網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控論文.doc

第一章緒論1.1 引言現(xiàn)在的安防產(chǎn)品中，絕大多數(shù)的模擬攝像設(shè)備均不能滿足使用環(huán)境的需要，導(dǎo)致大量的監(jiān)控都是無(wú)效監(jiān)控、形同虛設(shè)，每當(dāng)事件發(fā)生時(shí)都起不到提供重要線索的關(guān)鍵作用。通過(guò)深入一線市場(chǎng)與廠家、器材商、工程商以及用戶端交流發(fā)現(xiàn)，其實(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于安防監(jiān)控產(chǎn)品高清晰度和數(shù)字化的需求是十分迫切的，特別在一些民用市場(chǎng)和政府市場(chǎng)領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)字百萬(wàn)高清都有著非常強(qiáng)烈的渴望。隨著高清監(jiān)控產(chǎn)品的陸續(xù)推出和試點(diǎn)應(yīng)用，高清產(chǎn)品和解決方案的不斷完善和成熟，高清產(chǎn)品所呈現(xiàn)的高清晰畫(huà)質(zhì)和高品質(zhì)監(jiān)控效果逐步得到了市場(chǎng)的高度認(rèn)可，這將加速推動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由標(biāo)清向高清的轉(zhuǎn)型，加速監(jiān)控模式由模擬+DVR的模式向高清IPC的應(yīng)用模式轉(zhuǎn)型。1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷史我國(guó)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，早期由安防產(chǎn)品演化而來(lái)的閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)是我國(guó)第一代模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也可以稱為閉路監(jiān)視系統(tǒng)。到了九十年代中期，一種基于 PC機(jī)插卡式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，盡管初步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但囿于圖像質(zhì)量、穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控等技術(shù)方面的不足，使這種第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)仍僅作為安防產(chǎn)品應(yīng)用于某些特定行業(yè)的日常監(jiān)控。直至九十年代末，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的日趨成熟，各種實(shí)用型視頻技術(shù)的不斷完善，以嵌入式技術(shù)為依托，以網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)為平臺(tái)，以智能圖像分析為特色的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)才從根本上使視頻監(jiān)控從幕后走向了前臺(tái)，成為了當(dāng)今視頻監(jiān)控最先進(jìn)的技術(shù)代表，引領(lǐng)著視頻監(jiān)控未來(lái)的發(fā)展方向。第二章 概述2.1網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字監(jiān)控的需求在模擬監(jiān)控時(shí)代，用戶對(duì)模糊的、布滿雪花噪點(diǎn)的畫(huà)面早已是叫苦不迭卻又無(wú)計(jì)可施，因?yàn)楫?dāng)時(shí)市面上最好的攝像機(jī)也只能做到D1，像素在理論上最多也只有40多萬(wàn)。而在非安防領(lǐng)域，則是鋪天蓋地的數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、電腦攝像頭、手機(jī)攝像頭，動(dòng)輒幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)像素。而監(jiān)控?cái)z像機(jī)作為安防第一大助手，模擬類監(jiān)控產(chǎn)品已不能滿足用戶需要，于是，“高清”成為了第一大需求，而且，有了高清晰畫(huà)質(zhì)，低照度、寬動(dòng)態(tài)、智能化等等更高層次的需求才能實(shí)現(xiàn)，才具有應(yīng)用價(jià)值。2.2網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字監(jiān)控的前提2.2.1 網(wǎng)絡(luò)化采集高清畫(huà)面之后第一個(gè)需要考慮的就是視頻信號(hào)傳輸問(wèn)題，高清視頻對(duì)傳輸提出了更高的要求。一路高清視頻信號(hào)需要三根同軸線纜同時(shí)傳輸。數(shù)字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，不適合用于監(jiān)控傳輸，而HD-SDI雖可以傳輸100米左右，但對(duì)同軸電纜的要求很高，線纜的價(jià)格也非常昂貴。無(wú)論是模擬方式還是數(shù)字方式傳輸，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號(hào)傳輸成本都明顯高于以前的模擬標(biāo)清視頻信號(hào)。而采用視頻壓縮編碼并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸時(shí)，高清視頻與標(biāo)清視頻在傳輸成本上的差異很小。因此，可見(jiàn)高清監(jiān)控首先必須基于視頻壓縮處理并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，只有這樣才能有效控制高清視頻的傳輸成本，從而讓高清監(jiān)控真正具有實(shí)用意義。