個區塊里的視頻數據，按時間順序恢復成原始視頻。

優化方案

在前面的方案中，視頻幀直接存放在節點本地的區塊鏈里，但是攝像機每天產生的視頻數據量是非常龐大的，這樣會給本地節點的存儲造成很大的壓力，可以考慮把視頻數據放在云端，而視頻區塊鏈里僅存放視頻數據在云端的索引值以及視頻數據的哈希值，索引值用于定位云端視頻數據，而哈希值用于檢測從云端提取的視頻數據是否完整。同時為了防止云端存儲的數據被篡改，可以考慮用各個節點的密鑰來鎖定云端數據，云端數據的修改需要征得所有節點同意，而數據的讀取權限則可以只提供訪問節點的密鑰即可。

此外，為了防止視頻數據被獲得記賬權的節點所篡改，可以采用記賬節點用自己的私鑰對所提議的視頻區塊簽名，其他節點從自己本地的視頻池里提取相應的視頻數據，再結合記賬節點提供的公鑰來驗證視頻數據是否被篡改。

上述只是對基于區塊鏈技術的視頻監控系統設計的大體思路，如果有對于區塊鏈技術和比特幣基本原理感興趣的朋友，歡迎大家參考清華大學出版社《零基礎學區塊鏈》一書。

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