江阴学院网络高清视频监控系统设计与应用

2013-02-13丁雷

电视技术 2013年17期

关键词：监控点摄像机服务器

丁雷

(江阴职业技术学院，江苏江阴214400)

责任编辑:任健男

1 工程概况

江阴学院占地面积大，进出人员众多而复杂，且教学资源分散，学生管理有难度。为了保护师生的人身财产安全，全面了解教学情况、学生活动状态，预防和减少校园治安事件的发生，提高校园处置突发事件的应急能力，构建全方位视频监控系统是十分必要的。

学院以前使用的是模拟视频监控系统，经改造加入了部分DVR和网络监控，但系统设备相对落后，不能有效地联网，且传输线路质量不稳定，维护困难，已不能满足现代化校园建设的需要，所以院方在2012年7月对校园的视频监控系统进行了重新建设。

在现有的大学校园视频监控工程中，使用较多的几种建设方案分别是模数结合监控模式(集中)、数字监控模式(分散)及全数字监控模式，这几种方案系统结构不同，实现功能也不一样，如表1所示。

表1 几种视频监控建设方案比较

考虑到校园整体安防系统的设计，视频监控系统与其他子系统的联动，系统的可扩展性，以及建设资金的预算，校方选择采用了全数字模式的建设方案。IP高清摄像机直接编码产生视频流，通过以太网接入到监控中心，系统通过后台软件进行集中管理，不需要用到模拟系统中的大型矩阵、画面分割器、视频切换器等设备，布线成本同比可节约60%～70%。系统采用数字化图像处理技术，提高了图像的质量与监控效率，便于信息的查找，可以通过对视频信号的分析，及时发现异常情况并进行联动报警。系统集成度高，易于安装、使用和维护[1]。

2 系统结构

该视频监控系统由高清网络摄像机、网络通信设备、网络存储设备、控制设备等构成。系统前端主要有摄像机、桌面交换机、光纤收发器等，摄像机进行视频捕捉，内置数字化压缩控制器和基于Web的操作系统，数据压缩加密后，通过专用网络送至监控中心。控制中心由服务器群、数字矩阵、网络存储器、汇集型交换机、显示设备等组成，具有视频浏览显示、控制、保存回放及联动报警等功能，采用C/S、B/S系统架构，可使用客户端软件或IE浏览器进行观察和控制[2]。

前端视频采集点通过网络与监控中心实现通信，将各监控区域情况上传至主服务器，接收控制指令，实现信息交互。监控中心通过数字矩阵连接客户端PC及电视墙进行显示，矩阵可实现定时、分组、报警等切换功能，并可访问前端录像并回放。工作人员通过客户端软件实现对音视频信号解码，查看指定视频和现场报警，并作出判断与处理[3]。所有数据存储在监控中心，以实现分散存储、冗余备份，系统结构如图1所示。

图1 江阴学院视频监控系统结构示意图

3 视频监控点位设置

根据学院的平面图，将校园分为4个监控区域，以控制室为监控中心区;主入口、行政楼、4号教学楼、体艺楼、体育馆、图书馆、南侧门、教工宿舍、招生办等为1号集中区域;5号教学楼、篮球场、大礼堂、6号教学楼、10号教学楼、6号女生宿舍、8号女生宿舍、5号男生宿舍、7号男生宿舍、二食堂、仓库及11号办公楼、12号办公楼为2号集中区域;1号女生宿舍、2号女生宿舍、3号男生宿舍、4号男生宿舍、大学城食堂、实训车间为3号集中区域;西侧门、实验楼为4号集中区域。

监控点位设置按以下原则:

1)一类监控点，即重点及要害区域，在本系统中主要是室外学生活动频繁的区域，集中在各出入口、活动中心、操场、路口等。在校门口，采用定点和动点相结合的方式，定点主要用来看清楚进出校门的车辆、人员，如有需要可进行车牌号和人的面部特征分析。动点主要用来巡视整个校门的周边情况，并在上下班高峰期负责整个大门覆盖区域的全方位扫描，当有异常情况发生时，第一时间锁定目标并进行定格。对于校园主干道，教学楼等重点建筑物的入口采用定点高清枪机，观察进入该建筑物的人员、车辆的特征。在主要道路交叉口、重点建筑物、运动场等建筑制高点位置可适当增加高清球型摄像机作为对定点监控的补充，同时可以进行大范围的扫描，将整个周边情况观察清楚。

2)二类监控点，室内监控区域主要包括各教学楼、实验室、实训工厂、图书馆、宿舍楼等公共区域，根据这些建筑的楼栋分布情况，分别对每个单元的出入口、每层楼梯间等位置进行监视，每个进入、离开和上下楼梯的人员行动过程需要监视清楚，并能通过视频图像识别该人员的面部特征。

在各监控点摄像机的选择上，根据需要会有所不同，部分特殊重点区域(如学院大门及各出入口)采用全高清摄像机进行固定监控;同时根据现场的实际需求，在某些点位上装备具备红外夜视功能的一体化摄像机;特殊点位如需更清晰的监控，可以采用补光的形式来加强视频侦测的有效性。经过测量与设计，整个校区规划了196个监控点位。

