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【摘 要】本文主要结合传统的闭路电视监控技术和当前视频技术、计算机技术、通信技术的发展情况,介绍一种简单而实用数字视频网络监控系统的设计与实现。
【关键词】网络数字监控;网络摄像机;网络视频服务器;数字监控系统中心管理平台;存储系统
Discuss Design and Implementation of Digital Video Network Surveillance System
Guan Jun
(Xi'an Changxiang Engineering Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710000)
【Abstract】The article combines the traditional CCTV video technology and current technology, computer technology, communication technology, and introduced a simple and practical digital video network monitoring system design and implementation.
【Key words】Network digital supervision; Network camera; Network video server; Digital surveillance system center management platform; Storage system
网络数字监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。
系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。
1. 系统概述
监控系统发展到现在,对于传统的闭路电视监控可以说是日臻完美,而且近年来发展势头特别猛,全社会的各个领域几乎都能找到闭路电视监控系统的应用实例。但随着时间的推移,传统的模拟闭路电视监控系统也逐渐显现出其不可避免的局限性,如传输距离不可能很远、无法远程监视、布线工程量大等,特别是和现在全社会的数字化趋势形成矛盾。而数字视频监控系统的优点恰好克服了模拟闭路电视的局限性,如网络传输视频流、传输距离远、布线不重复、抗干扰能力强、查询方便等。简单的说,网络数字监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录。随着宽带网络应用的普及,带宽成本的下降,不断发展的网络技术为基于IP网络的数字视频监控系统的大规模联网应用提供了坚实的网络基础。同时,数字网络监控系统中又逐渐融入了最新的IT技术,通过通用化标准的协议使监控系统不在是模拟时代的孤立系统,利用网络技术可以把各个子系统完美融合起来。IT领域的网络存储技术、通讯网管技术以及计算机图像处理技术也为实现数字视频监控系统提供了坚实的技术基础。
2. 系统特点
与传统的模拟视频监控系统相比,数字网络视频监控系统具有一些独特的优势:
(1)利用现有的网络资源,不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备,轻而易举地实现远程视频监控。
(2)系统扩展能力强,只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点。
(3)维护费用低,网络维护由网络提供商维护,前端设备是即插即用、免维护系统。
(4)系统功能强大、利用灵活、全数字化录像方便于保存和检索。可以实现本地、远程的录像存储和录像回放。
(5)在网络中的每一台计算机,只要安装了客户端的软件,给予相应的权限就可成为监控工作站。
3. 系统设计方案
3.1 前端设备。
3.1.1 网络摄像机。
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。
网络摄像机的基本原理是:图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后,由图像传感器的声音传感器转化为电信号,A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩,再控制器的控制下,由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET,控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号,且按要求发出控制信号。
目前,网络摄像机的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。
3.1.2 网络视频服务器。
