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摘要：视频监控系统包括模拟视频监控系统、数模混合视频监控系统和网络视频监控系统。其中，模拟视频监控系统几乎被完全淘汰，数模混合视频监控系统成为主流监控系统。网络视频监控系统基于网络平台，采用模块式系统构架和分布式安全存储系统，系统扩容简单，使用方便，相对于模拟视频监控系统有巨大的优势。网络视频监控系统取代模拟视频监控系统仅仅是一个时间问题。
关键词 视频监控系统 模拟视频监控 网络视频监控 IP-SAN
中图分类号：TN941.2
1. 引言
目前，在国内视频监控市场上，全模拟视频监控系统几乎被完全淘汰，数模混合视频监控系统成为主流（特别是其中的存储系统，95%以上已经数字化）。但是随着计算机技术、存储容量、视频编解码技术、宽带覆盖率及网络带宽的不断提高，网络视频监控系统在扩展性、清晰度方面相比数模混合视频监控系统存在较大优势，且能够解决数模混合视频监控系统的若干弊端，因此网络视频方案越来越为市场所接受，其代替传统模拟视频的趋势已经不可逆转。
2. 视频监控系统分类
目前，视频监控系统包括模拟视频监控系统、数模混合视频监控系统和网络视频监控系统。
模拟视频监控系统在20世纪90年代中期以前应用比较广泛，由模拟摄像机、模拟视频矩阵、监视器和磁带式录像机等模拟设备组成，其视频信号的传输、切换、存储都是模拟信号。模拟视频监控系统主要应用于小范围内的监控，受系统容量、安全性、可扩展性方面的限制，目前，模拟视频监控系统几乎被完全淘汰。
数模混合视频监控系统是随着数字视频压缩编码技术的发展而产生的，主要由模拟摄像机、模拟视频矩阵、编解码器、数字硬盘录像机等设备组成。其视频信号传输方式主要有两种：一种是前端模拟视频信号经视频传输线缆传输至安防中心，在安防中心经视频编码器编码成数字信号，存储在数字硬盘录像机或多媒体监控终端上；一种是前端模拟视频信号经视频编码器编码成数字信号后，通过网络进行远距离传输。目前，数模混合视频监控系统在一些小型的、要求比较简单的场所使用比较广泛。
网络视频监控系统以网络为平台，以IP地址来标识所有的监控设备，采用TCP/IP协议来进行图像、语音和数据的传输、切换，真正实现了远程综合监控系统。
3. 三种监控系统的技术对比分析
模拟视频监控系统、数模混合监控系统、网络视频监控系统在技术上各有优势，下面从监控系统的稳定性、容量、接入方式、储存方式五个方面对三种视频监控系统进行对比分析，具体见表1。
表1 三种监控系统的技术性能对比表
技术类型
模拟视频监控系统
数模混合视频监控
系统
网络视频监控
系统
系统稳定性
* 技术成熟、工作稳定。
* 技术成熟、工作稳定。
* 技术比较成熟、工作稳定，可以采取多种冗余措施。
系统安全性
* 完全模拟信号传输，无任何防护；
* 登陆无认证功能。
* 模拟部分与模拟系统完全相同；
* 数字部分传输数据通常无安全措施，部分数字硬件设置有登陆权限。
* 可采用数字加密、防火墙或网闸、网络审计等措施，当独立成局域网时，安全性有较大提高；
系统容量
* 适合小型化本地监控；
* 监控点增加时需再配中心设备（矩阵）。
* 适合中小型规模、有一定网络需求的小范围监控；
* 通过少量级联来扩大监控规模。
* 适合大规模、有远程访问需求的大型监控系统。
* 支持多级级联，方便管理。
接入方式
* 基本不涉及网络，通过模拟视频线直接连接，方式单一。
* 小型化局域网内使用，局域网内副控主机接受广播码流浏览图像。
* 所有设备均可通过LAN、WAN、光纤、ADSL等多种线路方式接入平台；
存储方式
* 存储介质为模拟磁带；
