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1、为什么数字监控系统正取代模拟系统Why Digital Surveillance Systems Are Replacing Analog Systems 中国科学院自动化研究所 陈 龙为什么说数字式监控系统将要取代模拟视频监控系统，为什么说数字视频监控系统是CCTV 监控业的正向发展，为什么说数字监控技术是 CCTV 监控的未来，它将带来什么样的好处，如何影响我们的生活质量，数字式远程监控系统如何实现，本文将对此作出解释。1 数字式监控系统及其优越性数字式监控系统正在和将要取代模拟视频监控系统的原因在于：1.1 数字视频监控系统将四画面分割、多画面混合、远程访问、视频图像的记录全部集成在一个
2、产品中，这个产品就是装备微计算机和电子设备?quot;数字视频服务器。有了它，视频摄像机只需要直接连到数字视频服务器的接口即可，比模拟系统需要安装多个设备和通过电缆互连进行配置要容易许多。 1.2 数字视频监控系统提供远程访问能力，这意味着从世界上任何有通信线路的地方，用户能够通过一个网络连接到他们的数字视频服务器，从而能在他们选择的 PC计算机上观看到所需的视频图像，连接的网络既可是局域网也可是广域网，也可以是一个通过电话线的拨号网络（一个 Modem 连接到单台计算机或连接到Internet）。而模拟系统则是不可能远程观看到视频图像的。1.3 数字视频监控系统的另一个优点是取消了视频录像带
3、。与记录在视频录像带上不同，数字视频监控系统是将视频图像记录在视频服务器中的计算机硬磁盘上，其最大优点是既能够提高存储图像的清晰度又能够快速检索到所存储的图像。作为对比资料，普通制式录像带存储图像的分辨率一般为 240 线，最高也就 300 线，这与前端摄像机具有 480 线的图像分辨率显得不相称，致使从录像带放出图像往往不够清晰，影响到使用的效果。相反，记录在硬磁盘上图像的分辨率能够达到近 500 线，图像的清晰度高。为了能看到你感兴趣的视频图像，仅需键入需要的时间值和摄像机号后，几秒钟后通过搜索硬磁盘即可将结果显现在计算机的显示器屏幕上，根据需要，你可以打印它、在网上作 E-mail 发送
4、，也可将其继续保存在硬盘，或者从硬盘中将其删除。1.4 可靠性是选择数字视频监控系统而不选择模拟视频监控系统的另一个关键因素。采用数字视频监控系统，故障率大大降低。而视频录像带则易遭破坏或磨损。此外，数字视频监控系统的运行是完全自动的，不需要人去介入。即使发生电源故障，数字视频监控系统具有的自举（re-boots）功能将能继续电源中断时所做的事情。1.5 再一个考虑是数字视频监控系统带给你生活质量的改善。而这直接与安装、配置、业主培训所需要的时间有关，现在，只要是使用过 Internet 的人，都具备安装和配置数字视频监控系统的基本技能，生产商也在安装与使用手册中提供有清晰明确的说明。此外，数
5、字式监控主机因是模块式组合故可以对系统大小作裁剪、在系统升级时可保留原有系统资源、具有通用性不受厂家规格限制等优点1.6 最后，数字视频监控系统的潜在效益要比模拟视频监控系统大得多。这是因为数字视频监控系统的远程访问能力为业主和经理提供了一个商业管理工具，可用于贵重物品的管理和重要人员的有效时间管理。一天 24 小时的远程可视能力也改善了监控系统值班人员的生活质量。这样，使得数字视频监控系统的潜在市场要比模拟视频监控系统大得多。餐饮业、银行业、老年银发族护理、婴幼儿看护业都需要这种远程访问数字视频监控系统。例如有了它，作为白领阶层而又无法经常在家的父母，只要将其 PC 机插入任何电话线，再拨通
