视频监控系统设计原理Word下载.docx
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“看得更清晰”是视频监控始终不变的追求。
看，要求视频实时性好，图像清晰度高。
图像效果能达到动态图像清晰流畅，静态图像清晰鲜明。
监控质量主要用清晰度衡量，影响监控质量的关键指标是：
图像采集清晰度、图像编码分辨率、显示分辨率。
图像采集清晰度，是获取高质量输出图像的前提和基础，指前端视频采集设备采集的视频源的清晰度，反映了视频源图像的精细程度，清晰度越高，图像越细致。
主要的图像采集设备是摄像机，常见的采集清晰度按TVL（电视线）划分有480线、540线、600线、700线、750线、1000线等。
图像编码分辨率，是编码设备的重要参数。
“更清晰”也需要后端解码存储设备的支持，选用与采集清晰度相匹配的编码分辨率才能更好地保留视频的细节信息，更好地体现采集图像的效果。
如DVR的分辨率为D1，一般为720*576（PAL制），有效像素约为40万，主要对应于540线的模拟相机，而700线相机的有效像素可以达到57万，采用D1编码，会白白损失大量的图像细节信息，高清的视频源只能达到标清的效果，这是对于视频资源的极大浪费；
而采用960HDVR的录像效果可以更好的保留700线摄像机的图像效果。
目前采用D1视频分辨率的视频监控系统越来越少，720P、1080P等高清分辨率正在成为市场上的主流，相比DVR+模拟摄像机，NVR+IPC的组网方式可以带给用户高质量、多细节、大场景的视频效果。
主要的图像编码设备有IPC、DVR、视频编码器等，选择高清晰的视频采集设备必须要注意与网络、存储相配套，一般而言，若想呈现更好的图像效果，清晰度越高需要的网络带宽越大，需要的存储空间越多，相应的监控系统建设成本就越高。
7.1.2视频传输系统需求分析
市场上主流的视频监控解决方案均为基于IP网络的，而IP网络属于分组交换，不同带宽的建设成本不同，在设计视频监控系统承载网络时，需要根据流量模型，合理规划网络带宽，节约整个系统的建设成本。
前端摄像机/编码器，将有实况数据流流向解码器或媒体转发服务器；
将有存储视频流流向存储设备；
视频管理服务器有控制信令流向前端摄像机/编码器，该部分流量可以忽略不计。
媒体转发服务器将会是数据流量的聚集地，需要放置在网络的核心层，同时应考虑最大多少路视频流同时经过媒体转发服务器，并留有一定冗余带宽。
存储设备也是数据流量的聚集地，一方面同时有N路视频流写入，还会有若干路视频流的读出，一般情况下，写入的数据量要大于读出的数据量。
视频解码端是容易被忽略的网络拥塞点，尤其是采用客户端解码的方式，一般而言，解码时有几路窗格就有几路码流从IPC/编码器或媒体转发服务器流向客户端的计算机，当在监控中心同时有若干个客户端和若干个解码器同时工作时，需要计算机承载网络的带宽会不会出现瓶颈。
其余的数据传输，如模拟摄像机到编码器、解码器到显示器等，此类传输为专线专用，只要接口正确，线缆质量及长度在允许范围内，都可以正常使用，较少出现故障。
7.1.3数据存储系统需求分析
视频数据的存储要求能够实现对视频数据的可靠存储，在必要的时候，能够实现对录像的可靠备份；
视频录像的查询要求能够方便快速地查询到精确的结果；
视频录像的回放要求回放录像清晰流畅。
清晰的录像，需要清晰的视频采集源、视频编码分辨率来保障。
存储作为事后取证的重要依据，对其可靠性的要求不言而喻，存储可靠性主要取决于存储磁盘、阵列、存储控制器的性能和可靠性。
对于大容量的存储，流畅的回放录像还需要提供充足、稳定的传输带宽。
由于视频监控系统的录像需求一般都是7*24小时不间断，而硬盘在长时间不间断运行1-3年后，可靠性会急剧下降，所以针对大中型视频监控系统的存储一定要有容错机制。