4 摄像机关键技术应用与选型

监控系统为实现高清的显示效果，要求分辨率达到逐行1 280×720以上，且帧频能够达到全频，即25帧/秒(f/s)。因此系统前端摄像机视频源的采集就必须是高清的，像素要求至少达到100万，在一些重要场所，可以达到200万甚至更高[4]。当然，从系统功能整体性考虑，对摄像机不只是分辨率的要求，还要支持一系列关键技术的应用。

4.1 ISP技术

网络高清摄像机采用ISP信号处理技术，对摄像机传感器输出的原始图像进行处理，以更真实地还原拍摄现场。ISP包含若干独立功能处理模块，如坏点校正、自动白平衡、黑电平钳位、色彩插值、自动曝光、色彩纠正、降噪、锐化等，对图像效果的改进起到重要作用。

4.2 API应用

摄像机与流媒体服务器相配合，利用传感器与软件，可实现多种视频API的应用服务，如脸部识别、异常行为报警、人员计数，停留时间统计、移动侦测、边界门限报警、体温自动测量、电子地图等多项功能。这些技术可以将视频监控系统与校园安防中的其他子系统联动起来，以实现全方位、多功能的应用。

4.3 信号压缩

摄像机输出的音视频数据如果不压缩，其码流是非常大的，例如720p的信号非压缩数据量会达到34 Mbit/s，对带宽要求过高，无法应用。在原始视频中，其空域、时域分布着大量相关冗余数据和对人眼非敏感信息，可以通过运动估算、熵编码、空/频域变换与量化等技术进行去除和压缩，同时降低音频码率和提高保真度，可以在低带宽条件下获得高质量的音视频信号传输[5]。在该系统中，采用了H.264 High Profile编码标准，基于该技术，仅需1 Mbit/s左右的带宽即可实现720p/25 f/s信号的传输，比目前普遍应用的H.264 Baseline标准节约了一半带宽。使用时选用双码流技术(D1/720p)摄像机，还可为视频存储提供多种选择方案。

4.4 通信协议

摄像机的设备管理、远程控制、报警处理等工作都必须由客户端通过网络来进行，需要支持各种网络协议。网络协议是基于TCP/IP定义的通信标准，包括各企业对产品所定义的结构体、报文头和内容格式等，交互简单，数据量小。目前监控客户端和设备进行交互的网络通信协议方式主要有SDK，PSIA和VIF等。

4.5 摄像机选型

各类摄像机在校园视频监控中所应用的场合是有所不同的，使用量最多的是1/3 in(1 in=2.54 cm)CCD/CMOS靶面的枪机。当然，根据功能选择不同的类型，例如在一些明暗反差过大的场合，就安装了宽动态的摄像机;在一些照度偏低的场所，除了采用补光的方法，还需要使用低照度摄像机;在学院门口及停车场出入口还安装了强光抑制摄像机，效果十分明显，如图2所示。在校园的几处高点，安装了红外高速云台一体摄像机，以方便全面、大范围的观察。各类球机主要设置在学院路口、操场，广场等公共区域，半球摄像机主要运用在教学楼、实验室、宿舍等建筑的公共走廊及电梯中。

图2 强光抑制效果对比

5 网络传输

5.1 系统结构

高清网络视频监控系统以网络的综合布线代替了传统的视频模拟布线，采用分散控制、集中管理的结构，使得系统扩展性很强，在点位增加时不需要对系统进行改动，只需要增加相应的前端设备即可。摄像机拥有独立IP地址，即插即用，可以直接通过Web方式访问，具有很高的可靠性和安全性。

本设计中，信号传输网络采用延伸式星型拓扑结构，分为核心层、边缘接入层及汇聚层(可参考图1)，实现交换与控制分离，易于网络延伸与节点扩展。该结构有利于安全策略的部署，路由器、交换机具有一定的QoS与流量控制管理，封锁病毒常入侵的传输端口，采取必要的措施来确保视频传输的质量。

施工中，主要数据传输介质为光纤及双绞线，在校园中以一些重要建筑为中心进行数据汇聚，当监控点离网络接入点较近、未超过100 Mbit/s时，可选择利用双绞线直接接入网络，每栋建筑之间再使用光纤进行数据交换与通信。对距离特别远的监控点可配套使用光纤网络摄像机，以减少使用光端机设备的成本，并可减少中间设备。当监控点比较多且距离网络接入点较远时，可选择多路视频服务器再接入网络。

5.2 建设方案

图3 江阴学院视频监控系统光纤布线图(截图)