6、受口令保护的自己的数字视频服务器，就可以在外实时看到家里所发生发的一切，这该是何等惬意的事情啊。1.7 从战略上考虑，模拟视频监控装置发展到今天已经快到极限，技术发展空间受到较大的限制，要满足未来更高的要求和更多的挑战，必须另辟新径。而数字化设备由于具有失真小、精度高、传输特性好、抗干扰性能强等特点和易于大规模生产的优势，故成为转型的必由之路和当然途径。2 如何构成数字式监控系统一种构成数字式电视监控系统的可能结构如图 1 所示，它以硬盘录像机、图像切换装置和网络传输接口三部分构成，具有多画面处理、录放像、矩阵控制、探测报警、远程传输等多种功能，为此需要在 PC 机平台上集成以下三类板卡，并应
7、有 USB 或 IEEE1394 接口，以实现数据的快速交换。图 1 数字式电视监控系统的基本结构2.1 图像输入、压缩及处理板块（1）如果采用的是新型数字式摄像机，则其输出的是图像数据流 VS（Video Streaming），可以直接与 PC 机快速进行数据交换，将视频图像输入到 PC 控制主机中。（2）如果采用的是模拟式 CCD 摄像机，则首先要经过系统的视频接口及处理模块，逐次从多路输入中选出一路进行 A/D 转换，并压缩成 MPEG 标准数据后予以存储。这样对于 16 路图像扫描输入速度，因有各路间的采集切换时间和系统开销，故速率一般为每路每秒数帧，但也有每秒 25 帧的实时产品。图
8、像画面大小和清晰度有 320240、640480 及 720580 等多种。（3）在对图像显示速度要求不高的场合，也可采用价格低廉的 CMOS 数码照像机，新型机种的分辨率已能达到 640480，视其内快闪存储器容量的大小，存储图片的数量可达数百张之多。2.2 切换控制板块其功能是通过软件来控制摄像机输入图像的切换，并按需要将切换图像送往各指定的显示器上。有模拟切换和数字切换两种不同的技术层次，数字切换可得到更好质量的图像，但因要采用有多个处理器并行处理的高速专用芯片，故其费用要比模拟切换贵很多。在以芯片实现切换控制之后，便可通过将分割显示图像数据流送往不同显示器的 VRAM 之中，循环刷新来
9、达到显示的目的。此外，从理论上讲，还可以在图像输入采集切换与输出显示之间引入同步控制机制来实现。图像的记录采用硬盘录像机，它不仅有 500 线以上的录像分辨率和巨大的存储空间，更能实现图像或报警事件的快速检索，是一种理想的将存储、分割、显示集于一身的数字化装置，其操作系统除了 Windows 外，还可采用Linux、RTOS、FreeBSD 等操作系统，以便提高硬盘录像机的可靠性和简化操作的复杂性。2.3 网络连接与远程传输板块早期的视频图像远程传输和联网一般都是基于计算机之间的低层控制通讯网络，如 RS232/RS485 通信协议，由于 RS232/RS485 通信协议没有路由功能，因此只能
10、做到点到点的连接，另外，RS232/RS485 通信协议也没有纠错功能，因此在发生通讯错误时，联网功能就失败。因此新型的远程视频图像传输需要改进为通过 LAN 传输联网的系统。对于 CCTV 而言，要求的是全数字的视频信息联网，数字 CCTV 主机相当于一个网络视频服务器，所有对视频的需求都由视频服务器控制和完成。当前由于视频压缩技术的发展和 LAN 及 Internet 的普及，网络带宽成本正在下降，千兆以太网及高端路由器产品使局域网与广域网的界限也越来越模糊，同时带有 IP地址的 LAN 接口摄像机、编解码器、硬盘录像机等也已经出现，这使得有可能建立视频信息网。每一个视频信息网对外表现为一
11、个视频网站，有 IP 地址，通过网关或路由器即可接入 Intrnet，这样就可供其它远程用户访问。视频信息网对内表现为专用网，由视频服务器、键盘、编解码器等组成，带 LAN 接口的摄像机、编解码器等可直接连接到 LAN 上，而模拟式的 CCD 摄像机则需经过编码器才能挂到网上。3 通过局域网实现的数字视频监控系统 数字图像监视系统是先将前端现场传输过来的摄像机图像在数字视频控制器（CamHub）进行数字化和作压缩处理，之后就可以将对应每台摄像机图像的视频流 VS（Video Streaming）通过诸如一个 100M 以太网络或千兆以太网进行网域内的传输，送往指定的监视器（Displayer）