* 无法长时间连续录像，检索回放复杂、磁带存放空间大、环境要求高等。
* 存储介质为普通PC硬盘，传输带宽要求较高；
* 支持长时间连续录像，检索回放简便。
* 使用超大容量磁盘阵列设备；可以采用多种数据冗余方式，可选高压缩率编码方式。理论上容量可无上限；
* 支持远程回放及下载录像文件。操作简单、方便，界面友好。
综合来看，网络视频监控系统具有系统构架模块化，扩展简单、使用方便等方面的优势。
4. 网络视频监控系统
网络视频监控系统主要由为视频源、传输系统、存储系统、显示及控制系统四大部分组成，但这四个部分所传输、处理的信号均为网络数字信号。由于各部分功能均实现了数字化传输，借助于网络的开放性、便捷性，整个系统的接入变得更为简单，四大部分的功能相对于模拟系统均有了较大的提高。
4.1. 视频源
网络视频监控系统视频源主要由各种IP摄像机组成。IP摄像机内置视频编码设备，可直接将模拟视频信号编码成数字视频信号，并进行视频压缩和IP封装，然后利用IP网络来传输数字视频信号和控制信号。
IP摄像机除了具有视频编码功能外，还具有许多衍生功能，包括外接模拟音频信号、视频判断及报警智能分析等功能。这些衍生功能传输的信号也和基本的视频信号一起，可以通过同一路数字信号进行传输。
此外，摄像机的功率越来越小，使得某些IP摄像机具备了以太网供电（POE1）的可能，搭配适当的支持POE供电的网络交换设备，每台IP摄像机只需要布一根网线，就能实现视频信号和控制信号的传输以及供电三个功能，大大降低了系统布线、安装的费用。 4.2. 传输系统
网络视频监控系统传输系统主要由各种交换机、路由器及各种传输线缆组成，用于传送、交换视频和控制信号，是信号传输的高速公路。传输系统的带宽、稳定性等对于整个视频监控系统非常重要。
单个IP摄像机以4CIF2或D13分辨率、25帧/s进行显示或存储（与模拟视频传输时最高实现480线隔行扫描时的清晰度相当）时，其经过压缩后的码流最高通常也只有2Mb/s4，即便是高清（1080p）摄像机其压缩后的码流最高通常也不超过20Mb/s，普通的10/100Mbps自适应以太网端口完全能够胜任其数据流的传输。
除了需要考虑单个接入端口的带宽，系统的整个带宽也非常重要。在很多情况下，同一个网络交换设备接入很多视频源，这些视频源的数据通过该网络交换设备传输到其它网络存储设备进行存储，或者接受多个客户端的调用。此时，不仅需要考虑网络交换设备背板的带宽必须大于所有端口都满负荷运转时的总带宽，而且交换设备之间的互联所使用的上行链路端口的带宽也需要满足要求。
另外，还需要尽量避免将大量数据流汇集到一个局部范围，否则，会对这个区域的网络交换设备带来很大的压力（例如，只使用一台网络存储设备进行视频存储时，所有的视频数据都需要汇集到存储设备所在的端口）。但是，随着存储局域网络的发展，视频存储设备可以分散布设，这样就可以将大量的用于存储的带宽分散到不同的区域内，很大程度上缓解了总带宽的压力。这样做不仅降低了对整个网络系统的性能要求，而且有利于提供整个系统的可靠性。
4.3. 存储系统
网络视频监控系统中的存储系统由各种数字存储设备构成，主要包括两种视频存储方案：一种为基于网络硬盘录像机（简称NVR）的存储方案、一种为基于存储局域网络的存储方案。
4.3.1. 基于NVR的存储方案
NVR是专门设计用来存储数字视频数据的设备。NVR直接从网络上接收数字视频信号后进行本机内存储。与模拟硬盘录像机（DVR）相比，NVR接入的视频信号的数量不受前端输入端口数量的限制，而是受系统运算能力、网络带宽、存储空间的限制，其单台设备的接入能力有了较大的提高。同时，借助于网络和软件，NVR可以布设在网络任何区域，还可以轻松的调整其接收的数据的对象，设置存储的各项参数，而不用对物理传输链路进行任何的改变。这不仅对于系统构架布置有好处，而且对系统可靠性、易维护性也是有利的。例如，当其中某台网络硬盘录像机发生故障后，可以立即通过网络将原来分配给它的视频信号分配给其他网络硬盘录像机，而完全不用对设备、电缆进行任何改动。