2.2.2 傳輸通道高清視頻可根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀況和應(yīng)用場(chǎng)景選擇或構(gòu)建相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，包含網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇(局域網(wǎng)/廣域網(wǎng))、傳輸方式選擇(有線/無(wú)線)、傳輸介質(zhì)選擇(網(wǎng)線/光纖)。隨著TD-LTE、Wi-Fi、專網(wǎng)等無(wú)線、有線寬帶技術(shù)的成熟和應(yīng)用，大流量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送更加方便，這也掃除了高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在大范圍應(yīng)用中的傳輸障礙。目前，在平安城市、金融聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等項(xiàng)目中通常采用自建光纖網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)1000M帶寬網(wǎng)絡(luò)。這種千兆帶寬資源，在前端安裝100路1080P全實(shí)時(shí)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(即使按每路占用資源4Mbps計(jì)算)，占用總帶寬資源不到50%;如果是采用720P傳輸，帶寬還可以減少一半。這樣，完全可以有效支持高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。以TD-LTE技術(shù)作為準(zhǔn)4G主流通信技術(shù)使無(wú)線高清視頻傳輸成為可能。TD-LTE(LongTermEvolution)是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并得到廣泛國(guó)際支持的技術(shù)，它是專門(mén)為移動(dòng)高寬帶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。按照3GPP的TR25.913定義，LTE峰值的速率要求很高，上行50Mbps，下行100Mbps。2.2.3 存儲(chǔ)分析高清監(jiān)控的視頻，以最基本的720P效果為例，每路視頻壓縮到較低碼率也要每小時(shí)3G容量需求，一個(gè)月監(jiān)控錄像就要2TB左右的容量，如果需要幾百上千路這樣的高清監(jiān)控，如此龐大的視頻文件，有如潮水般的沖擊著存儲(chǔ)系統(tǒng)，不僅對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的容量，讀寫(xiě)性能、可靠提出了更高要求，甚至連傳輸帶寬都成了高清監(jiān)控系統(tǒng)中比較棘手的問(wèn)題。根據(jù)“木桶法則”，高清監(jiān)控的圖像質(zhì)量或是穩(wěn)定性將取決于整個(gè)系統(tǒng)中最差的一環(huán)，而往往這最差的一環(huán)往往就出現(xiàn)是傳輸系統(tǒng)或存儲(chǔ)系統(tǒng)上。第三章總體設(shè)計(jì)3.1網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控的組成網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)又稱IP攝像機(jī)，顧名思義，這類攝像機(jī)可以將影像通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳至另一端，且遠(yuǎn)端的瀏覽者只需用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可監(jiān)視其影像。這是一種傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的新一代攝像機(jī)。但并不是能夠連上互聯(lián)網(wǎng)的就是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可分為兩類，一類是前端以CCTV模擬攝像機(jī)為基礎(chǔ)，加上視頻處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組合而成的模數(shù)混合型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);第二類是純數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。二者根本的區(qū)別是，前者本質(zhì)上仍是模擬攝像機(jī)，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制是A/DD/AA/D，歷經(jīng)兩次模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終形成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，最高畫(huà)質(zhì)不能超過(guò)D1。后者的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是從A/D模擬信號(hào)直接到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，從而大大提高轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而極大地提高了畫(huà)質(zhì)，由于畫(huà)質(zhì)的改善減少了雪花噪點(diǎn)，所以盡管像素高，但占用的碼流反而不大，其網(wǎng)絡(luò)適用性更佳。正因?yàn)榧償?shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的優(yōu)越性，使得模擬網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將在市場(chǎng)上逐步被淘汰。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本構(gòu)造包括：鏡頭（Lens）、攝像傳感器（Image Sensor）、圖像采集、處理器、壓縮格式、網(wǎng)絡(luò)接口（以太網(wǎng)、無(wú)線接口）、其他周邊外設(shè)接口、軟件功能和軟件接口。