公共建筑數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

公共建筑數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1視頻監(jiān)控在公共建筑安全防范中的作用公共建筑是為社會上所有公民或一些公民開放的建筑，包括辦公樓、政府辦公樓、購物中心、銀行證券大樓、賓館酒店、娛樂場所、圖書館、學(xué)校、醫(yī)院、健身房、機(jī)場、車站、橋梁等。這些建筑具有面積大、人流量大，人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。在社會治安狀況日益復(fù)雜，群體性事件、惡性治安案件多發(fā)，特別是全球恐怖主義勢力活躍的當(dāng)今社會，公共建筑的安全防范工作變得非常重要。視頻監(jiān)控作為一種非常行之有效的安保手段，在公共建筑的安全防范工作中發(fā)揮著非常重要的作用。本文將以某大型綜合性商業(yè)建筑項目為例，介紹公共建筑數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。2視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)某大型綜合性商業(yè)建筑，集現(xiàn)代購物中心、美食文化村、辦公寫字樓、度假酒店、休閑廣場于一體。整個項目占地面積400000m基于用戶的需求，本項目需要建設(shè)一套高效、可靠、先進(jìn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。整個項目設(shè)置600個監(jiān)控點（北區(qū)450個、中區(qū)50個、東區(qū)100個），在北區(qū)和東區(qū)各建立一個安保監(jiān)控中心，東區(qū)的監(jiān)控中心兼管中區(qū)的攝像機(jī)，北區(qū)的監(jiān)控中心作為整個項目的總中心，級別高于東區(qū)監(jiān)控中心。3項目分析3.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)比選在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，首先需要分析的是應(yīng)采用何種視頻監(jiān)控體系。本項目定位高、業(yè)態(tài)組成復(fù)雜、占地面積大、投入運營后人流量大，因此考慮采用數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。如表1所示，與模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在功能上有著明顯的優(yōu)勢。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步替代模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)是大勢所趨，是監(jiān)控行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。3.2典型數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻采集、視頻傳輸、視頻管理與存儲、視頻圖像顯示等幾個部分構(gòu)成。(1）數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集設(shè)備包括模擬CCD攝像機(jī)（配合編碼器）、IP攝像機(jī)兩種。前者是通過編碼器對所拍攝的視頻圖像進(jìn)行編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸；后者則是本身具備數(shù)字視頻輸出接口（以太網(wǎng)接口），可直接連接網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，輸出數(shù)字視頻圖像。(2）及其鏈路組成數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及其鏈路組成。通常在公共建筑中，數(shù)字視頻系統(tǒng)具備獨立的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括接入層交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)、核心層交換機(jī)。(3）視頻管理平臺對數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的管理可以通過系統(tǒng)的平臺來完成，這個平臺可以是軟、硬件分離式的平臺，也可以是軟硬件一體的嵌入式平臺。借助管理平臺，可以對整個系統(tǒng)中所有的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置、性能管理、資源調(diào)整、權(quán)限分配；還可以通過接口實現(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他弱電系統(tǒng)的深度集成，極大擴(kuò)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能空間。視頻圖像的存儲由磁盤陣列來完成。