为实现基于IP的视频监控，可组建专网用于通信，也可采用在校园现有通信网中传递视频流混合建网方式。如果采用新建IP监控专网，网络传输保障性好，但线缆需重新铺设及购置相关网络设备，投入过多，施工量巨大。考虑到利用校园网原有的通信网络传输在技术实现上没有任何障碍，经测算，网络带宽也能满足要求，所以本方案采用在已有校园网的基础上进行改造与扩容，加入视频监控网络。以校园内重要建筑为二级汇聚点，采用光纤加五类缆接入(FTTx+LAN)传输的方式，再通过6芯或12芯光纤汇聚到学院的网络中心，最后将信号传送至监控中心。光纤布线图(为工程图的截图)如图3所示。

6 中心管理平台

监控中心是整个系统的核心所在，主要由服务器、存储设备、数字矩阵、网络交换机、电视墙、客户端等组成。前端视频采集点通过网络与监控中心通信，将各点状况传至主服务器，同时接收指令，实现控制。中心内设备众多，结构复杂，下面主要从系统的管理、存储、显示等方面简要说明。

6.1 服务器

网络视频服务器(DVS)是压缩、处理视频监控系统中音视频数据的专业网络传输设备，由音视频编解码器、音视频接口、网络接口、协议控制接口、RS-485串口、输入输出通道、管理软件等构成，完成数据的压缩、采集、解压、还原等功能。主要是基于MPEG-4或H.264的图像数据及音频信号(G.711标准)的处理。

中心选择了多台Dell PowerEdge R810 2U机架式服务器作为服务器群，包含有管理主服务器、应用服务器、流媒体服务器、手机视频服务器等。主服务器通过网络与存储系统建立逻辑上的通信关系，从而实现各视频监控点联网，实现同一操作界面内所有视频图像的统一调度。当多个客户端需要同时远程查看同一点画面时，会造成在一条网路上同时点播占用过多相同带宽，此时要通过流媒体服务器进行转发，从而在干线网络上只占用一个通道的资源和一路带宽资源[6]。

在该系统中，还加入了智能手机视频管理系统，利用手机内置摄像头获取现场视频数据进行压缩，然后借助3G通信网络把视频数据实时发送到远程接收中心。然后可以利用手机3G通信技术将视频流从远程服务器网络端下载到手机端，并通过播放软件在手机端将视频进行播放，如图4所示。

图4 手机视频监控实时画面(截图)

6.2 网络存储

本系统采用NVR网络视频存储技术，相比于原有DVR存储，在存储方式、安全性、管理以及可靠性等方面具有明显优势。其充分利用存储的DAS，NAS以及SAN架构实现视频监控系统后端大容量视频数据信息的存储，结合存储应用软件，可以实现海量数据的存储和分析归纳等诸多高级功能的应用。

NVR通过网络汇聚信号流，一个网口可接入所有前端信号。前端采用一根网线就可实现POE供电、信号传输、设备参数配置、在线故障诊断、报警控制等功能，降低布线成本，简化系统的安装与维护。NVR作为全网络化架构的视频监控存储系统，其前端监控点采用的是IP摄像机，每个监控点设备与中心NVR之间均可以通过任意网络进行互联，传输网络可以是专网或是公网，采用的方式可以是有线或无线，固定或移动，监控点可以部署在任意位置，提升了系统的可管理性和可维护性，也符合校园建设高性价比视频监控网络的要求[7]。

此次工程按照200个720p前端点位(今后可扩展更多)、视频保存30天的标准，配置了4台16仓位的大华DH-ESS6016D-F网络智能存储，该设备可以管理大华DVR，NVS，IPC等各类编码设备，接入和转发120路720p录像，每个通道可独立配置录像方案。采用Web配置方式，支持单盘，Raid0，1，5等各种数据保护模式，支持6个以上用户的并发访问或者6个以上独立客户端，实现不同权限多用户的独立操作。

6.3 大屏显示

该监控系统中由于点位众多，信息量大，因此采用3×4三星46 in超窄边DID液晶拼接屏作为显示单元。该单元由显示屏、传输系统、控制系统和辅助系统组成，显示屏系统间依靠电气连接(包括信号传输路径)，由控制系统进行控制，可单独显示视频画面，或显示画面的某一部分，还可与系统中的其他单元配合组成完整的画面，系统连接示意图如图5所示。

图5 拼接屏显示系统连接示意图

其中，多屏幕拼接控制器是最重要的设备，控制器采用纯硬件架构配合高性能的图像处理模块，连接组合成液晶大屏幕拼接系统。控制器把视频AV/VGA的信号数字化分割为多个显示单元，并以标准AVI格式输出到液晶拼接单元上显示，处理过程完全硬件化，可以驱动整个阵列，实现整个阵列分路计算机信号的组合显示。其虚拟屏特征，可以把组合显示屏作为单一的逻辑屏，通过鼠标和键盘进行直接操作，自由地跨屏移动和缩放。

7 监控效果分析

经过两个多月的方案设计、现场测绘、工程施工，该项目于2012年9月完工，并顺利通过了江阴市公安局技防大队的验收。经使用表明，该系统稳定可靠，操作维护简单，界面直观明了，显示效果良好，如图6所示，与校园安防的其他子系统，例如门禁系统、防盗报警系统、火灾报警系统能形成有效的联动[8]，是平安校园建设的有力保障。