4.3.2. 基于存储局域网络的存储方案
基于存储局域网络方案最初用于网络的通用数据存储。其特征是使用通用于各种数据存储的网络磁盘阵列在网络上形成一个存储局域网络（可以是SAN、NAS或其他多种形式），通过专用软件对整个存储局域网络进配置、管理。在这种视频存储方案中，存储局域网络设备构成一个巨大的存储池，在管理服务器的管理下，所有网络设备均可以访问存储池，并对其内部存储数据的存储和调用（网络视频数据本质上是网络数据的一种）。但是在进行系统构建时，必须充分考虑视频数据流的各项需求与普通网络数据流之间存在的差异，从而进行针对性的配置，才能保证整个方案的可靠性。总体来说，这种存储方案具有可靠性高、接入能力强、存储容量大、使用管理简单等优点。
最近几年，随着数字技术不断发展，这两种技术相互吸收对方的优点，其界限已经逐渐模糊的同时，其功能也日趋强大。部分NVR在保留了原有IP视频接入与管理功能的同时，使用了磁盘阵列的硬件架构，或者其存储部分直接兼容存储局域网络功能，使得其同时具有NVR的监控视频专业管理和磁盘阵列的高可靠、大容量的优点。将来这种方案很可能成为最优秀的数字视频存储方案。
4.4. 显示及控制系统
显示及控制系统主要由管理工作站、管理服务器、管理软件、显示器或显示墙等组成。其中，管理软件是其核心，视频切换与显示、摄像机动作控制、视频存储管理三大功能都通过软件的功能来实现，管理工作站或服务器是软件稳定、快速运行的基础，显示设备则起最终显示作用。
从显示及控制系统端向外看，所有的IP摄像机、存储设备都相当于提供实时视频点播的网络视频设备。当显示及控制系统需要调用视频进行显示时，管理软件通过IP网络点播这些设备提供的实时或者存储的视频图像即可。当显示及控制系统需要控制摄像机进行指定的操作或者对存储系统进行管理时，则通过软件接口，将操作指令通过数据包传输给他们就可完成。
随着软件技术的高速发展，管理软件除了具有视频点播、通讯等基本功能外，还具有许多新的功能，例如将摄像机在电子地图上按实际位置进行布置，在电子地图上点击任意摄像机即时调出其当前图像，在需要时将任意数量的画面按需要进行组合、放大等等。
但是，强大的软件通常都需要硬件的支持。通常情况下，为了节省带宽，IP摄像机发送的视频流是经过压缩编码的，播放时需要进行解码。大多数情况下，在工作站上调用视频图像时，由于受工作站显示器以及个人观察范围的限制，需要同时播放视频的数量通常不会超过9路，工作站的CPU和显卡的视频解码能力通常能满足要求。当需要在大屏幕或显示墙上进行显示时，需要解码的视频数量就会大大增加，或者需要解码高分辨率的视频时，对系统的软硬件要求就比较高，这时可以配置的高性能的服务器或者专用解码器搭配显示墙专用控制器来实现。
5. 结语
总之，网络视频监控系统基于网络平台，采用模块式系统构架和分布式安全存储系统，系统扩容简单，使用方便，相对于模拟视频监控系统有巨大的优势。同时随着数字技术的不断发展，网络视频监控设备功能越来越强大、越来越成熟可靠。因此，从发展的角度而言，网络视频监控系统取代模拟视频监控系统仅仅是一个时间问题。
1 POE（Power Over Ethernet ）指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。
2 CIF（Common Intermediate Format）为常用的标准化图像格式，CIF分辨率=352×288，4CIF分辨率=702×576。