重要的点位录像，如金库、危险品库等，还需要更高等级的存储容错机制，避免出现故障时丢失视频数据。
7.1.4视频显示系统需求分析
显示分辨率，是保证图像最终清晰输出的重要参数。
显示设备尺寸有大有小、支持的分辨率也很多，选择显示设备的最佳分辨率与输入信号分辨率相匹配，能达到更好的图像还原效果。
比如，当液晶显示器呈现低于最佳分辨率的画面时，有两种方式进行显示。
第一种为居中显示：
例如在XGA（1024×
768）的屏幕上显示SVGA（800×
600）的画面时，只有屏幕居中的800×
600个像素被呈现出来，其它没有被呈现出来的像素则维持黑暗。
第二种是更常用的扩展显示：
各像素点通过差动算法扩充到相邻像素点显示，从而使整个画面被充满，这样也使画面失去原来的清晰度和真实的色彩。
反之，当液晶显示器呈现高于最佳分辨率的画面时，也有两种显示方法。
第一种是局部显示：
即屏幕的像素有多少就显示多少像素，这时只能看到图片的某一部分。
第二种是：
在屏幕内显示完整的图像，这时图片的像素会被压缩，如2560X1600的图片会删去一部分像素，以1920X1080的分辨率来显示。
常见的显示设备有LCD液晶显示器、等离子显示器等，显示分辨率按电脑标准分辨率分为：
XGA（1024×
768）、WXGA（1280×
768）、SXGA（1280×
1024）等；
按模拟电视标准分辨率分为：
EDTV480P（704×
480）、D-1PAL（720×
576）、HDTV720P（1280×
720）、HDTV1080i（1920×
1080）等。
一般，19寸普屏（5:
4）液晶显示器的最佳分辨率是1280×
1024；
19寸宽屏（16:
10）液晶显示器的最佳分辨率为1440×
900；
21寸的普屏最佳分辨率为：
1600×
1200；
22寸宽屏最佳分辨率为：
1680×
1050，24寸宽屏最佳分辨率为：
1920*1200。
7.1.5视频管理系统需求分析
管理控制是多方面的，一方面是对实时图像的切换和控制，要求控制灵活，响应迅速。
另一方面是对异常情况的快速告警或联动反应。
由于现在摄像机的规模越来越大，存储数据量越来越大，还要求系统操作、管理数据、获取有效信息上的便捷性。
系统的运维管理，包括配置和业务操作、故障维护、信息查找等方面的内容。
系统运维管理要求操作简单、符合客户使用习惯、自动化程度高，同时兼顾系统信息数据安全。
控制和管理各方面的要求，主要取决于管理平台的性能、功能。
若使用终端控制台，如PC机远程操作、控制，由于解码图像将大量消耗CPU资源，则终端控制台的硬件配置高低也会对整体的操作体验有一定的影响。
在大型视频监控系统组网中，还应考虑在海量视频数据中，是否需要应用如人脸识别、人数统计、车辆识别、视频浓缩等人工智能技术，把安保人员从繁重的重复劳动中释放出来，增强系统的有效性。
7.2视频监控系统架构设计
视频监控系统的设计没有固定的公式，需要根据项目的具体情况进行分析、选择、配置合适的系统。
一般而言，由客户提出具体的需求，如多少点位、什么样的清晰度、多久的存储时间、什么样的业务功能等，再结合客户的预算，选择合适的产品及架构，最大限度地发挥其效能。
DVR架构：
在客户预算极其有限，并且在相对较小的场合，点位不多的情况下采用，该架构已趋于市场淘汰阶段，一般不建议采用。
NVR架构：
NVR架构是目前中小型视频监控组网的首选，综合考虑系统扩容、业务变更等因素，不建议未来超过512摄像机点位的系统采用NVR。
IPC是部署NVR的前提，NVR不能与模拟摄像机配合使用，稳定可靠并且有充足网络带宽的网络资源是部署NVR的先决条件。
NVR的存储空间和不同级别的数据冗余方式，需要在设计时考虑。
