弱电系统视频监控基础知识.docx
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弱电系统视频监控基础知识
视频监控基础知识
十、参考文献......................................22
十一、结束语......................................22
前言
随着社会经济和科学技术的飞速发展，人们对安全技术防范的要求也越来越高。
二十世纪八十年代末到九十年代中期，随着各种新型安保观念的引入，社会各部门、各行业及居民小区纷纷建立起了各自独立的闭路电视监控系统。
然而，传统的视频监控受到当时技术发展水平的限制，监控系统大多只能在现场进行模拟电视监视，视频信息存储到录像带上，如果是监控的地点比较多，要求录像的数据保存时间长，录像带的数量就会变的惊人，整个查询、检索工作变的很复杂，管理运营成本增加，而且还会出现录像带时间长了或转录次数多了时图像质量变差的问题。
随着编解码技术的发展，特别是MPEG4/H264编解码技术的成熟，越来越多的用户采用了数字视频监控系统，实时压缩多路视频，并存储到硬盘上，录像信息以数字形式存放在硬盘上。
由于计算机屏幕尺寸有限，在同时显示多路视频时每一路预览的画面都比较小，这一点不利于工作人员及时发现一些细小的隐蔽的安全隐患问题；而且智能化在数字安全防范领域也得到越来越多的应用，在某些监控的场所对安全性要求比较高，需要对运动的物体进行及时的检测和跟踪，因此我们需要一些精确的图像检测技术来提供自动报警和目标检测。
运动检测作为在安防智能化应用最早的领域，它的技术发展和应用前景都受到关注。
一、视频监控的基本认识
伴随着计算机及网络技术的飞速发展，尤其视频编解码技术的日益成熟、计算机处理能力的快速提高、以及宽带的逐渐普及，基于Internet的视频网络实时应用在许多行业和政府部门被大范围采用。
提到基于Internet的视频网络实时应用，我们可能更多地会想到可视电话及视频会议系统、电视网络实况转播、远程教育等。
这些Internet视频实时应用对软硬件的性能要求很高，要求既达到较高的帧率，又达到较低的码率，所以需要足够强大的处理能力（包括算法及芯片处理能力）。
而要具备这种处理能力，往往需要昂贵的专用设备。
对于安防所涉及的数字视频网络监控系统，由于行业特性所决定，数据采集点较多，需要相应配置大量的编码设备，因此，与其他视频网络实时应用相比，价格成为一个相对比较敏感的因素。
以往的数字视频网络监控系统，基本上都是基于局域网或者专网。
但是实际应用环境却很难保证这样的网络条件，因此系统集成商无法给用户提供一个完整的解决方案。
例如银行的ATM机数字集中式监控系统，就可能需要提供基于Internet的解决方案：
宽带为主，窄带为辅。
首先ATM机原来预留的专网入口需要传输业务数据，考虑到ATM机24小时在线的业务服务和24小时视频监控的要求，我们很难提供一种解决方式，在同一个专网上，既保证业务数据传输稳定，又保证监控画面流畅，因此，我们需要考虑从宽带运营商租用线路，通过宽带传输视频数据。
而且，从运行模式和成本上考虑，很多ATM机并不需要随时传输视频数据，往往只在异常发生的情况下，主动要求监控中心切换监控点；或者在监控中心定时巡查各监控点的时候才需要在线。
这种情况下，就不需要为ATM机常年租用线路，只需要开通ADSL、ISDN、甚至通过电话线连接的方式。
近两年，国内厂商不断推出高性能、高性价比的视音频压缩卡和网络监控设备，使得基于Internet的数字视频网络监控系统成为可能，如上述ATM机数字集中式监控系统。
但是作为一个完善的解决方案，我们不得不考虑这样一个问题：
如何处理动态IP地址。
无论是普通电话线拨号，还是ISDN、ADSL，只要采用了动态IP接入方式，都会遇到这个问题。
所谓动态IP接入方式是指用户通过虚拟拨号技术动态获得IP地址来开展上网业务。
每次用户通过普通MODEM或者通过ISDN、ADSL拨号连接Internet时，ISP通常会分配给用户一个公共IP地址，这时候Internet上的其他用户就可以通过这个IP地址访问该计算机。
但是，因为这个IP地址是动态的，也就是说一旦断线，下次再连接Internet的时候，ISP将会分配另一个不同的公共IP地址。
如果仅仅是编码端（如ATM机）或者解码端（如监控中心）的一方采用了动态IP接入方式，问题比较容易解决。
在点对点通信的时候，只要有一方能够预先知道IP地址，就能够在双方之间建立握手，并获取对方的IP地址，进行通信。
但是如果双方都采用动态IP接入方式，就麻烦了。
一个用户拨号连接后，不知道监控中心的IP地址，也就无法通知对方自己的IP地址，后续操作根本无法进行。
视频监控能给您和您的机构带来直观、方便的视觉效果。
它广泛用在各种场合，比如仓库的监控、重要交通要道的监控以及其它重要位置的视频监控。
