《高清视频监控中的若干关键技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高清视频监控中的若干关键技术（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电信科学2011年第2期随着技术的发展，特别是随着计算机技术的迅速发展和推广，视频监控逐渐从模拟化、数字化向网络化、高清化、智能化方向发展，尤其是百万像素高清网络摄像机正逐步在各行各业得以应用，图像质量提高的同时高清监控对带宽的高占用、存储空间高消耗等若干问题也随之而来，本文就如何在IP网络上传输高质量的、高可靠性的高清视频监控信息，关于高清视频监控的编码、传输、存储等若干问题进行分析，旨在帮助高清监控能以较合理的资源消耗带来更大的发展空间。关键词高清监控；SAN存储；高清网络摄像机；EPON传输网络；智能高清高清视频监控中的若干关键技术分析任广杰1，朱启东2，曹宁1（1.中国电信股份有限公司
2、上海研究院 上海200122；2.佳木斯大学 黑龙江154002）摘 要运营与应用1高清监控的定义高清视频监控在近年来得以迅速发展，主要是为了解决人们在正常监控过程中“细节”看不清的问题。高清的定义最早来源于数字电视领域高清电视，又叫“HDTV”，是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。电视的清晰度，是以水平扫描线数作为计量的，视频从最低标准到较高标准依次为：720P、1 080i和1 080P的电视标准， 其画面宽高比定义为169。720P即是1 280720分辨率，1 080i与1 080P是1 9201 080分辨率，后缀“i”和“p”分别表示隔行扫描与逐行扫描。 其中，1
3、 080P是最高等级的高清视频清晰度标准。对于快速移动目标的图像采集，相比隔行扫描，逐行扫描可以获得更好的动态图像，隔行扫描将会产生图像晃动现象。 安防业内人士普遍认同安防视频监控的高清至少要达到或超过720P，并且具有169显示模式和全帧速（25帧/秒）。高清监控并不仅仅是摄像机要实现高清，摄像机要实现高清并非难事， 摄像机只要采用百万高清的CMOS或CCD就可以达到高清标准，但摄像机的高清并不代表系统的高清，高清由于视频信息量的倍增，必然要求视频编码、传输、存储、视频浏览、视频回放等环节都要全面支持高清，对客户而言，高清是一个整体的系统解决方案，只有在包含了前端、平台、存储、浏览、显示等各
4、个环节时才有意义，系统架构如图1所示。2前端监控设备技术分析目前高清前端监控点主要有两种解决方案：高清网络摄像机（简称高清IPC），高清编码器与高清工业摄像机结合的模式。2.1高清IPC在安防行业，目前主流的高清产品为IPC，高清IPC将采集到的音视频信号通过音视频压缩处理芯片压缩打包成IP信号， 从自身的10/100 Mbit/s以太网接口直接通过传输网络传输到视频监控平台， 实现远程视频监控浏览、存储等功能，高清IPC一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、音视频压缩处理芯片、网络服务器、外部119运营与应用报警、控制接口等部分组成，其中，镜头、图像传感器以及压缩处理芯片为核心单
5、元，IPC构成如图2所示。（1）图像传感器：是图像采集处理部分的核心，图像传感器有CMOS和CCD两种。 两者之间的差异非常多，主要体现在灵敏度、成本、噪声、功耗、速度等几个方面，见表1。在标清监控时代，无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机，使用最广泛的是CCD。而在高清监控时代，情况将会有所改变。 高清监控对成本非常敏感，CMOS传感器尽管图像品质总体上还不如CCD， 但它在成本上的优势对CCD还是造成了非常大的威胁， 而且随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善，据悉目前市场上致力于CMOS开发的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1 080p专用CMOS器件。 另一方面
