新一代数字监控系统

2004-12-23 10:22:28 摘自:中国多媒体视讯

　　 一、视频监控技术的发展

视频监控系统一直是监控领域中的热点，它以直观、方便、信息内容丰富而在各个行业得到广泛应用，如：交通、电力、通信、石油、码头、仓库、金融、政府机关企事业单位办事窗口，和军队、公安、监狱、水利/水厂、民航等要害部门。视频监控系统的发展与电子、通信的发展息息相关，就其发展的阶段看，主要经历了以下阶段。

1. 基于模拟传输的视频监控系统

视频监控系统最早的应用方案是采用模拟信号在电缆或光纤中传输，然后再集中监控和录像。这种基于模拟图像的视频监控系统从电视机、摄像机诞生的那天，就已经诞生。其视频监控系统主要由摄像机、视频切换矩阵、监视器、录像机等组成，通过视频线、控制线连接，主要用于安保、生产管理场合。其特点是建设方便，价格低廉；但这种方式传输距离有限，安全性较差，监控方式单一。

2. 基于PC机的板卡式视频监控系统

视频采集压缩技术的进步使得基于PC机的板卡式视频监控系统成为可能，PC机的普及也推动了此类技术的发展。这类视频监控系统主要由摄像机、各类采集设备、PC机/工控机、采集卡、视频压缩卡、通信接口卡、PC监控设备、录像机（模拟或数字式）等组成，依赖于通信网络构成整个视频监控系统。其特点是功能较强，灵活性高；缺点是功耗大，环境适应能力差，可靠性差。

3. 基于嵌入式的视频监控系统

第三代视频监控领域，集中了多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等最新技术。第三代视频监控技术不仅仅可解决图像传输、远程控制、现场信号采集等监控功能，还可提供高质量的监控图像和便捷的监控方式。第三代视频监控系统一般基于TCP/IP架构，符合通信网的发展趋势，具有非常灵活的应用。在具体的数字监控技术中，嵌入式技术和高压缩编码技术正在受到广泛的关注。嵌入式视频服务器和嵌入式DVR正是第三代视频监控产品的代表。

二、嵌入式技术和高压缩编码技术

1. 嵌入式技术

由于采用PC机板卡式的视频监控系统存在着诸多的不足之处，当前最新的视频监控产品都采用了嵌入式的设计。嵌入式系统，一般指非PC系统，有计算机功能但又不称为计算机的设备或器材，它是以应用为中心，软硬件可裁减的，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用处理系统。简单地说，嵌入式系统集系统软件、应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的应用。嵌入式视频监控系统主要把专用视频编解码芯片和各种接口芯片集成，采用专用的底层操作系统。此类视频监控系统的采集设备可集成各种控制接口和信号输入接口，设备采用一体化设计，体积小，工作稳定，功耗小，可以很方便地放置到各种环境下的监控点。由于采用了数字化的视频编解码方式，现场采集设备与监控中心之间通过数据网络互联，不需铺设功能单一的模拟线路。基于嵌入式的视频监控系统的监控中心一般采用两种方式：软件方式或嵌入式。采用软件方式的监控中心利用监控软件与工控机或服务器的配合来实现远程监控；采用嵌入式设计的监控中心则采用专用芯片与底层操作系统，设备一般是一体化或模块化的设计，可靠性好，系统容量大。

基于嵌入式系统的数字监控具体的优点如下：

（1）布控区域广泛。嵌入式数字监控系统的Web服务器和终端设备可直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，因此彻底抛弃了地域的概念，扩展了布控区域。

（2）可组成非常复杂的监控网络。如果采用基于嵌入式Web服务器为核心的监控系统，由于Web服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输，所以其在组网方式上和基于PC平台的监控方式有极大的不同，能支持更为复杂的监控网络。

（3）性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式数字监控系统采用嵌入式实时多任务操作系统，视频压缩功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，所以无需专人管理，适合于无人值守的环境。

2. 高压缩编解码技术

要进行远程监控，大量的视频数据就需要通过网络进行传输，这就需要在数据传输之前进行编码压缩以减少数据量。当前在视频监控领域最为流行的是基于对象的MPEG-4编码技术。与传统的MPEG-1、MPEG-2和H.263相比，在抗误码性和压缩比上都具有巨大的优势。在抗误码性方面，MPEG-4提供了再同步、数据恢复和错误隐藏等误码恢复技术；在压缩方面，由于采用了基于对象的编码方式，使得在编码过程中能够考虑到人对图像信息的主观感受以及人眼的视觉神经特性，给人们感兴趣的对象分配较多的码率，而一些诸如背景等人们感觉迟缓的对象分配较少的码率，从而大大提高压缩率。