您可以坐在自己的办公室里，就可以看到您的机构各个重要场合的实时图像情况；您还可以不离开办公室就能处理各现场的突发事件，监视事件处理的全过程，并能看到处理后的现场图像效果。
二、视频编码的基本原理
－视频编码标准简介
－监控中的视频编码技术
－监控中视频编码分辨率的选择
－监控中实现视频编码的最佳方式
视频编码的基本原理
视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。
其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。
压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉（去除数据之间的相关性），压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。
H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验,采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广。
H.264创造性了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8）和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，系统更加完善。
H.264主要有以下几大优点：
－高效压缩：
与H.263+和MPEG4SP相比，减小50%比特率
－延时约束方面有很好的柔韧性
－容错能力
－编/解码的复杂性可伸缩性
－解码全部细节：
没有不匹配
－高质量应用
－网络友善
监控中的视频编码技术
目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/AVC等几种视频编码技术。
对于最终用户来言他最为关心的主要有：
清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。
采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。
MJPEG
MJPEG（MotionJPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。
MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率。
但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要8~20K！
MPEG-1/2
MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率（NTSC制为352X240；PAL制为352X288）的图像进行压缩.压缩位率主要目标为1.5Mb/s.较MJPEG技术，MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。
但MPEG1也有较多不利地方:
存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。
MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：
低（352x288），中（720x480），次高（1440x1080），高（1920x1080）。
MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适和网络传输。
MPEG-4
MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。
另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。
MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。
另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题。
目前规定：
H.264/AVC
H.264集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多整体性能：
－和H.263+和MPEG-4SP相比最多可节省50％的码率，使存储容量大大降低；
－H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量；
－采用“网络友善”的结构和语法，使其更有利于网络传输。
H.264采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广，更容易在视频会议、视频电话中实现，更容易实现互连互通，可以简便地和G.729等低比特率语音压缩组成一个完整的系统。