12、和记录装置（Recorder），从而通过局域网实现了数字式的视频矩阵切换。如图 2 所示。CamHub 是无盘工作站，为嵌入式 PC 机，可支持 14 台摄像机输入，支持CIF/QCIF 压缩格式，有一个 RJ45 以太网接口。Displayer 也是无盘工作站，同样是嵌入式 PC 机，有一个 RJ45 以太网接口和一个 RCA 视频输出接口。除此之外，数字化图像还可增加视频移动探测功能，也可配合外接报警传感器进行连动。还可透过网络在远端中心对摄像机的云台和变焦镜头进行遥控。图 2 通过局域网实现的数字图像监视系统4 IP 摄像机和 IP 网关IP 摄像机是内置有 IP 服务器可以直接连接到网
13、络上的摄像机，也被称为网络摄像机（LAN Camera）。视频格式有 MJPEG、H.261、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等不同的形式，分辨率最高可达 720576。H.261 标准是利用运动图像相邻帧间有很大相关性的特点，使得相邻帧的存储可以只保留变动部分的数据，以此来提高压缩率。MPEG-1 标准对于图像的压缩技术与 H.261 标准类似，不同的是其数据流除包含有视频数据外还包含有音频数据。MPEG-2 标准是对MPEG-1 标准的一种改进，使之不但能处理逐行扫描的图像信息，也可处理隔行扫描的图像信息。MPEG-4 因采用了小波压缩技术而进一步提高了图像的压缩率，改善了图像的
14、清晰度，更加适合 Internet 图像环境的应用，为众多应用看好。使用 IP 摄像机可以在现有的以太网上传输视频和音频，在指定 IP 地址后，也可以在网络上的任何一个位置通过浏览器（MS IE4.0 或 Netscape 4.5）在本地或远程网络上调阅图像，多个用户可以同时调阅同一图像，图像传输速度可以达到每秒 25 帧。调阅的图像既可以显示在电脑屏幕上，也可以显示在常规监视器上。IP 摄像机的 IP 地址及图像的各种参数均可预先设置好，这样在现场安装时可以做到即插即用。IP 摄像机由于能将双向音频以多播方式传输，带有 1vp-p 双向音频接口，故可实现对讲功能，采用的是 G.711 或 G
15、.728 压缩。摄像机内置的低速数据传输格式，支持 RS232、 RS422、RS485 接口，传输速率为1200bps115.2Kbps，可以用来控制云台和镜头。IP 摄像机还可直接连接多路报警输入和多路报警输出。IP 摄像机的硬件，包含有 32bit RISC 嵌入式处理器、2MB 快闪存储器、16MBRAM（可存储多达 500 帧），还内置有 Web 服务器，从而可在任何 TCP/IP网络环境下一插即用。安全性有口令保护和 IP 地址保护，从软件上而言，配置和组态可用以太网口，快闪存储器允许通过 TCP/IP 网络升级到新版本软件。与 IP 摄像机基本一样，IP 网关（Internet
16、GateWay 或称为 IP-codec）实现了低成本的音视频以及报警信号的传输，发射和接收采用多播方式在以太网上传输双向音频和视频，有效地减低安装布线成本。如果事先设置好 IP 地址，摄像机的安装可以做到即插即用。通过配置可以将 IP 网关当作编码器或者解码器来使用。当作编码器使用时，可以将最多 4 路模拟视频信号同时上网，并可以直接在电脑上察看图像。将网关当作解码器使用时，可将数字视频信号转换成模拟的视频信号，在普通的监视器上显示图像。网关自带的双向数据接口可以供用户在网络上直接控制前端的云台和镜头。网关可以选择 TCP/IP（传输控制协议/网间协议） 或者 UDP（用户数据报协议）、HTTP 等网络协议，采用 H.261 方式压缩的图像，传输速率可以达到每秒 25帧。采用 MJPEG 方式压缩的图像，传输速率可以达到每秒 15 帧。网络化视频解决方案（IP Solution）如图 3 所示。图 3 网络化视频解决方案5 在 IP 网络上通过网络视频服务器的传输方案视频图像可在 Internet 网（简称 IP 网）上传输。数字式网上视