磁盤陣列擁有巨大的存儲空間和良好的擴(kuò)展能力；基于RAID技術(shù)的磁盤陣列更具有超高的可靠性，在磁盤損壞的情況下仍可以保證圖像的正常存儲不受影響。(4）解碼器技術(shù)視頻圖像顯示系統(tǒng)主要由視頻解碼器和顯示終端組成。解碼器是將數(shù)字視頻信號還原為模擬視頻信號輸出的設(shè)備。顯示終端包括監(jiān)視器或大尺寸的液晶、DLP、等離子屏幕等設(shè)備。3.3數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)選定了監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)后，就要針對數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，具體內(nèi)容包括數(shù)字視頻編碼方式的選擇、傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、視頻存儲方式選擇。3.3.1h.264技術(shù)特點常見的數(shù)字視頻編碼格式包括：MPEG-2、MPEG-4、M-JPEG、H.264、Wavelet（小波壓縮）。MPEG-2是音頻、視頻信息壓縮的編碼標(biāo)準(zhǔn)，于1992年被ISO/IEC批準(zhǔn)為正式標(biāo)準(zhǔn)，正式標(biāo)準(zhǔn)編號是ISO/IEC13818，用于廣播、有線電視網(wǎng)、電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播的廣播級數(shù)字視頻傳輸。MPEG-4是音頻、視頻信息壓縮的編碼標(biāo)準(zhǔn)，于1998年11月被ISO/IEC批準(zhǔn)為正式標(biāo)準(zhǔn)，正式標(biāo)準(zhǔn)編號是ISO/IEC14496。通過對幀重建技術(shù)的運用，MPEG-4比MPEG-2用更少的數(shù)據(jù)和更窄的帶寬傳輸更高質(zhì)量的圖像。H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯(lián)合視頻組（JVT）制定的新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在ISO/IEC中被命名為AVC(AdvancedVideoCoding），作為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10個選項；在ITU-T中則被正式命名為H.264標(biāo)準(zhǔn)。H.264能夠在較低帶寬（2M以內(nèi)）下實現(xiàn)高質(zhì)量（類似DVD畫質(zhì)）的圖像傳輸。在同等的畫質(zhì)下，H.264比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2平均節(jié)約64%的傳輸碼流，比MPEG-4ASP平均節(jié)約39%的傳輸碼流。H.264技術(shù)還具備容錯能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。更強(qiáng)的對信道時延的適應(yīng)性使得H.264既可應(yīng)用于低時延模式以滿足實時業(yè)務(wù)，如電視會議等要求，又可為無時延限制的應(yīng)用，如視頻存儲等所用。更高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性則表現(xiàn)在H.264采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，加強(qiáng)了對誤碼和丟包的處理，從而提高了解碼器的差錯恢復(fù)能力。H.264在編/解中采用了復(fù)雜度可分級設(shè)計，即可以對圖像質(zhì)量和編碼進(jìn)行分級，以適應(yīng)復(fù)雜度不同的各種應(yīng)用需求。(4）數(shù)字視頻編碼格式小波格式并非一種視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。小波變換是與傅立葉變換類似的數(shù)學(xué)算法。目前H.264SVC(ScalableVideoCoding，可調(diào)視頻編碼）中已經(jīng)使用了離散小波變換方法，其特點是：◆壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持信號與影像的特征不變（失真?。?，且在傳遞中可以抗干擾；◆支持點對多點傳輸，同一流媒體碼流可以支持不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬、多種分辨率的顯示、存儲等應(yīng)用。本項目選擇采用H.264編碼格式的視頻編碼器。必須注意的是，數(shù)字視頻編碼器的輸出方式必須為雙碼流，一路碼流供實時查看使用，另一路碼流供存儲使用，兩路碼流的碼流大小、幀率、分辨率均可獨立調(diào)節(jié)。此外，編碼器還必須支持單播和組播兩種輸出方式，這是因為一旦有緊急情況發(fā)生，會出現(xiàn)多點觀看同一幅關(guān)鍵圖像的需求。當(dāng)需要在所有的監(jiān)視器和大屏上同時顯示同一幅圖像時，必須啟動組播傳輸方式，確保此幅關(guān)鍵圖像的正常傳輸。