重要场景的应用，NVR还有N+1或集群的冗余机制，实现高可靠性。
视频管理平台架构：
中型视频监控系统基于视频管理平台，也有采用将视频管理服务模块、存储数据管理模块、媒体转发模块集为一体大型视频监控系统中，往往将各个模块分布式部署，避免出现单点故障影响整个系统。
例如宇视科技的视频监控系统，采用NGN架构（NextGenerationNetwork，下一代网络），将视频管理模块与存储模块相分离，当视频管理模块故障后，并不影响视频数据的存储，避免了重要数据丢失。
在大中型视频监控系统中，不仅仅要关注传统的视频监控业务，还需要根据业务需求，设计与不同系统的对接应用，每个行业有各自的应用特点，这是在设计架构时容易被忽略的地方。
7.3视频监控系统设计及选型
7.3.1音视频采集系统设计及选型
图7-1
7.3.2视频显示系统设计及选型
视频显示系统一般用于门岗、监控分中心及监控控制中心三个典型场景。
门岗的应用较为简单，图像显示业务是出入口控制端或者是附近出入口及边界的视频监控实时图像。
在该应用场景下，显示系统大多为CRT或LED显示器，配合计算机、云终端、NVR、DVR等显示输出设备使用。
在产品选型时，需要注意选择与前端显示匹配的分辨率，以及与显示输出设备配套的视频接口。
监控分中心在平安城市的区级公安分局或是大型工业园区里配置，是通过实时视频图像完成就近指挥调度的地方，在视频显示方面没有特别之处，甚至可以参照监控中心的配置进行建设，相对而言，视频显示单元的数量略少。
监控控制中心是整个系统中人机交互最多的地方，大量的实况监视、录像回放等都是在监控控制中心完成的，视频显示系统常见的组成有解码器、电视墙、控制计算机、控制键盘等。
由于现在摄像机越来越多，作为整个系统核心的监控控制中心，应该尽可能的将关键点位的摄像机实况图像显示出来，所以拼接大屏得到越来越多的应用。
拼接大屏主要由多个显示单元及图像控制器构成，可用于一个画面全屏幕显示或多个画面多个窗口显示。
输入原始信号可以是解码器、计算机信号等，通过图像处理器分配到拼接屏。
拼接屏的每块屏都可以显示一个完整的视频源图像，也可以几块屏合起来作为一个显示单元显示图像。
图像处理器可以实现电视墙的布局调整、窗口调用、矩阵切换等功能。
常见的拼接屏为LCD屏，拼接方式为2×
2，3×
2等，前一位数字代表横排有几块拼接屏单元，后一位数字代表竖排有几块拼接屏单元。
整个拼接大屏系统的控制核心在图像处理器，由它来控制大屏上显示的内容。
7.3.3视频传输系统设计及选型
（1）视频监控承载网业务需求
视频监控的数据流量具有突发性，而网络拥塞将对实况监控画面产生影响，所以在设计视频监控的承载网络时，必须考虑突发的实况、回放数据引起网络拥塞：
●视频码流微观上看不是均匀的；
●接入交换机下的多个前端设备容易造成上行口拥塞；
●在考虑接入交换机的带宽时，需要同时考虑24小时存储流，正常的实况流以及是否会有突发的实况流；
●汇聚层交换机需要考虑接入层交换机的总带宽；
由于单路视频的分辨率逐渐由标清向高清转变，对于传输的码率要求也逐渐在提高，普通的标清SD图像一般需要2~4Mbps码率承载传输，高清HD图像一般需要4~8Mbps承载，并且随着接入的前端图像数量越来越多，对于交换机的接入背板带宽需要与之相对应地有所增大；
同时对于多媒体数据来说，当图像中运动景像较多时，编码后数据量会突发较大，因此对于一个接入交换机来说还需要考虑码率突发对接入缓存的影响。
一般来说，一个普通的百兆接入交换机在接入摄像机路数的时候不能按满载接入进行设计。
容易产生网络拥塞的地方在接入交换机和汇聚交换机的上行口、解码设备接入交换机的上行口、交换机之间互连用百兆接口，存储设备、数据管理服务器及媒体分发服务器用百兆接口接入，这些都是容易造成网络瓶颈，在设计的时候尤为注意。
