数字高清监控系统设计要点

2013-12-24朱月红

中国公共安全 2013年9期

关键词：解码高清摄像机

■朱月红

数字高清监控作为新兴技术，成为监控行业目前的技术发展热点。凭借相对于传统模拟标清监控，其能更清晰地呈现细节的技术优势，赢得市场的青睐。未来，基于数字高清的监控系统，需求市场巨大。

体系架构设计

目前数字高清道路监控系统架构存在分非压缩和压缩两大类。

非压缩架构由非压缩高清摄像机、高清光端机、高清矩阵、高清SDI-DVR等设备组成，从前端至大屏显示均不经过压缩，因此其优势在于可控摄像机的图像与控制信号的传输无延迟间隔，其后端图像存储依然采用数字压缩。

压缩架构由前端IP高清数字摄像机，IP网络交换机、高清NVR、解码器等设备组成，依托于通用IP网络，结构简单，通用性强。

通过部分试点项目的综合比较，非压缩架构在性能功能上仅在延迟上略胜一筹，但存在造价昂贵、所需设备众多（高清光端机、高清矩阵）、通用性差等大问题。IP压缩架构正成为目前高清监控系统建设的主流，相应的产品如IP高清摄像机、高清镜头、高清NVR、高清解码器也将成为高清监控市场的产品主流。下文就IP压缩架构的各相关设备选型做详细分析阐述。

前端采集

固定/可控

早期试点项目有可控和固定两种高清前端并存，经过多年的试点比较，可控高清摄像机造价昂贵、延迟大、实用性差等缺陷越发明显，结合视频后期处理应用，笔者建议现阶段的高清监控应以实用的固定摄像机为重点基础建设。

IP高清摄像机

高清IP摄像机的优劣与档次主要由感光器件尺寸、有效像素、处理器性能、灵敏度、制作工艺、色彩还原性等硬指标决定，摄像机内部处理器自带数字压缩及后期应用，因此压缩算法、码流、帧率、本地存储等特性指标也成为高清IP摄像机技术指标的重要部分。下表就目前市场众多高清摄像机的测试分析各项指标和实际效果：

指标项分析结果感光器件存在CCD和CMOS两种，国内以CCD为主，国外以CMOS居多，主流尺寸有1/3、1/2.8、1/1.8、1/2、2/3等。分辨率国内用户对图像流畅度要求较高，200万像素摄像机均已达到25帧/秒，因此国内主流为720p和1080p，逐行扫描,画面宽高比为16:9。压缩格式常规有H.264MPEG4M-JPEG三种,国内H.264以其高压缩比、低码流、高性能的绝对优势成为高清监控的主流压缩格式。灵敏度普遍不如传统模拟摄像机，建议夜间光照严重不足区域配置补光灯补充光照强度。色彩还原性高清色彩普遍有不同程度的失真，而色彩还原性是衡量高清摄像机图像质量和档次的重要指标，须对比观察实物与图像显示效果。720p和1080p两档均能达到25帧或30帧的流畅度，但要验证其稳定性，须测试观察在画面信息变化较大时是否有马赛克、卡住、丢包等现象。图像处理具有背光补偿、宽动态、强光抑制等多种处理方式。码流单路视频平均码流一般在10Mbps以下，瞬时码流高峰值可达50Mbps。本地存储是数字摄像机的衍生产物，每路10Mbps以下的平均码流使本地存储成为了可能。流畅度

镜头

高清镜头作为高清摄像机的配件，其MTF值、焦距、光圈范围等关键指标影响高清图像的最终呈现。

MTF：是不同于传统标清镜头的新指标，用来反映镜头的透光性、反差对比度、分辨率以及边缘及中心的一致性。MTF曲线图是衡量镜头品质和工艺的重要依据。MTF值一般在F（光圈值）=8时测得最好，由4条曲线组成，分别反映镜头的透光性/反差对比度、分辨率、相散和一致性。

焦距：决定视场中哪一部分最清晰，用f表示，高清镜头以焦距分类可分为定焦镜头、手动变焦镜头、电动变焦镜头。手动变焦镜头目前广泛应用于道路监控固定高清摄像机中，可适用于不同的目标和场景。道路监控摄像部件安装于室外立杆挑臂上，摄像部件容易晃动，因此在镜头选型时还应注意相应的焦距固定措施，齿轮固定、螺钉固定等，防止镜头脱焦。

光圈：决定镜头的通光量，用F值表示，F=焦距/光圈孔径，F值影响夜间图像效果。道路监控固定摄像机一般选用自动光圈镜头，由于焦距固定，场景变化不大，光圈驱动方式选择DC驱动即可，电动变焦镜头选用视频驱动效果较好（用于可控高清摄像机）。