3D1为数字电视系统显示格式之一，D1分辨率=720×576。
4码流根据压缩格式及短期内图像变化程度不同而不同，此数据为MPEG-4或H.264压缩格式下参数。
关键词 视频监控系统 模拟视频监控 网络视频监控 IP-SAN
中图分类号：TN941.2
1. 引言
目前，在国内视频监控市场上，全模拟视频监控系统几乎被完全淘汰，数模混合视频监控系统成为主流（特别是其中的存储系统，95%以上已经数字化）。但是随着计算机技术、存储容量、视频编解码技术、宽带覆盖率及网络带宽的不断提高，网络视频监控系统在扩展性、清晰度方面相比数模混合视频监控系统存在较大优势，且能够解决数模混合视频监控系统的若干弊端，因此网络视频方案越来越为市场所接受，其代替传统模拟视频的趋势已经不可逆转。
2. 视频监控系统分类
目前，视频监控系统包括模拟视频监控系统、数模混合视频监控系统和网络视频监控系统。
模拟视频监控系统在20世纪90年代中期以前应用比较广泛，由模拟摄像机、模拟视频矩阵、监视器和磁带式录像机等模拟设备组成，其视频信号的传输、切换、存储都是模拟信号。模拟视频监控系统主要应用于小范围内的监控，受系统容量、安全性、可扩展性方面的限制，目前，模拟视频监控系统几乎被完全淘汰。
数模混合视频监控系统是随着数字视频压缩编码技术的发展而产生的，主要由模拟摄像机、模拟视频矩阵、编解码器、数字硬盘录像机等设备组成。其视频信号传输方式主要有两种：一种是前端模拟视频信号经视频传输线缆传输至安防中心，在安防中心经视频编码器编码成数字信号，存储在数字硬盘录像机或多媒体监控终端上；一种是前端模拟视频信号经视频编码器编码成数字信号后，通过网络进行远距离传输。目前，数模混合视频监控系统在一些小型的、要求比较简单的场所使用比较广泛。
网络视频监控系统以网络为平台，以IP地址来标识所有的监控设备，采用TCP/IP协议来进行图像、语音和数据的传输、切换，真正实现了远程综合监控系统。
3. 三种监控系统的技术对比分析
模拟视频监控系统、数模混合监控系统、网络视频监控系统在技术上各有优势，下面从监控系统的稳定性、容量、接入方式、储存方式五个方面对三种视频监控系统进行对比分析，具体见表1。
表1 三种监控系统的技术性能对比表
技术类型
模拟视频监控系统
数模混合视频监控
系统
网络视频监控
系统
系统稳定性
* 技术成熟、工作稳定。
* 技术成熟、工作稳定。
* 技术比较成熟、工作稳定，可以采取多种冗余措施。
系统安全性
* 完全模拟信号传输，无任何防护；
* 登陆无认证功能。
* 模拟部分与模拟系统完全相同；
* 数字部分传输数据通常无安全措施，部分数字硬件设置有登陆权限。
* 可采用数字加密、防火墙或网闸、网络审计等措施，当独立成局域网时，安全性有较大提高；
系统容量
* 适合小型化本地监控；
* 监控点增加时需再配中心设备（矩阵）。
* 适合中小型规模、有一定网络需求的小范围监控；
* 通过少量级联来扩大监控规模。
* 适合大规模、有远程访问需求的大型监控系统。
* 支持多级级联，方便管理。
接入方式
* 基本不涉及网络，通过模拟视频线直接连接，方式单一。
* 小型化局域网内使用，局域网内副控主机接受广播码流浏览图像。
* 所有设备均可通过LAN、WAN、光纤、ADSL等多种线路方式接入平台；
存储方式
* 存储介质为模拟磁带；
* 无法长时间连续录像，检索回放复杂、磁带存放空间大、环境要求高等。
* 存储介质为普通PC硬盘，传输带宽要求较高；
* 支持长时间连续录像，检索回放简便。
* 使用超大容量磁盘阵列设备；可以采用多种数据冗余方式，可选高压缩率编码方式。理论上容量可无上限；