视频实时数据报文经过编码压缩后在网络上传输，若网络丢包造成数据报文的丢失，会带来大量的原始视频信息丢失，在还原视频图像时，用户就能感觉到明显的质量损伤。
视频存储数据一般又要求可查证、可追溯，对可靠性要求高，网络的震荡、故障乃至中断都对业务可用性、数据可靠性造成威胁。
视频业务的这种特点对IP承载网络提出了高可靠性要求，IP承载网络需要在报文传输保障、故障恢复时间的保障上有更高的标准。
根据公安部标准T.669要求，监控传输网络对网络延时、抖动值、丢包率以及误包率都有一个行业的监控应用标准。
基于交换机的硬件交换，可以控制数据包的转发速率、丢包率以及码率传输的误码率在较低的范围，能够满足监控业务的使用。
但是出于目前网络中业务应用复杂性以及本身网络的安全方面因素考虑，监控网络的故障要求能够迅速恢复，则需要结合网络中比较成熟的高可靠性冗余备份技术进行保障，比如交换网络中的VRRP、RRPP、SmartLink等。
对于视频内容本身影响的视频质量，主要有以下3个方面：
块化：
由于低码流速率和低质量的压缩算法造成的损伤，表现为可明显看到画面的分格化、色块以及色彩过渡不均。
模糊：
由于片源编码压缩降低了分辨率而造成的损伤，表现为画面模糊、不锐利、缩小画面后有好转。
闪动：
由于不合适的采样频率造成的损伤，表现为跳帧。
比如在有荧光灯的室内，若采样频率不对，则摄像机画面会出现闪动现象。
网络质量对视频图像的质量有致命的影响，通常传输实况采用UDP协议，在丢包率低的情况下，可以尝试改用TCP协议传输实时视频，通过TCP协议重传机制，减少丢包造成的影响。
IP视频监控系统容易发生由于网络拥塞造成的图像卡顿等异常，所以在设计视频监控系统时需要了解清楚视频数据流量模型，视频数据的汇聚点在哪里，规划好带宽，避免出现网络瓶颈。
摄像机24小时发送一路存储流，在有需要的时候至少发送一路实况流，如果有媒体分发服务器，则由媒体分发服务器进行实况流的复制分发。
存储设备用于接收前端的存储码流，是一个数据的汇聚点，需要用千兆接入；
监控中心的WEB客户端（软解码）及硬解码用于接收实况码流，尤其是WEB客户端（软解码），每一个窗格就是一路实况码流，假设实况采用4M，那么16个窗格解码就会产生64M码流的流量，所以需要考虑解码时所需要的最大带宽。
在设计网络时，需要注意前端摄像机接入交换机的汇聚节点，存储、存储管理服务器、媒体分发服务器的汇聚节点，软硬解码的汇聚节点，这三个地方都容易产生网络拥塞。
（2）视频监控承载网拓扑结构及设备选型
中小型视频监控系统的网络拓扑多采用接入层、汇聚/核心层两层结构，大中型视频监控系统采用接入层、汇聚层、核心层三层网络结构。
核心层：
主要功能是数据流量的高速交换，充分考虑链路备份和流量的负载分担。
汇聚层：
主要功能是完成接入层数据流量的汇聚，实现三层和多层的交换。
接入层：
主要功能是提供独立的网络带宽，划分广播域，基于MAC层的访问控制和过滤。
在监控网络中，摄像机等终端设备通常和接入层设备连接，所以接入层需要实现尽可能高的带宽和端口。
接入层交换机的选择：
接入层交换机主要下联前端网络高清摄像机，上联汇聚交换机。
以1080P网络摄像机4M码流计算，一个百兆口接入交换机最大可以接入几路1080P网络摄像机呢？
常用的交换机的实际带宽是理论值的50%-70%，所以一个百兆口的实际带宽在50M-70M。
4M*12=48M，因此建议一台百兆接入交换机最大接入12台1080P网络摄像机。
同时考虑目前网络监控采用动态编码方式，摄像机码流峰值可能会超过4M带宽，同时考虑带宽冗余设计，因此一台百兆接入交换机控制在8台以内时最好的，超过8台建议采用千兆口。