网络视频服务器是一种对音视频数据进行编码处理并完成网络传输的专用设备,从而实现远程监控的功能的专用设备,它由音视频编码器、网络接口、音视频接口、RS422/RS485串行接口、RS232串行接口等构成。
音视频压缩编码器:由于模拟视频数据量非常大,通过数模转化后,数据量也很大,故要利用成熟的编码技术,将视频数据在满足网络传输要求的技术指标下进行高压缩比的编码,以满足传输要求。
网络接口:由于以前的模拟产品的组网主要通过建立昂贵的对立光纤实现网络传输,网络视频服务器的以太网络接口可以方便地实现IP组网,实现数据传输。网络视频服务器主要采用TCP/IP等协议实现音视频数据、控制数据和状态检测信息等数据地网络传送。
音视频接口:网络视频服务器带有标准模拟音视频输入接口,方便监视各通道地视频信号。
RS422/RS485串行接口:网络视频服务器带有RS422/RS485串行通讯接口,可通过通讯线外接如云台、快球等各种外设。
3.2 系统传输。
数字监控系统可以依靠各种网络条件,可以利用现有地局域网、广域网或者无线网络,也可以根据实际需求独立建设专网。
下面简单介绍一下网络的分类。
3.2.1 局域网。
通常我们常见地“LAN”就是指局域网,这是我们最常见、应用最广地一种网络。这种网络地特点就是:连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快地速率要算现今地10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网:以太网、令牌环网、光纤分布式接口网络、异步传输模式网以及最新的无线局域网。
3.2.2 城域网。
这种网络一般来说是在一个城市,网络的连接距离可以在10～100公里,它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长,在地理范围上可以是说是LAN网络的延伸。
3.2.3 广域网。
这种网络也称为远程网,所覆盖的范围比城域网更广,它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联,地理范围可以从几百公里到几千公里。
3.2.4 互联网。
互联网又因其英文单词“Internet”的谐音,又称为“英特网”。在互联网应用如此发展的今天,它已是我们每天都要打交道的一种网络,无论从地理范围,还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络。
3.3 中心管理平台。
3.3.1 管理平台的组成。
数字监控系统中心管理平台根据用户以及项目规模的需求可以由以下一个或者多个单元组成:
(1)视频监控设备管理单元;
(2)视频监控存储管理单元;
(3)视频目录检索单元;
(4)视频点播、组播单元;
(5)智能图像分析设备单元;
(6)视频解码设备管理单元;
(7)视频控制客户管理软件。
数字视频监控系统中心的图像控制、报警响应等主要由用户操作客户端管理软件实现,还可以通过软件切换视频解码器上电视墙的图像。优化的系统配置不仅整个系统稳定可靠,而且会使整个系统操作简单易行,并且会使整个系统易于扩展。
3.3.2 视频检索。
检索方法:
(1)基于框架的方法。
在视频数据库生成时建立框架,系统将预先提取一些视频特征存入特征库中。查询处理就是局域对框架的填充。
(2)基于浏览的方法。
基于浏览的方法始终是视频检索中一个不可缺少的方法。如果用户没有明确的查询主题或者用户的主题在框架中没有定义等,用户可以通过浏览来确定其大概目的。
(3)基于描述特征的检索。
该检索针对视频的局部特征检索,是视频监控中较为常用的一种。说明性特征指用户要检索镜头的主色调、目标颜色或形状、纹理等特征,也包括用户说明的摄像机运动或视频中目标的运动情况等。
3.3.3 客户端软件功能。
图像的浏览控制
报警联动控制:包括:
(1)报警接入;
(2)远程报警及联动控制;
(3)报警联动预案。
3.4 存储系统。
在视频监控系统中,我们可以简单分为分布存储系统和集中存储系统。
3.4.1 网络视频录像机NVR。
视频监控系统中,第一代录像机是VCR磁带模拟录像机,2000年后,第二代录像机DVR是数字视频压缩技术和计算机数字存储技术结合产物,由于DVR连接的前端摄像机是模拟的,所以称DVR使视频监控进入半数字化。根据数字化监控系统需求,网络摄像机的录像已经不能使用DVR了,所以出现了第三代录像机NVR。NVR可以录像IP录像机,视频服务器,DVR等网络视频源。
NVR有一体式和基于PC+软件的两类。基于软件的PC式NVR就是安装一套软件的高性能计算机。一体式NVR功能与基于PC的NVR软件类似,可以采用嵌入式操作系统也可以是基于windows操作系统。一体式NVR一般都可以支持本机预览,不过录像总资源比基于PC的NVR软件低。
3.4.2 网络存储技术分析。