6、，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器， 但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。 另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。120电信科学2011年第2期（2）压缩处理芯片：主要是应用H.264技术，相对于MPEG-2、MPEG-4而言， 其压缩效率是3种编码中最高的，可有更高的数据压缩比。 在同等的图像质量下，H.264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的MPEG-2高23倍，比MPEG-4高1.52倍。 正因为如此，经过H.264压缩的视频数据， 在网络传输过程中所需
7、要的带宽更少，也更加经济。720P编码中在MPEG-4需要810 Mbit/s的传输速率匹配时，H.264只需要46 Mbit/s的传输速率，更加适合IP网络传输。2.2高清编码器+高清工业摄像机工业摄像机与高清编码器结合的模式与高清IPC本质的区别在于高清IPC内置摄像机和编码器，而工业摄像机与高清编码器相结合的模式，意味着在高清工业摄像机的选择上有更多的余地，只要是百万像素的，无论是CCD成像器件还是CMOS成像器件，无论是哪个品牌，只要符合HDSDI、YUV、HDMI等高清标准接口， 都可以进入选择。 另外存储问题也可以较好地得到解决，原因在于高清编码器其体积比高清IPC要大得多，可以放
8、置多块大容量的硬盘，可扩展1 TB甚至几个TB的存储空间，解决高清监控前端无法长时间存储的问题，但该模式的最大缺陷是造价较高，动辄几万甚至十几万，因此在高清视频监控还处于市场发展初期，用户接受度较低的情况下，高成本的系统投入会大大降低其应用规模，因此高清编码器与高清工业摄像机结合的模式在市场上应用较少。3组网技术分析视频图像与带宽之间永远是相斥关系，高清意味着高带宽，从技术标准上来讲，720P的分辨率是目前普通标清CIF的9倍左右，占用带宽为46 Mbit/s，1 080P的分辨率则是目前标清CIF的20倍左右，占用带宽为610 Mbit/s，监控系统要实现高清首先面临的则是传输能否接纳如此庞
9、大的数据流，加强带宽建设是解决传输高清和网络带宽问题的必然途径，毫无疑问光纤传输成为高清视频监控的一个最主要的传输方式。 传统的光纤传输主要考虑点对点建设，其建设成本较高，资源浪费严重，而EPON（ethernetpassive optical network，以太网无源光网络）技术，是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输， 在以太网之上提供多种业务。 它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。 因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组、与现有以太网的兼容性、方便的管理等，正
10、逐步成为高清视频监控的主要传输网络。基于EPON传输网络的视频监控系统如图3所示。 采用EPON平台作为基础构建， 传输距离可达数十公里，线路采用一个无源分路器实现多个监控点共享光纤，可大幅度降低光缆采购和建设成本。 视频编码设备（DVS、IPC）部署在前端，并通过EPON接入网将IP化的视频信号上传，IP视频流可以灵活地传输至多级监控中心，多级监控中心通过IP城域网络连接， 通过分布在各监控中心的视频解码器将图像转化为模拟型号进行输出显示。 网络结构简单，实施方便，而且该方案的接入速率可高达1 000 Mbit/s，完全满足各监控点当前和未来扩容的容量需求。4高清监控存储技术分析高清监控迅速
11、发展是必然的趋势，但是高清就意味着高码率、高分辨率，这不仅是对监控硬盘具有更大的考验，而且是对于整个存储系统的容量和性能都提出了很大的挑战，以最基础的720P高清监控为例，按照6 Mbit/s传输带宽计算， 每小时录像需要的大约硬盘容量为2.6 GB，一个月存储需要的硬盘容量高达1.9 TB，如果该监控系统其监控点数成千上万，必然导致存储空间的急速上升。 高清表1CCD与CMOS的性能比较项目CCDCMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度等同面积下高感光开口小，灵敏度低成本线路品质影响程度高，成本高CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高新CMOS技术具有极高解析度噪点比单一放