汇聚/核心层交换机的选择：
小型监控组网中，汇聚与核心层合并在一起，汇聚层交换机性能比接入交换机要求要高，主要下联接入层交换机，上联监控中心视频监控平台，存储服务器，数字矩阵等设备，是整个高清网络监控系统的核心。
在选择核心交换机时必须考虑整个系统的带宽容量及带宽分配，否则会导致视频画面无法流畅显示。
因此监控中心建议选择全千兆口核心交换机。
如点位较多，需划分VLAN，还应选择三层全千兆口核心交换机，摄像机数量超过150台大型监控系统应考虑三层万兆交换机。
承载平安城市系统的是标准三层大中型数据通信网络，除了传统的接入层、汇聚层、核心层三层网络设计外，结合视频监控系统流量模型，需要考虑接入带宽需求；
接入方式多样性需求；
接入流量突发需求；
组播需求；
核心网络冗余备份需求。
（3）视频监控承载网网络接入技术
大型视频监控系统的承载网络，重点要满足汇聚接入层接入方式，常见的有电口、光纤、EPON、WIFI等，其次是接入层交换机的带宽需求，上行带宽能够满足存储及并发实况的需求，在设计汇聚层网络时，要有冗余带宽，避免产生网络瓶颈。
在汇聚层与核心层，可以综合考虑视频监控系统的重要性，设计双机或双核心双链路备份。
在网络带宽成本高的情况下，尤其是监控范围很广的情况下，可以考虑采用组播的方式接入前端，选择交换机时需要选择拥有组播功能的设备，并且是所有涉及交换机。
核心层网络关注的重点在高性能和高可靠性，实现视频监控系统服务器、存储设备的高速接入，构建统一的数据交换中心、安全控制中心与网络管理中心。
核心层网络设备，一般选择千兆或万兆核心的交换机，主要看承载的视频监控系统的规模大小。
当解码器和视频管理客户端通过单播接收实时视频图像时，只需要将解码器和视频管理客户端连接至交换机，同时保证视频码流带宽满足要求。
当解码器和视频管理客户端需要组播接收实时视频图像时，监控网络中的交换机必须支持组播功能。
三层交换机需要支持IGMP、PIM-SM协议，二层交换机需要支持IGMPSnooping以及未知组播丢弃，防止组播报文在二层广播发送。
存储通常使用单千兆链路或双千兆链路聚合方式与网络相连，以满足实时存储和点播对高带宽的需求。
数据管理服务器若需要转发流量，对带宽要求较高，通过千兆网口接入网络。
若只是负责管理，如视频管理服务器，对带宽的要求较低，可以采用10/100M以太网口接入。
视频监控系统中，接入视频\图片码流转发的服务器，都建议采用千兆端口接入，避免产生网络瓶颈。
图7-2
在商店、超市等超小型局点，一般采用以太网、POE、WIFI无线接入，这类局点对价格敏感度高，点位数量相对较少，所需要监控的面积相对也较小，采用POE技术接入可以简化布线。
在楼宇、园区这类中小型局点，除了以太网、POE、WIFI等，超过100米还可以考虑使用多模光纤或是EPON技术接入。
在园区里，使用EPON接入技术，是相对性价比较高的一种方式。
在城域范围内搭建的视频监控系统，以电口接入为主，辅助采用光纤、EPON接入方式，若要考虑数据安全，则采用EPON技术是比较好的选择。
跨城域的视频监控系统承载网，线路成本是不可忽视的因素，所以采用因特网传输数据的方式比较多见，但是通过公网传输，一方面传输质量无法保证，会导致观看实况出现卡顿等情况；
另一方面数据的安全性无法保证，视频图像可能会被人窃取。
跨广域网络视频监控系统多用于平台与平台之间的对接，需要在设计时考虑实况、调用录像时所需要的带宽。
EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork），无源光网络，通过单纤双向传输方式，实现视频、语音和数据等业务的综合接入。