由于早期的网络十分简单,直连式存储(DAS)是最先被采用的网络存储系统。DAS曾经是一种流行的存储系统,但不能满足大容量的存储需求,于是出现了NAS和SAN等其他存储技术。NAS是连接在局域网上的,所以客户端可以通过NAS系统与存储设备之间交互数据。SAN是一种将存储设备、连接设备和接口集成在一个高速网络中的技术。SAN本身就是一个存储网络,网络承担了主网络中实现的数据存储,因而提高了SAN的性能和升级能力。
3.4.3 网络存储子系统的选型。
IP SAN是基于高速以太网的SAN架构,通过iSCSI(Internet SCSI,Internet小型计算机系统接口)协议来实现存储数据在服务器和存储设备之间高速传输。它继承了IP网络开放、高性能、高可靠性、易管理、可扩展性强、自适应性强的优点,实现存储网络与应用网络的无缝连接,并提供了优良的远程数据复制和容灾特性。
综合监控系统存储系统的需求以及IP存储的优点,集中网络存储系统的选择IP-SAN是高效、低成本和符合将来技术发展的方案。
3.4.4 数字监控系统存储配置。
数字监控系统的设计方案中,可以充分利用NVR以及网络存储的优点,把方案设置为分布存储和集中存储相集合。在远端局端,可以利用NVR先做本地分布存储,其中重要图像信息可以上传到中心使用IP-SAN统一集中存储。
还有一种方式是,基于ISCSI编解码器,这类编码器可以分为两路数据,一路用于图像浏览,另一路ISCSI数据直接写入IP存储系统的集中监控模式。在该模式下,监控录像数据从ISCSI编解码器,经由IP网络,直接写入IP存储系统中。
3.4.5 智能图像分析。
智能视频检测分类:
(1)背景检测;
(2)目标种类检测;
(3)目标跟踪;
(4)识别检测;
(5)警戒入侵检测;
(6)异常检测。
3.5 系统结构图。
图1
4. 总结
随着Internet和宽带网络技术的日益发展,传统的以文字和图片为主的内容服务已不能满足用户的需求,具有视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流,这是互联网技术发展的必然趋势。全数字化网络视频监控系统正在得到广泛应用,数字网络监控系统不再是少数专网用户的高端需求,而正变成各行业大型视频监控系统的必备功能,网络技术的快速发展推动了综合视频应用的需求从简单联网到全网融合。
参考文献
[1] 《民用闭路监视电视系统工程技术规范》 (GB50198-94)
[2] 《智能建筑设计标准》 (GB/T50314-2000)
[3] 《Infinova 监控技术培训手册》 2007-7
[4] 《综合布线系统弱电工程设计与施工技术》 2004-1
[文章编号]1006-7619(2010)08-17-742
【关键词】网络数字监控;网络摄像机;网络视频服务器;数字监控系统中心管理平台;存储系统
Discuss Design and Implementation of Digital Video Network Surveillance System
Guan Jun
(Xi'an Changxiang Engineering Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710000)
【Abstract】The article combines the traditional CCTV video technology and current technology, computer technology, communication technology, and introduced a simple and practical digital video network monitoring system design and implementation.
【Key words】Network digital supervision; Network camera; Network video server; Digital surveillance system center management platform; Storage system
网络数字监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。
系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。
1. 系统概述
监控系统发展到现在,对于传统的闭路电视监控可以说是日臻完美,而且近年来发展势头特别猛,全社会的各个领域几乎都能找到闭路电视监控系统的应用实例。但随着时间的推移,传统的模拟闭路电视监控系统也逐渐显现出其不可避免的局限性,如传输距离不可能很远、无法远程监视、布线工程量大等,特别是和现在全社会的数字化趋势形成矛盾。而数字视频监控系统的优点恰好克服了模拟闭路电视的局限性,如网络传输视频流、传输距离远、布线不重复、抗干扰能力强、查询方便等。简单的说,网络数字监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录。随着宽带网络应用的普及,带宽成本的下降,不断发展的网络技术为基于IP网络的数字视频监控系统的大规模联网应用提供了坚实的网络基础。同时,数字网络监控系统中又逐渐融入了最新的IT技术,通过通用化标准的协议使监控系统不在是模拟时代的孤立系统,利用网络技术可以把各个子系统完美融合起来。IT领域的网络存储技术、通讯网管技术以及计算机图像处理技术也为实现数字视频监控系统提供了坚实的技术基础。
