高清网络视频监控系统的原理及组成.doc

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1、高清网络视频监控系统的原理及组成高清监控系统主要由：前端图像采集编码、高清传输、高清存储、高清解码显示、扩展应用等。前端采集前端可采用高清网络摄像机或者高清数字摄像机+高清编码器的方式，可选择130W万、200万高清摄像机、高清编码器。高清传输必须满足高清码流的传输带宽。高清存储支持提供高清图像，视频数据的存储，可采用NVR、IPSAN、SVR等设备实现。高清解码显示可选择DH嵌入式高清解码器、SNVD软解码服务器。扩展应用高清的扩展应用，例如智能分析、车牌识别等，更高的分辨率能够带来扩展应用1.1 系统工作原理全数字监控系统，是基于计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术及计算机网络技术，将现场

2、的影像通过前端数字采集设备（IP摄像机）采集并进行数字压缩，生成数字信号，再通过网络将这些图像数据包传送至后端的存储设备（NVR或者SVR），在硬盘中生成按一定规则约定的图像文件。原理示意如下所示：通过网络上传的图像数据包也可以直接通过数字解码设备（如DH-NVSXX04DF），将这些图像数据包还原成模拟图像，输出至大屏进行图像显示。原理示意如下所示：1.1 系统结构我公司对于全数字监控系统，有着从前端（IP摄像机）到后端（存储、硬解码及大屏幕显示系统）一系列的产品。一套全数字视频监控系统由前端IP摄像机、中间的网络传输环节和后端的存储，管理平台及显示系统组成。1.1.1 前端摄像机部分A、网

3、络摄像机组成网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音控制器、网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，与模拟摄像机相同。图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体，而CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，下图为网络摄像机的结构图：通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使

4、得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。网络摄像机作为网络视频产品的新兴代表,具有其自身的优势那就是使用便捷。CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。 A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或标准进行编码压缩。编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化，便于在计算机系统、网络以及万维网上不失真地传输上述信号。控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码

5、压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用RTP/ RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台等。网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。B、网络摄像机的特点1) 远程实时监控利用网络优势，经过

6、数字化并压缩后的图像数据可以达到网络能到达的地方，实现远程监控。2) 全面开启数字化时代DVR即数字硬盘录像主机，要基于已经大量安装的模拟监控摄像机等把模拟信号转换为数字信号，再进行存储和处理。而网络摄像机内建有Web server和CCD，可以将数字化的视频信号转换成网络通信传输协议（TCP/IP协议）的数据流，远端的应用优势。3) 即插即用、随时随地无须像模拟摄像机一样必须安装同轴电缆，只要利用现有的网络就可以使用。网络摄像机可以广泛应用在世界的任何角落，进行实时连续地传输图像，甚至可以在那些不适宜布线的环境中，使用无线宽带网络完成远端监控及录影。4) 灵活集成只要有网络接口即可随时接入网

7、络摄像机，RS232/RS485通讯口便于扩展周边设备。5) 结束隔行扫描时代模拟摄像机最多可以提供4CIF级别的分辨率，也就是40万像素左右，因为模拟摄像机的技术原因，采用的是隔行扫描的成像方式，成行扫描可以利用不高的带宽实现更好的视觉效果-刷新率更高，人的视觉效果舒服些。隔行扫描的成像采用奇数场+偶数场相加得到一帧图像，当图像中有激烈运动目标，会表现成“锯齿”或模糊的现象。网络摄像机采用逐行扫描，每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。要得到稳定的逐行扫描图像，每帧图像必须扫描整数行。举例来说，一帧图像是连续扫描625行组成的，每秒钟共扫描50帧图像

8、，即帧扫描频率为50帧/秒。6) 以太网供电节省成本、提高稳定性网络摄像机使得通过网线对摄像机供电成为可能，人们不再需要为摄像机单独加电源。801.3标准的POE方式已经得到验证并成功应用，过去，人们是不敢想象用小小的网线完成对摄像机的供电的，这个技术为人们带来便利同时节约的成本。POE方式的另外一个好处是，由于电源集中采自机房的交换机，这种集中的供电方式可以保证电源的稳定性。7) 百万像素高分辨率受制于传统模拟摄像机本身技术限制，其最高分辨率可以达到40万像素，但是，网络摄像机可以达到百万像素级，百万像素给人们带来的好处是：更多的细节、更大的角度。更多的细节，意味着我们可以分得清车牌号码，人

9、脸；更大的角度，我们可以减少普通模拟摄像机的安装便可以覆盖更大的范围。在本项目中金库，柜台，ATM现金填送处，档案室，凭证库和保险柜等重点区域建议使用百万像素数字摄像机。8) 智能视频分析置于前端，结构更合理如今人们已经基本认同智能视频分析单元置于前端的好处了。早期的视频分析工作，复杂而繁重，因此都是基于后端服务器的CPU，此方式的弊端在于，需要实时传输视频给服务器，服务器再进行繁重的分析工作，过分集中的方式导致的问题是带宽、存储的浪费；而前端分散智能，利用网络摄像机内置分析单元，直接对未压缩的视频进行分析，发现异常触发报警-改变帧率及分辨率并通知视频控制终端。9) 更好的集成音频音频录制乃至

10、双向录音已经 成为比较广泛的需求了，对于模拟系统，实施比较困难并且需要单独增加设备；而对于网络摄像机，此工作变得非常容易，人们可以进行音频录制，并自动合成同步的音视频文件，可以实现双向语音对讲，相当于免费的PA系统，而一切变得非常简单，实现真正的VOIP,音频VOICE，视频VIDEO都网络化了。10) 高的安全性传输在模拟时代，模拟信号通过铜缆传输，然后利用矩阵进行纯粹电信号的切换，这种与数字、网络关系不大的方式使得信号的加密变得不可能（VCR磁带的不可篡改是另外一回事）。最糟糕的情况是可能前端摄像机已经被调包了但是控制中心人员还没发觉。网络摄像机的视频遮挡、视频丢失告警功能，视频加密功能、