12、大，噪点低百万放大，噪点高功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低信息读取方式需外部电路控制，复杂直接读取电流（或电压）信号，简单速度速度慢快速，是CCD的10倍以上121运营与应用监控视频存储大多是以超大数据流为代价， 因此对于高清视频需要有足够的存储空间。 选择什么样的高清存储系统和方案将直接影响视频流畅度、 系统稳定性等一系列因素， 因此有必要对高清视频监控的存储特点进行分析。 高清监控录像存储数据量大，客户一般要求录像存储的时间不少于7天，存储路数多（多达几千路、上万路），导致需要的存储空间非常大，投入的成本高且随着图像存储时间的增加，存储容量需求呈线性的、爆炸性的增长，因此视频监控系
13、统存储必须支持大容量，且容量具有高扩展性，满足长时间大容量视频图像存储的需求。 视频监控对存储的性能要求不高，存储的录象大多为非关键性数据， 对存储的可靠性要低于网管、配置、生产经营性数据。 大部分视频监控应用以事后取证为主，实时监控为辅， 这就要求保证录象存储的实时性及可靠性，尽可能将录像存储中断的风险降到最低；且要保证录像回放的图像质量，为减少存储空间，可降低帧率存储。 实时监控点图像以流媒体方式将数据写入存储设备，客户端回放时以流媒体方式来读取已存储的视频文件。 这种读写方式与普通数据库系统或文件服务器系统中存储采用的小数据块或文件级读写方式有所不同。 视频监控需要能够满足长时间连续数据
14、写操作，读操作相对较少，即实时录像频繁，但录像回放相对较少。 录像资料检索要方便、快捷，快速定位录像资料。目前存储的主要解决方案包括直连式存储（DAS）、存储区域网络（SAN）、网络接入存储（NAS）等3种。DAS是架构比较简单的存储系统，但是其未实现存储和转发的分离，对服务器性能要求比较高。 由于DAS对于距离的限制性，扩容比较困难，不太适合广域网的“全球眼”大容量要求的业务平台。NAS在性能上已经有了很大的提高，但是其设计上还是以文件共享为主， 文件系统查询缓慢，容量不可管理，数据越来越多时甚至会出现无法调用的情况，不适合流媒体特别是监控的应用。SAN又可分为FC SAN和IP SAN，
15、其中FC SAN更多用于数据中心局域范围内高带宽、低时延的IT系统，而且建设成本高，不适合于视频监控系统，而IP SAN在成本、网络距离、系统性能等多方面都更加适合广域网、大容量的视频监控存储系统，其应用于视频监控系统中组网架构如图4所示。IP SAN架构的出现使得服务器和存储能够更大限度地发挥出性能，无论是服务器的扩容或者存储的扩容都变得简单， 存储和转发的分离是平台对服务器的要求降低，SAN架构是以块增量存储的，查询快，容量可以管理、可以运营，适合大系统，数据调用反应时间短，不存在时间差，成为视频监控存储解决方案的首选。5图像呈现技术分析在模拟监控领域， 通常模拟摄像机较高的分辨率为580
16、、620TVL，经过视频服务器如DVR处理后，其分辨率可达到704576，相当于40万像素，因此传统CRT监视器能够真实清晰地还原监控图像， 原因是基本上CRT监控器都可以达到600TVL以上的水平。 而目前高清视频监控系统可以做到百万高清的720P（1 280720）、两百万1 080P（1 9201 080） 甚至几百上千万像素， 远远超过了传统CRT监控器的分辨率极限，因此要实现系统的高清，监控中心或者客户端采用的监视器至观重要。 目前市场应用较多的主要是CRT和LCD两种显示设备，CRT监视器具有122电信科学2011年第2期价格低廉、亮度高、视角宽、使用寿命较高的优点，因此在监视器市场行业内，CRT监视器曾经占据了绝大部分的市场空间，近年来，随着市场和技术的迅猛发展，庞大的CRT已逐渐开始走出市场，LCD监视器凭借省电、低辐射、节省空间等技术优点正迅速地抢占各类新兴的监控应用场合，让仅强调低价的CRT监视器无法与之匹敌， 并且随着技术的不断创新，LCD逐步向着高清、高亮、高对比度、低功耗、长寿命、体积小、重量轻、低价位的方向发展，使
