论文部分内容阅读
摘要:随着计算机网络技术的发展，视频监控技术也得到不断改善，向着高清方向发展，并开始进入智能建筑领域当中。本文对高清视频监控系统的摄像机及视频编码进行介绍，并阐述了高清视频监控系统在智能建筑中的运用，探讨了在智能建筑领域高清视频监控的建设方案及关键技术，可供参考。
关键词:高清视频监控；摄像机；视频编码；综合布线系统；传输；存储模式
中图分类号：TN941.2 文献标识码：A 文章编号：
近年来，随着我国经济的高速发展，建筑物智能化程度随着科学技术的发展而逐步提高。如今网络化程度不断提高的视频监控系统对于智能建筑的打造更是给力。不仅方便了智能建筑各子系统的对接，而且能对建筑提供多地远程实时监控，大大减少了以往建筑管理上的人员冗余。同时，智能建筑监控系统采用高清网络视频监控系统越来越普及。
1 高清摄像机
图像是否为高清(HDTV)，定义各不相同。根据国际电信联盟(ITU)关于SDTV、HDTV、UHDTV的相关技术规范(摘要)的定义，高清图像显示比例宽屏模式为16:9，至少能够解析1080i，即分辨率1920*1080的数字信号。按照CCIR国际无线电咨询委员会的定义，HDTV的图像比例是16:9，一个正常视力的观看者在屏幕高度三倍的距离观看时，图像应是透明的并具有和真实物体基本接近的图像效果。
目前，在高清视频领域的图像格式有三种，分别是720p，1080i和1080p。其中的i是interlace,代表隔行扫描，p是progressive,代表逐行扫描。
日常人们更习惯于采用像素的概念来表示摄像机的清晰度，比如720P即1280*720分辨率只能达到92.16万，约等于百万像素；1080P则是1920*1080，像素值达到了207万。720P和1080P可以分别叫做百万像素和200万像素高清摄像机。目前，安防行业的高清摄像机已经由分辨率为720P和1080P两种格式向主流的2560*1920即500万像素的方向发展趋势。
感光器件是摄像机最为核心的器件，图像传感器有CMOS和CCD两种模式。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，CMOS电路几乎没有静态电量消耗，这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热，如果能够很好地抑制暗电流则问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现噪点。
现在最为广泛使用的是CCD，CCD长期以来都在市场上占有主导地位，进入高清监控时代以后，CMOS逐渐被人们所认识。CCD的特点是灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。
2 高清视频编码
视频编码方式是高清网络摄像机的一项关键技术，它决定了所传输视频的图像质量以及需要的网络带宽。视频编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC开发。目前的高清网络摄像机视频编码标准主要有MJPEG和H.264两种。
MJPEG(MotionJPEG)是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术，它只对单独的某一帧进行压缩，而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化。通过此压缩技术可获取清晰度很高的视频图像，而且可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数，并且压缩后的画面还可任意剪接。它的缺陷是丢帧现象严重、实时性差，在保证每路都必须是高清晰的前提下，很难完成实时压缩，而且压缩效率低，传输带宽和存储空间占用大。
H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT联合视频工作组制定的新一代视频编码标准，用来实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。H.264不仅比MJPEG节约了80％以上的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。
H.264引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输，支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264可以在更低的带宽下实现720p、1080i/p的广播级高清视频分辨率。
尽管MJPEG能够获得比较好的单幅图像质量，但由于它在运动性、带宽占用以及存储空间占用方面均有致命缺陷，高清网络摄像机未来必然以H.264为主。
3 在智能建筑中的应用
随着计算机网络的普及，对于现代的建筑设计，尤其是办公楼与厂房的弱电设计，采用结构化综合布线系统已成为共识。
智能建筑管理系统将建筑物内的电力、照明、空调、给排水、防火、安防、车库管理、OA办公自动化等设备或系统以集中监视、控制和管理为目的，构成综合管理平台，而综合布线系统正是智能建筑内部各系统之间、内部系统与外界进行信息交换的硬件基础。
综合布线系统英文为Premises Distributed System(简称PDS)，综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。通过它可使话音设备、数据设备、交换设备及各种控制设备与信息管理系统连接起来，同时也使这些设备与外部通信。
1.与高清视频信号传输相关的综合布线系统分级