11、权限管理等功能可以更好的防止这类问题。11) 结构灵活，成本更低对于模拟监控系统，工程设计及施工人员最头疼的是刚刚建设完成的系统需要扩容升级。此时，需要考虑的问题很多，核心矩阵的位置，线缆的铺设，电源、分控的位置，前端摄像机的位置及距离，传输及供电方式等等，受制于诸多因素的根本原因在于模拟系统的结构不灵活。对于网络摄像机，让这些问题统统见鬼去吧，只要网络是通的，不管你的摄像机位置如何，系统都没有限制，另外，由于信号基于IP包的，因此视频不会因为位置或路由而质量下降。但是传统的矩阵级联可能碰到明显的问题。12) 集中管理、节约成本无需专人管理，即插即用，无距离限制，又可省去布线的环节，节约了成本

12、。C、网络摄像机的优势网络摄像机能在世界的任何一个角落通过Internet进行远端监控之外，通过网络监控也可以有效地降低成本，它的“即插即用”功能，无须像模拟摄像机一样必须安装同轴电缆、控制电缆、音频线等问题。只要利用网络就可以使用，这都是网络摄像机的优势之处。除了具有这个特点外，还有以下几大优势： 先进性利用现有的综合布线网络传输图像，进行实时监控系统所需的前端设备少，连线简洁，后端仅需一套软件系统即可。 可靠性主要设备网络摄像机采用了嵌入式实时操作系统，所需设备简单，而图像的传输是通过综合布线网络实现的，系统可靠性相当高。 性能价格比所需设备极其简单，系统的控制由后端的软件系统实现，省去了

13、传统模拟监控系统中的大量设备，如昂贵的矩阵、画面分割器、切换器、视频转网络的主机等。由于图像的传输通过综合布线网络，省去了大量的视频同轴电缆，降低了费用。 安全性系统设置了不同等级的使用者权限，仅有最高级权限的用户才可对整个系统进行设置或更改，没有权限的用户是接收不到图像的。另外，图像数据的存储是专有的格式。 使用及维护性系统的安装极其简单，软件系统的安装及使用也非常易懂。在维护性方面，系统的接线十分简洁，而主要设备的可靠性很高，维护性能好，而且可实现远程维护。 扩展及延伸性当需要增加监控点和监控主机时，只需要通过现有网络增加一台摄像机或PC机即可，不需要对现有布线系统做什么改动。 应用范围广

14、阔区域性监控，利用网络传送实时图像，如办公室、大楼等；跨区远端监控，连锁事业、大型工厂机房、远端老人、儿童看护、公共建筑、无人环境监控、金融机构分行监控、交通监管、错误警报辩识等。1.1.2 网络传输环节网络传输子系统主要实现前端网络摄像机及前端存储设备NVR和中心管理子系统之间的数据和图像信息的传输，包括中心管理子系统对前端设备到控制、设置和维护等。该传输网络可以采用光纤通讯、数据专线、宽带网络、光纤网络、无线GPRS/CDMA/3G等方式。1.1.3 中心管理系统 通过网络访问前端监控点的实时图像，可随意查看任一图像。 通过网络TCP/IP协议进行联网监控。监控中心可对所辖的各前端设备进行

15、联网监控，中心可以进行图像显示、语音对讲、远程电气设备的开关控制、远程控制报警系统布撤防区，以及远程录像数据下载、打印、刻录录像数据用。 在监控中心都能够对所有监控点图像进行集中存储和检索，同时支持统一的管理。 在监控中心电视屏幕墙上能实时监控所辖网点的现场图像监控情况。通过操作实时监控到前端的任一路图像，电视屏幕墙按各功能区域等方式进行分类显示，对各分类画面进行实时分割监控，并可随时进行视角切换。对各个监控环节尤其是一些重点部位等进行定点监视，其它画面可进行分割显示或轮巡显示。 监控中心可通过网络实时监控到所有前端任何地方的突发事件报警信息，如劫警、盗警和事件纠纷等，当某处发生报警警情时，报

16、警信息自动上传到监控中心，同时与报警信号联动的现场图像同时传送到监控中心并在屏幕上自动弹出显示并进行中心录像，在电子地图上明显显示报警的位置，同时有声音、图像或灯光告警。 远程双向语音对讲功能：用TCP/IP网络实现远程双向语音对讲功能和语音广播功能，即是总监控中心可主动向任意一区域进行广播，同时监控中心显示与前端对讲监控点的图像。 在分控端上可根据中心授权实现对监控系统的维护管理（包括参数设置、资料下载、光盘刻录等）。 在相关职能部门（工会、人事等）等授权人员能通过办公室电脑实现对全辖网点实时图像及录像资料的调阅。 原有的监控报警管线保持不变，且整合到新建设的报警系统中进行远程控制。 在充分利用原有硬件的基础上，以最小的投资完成最好的系统改造。 监控系统采取统一的数字监控系统，在一个系统中对所有信息在一个操作平台上集中管理和处理。 监控中心不仅可对安防系统进行集中管理，还能兼容原有各个下属中心的系统，对监控周边的系统进行管理。 系统设计本着先进可靠的原则，在满足现有需求同时，系统还应具备灵活的接口，可在未来根据需求方便的进行扩展。1.1.4 显示系统前端网络摄像机的图像通过网络上传到中心，通过解码设备将数字图像信号转换成模拟图像信号，输出到由电视墙上的显示设备，进行图像显示。显示设备可以是监视器、液晶显示器、等离子显示屏、DLP屏、投影仪等。