* 支持远程回放及下载录像文件。操作简单、方便，界面友好。
综合来看，网络视频监控系统具有系统构架模块化，扩展简单、使用方便等方面的优势。
4. 网络视频监控系统
网络视频监控系统主要由为视频源、传输系统、存储系统、显示及控制系统四大部分组成，但这四个部分所传输、处理的信号均为网络数字信号。由于各部分功能均实现了数字化传输，借助于网络的开放性、便捷性，整个系统的接入变得更为简单，四大部分的功能相对于模拟系统均有了较大的提高。
4.1. 视频源
网络视频监控系统视频源主要由各种IP摄像机组成。IP摄像机内置视频编码设备，可直接将模拟视频信号编码成数字视频信号，并进行视频压缩和IP封装，然后利用IP网络来传输数字视频信号和控制信号。
IP摄像机除了具有视频编码功能外，还具有许多衍生功能，包括外接模拟音频信号、视频判断及报警智能分析等功能。这些衍生功能传输的信号也和基本的视频信号一起，可以通过同一路数字信号进行传输。
此外，摄像机的功率越来越小，使得某些IP摄像机具备了以太网供电（POE1）的可能，搭配适当的支持POE供电的网络交换设备，每台IP摄像机只需要布一根网线，就能实现视频信号和控制信号的传输以及供电三个功能，大大降低了系统布线、安装的费用。 4.2. 传输系统
网络视频监控系统传输系统主要由各种交换机、路由器及各种传输线缆组成，用于传送、交换视频和控制信号，是信号传输的高速公路。传输系统的带宽、稳定性等对于整个视频监控系统非常重要。
单个IP摄像机以4CIF2或D13分辨率、25帧/s进行显示或存储（与模拟视频传输时最高实现480线隔行扫描时的清晰度相当）时，其经过压缩后的码流最高通常也只有2Mb/s4，即便是高清（1080p）摄像机其压缩后的码流最高通常也不超过20Mb/s，普通的10/100Mbps自适应以太网端口完全能够胜任其数据流的传输。
除了需要考虑单个接入端口的带宽，系统的整个带宽也非常重要。在很多情况下，同一个网络交换设备接入很多视频源，这些视频源的数据通过该网络交换设备传输到其它网络存储设备进行存储，或者接受多个客户端的调用。此时，不仅需要考虑网络交换设备背板的带宽必须大于所有端口都满负荷运转时的总带宽，而且交换设备之间的互联所使用的上行链路端口的带宽也需要满足要求。
另外，还需要尽量避免将大量数据流汇集到一个局部范围，否则，会对这个区域的网络交换设备带来很大的压力（例如，只使用一台网络存储设备进行视频存储时，所有的视频数据都需要汇集到存储设备所在的端口）。但是，随着存储局域网络的发展，视频存储设备可以分散布设，这样就可以将大量的用于存储的带宽分散到不同的区域内，很大程度上缓解了总带宽的压力。这样做不仅降低了对整个网络系统的性能要求，而且有利于提供整个系统的可靠性。
4.3. 存储系统
网络视频监控系统中的存储系统由各种数字存储设备构成，主要包括两种视频存储方案：一种为基于网络硬盘录像机（简称NVR）的存储方案、一种为基于存储局域网络的存储方案。
4.3.1. 基于NVR的存储方案
NVR是专门设计用来存储数字视频数据的设备。NVR直接从网络上接收数字视频信号后进行本机内存储。与模拟硬盘录像机（DVR）相比，NVR接入的视频信号的数量不受前端输入端口数量的限制，而是受系统运算能力、网络带宽、存储空间的限制，其单台设备的接入能力有了较大的提高。同时，借助于网络和软件，NVR可以布设在网络任何区域，还可以轻松的调整其接收的数据的对象，设置存储的各项参数，而不用对物理传输链路进行任何的改变。这不仅对于系统构架布置有好处，而且对系统可靠性、易维护性也是有利的。例如，当其中某台网络硬盘录像机发生故障后，可以立即通过网络将原来分配给它的视频信号分配给其他网络硬盘录像机，而完全不用对设备、电缆进行任何改动。