EPON采用非对称式点到多点结构，中心端设备OLT（OpticalLineTerminal，光线路终端）既是一个交换路由设备，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON接口）。
OLT与多个接入端设备ONU（OpticalNetworkUnit，光网络单元）通过POS（PassiveOpticalSplitter，无源分光器）连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为2、4、8、16、32，并可以多级连接。
EPON采用WDM（波分复用技术，属多路复用的一种）技术和TDM（时分复用技术），上下行采用不同的波长传输数据，上行波长为1310nm，下行波长为1490nm。
EPON消除了局端与用户端之间的有源设备，因而避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节省了维护成本。
EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，大量减少了光纤及光收发器数量。
EPON目前可以提供上下行对称的1Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps，保证了高清视频监控的高带宽需求。
EPON提供端到端的安全保障机制，杜绝了外界的非法入侵和攻击。
在园区监控、路监控环境中EPON接入被广泛采用。
（4）视频监控公网接入技术
监控的应用逐渐由孤立的小局域网向广域网联网监控发展，如教育行业联网视频监控、加盟连锁店铺联网监控。
联网监控一般有如下特点：
●两级架构：
场所分控、中心监管。
●场所分控：
录像前端存储（DVR/NVR）。
●中心监管：
业务监管，业务以实况、录像调阅和告警联动为主。
●弱管理：
数据在本地场所局域网内集中，网间流量小。
●场所众多：
各场所自建联网终端，同时有访问因特网或者OA办公需求。
●网络低廉：
成本控制紧，基于广域网构建承载网络。
●双NAT穿越：
集团数据中心NAT，场所NAT。
广域场所联网中的集团数据中心和监控中心对于安全有较高的要求，不可能将服务器直接暴露在公网上。
通常使用NAT技术构建安全的企业内网，通过防火墙与广域网隔离，并使用专线的方式接入广域网。
联网的各个场所通常使用ADSL、VDSL、FTTx等方式接入广域网，本地部署NAT实现多台设备、PC同时上网。
在广域网接入方案中，通常最先想到的就是基本的NAT端口映射，即在私有网络地址和外部网络地址之间建立“地址＋端口”映射关系，通过开放信令端口、业务端口的方式实现穿越防火墙的互联互通。
但NAT端口映射存在很多限制，在复杂组网，如多重NAT组网环境下，就可能无法实现正常的监控业务。
而且监控业务涉及端口众多，使得维护工作量大，容易出错，不易用；
严重降低了NAT防火墙转发性能。
采用NAT端口映射方式，通常视频联网需要使用独立的广域网接入，会增加租用成本。
NAT通过改变IP报文中的源或目的IP/端口来实现，解决了IP地址不足的问题，隐藏并保护网络内部的计算机，有效避免来自网络外部的攻击。
NAT使IP会话的保持时效变短，依赖于NAT网关对会话的保活时间要求。
NAT将多个内部主机发出的连接复用到一个IP上，使依赖IP进行主机跟踪的机制都失效。
NAT破坏了IP端到端模型，对应用层数据载荷中的字段无能为力，使跨内外网通信的端口协商、地址协商、以及外网发起的通信困难。
所有数据面与控制面分离的通信协议都会面临这个问题：
FTP、SIP、RTSP、H323等。
NAT工作机制依赖于修改IP包头的信息，这会妨碍一些安全协议的
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