MPEGLA吸收MPEG-4的高昂专利费而使它难以推广的教训，MPEGLA制定了以下低廉的H.264收费标准：
H.264广播时基本不收费；产品中嵌入H.264编/解码器时，年产量10万台以下不收取费，超过10万台每台收取0.2美元，超过500万台每台收取0.1美元。
低廉的专利费使得中国H.264监控产品更容易走向世界。
监控中视频编码分辨率的选择
目前监控行业中主要使用以下分辨率：
SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。
SQCIF和QCIF的优点是存储量低，可以在窄带中使用，使用这种分辨率的产品价格低廉；缺点是图像质量往往很差、不被用户所接受。
CIF是目前监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉，它的图像质量较好，被大部分用户所接受。
缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。
4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。
缺点是存储量高，网络传输带宽要求很高，价格也较高。
监控中实现视频编码的最佳方式
目前视频编码正处于一个技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能在不断得到提升。
在监控中主要使用ASCI和DSP两种方案。
由于ASIC芯片的设计、生产周期过长，使它已跟不上视频编码的发展速度。
而DSP芯片，由于它的通用设计，使它能实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。
另外使用DSP芯片可以比ASIC更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。
三、视频监控技术的基本原理
1、模拟图像监控：
由摄象机、模拟编解码器、视频矩阵系统、监视器、控制键盘以及录象机等组成。
在构建这样的一套系统的时候，需要铺设专门的视频线、电源线以及控制线。
因此，其缺点也很明显：
传输距离近，一般只在一两公里；只能在本地控制中心监视，不能让重要人员在自己的办公室就能监视；若采用光纤，可以远传，但造价太高。
2、多媒体视频监控：
由摄象机、编解码器、工控机（或嵌入式设备）、视频编解码卡、监控软件等组成。
在构建这样的一套系统的时候，也需要铺设专门的视频线、电源线以及控制线，用计算机（或嵌入式设备）取代了模拟监控系统的视频矩阵、监视器，用硬盘取代了录象机。
这样的一套系统功能强，灵活性高。
3、基于IP视频服务器的远程视频监控：
只需要摄象机、IP视频服务器就可以把监控图像传至您机构内部的计算机网络上，在网络上任意一台计算机上面都可以通过授权观看。
管理人员只需要移动鼠标或者敲击键盘就可以控制摄象机的动作。
其优点是不需要单独铺设专门的线路，省去了各种复杂的电缆，从而降低了成本；只要您机构内部计算机网络能到达的哪里，图像就可以传送到哪里，因此，您可以在任何一台计算机上面都可以观看监控图像或控制云台及镜头的动作。
缺点是：
必须采用网线传输，对于没有网络资源的机构就不太适用。
四、嵌入式硬盘录像机技术
4.1基本概念：
嵌入式、实时与多任务
1、嵌入式：
软件（包括操作系统和功能软件）集成于硬件系统之中，简单的说就是软件与硬件一体的系统。
2、实时：
在规定的时限内响应事件。
超时的响应是失败的响应。
3、多任务：
同时响应多个请求
4、实时系统与分时系统：
实时与非实时相对
分时与非分时（独占）相对
4.2嵌入式硬盘录像机的特点
1、嵌入式、实时、多任务设备
2、软硬件专业性强，无多余功能
3、结构简单紧凑，体积小
4.3嵌入式硬盘录像机硬件体系结构
五、嵌入式硬盘录像机技术难点
1、硬盘管理
硬盘记录数据的有效性、可快速检索、错误恢复能力、硬盘的使用寿命（无论是嵌入式还是PC式DVR，目前硬盘管理问题没有得到有效解决）
2、网络传输
硬盘录像机：
网络管理
视频：
网络传输
3、视频编解码
视频编解码及其辅助功能的实现
六、嵌入式硬盘录像机现状
1、国内品牌为主
–不同的技术要求和标准
–客户定制化服务的要求越来越高
–及时的技术支持和售后服务
2、厂商越来越多，竞争非常激烈
3、产品正逐步走向成熟
七、嵌入式硬盘录像机发展趋势
1、更广的应用领域
2、更高的帧率、分辨率
3、更低的码率
4、更丰富的功能
5、更强的主机性能，支持更多通道
6、更高的可靠性
7、更强的网络性能
8、与基于PC机的DVR长期共存
海康威视的新一代嵌入式硬盘录像机
海康威视积多年嵌入式硬盘录像机开发经验，广泛吸取各领域用户的使用需求，在DS8000M系列成功的基础上又开发成功新一代革命性的嵌入式硬盘录像机。