MPEG-4在录像存储容量、图像质量、网络传输、对图像可以进行交互操作等方面都具有巨大的优势。

（1）存储空间得到节省。在优势最明显的存储容量方面，采用MPEG-4的视音频全同步录像所需的硬盘空间约为相同图像质量的MPEG-1或M-JPEG所需空间的1/10，此外，MPEG-4因能根据场景变化自动调整压缩方法，故对静止图像、一般运动场景、剧烈活动场景均能保证图像质量不会劣化。

（2）在图像清晰度方面，尽管MPEG-4瞄准的是较低带宽上的音视频解决方案，但它独特的基于对象的编解码方式同样也适合CIF（352×288）、2CIF（352×576）、4CIF（704×576）的视频格式显示。其中，4CIF能达到DVD的影像效果。

（3）在网络传输方面，实际应用场合的网络带宽一般都在2Mbit/s以下，这正是MPEG-4大显身手的地方。目前在低带宽上传输活动视频的另一个解决方案是采用H.264标准，但H.264推出的时间很短，对处理器要求比较高，在成本上还不适合应用广泛的视频监控系统。

（4）在纠错能力方面，当网络传输有误码或丢包现象时，MPEG-4受的影响很小并且能够迅速恢复；如在误码达到1%时，MPEG-1已经无法播放，而MPEG-4只会有轻微的边缘模糊；再如当网络传输有瞬间丢包现象时，MPEG-1恢复至少需要10s以上，而MPEG-4只需要1～3s。

三、视频服务器和DVR

1. 视频服务器

视频服务器可提供嵌入式的Web服务，在监控点部署视频服务器并连接上摄像机后，远端只需通过网络登录到视频服务器就可以观看监控图像。由于采用了TCP/IP架构，视频服务器的使用非常方便，任何一个监控点只需要有IP网络并可配置固定IP地址，就可以安装视频服务器。

一台标准的视频服务器还需具有RS232、RS422或RS485等控制接口和电平输入/输出接口。利用串口，可方便地实现对摄像头、云台等外围设备的远程控制；利用电平输入/输出接口，可实现烟感、温感等告警输入和联动输出，实现对监控点异常状况的快速反应。视频服务器在远程监控系统中得到了非常多的应用，逐渐取代了模拟光端机远程监控系统。

图1是视频服务器的典型应用，图中采用了科达KDM2400的视频服务器，采用嵌入式技术，可提供高达4CIF（720×576）、25帧/秒的高质量全动态监控图像。利用其嵌入的Web服务，网络中的计算机通过身份验证后就可观看实时监控图像。视频服务器支持多播码流的发送，在多个用户同时观看监控图像时大大节省了网络带宽，提高了网络效率；同时还提供完备的外围控制和告警输入/输出接口。整个应用架构非常简单，扩展能力强。

2. DVR

在小范围监控系统中，硬盘录像机（DVR）有着很大的应用优势，可同时接入多个摄像机，并在本地实现多路实时数字录像。配合大容量硬盘，DVR可以存储长达几十天的录像文件，还可实现录像文件的智能查询和快速查询，比传统录像机有着巨大的优势。DVR也配备串口和电平输入/输出接口，方便外围设备控制和告警输入。

在一些DVR产品中，集成了视频服务器的功能，在实现多路图像录像的同时，可提供Web服务，实现远程监控。

图2是DVR的典型应用，图中采用了科达KDM2600的嵌入式模块化硬盘录像机，可同时提供16路视频接入和同时录像，支持4CIF（720×576）、25帧/秒的图像效果。利用支持热插拔的RAID5磁盘阵列，可提供40天以上的16路录像资料。DVR检索非常方便，可根据摄像头、日期、时间、事件等多种条件检索录像，比传统录像机有不可比拟的优势。DVR可在本地提供解码图像到监视器或PC，并可在本地实现摄像头控制、多画面监控、多画面轮询等监控功能；且其提供Web服务，网络中的PC经过身份验证后可登陆观看监控图像，实现远程控制功能。基于Web服务的DVR产品把本地监控和网络监控有机地结合在了一起，大大提高了监控系统的应用能力。