根据综合布线系统所要满足不同业务的使用要求，可将其划分为不同的应用级别。不同的应用级别有不同的性能要求并应选用相应类别的线缆和连接硬件设备。我国现行的《综合布线系统工程设计规范》GB50311-2007中，对铜缆布线系统和光缆布线系统分别进行规定。
(1)综合布线系统铜线缆分级铜缆分为A、B、C、D、E、F6级，如表1所示。
表1 综合布线系統线缆的6级表
(2)光缆布线系统分级
国家标准将光缆布线系统分为OF-300、OF-500和OF-2000三个等级，对应支持的信道长度分别为300M、500M和2000M，不同等级的系统均可使用各种光纤，区别在于信道衰减指标不同。
表2 国际标准对光缆布线系统的分级
2.高清数字视频的传输
利用智能建筑中的结构化综合布线网络传输视频可以节约大量的人力和物力，但是同样受着网络带宽的约束，当摄像机数量较大时，如果网络带宽达不到要求，就会产生网络阻塞现象。
以目前基础的百万像素高清720P规格计算，采用标准H.264压缩算法的高清网络摄像机需要2Mbps才能获得高清效果，而采用1080P摄像机，所用带宽需4M以上。以100M以太网为例，在确保流畅的前提下，实际上同时只能承载10路左右的高清图像，但如果同一视频源有多个用户访问，占用的带宽会更大。
目前，大多新建的智能大厦综合布线系统采用光纤实现1000M带宽网络，这种千兆带宽网络资源，完全可以满足高清监控系统的需求。
3.高清监控系统在智能建筑中的结构
(1)高清监控系统结构图
真正的高清监控系统，不仅仅有了前端高清的摄像机就可以实现了，还需要从图像的编码、传输，储存及解码等各个环节的配合才能够称得上是一套高清监控系统。图1为典型的高清监控系统结构图。
图1 典型的高清监控系统结构图
(2)高清监控图像的存储模式
存储局域网络(Storage Area Network,SAN)是目前最为先进的海量数据存储架构。存储局域网络主要的目的是在存储装置之间或是存储装置与计算机系统之间进行数据的传输，给服务器集群提供集中式的共享的存储空间，使之便于管理，并且在向网络客户端和应用服务器提供高效可靠的数据存储服务的同时，对应用系统的运行效率和网速不会产生明显影响。
IPSAN是近些年来新兴的网络存储技术，它希望用TCP/IP以太网替代光纤通道网络。IPSAN的好处在于:使用以太网络，保护了用户现有的投资；以太网系统造价低；技术成熟，具有良好的兼容性。千兆以太网络的广泛使用，也使IPSAN的性能得到提高。总之，采用IPSAN存储网络，可以达到很好的兼容性和最高的性价比。
4 结论
综上所述，智能化是监控系统发展的必然趋势，高清网络监控系统具有高画质、准确、实时和信息内容丰富的特点，因此，采用高清网络摄像机后，对于提高整个监控系统的智能化起到了关键性的作用。同时高清网络监控系统作为一种防范能力较强的综合系统，无论是对建筑环境安全的管理，还是智能建筑各系统的集成都提供了技术支持。
参考文献
[1] 万云峰;周鸣.浅谈高清视频监控在智能建筑行业的应用[J].智能建筑电气技术,2011年5期
[2] 杨磊.整体理解高清视频监控系统的建设与应用[J].中国安防,2012年05期
关键词:高清视频监控；摄像机；视频编码；综合布线系统；传输；存储模式
中图分类号：TN941.2 文献标识码：A 文章编号：
近年来，随着我国经济的高速发展，建筑物智能化程度随着科学技术的发展而逐步提高。如今网络化程度不断提高的视频监控系统对于智能建筑的打造更是给力。不仅方便了智能建筑各子系统的对接，而且能对建筑提供多地远程实时监控，大大减少了以往建筑管理上的人员冗余。同时，智能建筑监控系统采用高清网络视频监控系统越来越普及。
1 高清摄像机
图像是否为高清(HDTV)，定义各不相同。根据国际电信联盟(ITU)关于SDTV、HDTV、UHDTV的相关技术规范(摘要)的定义，高清图像显示比例宽屏模式为16:9，至少能够解析1080i，即分辨率1920*1080的数字信号。按照CCIR国际无线电咨询委员会的定义，HDTV的图像比例是16:9，一个正常视力的观看者在屏幕高度三倍的距离观看时，图像应是透明的并具有和真实物体基本接近的图像效果。
目前，在高清视频领域的图像格式有三种，分别是720p，1080i和1080p。其中的i是interlace,代表隔行扫描，p是progressive,代表逐行扫描。
日常人们更习惯于采用像素的概念来表示摄像机的清晰度，比如720P即1280*720分辨率只能达到92.16万，约等于百万像素；1080P则是1920*1080，像素值达到了207万。720P和1080P可以分别叫做百万像素和200万像素高清摄像机。目前，安防行业的高清摄像机已经由分辨率为720P和1080P两种格式向主流的2560*1920即500万像素的方向发展趋势。
感光器件是摄像机最为核心的器件，图像传感器有CMOS和CCD两种模式。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，CMOS电路几乎没有静态电量消耗，这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热，如果能够很好地抑制暗电流则问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现噪点。
现在最为广泛使用的是CCD，CCD长期以来都在市场上占有主导地位，进入高清监控时代以后，CMOS逐渐被人们所认识。CCD的特点是灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。
2 高清视频编码
视频编码方式是高清网络摄像机的一项关键技术，它决定了所传输视频的图像质量以及需要的网络带宽。视频编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC开发。目前的高清网络摄像机视频编码标准主要有MJPEG和H.264两种。