目前有两个系列：
DS-8000HC、DS-8002AH（L）
八：
视频监控在局域网中的应用
8.1监控现场组网方案
1、固定镜头组网方案
由于固定镜头一旦调试完毕，不需要云台来转动摄象机，因此只需要把现场的图像及声音传送回指挥中心就可以了。
摄象机把图像信号通过馈线传送到微波发射机中进行调制，然后通过发射天线发射出去，而接收天线则把接收到的图像信号传送到微波接收机中进行解调，最后把解调的图像信号传送到监视器中显示出来。
2、带云台单摄象机组网方案
由于带云台的摄象机需要接收来自指挥中心的控制命令，以转动摄象机，或调整镜头焦距把图像放大缩小，因此还需要相应的编解码设备及无线远传设备。
具体示意图如下：
摄象机把图像信号通过馈线传送到微波发射机中进行调制，然后通过发射天线发射出去，而接收天线则把接收到的图像信号传送到微波接收机中进行解调，最后把解调的图像信号传送到监视器中显示出来。
在指挥中心，把由键盘发出的信号通过微波发射机调制后通过发射天线发射出去，接收天线把接收到的控制信号传送到微波接收机中解调，然后把控制信号传送到云台解码器中解调为相应的电信号，以控制云台和镜头的相应动作。
3、带云台多路摄象机组网方案
由于带云台的多路摄象机不仅需要接收来自指挥中心的控制命令，以转动摄象机，或调整镜头焦距把图像放大缩小，还需要把多路视频和音频信号进行压缩，转换为一路图像进行传输，因此不仅需要相应的编解码设备还需要专门的多路遥控音视频切换器及音视频无线远传设备。
摄象机把图像信号通过馈线传送到微波发射机中进行调制，然后通过发射天线发射出去，而接收天线则把接收到的图像信号传送到微波接收机中进行解调，最后把解调的图像信号传送到监视器中显示出来。
在指挥中心，把由键盘发出的以控制现场某一路摄象机的信号通过音视频切换微波发射机调制后通过发射天线发射出去，接收天线把接收到的控制信号传送到微波接收机中解调，然后把控制信号传送到云台解码器中解调为相应的电信号，以控制相应摄象机云台和镜头的相应动作。
网络拓扑结构
局域网
如图，在局域网内，客户端计算机（192.168.0.2和192.168.0.3）要访问服务器计算机（192.168.0.1）请使用内网IP地址：
192.168.0.1。
广域网
如图，在广域网上，客户端计算机要访问服务器计算机，请使用域名（例如）
前端服务器配置
用户无论使用哪种方式访问哪种网络，都必须首先配置好前端服务器（硬盘录像机）。
用户选择“系统设置->系统参数设置”找到如图所示：
Web站点主目录：
指放置网页及控件的全路径，请通过点击[浏览]，选择监控系统目录里面的文件夹（通常是C:
\nv700x_v3.1\）。
默认情况下，系统会自动设置好该主目录，用户再检查一下即可。
Web站点IP地址：
如果用户仅在局域网内访问，请填上本机IP地址（即硬盘录像机的IP地址），如果用户还需要在广域网上访问，请填上域名（例如花生壳的动态域名）
用户选择“系统设置->电子地图及网络端口”,找到如上图所示，把Http端口号改为其它值（例如8080）。
网络传输端口号：
即图像接收时用到的端口号，如果前端只有一台服务器（硬盘录像机），请保持默认值5050。
路由器配置
用户需要在广域网上访问时，才有必要对路由器进行相关设置。
80：
HTTP服务（广州地区请改为其它端口，例如8080，非广州地区可保持默认值80）
5050-5052：
图像接收
6789：
云台控制
4100、4200：
远程回放
7050：
用户登录校验
本系统用到的端口号如上所示，下面以D-LinkDI-504为例进行说明。
用户选择“进阶设定->虚拟服务器”，添加虚拟服务器
名称：
可任意填写，但请根据端口的用途进行命名，有助于日后维护。
个人IP地址：
请填上前端服务器（硬盘录像机）的IP地址。
协议模式：
保持默认值TCP即可。
私有服务端口，公用服务端口：
填上要添加的端口即可，例如这里的8080。
排程：
即该端口使用的时间段，通常采用默认值任何时间即可。
最后记得点击[执行]以保存设置。
下图是对150.10.20.123这台服务器配置后的结果：
网络访问
客户端软件XNetPlay2访问
运行程序后，点击“设置->服务器设置->新增”，弹出如下图：
服务器名称：
可任意填写，但请根据服务器特点命名，方便日后维护。
通道数：
默认值为8，请根据前端服务器（硬盘录像机）的通道数进行填写。
服务器地址：
即前端服务器（硬盘录像机）的IP地址。
注意：
局域网上访问，请填上内网IP地址（例如：
150.10.20.11）。
广域网上访问，请填上域名（例如：
）。
端口号：
请保持默认值5050，只有前端服务器（硬盘录像机）上的接收端口被更改后，这里才需要作相应更改。
服务器类型：
请保持默认值NV系列。
管理员名称、密码：
请根据前端服务器（硬盘录像机）现有用户进行填写（例如默认的Admin，Admin或者1，1）。
转发服务器地址：
请保持空白。