2. 系统特点
与传统的模拟视频监控系统相比,数字网络视频监控系统具有一些独特的优势:
(1)利用现有的网络资源,不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备,轻而易举地实现远程视频监控。
(2)系统扩展能力强,只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点。
(3)维护费用低,网络维护由网络提供商维护,前端设备是即插即用、免维护系统。
(4)系统功能强大、利用灵活、全数字化录像方便于保存和检索。可以实现本地、远程的录像存储和录像回放。
(5)在网络中的每一台计算机,只要安装了客户端的软件,给予相应的权限就可成为监控工作站。
3. 系统设计方案
3.1 前端设备。
3.1.1 网络摄像机。
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。
网络摄像机的基本原理是:图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后,由图像传感器的声音传感器转化为电信号,A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩,再控制器的控制下,由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET,控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号,且按要求发出控制信号。
目前,网络摄像机的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。
3.1.2 网络视频服务器。
网络视频服务器是一种对音视频数据进行编码处理并完成网络传输的专用设备,从而实现远程监控的功能的专用设备,它由音视频编码器、网络接口、音视频接口、RS422/RS485串行接口、RS232串行接口等构成。
音视频压缩编码器:由于模拟视频数据量非常大,通过数模转化后,数据量也很大,故要利用成熟的编码技术,将视频数据在满足网络传输要求的技术指标下进行高压缩比的编码,以满足传输要求。
网络接口:由于以前的模拟产品的组网主要通过建立昂贵的对立光纤实现网络传输,网络视频服务器的以太网络接口可以方便地实现IP组网,实现数据传输。网络视频服务器主要采用TCP/IP等协议实现音视频数据、控制数据和状态检测信息等数据地网络传送。
音视频接口:网络视频服务器带有标准模拟音视频输入接口,方便监视各通道地视频信号。
RS422/RS485串行接口:网络视频服务器带有RS422/RS485串行通讯接口,可通过通讯线外接如云台、快球等各种外设。
3.2 系统传输。
数字监控系统可以依靠各种网络条件,可以利用现有地局域网、广域网或者无线网络,也可以根据实际需求独立建设专网。
下面简单介绍一下网络的分类。
3.2.1 局域网。
通常我们常见地“LAN”就是指局域网,这是我们最常见、应用最广地一种网络。这种网络地特点就是:连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快地速率要算现今地10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网:以太网、令牌环网、光纤分布式接口网络、异步传输模式网以及最新的无线局域网。
3.2.2 城域网。
这种网络一般来说是在一个城市,网络的连接距离可以在10～100公里,它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的距离更长,在地理范围上可以是说是LAN网络的延伸。
3.2.3 广域网。
这种网络也称为远程网,所覆盖的范围比城域网更广,它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联,地理范围可以从几百公里到几千公里。
3.2.4 互联网。
互联网又因其英文单词“Internet”的谐音,又称为“英特网”。在互联网应用如此发展的今天,它已是我们每天都要打交道的一种网络,无论从地理范围,还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络。
3.3 中心管理平台。
3.3.1 管理平台的组成。
数字监控系统中心管理平台根据用户以及项目规模的需求可以由以下一个或者多个单元组成:
(1)视频监控设备管理单元;
(2)视频监控存储管理单元;
(3)视频目录检索单元;
(4)视频点播、组播单元;
(5)智能图像分析设备单元;
(6)视频解码设备管理单元;
(7)视频控制客户管理软件。
数字视频监控系统中心的图像控制、报警响应等主要由用户操作客户端管理软件实现,还可以通过软件切换视频解码器上电视墙的图像。优化的系统配置不仅整个系统稳定可靠,而且会使整个系统操作简单易行,并且会使整个系统易于扩展。
3.3.2 视频检索。
检索方法:
(1)基于框架的方法。
在视频数据库生成时建立框架,系统将预先提取一些视频特征存入特征库中。查询处理就是局域对框架的填充。
(2)基于浏览的方法。
基于浏览的方法始终是视频检索中一个不可缺少的方法。如果用户没有明确的查询主题或者用户的主题在框架中没有定义等,用户可以通过浏览来确定其大概目的。
(3)基于描述特征的检索。
该检索针对视频的局部特征检索,是视频监控中较为常用的一种。说明性特征指用户要检索镜头的主色调、目标颜色或形状、纹理等特征,也包括用户说明的摄像机运动或视频中目标的运动情况等。
3.3.3 客户端软件功能。
图像的浏览控制
报警联动控制:包括:
(1)报警接入;
(2)远程报警及联动控制;
(3)报警联动预案。
3.4 存储系统。
在视频监控系统中,我们可以简单分为分布存储系统和集中存储系统。
3.4.1 网络视频录像机NVR。
视频监控系统中,第一代录像机是VCR磁带模拟录像机,2000年后,第二代录像机DVR是数字视频压缩技术和计算机数字存储技术结合产物,由于DVR连接的前端摄像机是模拟的,所以称DVR使视频监控进入半数字化。根据数字化监控系统需求,网络摄像机的录像已经不能使用DVR了,所以出现了第三代录像机NVR。NVR可以录像IP录像机,视频服务器,DVR等网络视频源。
NVR有一体式和基于PC+软件的两类。基于软件的PC式NVR就是安装一套软件的高性能计算机。一体式NVR功能与基于PC的NVR软件类似,可以采用嵌入式操作系统也可以是基于windows操作系统。一体式NVR一般都可以支持本机预览,不过录像总资源比基于PC的NVR软件低。
3.4.2 网络存储技术分析。
由于早期的网络十分简单,直连式存储(DAS)是最先被采用的网络存储系统。DAS曾经是一种流行的存储系统,但不能满足大容量的存储需求,于是出现了NAS和SAN等其他存储技术。NAS是连接在局域网上的,所以客户端可以通过NAS系统与存储设备之间交互数据。SAN是一种将存储设备、连接设备和接口集成在一个高速网络中的技术。SAN本身就是一个存储网络,网络承担了主网络中实现的数据存储,因而提高了SAN的性能和升级能力。
3.4.3 网络存储子系统的选型。
IP SAN是基于高速以太网的SAN架构,通过iSCSI(Internet SCSI,Internet小型计算机系统接口)协议来实现存储数据在服务器和存储设备之间高速传输。它继承了IP网络开放、高性能、高可靠性、易管理、可扩展性强、自适应性强的优点,实现存储网络与应用网络的无缝连接,并提供了优良的远程数据复制和容灾特性。
综合监控系统存储系统的需求以及IP存储的优点,集中网络存储系统的选择IP-SAN是高效、低成本和符合将来技术发展的方案。
3.4.4 数字监控系统存储配置。
数字监控系统的设计方案中,可以充分利用NVR以及网络存储的优点,把方案设置为分布存储和集中存储相集合。在远端局端,可以利用NVR先做本地分布存储,其中重要图像信息可以上传到中心使用IP-SAN统一集中存储。
还有一种方式是,基于ISCSI编解码器,这类编码器可以分为两路数据,一路用于图像浏览,另一路ISCSI数据直接写入IP存储系统的集中监控模式。在该模式下,监控录像数据从ISCSI编解码器,经由IP网络,直接写入IP存储系统中。
3.4.5 智能图像分析。
智能视频检测分类:
(1)背景检测;
(2)目标种类检测;
(3)目标跟踪;
(4)识别检测;
(5)警戒入侵检测;
(6)异常检测。
3.5 系统结构图。
图1
4. 总结
随着Internet和宽带网络技术的日益发展,传统的以文字和图片为主的内容服务已不能满足用户的需求,具有视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流,这是互联网技术发展的必然趋势。全数字化网络视频监控系统正在得到广泛应用,数字网络监控系统不再是少数专网用户的高端需求,而正变成各行业大型视频监控系统的必备功能,网络技术的快速发展推动了综合视频应用的需求从简单联网到全网融合。
参考文献
[1] 《民用闭路监视电视系统工程技术规范》 (GB50198-94)
[2] 《智能建筑设计标准》 (GB/T50314-2000)
[3] 《Infinova 监控技术培训手册》 2007-7
[4] 《综合布线系统弱电工程设计与施工技术》 2004-1
[文章编号]1006-7619(2010)08-17-742