与摄像机的匹配：1/2"的镜头可以用于1/3"的摄像机，但分辨率必须大于摄像机分辨率，300万像素的镜头才能与200万像素的摄像机匹配，主要原因体现在两方面：一是摄像机与镜头的像素密度应相等，即镜头的分辨率/镜头的感光器件尺寸 = 摄像机的分辨率/摄像机的感光器件尺寸，以此倒推，得出适应摄像机的镜头分辨率需求；二是镜头由多组凹/凸的镜片组成，边缘与中心的一致性较好的镜头在80%左右，边缘分辨率多少会下降，因此镜头分辨率大于摄像机分辨率为宜。

传输与交换

数字高清监控系统的每个环节都依托IP网络传输，包括前端摄像机、高清NVR、管理服务器、客户端PC等设备。

接入层

前端摄像机至中心机房的传输为接入层，传输媒介为光纤，传输设备分为光纤收发器/以太网光端机/工业以太网交换机和PON设备（EPON和GPON）两大类。

光纤收发器/以太网光端机/工业以太网交换机：适用于光纤资源充足的情况，前端至中心机房的光缆链路为点对点连接方式，每个点位占用1芯光缆。光纤收发器和以太网光端机都为网络透传设备，不带交换。光纤收发器仅传输网络信号，以太网光端机为传统模拟监控体系的衍生物，可传输模拟标清视频信号。工业以太网交换机一般为8口以上，至少具备二层交换和简单网络管理功能，适用于高清摄像机布设较为密集的点位。

PON设备：通过光纤复用能有效节省链路光缆资源，EPON与GPON的区别主要是带宽容量。在实际设计链路和链路节点数的时候不能完全按照这类产品宣传资料中的描述将这类产品用到极限，如最远60KM传输距离、1.25G单口带宽。在实际设计中需结合链路衰减、收敛、网络开销、余量等综合因素设计。链路衰减由光纤衰减、节点设备衰减等组成，与光缆本身质量、分光器衰减指数、分光级数密不可分，一般建议单根光纤的总体传输距离不超过20KM为宜。网络带宽设计应考虑所接设备产生的最大带宽，高清监控按照10M/路计算带宽为宜。

汇聚层

汇聚层采用交换机连接前端摄像机信号、机房NVR和各类服务器，根据前端接入规模、带宽、设备类型、应用情况选择相应的以太网交换机配置方案。摄像机接入端口根据前端接入的带宽情况配置对应的100M/1000M/10G端口，NVR和摄像机接入端口尽量接在一台交换机上或划分在同一个VLAN中，以最小化故障影响。对于一些大型系统，一般建议网络交换机采用三层交换机，以支持VLAN和路由交换应用。

汇聚层网络交换还需完成VLAN划分和网络安全等至少两部分的网络设计。VLAN划分通过划分不同网络逻辑分组限制广播范围并控制用户访问权限，一般将前端摄像机、对应的NVR以及对应的用户终端PC划分在一个VLAN。

网络安全包括接入安全、验证授权和数据加密。当未经授权的用户或前端设备接入网络时，应报警并生成日志。数据传输中加密会降低通信速度，但取决于具体的加密技术。

存储

高清存储一般采用高清NVR设备，通过网络接入前端摄像机信号。目前主流市场主要有DSP和X86两大架构体系NVR，主要功能性能由接入能力，并发能力、最大磁盘数，协议兼容性等决定。

DSP型 NVR功耗小，但处理能力和并发能力均有限，一般不超过8路1080p，磁盘驱动器数量不超过8个，无法做硬盘RAID冗余。X86型 NVR采用计算机处理器，其性能功能有很大的发展空间，可以轻松接入16路、32路或以上的1080p录像流，磁盘驱动器数量至少16个，且可做硬盘RAID冗余。

很明显，X86架构NVR有更广阔的发展前景，但是考虑稳定性、可靠性以及故障影响，一般不建议将NVR用到其极限能力。在设备配置计算数量时应同时结合接入数与硬盘容量两方面分配单台NVR的接入数，硬盘配置除考虑数据存储裸容量，还应考虑操作系统盘和RAID冗余备份盘。如需要长时间备份，可增加NVR磁盘扩展柜或添加大容量磁盘阵列。

显示

高清图像的显示分为PC显示和监视器显示两类。PC显示依赖于软解码，监视器显示需要硬解码。将解码程序调入内存中用CPU解码，就是软解码，软解码会极大消耗CPU的运算能力，画面易卡顿，解码能力在1-4路之间，但图像可以通过后期优化处理。通过硬件实现的解码成为硬解码，将解码程序写入或固化在芯片上（专用DSP或ARM处理器），专注于图像解码运算，不占用系统开销，图像较流畅，能解1-8路，图像不经过加工真实再现。目前软解码产品居多，真正实现硬解码的凤毛菱角，各家解码效果更是参差不齐。