转发端口：
请保持5050。
按[确定]，用户即可在“服务器设置”对话框中看到刚才新增的服务器图标，再点击[退出]按钮，退回“通道选择”对话框：
如图，选中“test服务器”，按[
]，把新增的服务器通道移到右面浏览通道方框，最后按[确认]退出服务器设置。
在程序主界面，点击[连接]按钮，即可接收前端服务器的图像。
如下图：
IE浏览器访问
打开IE浏览器，输入前端服务器（硬盘录像机）的Web站点IP地址（例如：
局域网：
150.10.20.11，广域网：
）。
注意：
Web站点IP地址请按前面说明先配置好，否则无法连接。
如果Http端口号修改过（非80），请在域名后面加上端口号（例如）。
如果客户端使用XP系统，请把Internet安全设置中关于ActiveX控件和插件的选项都设为启用或者提示。
第一次访问前端服务器，系统会提示下载一控件
如图，点击[是]，系统会自动安装该控件，稍等一会（根据网速而定），则出现如下画面：
输入默认的用户名：
1，密码：
1。
注意：
此处登录的用户名密码是根据前端服务器（硬盘录像机）现有用户输入的，超级用户Admin不能登录接收图像，用户可在前端服务器（硬盘录像机）添加其它用户进行登录。
如图，登录后，用户在服务器列表双击某一通道即可接收该通道图像。
8.2监控中心组网方案
各个微波图像接收机解调后的信号传送到监控主机，在监控主机中可以实现硬盘录象，还可以把图像传送到大型电视墙分别把各个现场的图像显示出来。
另外，监控主机还具有以太网接口，可以把图像通过以太网传送到内部的计算机网络中，通过授权查看。
8.3网络视频监控的种类
网络视频监控技术根据传输方式可以分为模拟传输、网络数字传输。
在网络数字传输方式中又分为电话线、DDN、ISDN、光纤、无线传输、VSAT卫星线路等，在各种网络中可能采用不同的连接方式，有的在同一网中都可能存在几种不同的传输方式。
在PSTN网上,利用用户现有的电话线进行多媒体（尤其是视频信号）传输可以采用几种不同的方式：
1、MODEM接入，采用低数据速率的H.263会议电视视频压缩标准，将几十K的数据流通过28.8Kbps的V.34MODEM接入PSTN网，传输CIF、QCIF每秒5～15帧的图像。
目前33.5Kbps至56Kbps的Modem已很普及，这种传输方式有利于低速率的视频传输，帧率也可以进一步提高；
2、XSDL接入，主要包括ASDL（下行速率1.5～9Mbps，上行速率16～640Kbps，传输距离5.5KM），主要用于视频点播和视频广播；HSDL使用一对两对双绞线，双向速率为1.5～2Mbps，传输距离约为5KM，可作电视会议或双向视频控制。
3、DDN方式，DDN是利用数字通道提供半永久性连接电路，以传输数据信号为主的数字传输网络。
它主要提供中、高速率，高质量点到点和点到多点的数字专用链路，以便向用户提供租用电路业务。
其线路的通信速率为2.4～19.2Kbps，N×64Kbps（N=1～32）。
它也可提供VPN业务。
我国邮电部门已在全国范围内建成并开放了DDN业务，通信带宽为64K～2.048M（E1）。
九：
视频监控在局域网中的传输
电路交换最基本的应用是一个信号占用一条线路，这条物理线路一直被这个信号所占据，直到电子开关切换到另外一个信号上。
这个信号可以是数字信号，也可以是模拟信号。
为了在一条物理线路上，传输多个信号，提高线路的利用率，一种方式是采用频分复用技术，将多个信号调制成不同频率，在一条线路上传输，信号源可以是数字信号，也可以是模拟信号，另一种方式就是采用时分复用技术，时分复用技术分为固定时隙式时分复用技术和统计式时分复用技术，传输的信号是数字信号，模拟信号要数字化处理后传输。
固定时隙式时分复用技术最典型的应用是运行了上百年的电话网，也是电路交换的经典：
当用户要求发送信息时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间建立一条固定时隙的物理数据传输通道，这个通道是固定带宽，无论是否有数据传输，或多大的数据传输，一直占据且只占据这个固定的带宽，直到主叫用户终端和被叫用户终端终止连接。
随着宽带技术的发展，远程集中监控的需要越来越多，规模也越来越大，一种是重建专用网，利用现有的CATV技术，包括WDM技术，将模拟信号不做处理直接传到监控中心，进行集中监控，其缺点是网络建设费用非常高，采用WDM技术，必须是裸光钎（中间是无源的），在有些应用场合，在一个小的区域范围内，还是可行的，只是实现集中监控的代价很大，费用很高。
另一种方法技术利用现有的数字网络，对视音频信号进行数字化压缩，将压缩码流组成IP报文，通过TCP/IP协议，把这些IP报文传到监控中心实时解码出视频图象，进行集中监控，这个数字网络可以是VPN，可以是专网，也可以是公网，如PSTN、ISDN、GPRS、CDMA、ADSL、宽带城域网、INTERNET等
传统的视频图
升级会员 