3.3.2算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃在本項目中，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃對數(shù)字視頻系統(tǒng)的建設(shè)是非常重要的。采用H.264的編碼方式傳輸一路D1分辨率（720×576）的25幀/秒的全實時數(shù)字視頻圖像所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬大約是2Mbps。照此計算，本項目總計有600個視頻監(jiān)控點，總的帶寬需求是1200Mbps。供視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，如圖2所示。在北區(qū)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房設(shè)置核心交換機(jī)，在北區(qū)辦公寫字樓和購物中心的弱電間設(shè)置接入交換機(jī)，并通過室內(nèi)光纖與核心交換機(jī)構(gòu)成星型連接，接入交換機(jī)的端口帶寬為100M，核心交換機(jī)與接入交換機(jī)連接的端口帶寬為1000M。北區(qū)共有450個攝像機(jī)，總的帶寬需求為900M。在東區(qū)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房設(shè)置核心交換機(jī)，在東區(qū)度假酒店和美食村的弱電間設(shè)置接入交換機(jī)，并通過室內(nèi)/外光纖與核心交換機(jī)構(gòu)成星型連接，接入交換機(jī)的端口帶寬為100M，核心交換機(jī)與接入交換機(jī)連接的端口帶寬為1000M。東區(qū)共有100個攝像機(jī)，總的帶寬需求為200M。同時，在中區(qū)休閑廣場的弱電間設(shè)置接入交換機(jī)，并通過室外光纖與東區(qū)核心交換機(jī)構(gòu)成星型連接，接入交換機(jī)的端口帶寬為100M，核心交換機(jī)與接入交換機(jī)連接的端口帶寬為1000M。中區(qū)共有50個攝像機(jī)，總的帶寬需求為100M。在北區(qū)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房與東區(qū)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房之間敷設(shè)光纖鏈路，通過1000M端口連接兩個區(qū)域的核心交換機(jī)，實現(xiàn)整個園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連通。3.3.3視頻存儲的架構(gòu)(1）對于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，圖像的存儲設(shè)備至關(guān)重要。通過對比磁盤陣列與硬盤錄像機(jī)（如表2所示）可知，網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)已經(jīng)不能滿足本項目的使用需求，采用磁盤陣列作為本項目視頻圖像的存儲介質(zhì)是非常合適的。(2）采用何種存儲架構(gòu)也是一個值得分析的問題。通常的存儲架構(gòu)有DAS、NAS、FC-SAN、IP-SAN幾種。由表3可以看出，本項目這種數(shù)據(jù)量大，要求可靠性高，同時兼顧性價比的項目，非常適合采用IP-SAN。(3）確定了圖像的存儲設(shè)備和存儲架構(gòu)之后，還需要計算視頻圖像存儲的容量。按D1分辨率圖像的碼流為2Mbps計算，則1路圖像存儲24小時的存儲容量為：按照公安系統(tǒng)的要求，公共場所的視頻監(jiān)控圖像應(yīng)能夠以D1分辨率24小時實時存儲30天以上。照此計算，1路圖像30天的存儲容量為0.62TB此外，要考慮到磁盤陣列在進(jìn)行冗余備份時會用一到兩塊硬盤做RAID，且總的磁盤空間要有10%左右的預(yù)留，因此實際的存儲容量要大于0.62TB。4視頻編碼格式通過以上各章節(jié)對本項目的分析，可以得出一個本項目數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案：采用模擬攝像機(jī)及H.264格式視頻編碼器作為圖像采集編碼設(shè)備，利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組建接入100M、骨干1000M的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用IP-SAN視頻圖像存儲架構(gòu)，以數(shù)字視頻監(jiān)控管理平臺作為整個系統(tǒng)的指揮中樞。4.1網(wǎng)絡(luò)機(jī)房接入本系統(tǒng)共設(shè)置北區(qū)、東區(qū)兩個監(jiān)控中心，北區(qū)監(jiān)控中心作為整個系統(tǒng)的總監(jiān)控中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。北區(qū)共有450個攝像機(jī)，視頻圖像通過同軸電纜接入相應(yīng)樓層的弱電間，由安裝在弱電間內(nèi)的視頻編碼器進(jìn)行數(shù)字化編碼后接入網(wǎng)絡(luò)。各樓層的交換機(jī)通過室內(nèi)光纖以1000M的帶寬接入網(wǎng)絡(luò)機(jī)房核心交換機(jī)。