浅谈高清视频监控系统的构建

2014-09-21北京石油化工工程有限公司

智能建筑与智慧城市 2014年3期

关键词：高清摄像机编码

文│ 北京石油化工工程有限公司蔡涛

浅谈高清视频监控系统的构建

文│ 北京石油化工工程有限公司蔡涛

随着高清视频技术相关产品的问世，视频技术为各个领域的应用提供了更广阔的平台。此文将针对高清视频监控系统的构建方面做基本阐述。

高清视频；监控系统构建

1 引言

高清视频技术越来越多地应用在工业及民用中，并被大多客户所认可，高清所带来的超高画质、超宽场景给人以极大的视觉感受。高分辨率是视频领域一直追求的目标，在保持扫描格式不变的条件下，其分辨率不断提高。对模拟高清摄像机而言，其分辨率可达600TVL～700TVL；而数字高清摄像机的像素可达130万、500万，甚至更高，随着高清摄像机技术日渐成熟，无论运用于监控领域，还是视频会议系统等领域，其图像效果将得到较大改善。

2 系统组成

典型的高清视频监控系统，通常由前端、传输、显示、存储设备组成，如图1所示。用户根据需求加入视频控制、视频管理等功能，对视频显示的清晰度并不产生影响。

图1 高清视频监控系统

（1）前端设备

高清图像效果的保证首先来源于高清信息的采集，如没有采集前端高清信息的视频信息，后端的高清效果则无从谈起。

模拟摄像机电视线数（即TVL）是由广播电视行业引用而来。通常，专业检测电视线数的方法是采用灯箱式线数测试卡测试，将摄像机置于彩色状态，将监视器设置黑白状态，使线数测试卡完全显示在摄像机镜头中，人眼能识别出最高等宽渐变线所对应的数值，即TVL。通常，模拟高清摄像机的标准在600TVL以上。

数字摄像机的分辨率即为像素数，是用来计算数码影像的一种单位。对IP摄像机而言，就是所输出图像在水平和竖直方向的像素的数量表示。通常，数字高清摄像机的标准在720p或100万像素以上。

无论是数字型还是模拟型，其摄像机的清晰度主要取决于感光芯片。目前，感光芯片主要有CCD和CMOS两种。

CCD是电荷耦合器件，一种可以记录光线变化的半导体成像器件，具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。CCD对监控场景的适应性较强，在低照度条件下效果较好。CCD的规格由以前的1/4英寸到现在的1/3英寸、1/2英寸不等。随着技术不断发展，通过对图像处理芯片的二次处理，其分辨率可达到720p甚至为1080p。

CMOS是互补性氧化金属半导体，CMOS与CCD功能相同，都可记录光线变化的半导体器件。由于工艺水平、图像处理技术以及成本等综合因素的限制，CMOS传感器最大的缺点是图像噪点多，低照情况下表现弱；与CCD相比，CMOS最大的优点在于其制造原理更加简单，体积更小，功耗低。在市场应用中，CCD还占据一定的份额。随着CMOS工艺的提升以及人们对高清像素需求的提高，CCD必将面临CMOS在市场应用中的巨大挑战。

（2）传输设备

600TVL及700TVL在实际意义上都被称为标清摄像机，HD-SDI技术的出现让模拟视频输出的信号在某种意义上被视为高清视频信号。

HD-SDI高清摄像机是基于SMPTE（电影与电视工程师协会）串行链路标准，并通过75Ω同轴电缆传输末端压缩数字视频的一种高清实时摄像机。基于SDI数字分量串行接口的高清视频系统具有图像无延迟、无压缩实时传输、图像无损失且不失真等优点；电缆传输距离达120m，加了中继器后传输距离可达300m。因此，对于远距离的传输信号，需采用SDI接口光端机。总之，HD-SDI高清摄像机无论在传输、处理、存储等方面都受限于自身的大数据流及昂贵的造价。

数字高清常见的视频编码格式有H.264、M-JPEG、MPEG4等。在这几种编码格式中，H.264是目前普遍采用的一种编码格式，相对于MPEG2、MPEG4而言，其压缩效率是三种编码中最高的。

H.264标准由国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）和国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）共同研究发布，因此H.264有两个名称，一个是沿用ITU-T组织的H.26x名称，即“H.264”，另一个则是AVC（高级视频编码）。H.264格式的最大特点是在保证画质的前提下，可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。因此，其更高的压缩比、更优秀的IP和网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域中得到了广泛的应用。但需要注意的是，H.264增加了计算复杂程度，对H.264硬件提出更高要求。

在传输过程中，高清意味着需要更高的带宽。一般情况下，H.264编码D1（720×576）画质的码流在1.5M左右，以1080p计算，画面尺寸约为D1的5倍，码流约为5倍。因此，H.264编码的一个1080p高清画面所用带宽约为8M，与D1画质的MPEG2相当。由此可见，高清信号的网络传输并没有特别的要求。从理论上推算，网络信号最长距离可传输100m，但由于IP网络普及范围广，可就近接入IP网络实现信号传输。目前，在互联网上实现多路数的高清传输仍受到限制。因此，在系统规模较大的工程应用中，仍采用专网或光纤传输。

（3）显示设备

显示器一般分为CRT、LCD、LED、PDP四种。随着前端设备技术的不断发展，显示设备高清化的速度同样发展较快。CRT器件虽然亮度高、反差大、色彩还原好，但由于受到自身重量、体积、能耗等因素影响已逐步退出市场。LCD、LED、PDP器件由于采用逐点显示方式，具有图像细腻、无闪烁现象、低耗节能的特点。其中，LCD/LED显示器具有轻薄、省电的特点，而PDP以高亮度、大尺寸为特色。

通常，在一级监控中心多数采用大屏幕拼接显示装置。在拼接屏中，DLP发展时间较长，亮度虽略低，但后期维护较为麻烦；LCD/LED拼接的间隙虽比DLP略显宽，但后期维护比较方便。上述各种显示单元均可满足1080p的使用要求。

高清数字视频显示需经过高清解码器或高清网络矩阵处理完成，以实现其高清输出。目前，高清输出接口包括VGA、HDMI等，其中VGA较为常见，应用范围比较广，造价也相对便宜，但传输距离较近；而HDMI接口的特点预示着高清显示接口的发展趋势，其最大优点是色彩还原度高，画质无损耗。

（4）存储设备

高清平台的存储设备包括NVR和IPSAN两种，存储方式包括分布式存储和集中存储两种。其中NVR作为未来的主流产品，在高清网络摄像机的普及中扮演着重要角色，NVR的主要功能是对数字视频流进行录像、存储，并提供实时显示和代理转发等功能；多采用嵌入式架构，硬解码支持多路网络标清或高清摄像机接入。

随着高清视频系统的普及与存储要求的加大，IP-SAN作为高清存储的另一个重要设备，在采用集中存储的系统中得到广泛应用。IP-SAN通过采用IP构架的以太网进行传输，具有良好的扩展性、共享性和较低的成本，是目前多路高清监控存储系统采用的主要技术之一。当以常见的硬盘作为存储介质，其容量最小为TB级别，随着2TB硬盘甚至更高容量的产品相继推出，高清监控系统PB级海量存储应用也越来越广泛。