1、鏡頭（Lens）是光學(xué)元件，主要材料是水晶、玻璃、塑料，價(jià)格從人民幣幾元至幾十萬(wàn)元不等，可以說(shuō)是“一分錢(qián)一分貨”，價(jià)格區(qū)別如此大，主要是材料、接觸光面、焦距長(zhǎng)度、透鏡的數(shù)量、透鏡的光滑度、透光度、加工工藝和功能（自動(dòng)光圈、自動(dòng)聚焦、濾光程度、焦距電動(dòng)控制）的不同。2、攝象傳感器（Image Sensor）是光電轉(zhuǎn)換的主要器件，現(xiàn)階段主要是CCD和CMOS，主要區(qū)別是光電轉(zhuǎn)換的原理和加工工藝的不同，CCD是較為早的技術(shù)，因?yàn)榧庸?fù)雜，所以全球只有幾個(gè)公司掌握，最為出名是SNOY公司。攝象傳感器的價(jià)格從幾十元到幾萬(wàn)元不等，CMOS由于可以大規(guī)模產(chǎn)生其價(jià)格較低，價(jià)格區(qū)別如此大，主要： 感光面積（1/6、1/4、 1/3、 1/2、 2/3、 1、 2）越大越貴。 解析度：每個(gè)單位面積的解析圖像數(shù)量，CMOS是象素表示， CCD（以前的）是線數(shù)表示，越密越好，表示越清晰，也是價(jià)格越高； 靈敏度：也是體現(xiàn)照度的指標(biāo)，單位Lux，越低越好，表示更暗的光線可以感應(yīng)。3、圖像采集也就是AD轉(zhuǎn)換過(guò)成，技術(shù)指標(biāo)一般是以“位”為單位，越高越好，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一般為912 bit。4、處理器（CPU、DSP、ASIC）是圖像處理和通信所需要的處理、運(yùn)算能力。目前，一般網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器結(jié)構(gòu)有：?jiǎn)蜟PU處理器，DSP通信處理器，ASIC通信處理器，單DSP等架構(gòu)；選用那種架構(gòu)，主要取決于選用那種壓縮方式，不同的架構(gòu)，成本有很大的區(qū)別。5、音視頻壓縮格式目前優(yōu)秀的視頻壓縮格式為H.264、H.263、MPEG4、WMV、M-JPEG、JPEG；音頻的壓縮格式為MP3、G.723、G.726、G.729、GSM。6、網(wǎng)絡(luò)接口（以太網(wǎng)、無(wú)線接口）是壓縮后的圖像傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的接口，一般有以太網(wǎng)接口（10M、100M），無(wú)線接口（WIFI、CDMA、GPRS、微波等）。7、其他周邊外設(shè)接口和功能可以把其他外接設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、滿足某些擴(kuò)展功能，主要有：報(bào)警聯(lián)動(dòng)接口（連接數(shù)字無(wú)線報(bào)警主機(jī)、報(bào)警探頭、開(kāi)關(guān)控制等），USB外設(shè)連接接口，RS422（門(mén)禁/考勤主機(jī)、云臺(tái)、鏡頭焦距控制），紅外燈控制功能，日夜轉(zhuǎn)換低照度處理功能；8、軟件功能和軟件接口內(nèi)嵌流媒體服務(wù)器、WEB Server、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（HTTP、TCP/IP、FTP、PPPOE、DHCP、NAT、DNS、DDNS、NTP、UPnP），Media PUSH(主動(dòng)推播)，支持TPAS電信運(yùn)營(yíng)商集中運(yùn)營(yíng)平臺(tái)；3.2網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控的傳輸在一般的監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸技術(shù)主要有六種基本傳輸方式，各種方式都有不同的特點(diǎn)及實(shí)用性。然而面對(duì)高清應(yīng)用的超大數(shù)據(jù)量帶寬以及實(shí)時(shí)性的要求，目前只有兩種傳輸方式在高清傳輸中得到認(rèn)可，一種是采用光纖專線傳輸：這是解決長(zhǎng)距離高清視頻監(jiān)控高速傳輸系統(tǒng)的最佳解決方式，原因是光纖傳輸優(yōu)點(diǎn)很多衰減小、頻帶寬、不受電磁波干擾、保密性好，缺點(diǎn)是長(zhǎng)距離高成本；第二種是網(wǎng)絡(luò)傳輸：但隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求和經(jīng)濟(jì)性考慮，網(wǎng)絡(luò)傳輸也已成為長(zhǎng)距離音視頻傳輸?shù)牟欢x擇和最經(jīng)濟(jì)型選擇。高清與帶寬之間永遠(yuǎn)是相斥關(guān)系，高清意味著高帶寬。在視頻壓縮算法經(jīng)濟(jì)的情況下，一般說(shuō)傳統(tǒng)模擬編碼D1（720576）畫(huà)質(zhì)的碼流為2M左右，那么以720P計(jì)算，碼流約是D1的2倍，帶寬達(dá)到4M左右，而采取1080P計(jì)算，碼流更是D1的5倍，所用帶寬約為10M。相比模擬光纖傳輸而言，網(wǎng)絡(luò)傳輸高清視頻具有得天獨(dú)厚的成本優(yōu)勢(shì)，但目前的互聯(lián)網(wǎng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠承載多路高清畫(huà)質(zhì)，必須采用專網(wǎng)。高清視頻在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，主要限制來(lái)自帶寬，加強(qiáng)帶寬建設(shè)是解決傳輸高清和網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題的必然途徑。以100M以太網(wǎng)為例，在確保流暢的前提下，實(shí)際上同時(shí)只能承載5路左右的高清圖像。如果同一視頻源有多個(gè)用戶訪問(wèn)，占用的帶寬會(huì)更大。隨著目前網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展，局域網(wǎng)也逐漸朝1000M甚至10000M方向發(fā)展。同時(shí)，如果采用光網(wǎng)傳播，甚至可以使帶寬達(dá)到數(shù)G以上。