MJPEG(MotionJPEG)是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术，它只对单独的某一帧进行压缩，而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化。通过此压缩技术可获取清晰度很高的视频图像，而且可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数，并且压缩后的画面还可任意剪接。它的缺陷是丢帧现象严重、实时性差，在保证每路都必须是高清晰的前提下，很难完成实时压缩，而且压缩效率低，传输带宽和存储空间占用大。
H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT联合视频工作组制定的新一代视频编码标准，用来实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。H.264不仅比MJPEG节约了80％以上的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。
H.264引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输，支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264可以在更低的带宽下实现720p、1080i/p的广播级高清视频分辨率。
尽管MJPEG能够获得比较好的单幅图像质量，但由于它在运动性、带宽占用以及存储空间占用方面均有致命缺陷，高清网络摄像机未来必然以H.264为主。
3 在智能建筑中的应用
随着计算机网络的普及，对于现代的建筑设计，尤其是办公楼与厂房的弱电设计，采用结构化综合布线系统已成为共识。
智能建筑管理系统将建筑物内的电力、照明、空调、给排水、防火、安防、车库管理、OA办公自动化等设备或系统以集中监视、控制和管理为目的，构成综合管理平台，而综合布线系统正是智能建筑内部各系统之间、内部系统与外界进行信息交换的硬件基础。
综合布线系统英文为Premises Distributed System(简称PDS)，综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。通过它可使话音设备、数据设备、交换设备及各种控制设备与信息管理系统连接起来，同时也使这些设备与外部通信。
1.与高清视频信号传输相关的综合布线系统分级
根据综合布线系统所要满足不同业务的使用要求，可将其划分为不同的应用级别。不同的应用级别有不同的性能要求并应选用相应类别的线缆和连接硬件设备。我国现行的《综合布线系统工程设计规范》GB50311-2007中，对铜缆布线系统和光缆布线系统分别进行规定。
(1)综合布线系统铜线缆分级铜缆分为A、B、C、D、E、F6级，如表1所示。
表1 综合布线系統线缆的6级表
(2)光缆布线系统分级
国家标准将光缆布线系统分为OF-300、OF-500和OF-2000三个等级，对应支持的信道长度分别为300M、500M和2000M，不同等级的系统均可使用各种光纤，区别在于信道衰减指标不同。
表2 国际标准对光缆布线系统的分级
2.高清数字视频的传输
利用智能建筑中的结构化综合布线网络传输视频可以节约大量的人力和物力，但是同样受着网络带宽的约束，当摄像机数量较大时，如果网络带宽达不到要求，就会产生网络阻塞现象。
以目前基础的百万像素高清720P规格计算，采用标准H.264压缩算法的高清网络摄像机需要2Mbps才能获得高清效果，而采用1080P摄像机，所用带宽需4M以上。以100M以太网为例，在确保流畅的前提下，实际上同时只能承载10路左右的高清图像，但如果同一视频源有多个用户访问，占用的带宽会更大。
目前，大多新建的智能大厦综合布线系统采用光纤实现1000M带宽网络，这种千兆带宽网络资源，完全可以满足高清监控系统的需求。
3.高清监控系统在智能建筑中的结构
(1)高清监控系统结构图
真正的高清监控系统，不仅仅有了前端高清的摄像机就可以实现了，还需要从图像的编码、传输，储存及解码等各个环节的配合才能够称得上是一套高清监控系统。图1为典型的高清监控系统结构图。
图1 典型的高清监控系统结构图
(2)高清监控图像的存储模式
存储局域网络(Storage Area Network,SAN)是目前最为先进的海量数据存储架构。存储局域网络主要的目的是在存储装置之间或是存储装置与计算机系统之间进行数据的传输，给服务器集群提供集中式的共享的存储空间，使之便于管理，并且在向网络客户端和应用服务器提供高效可靠的数据存储服务的同时，对应用系统的运行效率和网速不会产生明显影响。
IPSAN是近些年来新兴的网络存储技术，它希望用TCP/IP以太网替代光纤通道网络。IPSAN的好处在于:使用以太网络，保护了用户现有的投资；以太网系统造价低；技术成熟，具有良好的兼容性。千兆以太网络的广泛使用，也使IPSAN的性能得到提高。总之，采用IPSAN存储网络，可以达到很好的兼容性和最高的性价比。
4 结论
综上所述，智能化是监控系统发展的必然趋势，高清网络监控系统具有高画质、准确、实时和信息内容丰富的特点，因此，采用高清网络摄像机后，对于提高整个监控系统的智能化起到了关键性的作用。同时高清网络监控系统作为一种防范能力较强的综合系统，无论是对建筑环境安全的管理，还是智能建筑各系统的集成都提供了技术支持。
参考文献
[1] 万云峰;周鸣.浅谈高清视频监控在智能建筑行业的应用[J].智能建筑电气技术,2011年5期
[2] 杨磊.整体理解高清视频监控系统的建设与应用[J].中国安防,2012年05期