視頻管理服務(wù)器和IP-SAN磁盤陣列安裝在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，接入核心交換機(jī)。在北區(qū)監(jiān)控中心設(shè)置接入交換機(jī)，并通過室內(nèi)光纖以1000M的帶寬接入網(wǎng)絡(luò)機(jī)房核心交換機(jī)，監(jiān)控中心內(nèi)的視頻解碼器和管理工作站都與此交換機(jī)連接。東區(qū)及中區(qū)共有150個攝像機(jī)，視頻圖像通過同軸電纜接入相應(yīng)樓層的弱電間，由安裝在弱電間內(nèi)的視頻編碼器進(jìn)行數(shù)字化編碼后接入網(wǎng)絡(luò)。各樓層的交換機(jī)通過室內(nèi)光纖以1000M的帶寬接入網(wǎng)絡(luò)機(jī)房核心交換機(jī)。視頻管理服務(wù)器和IP-SAN磁盤陣列安裝在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，接入核心交換機(jī)。在東區(qū)監(jiān)控中心設(shè)置接入交換機(jī)，并通過室內(nèi)光纖以1000M的帶寬接入網(wǎng)絡(luò)機(jī)房核心交換機(jī)，監(jiān)控中心內(nèi)的視頻解碼器和管理工作站都與此交換機(jī)連接。北區(qū)核心交換機(jī)和東區(qū)核心交換機(jī)通過室外光纖，以1000M的帶寬進(jìn)行連接，用戶可以在北區(qū)的總監(jiān)控中心通過這條鏈路查看東區(qū)攝像機(jī)的圖像并對東區(qū)PTZ攝像機(jī)進(jìn)行控制。4.2存儲時的實際存儲量根據(jù)攝像機(jī)的數(shù)量和視頻圖像的編碼格式、分辨率、存儲時間等因素，可以計算出磁盤陣列的存儲容量。北區(qū)共有450個攝像機(jī)，根據(jù)上文列出的計算公式，按存儲30天計算，所需的存儲容量為279TB，再加上10%的預(yù)留空間，得到實際的存儲容量為307TB。本項目選擇的磁盤陣列可容納24塊硬盤，采用RAID5技術(shù)，使用1塊硬盤作為備份盤。如每塊硬盤的容量為2TB，則每臺磁盤陣列的實際存儲空間為46TB，北區(qū)需要使用7臺這樣的IP-SAN磁盤陣列。東區(qū)和中區(qū)共有150個攝像機(jī)，按同樣的方式計算，實際的存儲容量為102.3TB，需要使用3臺IP-SAN磁盤陣列。5高清ip攝像機(jī)、高清視頻視頻監(jiān)控數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)從誕生到今天，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步?！澳MCCD+數(shù)字編碼器”的架構(gòu)已經(jīng)日趨成熟穩(wěn)定，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向是什么？筆者認(rèn)為，未來數(shù)字視頻監(jiān)控發(fā)展的方向?qū)⑹菙z像機(jī)IP化、傳輸網(wǎng)絡(luò)多樣化以及視頻應(yīng)用智能化。IP攝像機(jī)，也叫做網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其創(chuàng)意可能早在數(shù)字視頻監(jiān)控誕生之時就已經(jīng)產(chǎn)生，但是由于諸多原因的限制未能像視頻編碼器一樣得到大面積的推廣。IP攝像機(jī)的優(yōu)勢在于使用簡單、布線方便（可將視頻線、控制線、電源線合一）、圖像像素高（目前市場上已經(jīng)有200～300萬像素的IP高清攝像機(jī)在實際項目中得到應(yīng)用）。長遠(yuǎn)來看，IP攝像機(jī)必將取代“模擬CCD攝像機(jī)+編碼器”的模式，成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主流。目前，3G網(wǎng)絡(luò)和城市無線局域網(wǎng)正得到大力推廣。而不論是模擬攝像機(jī)還是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，都要受到布線問題的困擾。如果攝像機(jī)搭載3G模塊，布線的問題將迎刃而解。眾所周知，3G網(wǎng)絡(luò)是一個傳輸速率比較高的網(wǎng)絡(luò)，目前某運營商實現(xiàn)商業(yè)化運營的3G網(wǎng)絡(luò)，可以提供上傳3M、下載7M的網(wǎng)絡(luò)帶寬，且穩(wěn)定性非常好。如果有朝一日，3G網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品真正成熟起來，必將在監(jiān)控領(lǐng)域掀起一股3G風(fēng)潮。同樣，當(dāng)城市無線局域網(wǎng)建設(shè)到一定程度的時候，無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也會大行其道——畢竟城市無線局域網(wǎng)的帶寬可以達(dá)到54M，這將使得高清視頻圖像（200萬以上像素，1080p分辨率）的遠(yuǎn)距離傳輸成為可能。目前，智能視頻分析技術(shù)在市場上的應(yīng)用還不是很廣泛。長時間以來，人們對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用絕大多數(shù)都是對視頻錄像的查看，尤其是公安部門。監(jiān)控錄像為公安部門