解決這些問(wèn)題，高清監(jiān)控才能得到淋漓盡致的發(fā)揮。與此同時(shí)圖像壓縮格式也直接決定了對(duì)傳輸?shù)臏p負(fù)作用，在文章高清監(jiān)控存儲(chǔ)瓶頸H.264欲統(tǒng)一編碼標(biāo)準(zhǔn)中我們可以做深刻了解，通過(guò)先進(jìn)的編碼技術(shù)，在畫(huà)質(zhì)效果影響最小的情況下，使720P或是1080P監(jiān)控錄像從幾十M碼率壓縮到10M之內(nèi)，大大的節(jié)約了帶寬同時(shí)在存儲(chǔ)上節(jié)省了大量的空間。3.3 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控的存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)高清監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量變大、存儲(chǔ)可靠性要求更高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活的特性，高清存儲(chǔ)需要解決的問(wèn)題也就越發(fā)明確：在高清監(jiān)控系統(tǒng)中，存儲(chǔ)設(shè)備和子系統(tǒng)必須具備有效、完整的記錄功能;對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要能從介質(zhì)和系統(tǒng)角度考慮其可靠性和安全性;對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活的特性，要能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，以配置靈活的錄像計(jì)劃，并且能根據(jù)需求的變化，隨時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)錄像時(shí)間延長(zhǎng)、監(jiān)控前端擴(kuò)展的要求。在攻克這些難題時(shí)，我們更多關(guān)注的不是存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇，而是基于現(xiàn)有的在線存儲(chǔ)介質(zhì)磁盤(pán)，去設(shè)計(jì)不同的存儲(chǔ)產(chǎn)品，從而多維度去滿足不同的高清監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的需求：為實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，可設(shè)計(jì)多硬盤(pán)插槽、兼容大容量硬盤(pán)的產(chǎn)品，并通過(guò)外部陣列柜的擴(kuò)展來(lái)提供海量的存儲(chǔ)空間。針對(duì)高可靠性存儲(chǔ)需求，可在設(shè)備級(jí)采用RAID保護(hù)技術(shù)，如RAID 5可以支持1塊硬盤(pán)損壞的冗余特性，RAID 6可以支持2塊硬盤(pán)損壞的冗余特性。設(shè)備采用雙控制器架構(gòu)，利用物理硬件的冗余和通訊上的心跳關(guān)聯(lián)等，保障存儲(chǔ)服務(wù)的可靠性。在系統(tǒng)級(jí)，可以采用N+1設(shè)備在線冗余模式，以及錄像管理服務(wù)器雙機(jī)熱備模式。3.3.1分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)架構(gòu)在系統(tǒng)架構(gòu)上，針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，推薦采用分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案，降低系統(tǒng)傳輸壓力。針對(duì)不同規(guī)模、不同結(jié)構(gòu)的高清監(jiān)控系統(tǒng)，還應(yīng)該采用不同的存儲(chǔ)子系統(tǒng)。例如針對(duì)舊有系統(tǒng)改造、局部實(shí)現(xiàn)高清的系統(tǒng)，可采用混合式DVR來(lái)實(shí)現(xiàn)高清視頻的接入和存儲(chǔ)，既保護(hù)了原有的模擬標(biāo)清視頻接入，也為系統(tǒng)增加了“高清”亮點(diǎn)(如圖1)。3.3.2IP-SAN存儲(chǔ)架構(gòu)針對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)分布相對(duì)集中的結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)采用iSCSI直寫(xiě)直取的結(jié)構(gòu)。利用嵌入式高清編碼器及高清網(wǎng)絡(luò)前端(高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)或高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī))和IP-SAN，基于iSCSI協(xié)議，以數(shù)據(jù)塊為單位，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻編碼端到存儲(chǔ)端的直接寫(xiě)入。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源由存儲(chǔ)管理服務(wù)器統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)編碼前端錄像所需存儲(chǔ)空間的統(tǒng)一調(diào)度和分配。根據(jù)需要靈活分割、更改存儲(chǔ)空間的大小，為每個(gè)編碼通道分配不同大小的存儲(chǔ)資源，以適應(yīng)系統(tǒng)不同監(jiān)控點(diǎn)、不同存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)度的要求。并且可以實(shí)現(xiàn)精確到秒級(jí)的定位和即存即放的功能。監(jiān)控客戶端在需要進(jìn)行回放或下載操作時(shí)，可基于授權(quán)直接從IP-SAN存儲(chǔ)設(shè)備上獲取所需的數(shù)據(jù)，利用IP-SAN強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力，大大提升錄像的下