4.3.2. 基于存储局域网络的存储方案
基于存储局域网络方案最初用于网络的通用数据存储。其特征是使用通用于各种数据存储的网络磁盘阵列在网络上形成一个存储局域网络（可以是SAN、NAS或其他多种形式），通过专用软件对整个存储局域网络进配置、管理。在这种视频存储方案中，存储局域网络设备构成一个巨大的存储池，在管理服务器的管理下，所有网络设备均可以访问存储池，并对其内部存储数据的存储和调用（网络视频数据本质上是网络数据的一种）。但是在进行系统构建时，必须充分考虑视频数据流的各项需求与普通网络数据流之间存在的差异，从而进行针对性的配置，才能保证整个方案的可靠性。总体来说，这种存储方案具有可靠性高、接入能力强、存储容量大、使用管理简单等优点。
最近几年，随着数字技术不断发展，这两种技术相互吸收对方的优点，其界限已经逐渐模糊的同时，其功能也日趋强大。部分NVR在保留了原有IP视频接入与管理功能的同时，使用了磁盘阵列的硬件架构，或者其存储部分直接兼容存储局域网络功能，使得其同时具有NVR的监控视频专业管理和磁盘阵列的高可靠、大容量的优点。将来这种方案很可能成为最优秀的数字视频存储方案。
4.4. 显示及控制系统
显示及控制系统主要由管理工作站、管理服务器、管理软件、显示器或显示墙等组成。其中，管理软件是其核心，视频切换与显示、摄像机动作控制、视频存储管理三大功能都通过软件的功能来实现，管理工作站或服务器是软件稳定、快速运行的基础，显示设备则起最终显示作用。
从显示及控制系统端向外看，所有的IP摄像机、存储设备都相当于提供实时视频点播的网络视频设备。当显示及控制系统需要调用视频进行显示时，管理软件通过IP网络点播这些设备提供的实时或者存储的视频图像即可。当显示及控制系统需要控制摄像机进行指定的操作或者对存储系统进行管理时，则通过软件接口，将操作指令通过数据包传输给他们就可完成。
随着软件技术的高速发展，管理软件除了具有视频点播、通讯等基本功能外，还具有许多新的功能，例如将摄像机在电子地图上按实际位置进行布置，在电子地图上点击任意摄像机即时调出其当前图像，在需要时将任意数量的画面按需要进行组合、放大等等。
但是，强大的软件通常都需要硬件的支持。通常情况下，为了节省带宽，IP摄像机发送的视频流是经过压缩编码的，播放时需要进行解码。大多数情况下，在工作站上调用视频图像时，由于受工作站显示器以及个人观察范围的限制，需要同时播放视频的数量通常不会超过9路，工作站的CPU和显卡的视频解码能力通常能满足要求。当需要在大屏幕或显示墙上进行显示时，需要解码的视频数量就会大大增加，或者需要解码高分辨率的视频时，对系统的软硬件要求就比较高，这时可以配置的高性能的服务器或者专用解码器搭配显示墙专用控制器来实现。
5. 结语
总之，网络视频监控系统基于网络平台，采用模块式系统构架和分布式安全存储系统，系统扩容简单，使用方便，相对于模拟视频监控系统有巨大的优势。同时随着数字技术的不断发展，网络视频监控设备功能越来越强大、越来越成熟可靠。因此，从发展的角度而言，网络视频监控系统取代模拟视频监控系统仅仅是一个时间问题。
1 POE（Power Over Ethernet ）指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。
2 CIF（Common Intermediate Format）为常用的标准化图像格式，CIF分辨率=352×288，4CIF分辨率=702×576。
3D1为数字电视系统显示格式之一，D1分辨率=720×576。
4码流根据压缩格式及短期内图像变化程度不同而不同，此数据为MPEG-4或H.264压缩格式下参数。