海康网络高清监控方案.docx
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海康网络高清监控方案
Companynumber：
【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
海康网络高清监控方案
第1章系统概述
1.1系统概述
本项目为丰台区检察院办公楼安防监控系统建设项目，为保障办公楼及周边的安全保障，建设本系统。
1.2设计原则
1.先进性
本系统采用先进的、具有前瞻性的视频监控技术，包括130万像素数字高清技术、高清视频编解码技术、视频海量存储和高效检索技术和视频智能分析技术等。
同时采用先进的综合视频管理平台，借鉴海量多媒体资料管理系统的经验和技术，不仅实现对高清视频的统一管理，还应实现整个系统设备的运维管理，以及各类视频综合智能化应用。
2.可靠性
系统设计、设备选型、调试、安装等环节都严格执行国家、行业的有关标准及公安部门有关安全技术防范的要求，贯彻质量条例，采用稳定、可靠的技术设备，确保系统级别的高稳定性和可靠性，满足7×24小时、全年365天的全天候长期稳定运行。
系统中核心的数字高清编码阵列、存储设备、重要的服务器及后台服务软件等，支持掉电恢复后设备及软件自动恢复正常连接、断网或网络风暴恢复后设备及软件自动恢复正常连接，启动过程无需过多人工干预。
3、安全性
系统传输采用专网，充分利用光纤资源，保证视频信息、控制信息网络传输的安全和畅通，避免采用互联网和VPN进行传输。
同时设备接入、传输采用加密技术，提供网络非法入侵保护和避免信息非法被窃取。
4.开放性
高清数字摄像机、高清编解码器、网络设备、存储设备及软件平台等均应采用开放式的产品或架构，能够提供完整的SDK、API等二次开发环境，并须提供SDK、API等的源代码及数据结构、开发文档，并交由独立第三方进行验证，满足构建统一的视频管理及应用平台的需要。
5.易管理性、易维护性
前端设备支持远程升级和远程故障排除功能，维护便捷，降低系统运维管理成本。
同时可自动检测系统中任何一台设备的运行状态，并示出详细参数，以辅佐管理人员及时准确地判断和解决问题。
采用稳定易用的硬件和软件，完全不需借助任何专用维护工具，既降低了对管理人员进行专业知识的培训费用，又节省了日常频繁地维护费用。
1.3设计依据
《视音频编解码标准》（ITU）
《安全防范工程技术规范（附条文说明）》（GB50348）
《视频安防监控系统工程设计规范（附条文说明）》（GB50395）
《石油库设计规范》（GB50074－2002）
《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）（2006版）
《安全防范工程技术规范》GB50348—2004
《安全防范系统验收规则》GA308—2001
《视频安防监控系统技术要求》GA／T367—2001
《电子计算机场地通用规范》（GB／2887—2000）
《计算机软件需求说明书编制指南》 GB9385—88
《计算机软件开发规范》 GB8566—88
《计算机站场地安全要求》（GB9361—88）
《信息技术互连国际标准》（ISO／IECll8D1-95）
《信息技术、软件包顾量要求和测试》（GB／T175—1998）
《软件维护指南》（GB/T14079-93）
《民用闭路电视监控系统工程技术规范》（GB50198-94）
《音频、视频及类似电子设备安全要求》（GB8898-2001）
第2章系统总体设计
2.1总体设计思路
前端采用高清数字摄像机采集高清视频图像，最大分辨率可达到1080P（1920*1080），采集的高清图像经网线或者光纤，传输到监控网络，视频信号转发到NVR存储或者输入高清解码器，上电视墙拼接屏显示；
主控中心机房部部署管理服务器，对监控专网内的高清摄像机、存储设备、解码设备、流媒体转发服务器实行集中管理，监测设备的运行状态；对客户端进行帐户、密码、使用权限的集中分配和管理，对客户端登陆监控系统进行验证；
方案实施集中式存储，在监控中心部多台NVR，为高清摄像机提供存储服务。
处于成本考虑，部署多台NVR要比磁盘阵列价格低。
视频信息用高清1080P格式存储，存储录像时间为30天；
主控中心采用多台高清解码器把视频信号输出到监视器上。
电视墙通过6块46寸拼接屏组成；
2.2系统拓扑结构
系统拓扑结构图
2.3系统功能特点
高清图像采集
高清网络摄像机实现高清视频图像采集功能，支持1920*1080分辨率，支持网络输出，具有最佳的图像抗干扰性和高清视频图像远距离传输能力。
视频信号在摄像机内实现编码压缩，可以直接通过摄像机的网络接口输出数字视频信号。
夜间照度较差又无补光措施的位置选用红外摄像机，复杂环境选用高速球供机动监控使用。
所有摄像机都采用网线接入网络光端机。
网络光端机将数字视频信号转换为光信号，通过光纤，将视频数据传输到监控中心，该数据流既可用于网络存储，又可用于远程实时监控。
低延时远程监控
在整个地区范围内，通过视频监控专网，授权用户能远程监控任意可控监控点的图像，远程操作摄像机进行变焦和转动，可以清晰地查看现场图像。
高清网络摄像机内部采用高性能处理芯片和优化算法，编码效率高，编码延迟小，可确保端到端控制延迟小于260ms。
低延迟体现控制灵敏度高、响应迅速、聚焦准确等优势。
高清图像显示
高清网络视频信号通过解码设备，可以按一定的分割和轮循规则显示在电视墙上。
电视墙通过16块监视器组成，可以把所有视频图像显示在监视器上。
图像存储与共享
系统具备高清视频流的存储功能，授权网络用户可以从磁盘阵列上远程调看、下载视频资料。
管理服务功能
通过管理服务器，统一管理存储设备的音视频资料的访问，并为客户端提供流畅的视频流服务，实现全网系统管理和流媒体转发。
权限管理功能
可以添加和删除用户，并可对各级用户的控制权优先级进行管理。
第3章前端子系统
此次高清视频监控系统主要在整个监控区域内部重点位置部署监控点位，实现高清视频采集、控制、传输和显示功能。
3.1高清监控点组成
前端摄像机是整个安全防范系统的原始信号源，摄像部分的好坏及它产生图像信号的质量将影响整个系统的质量。
本系统前端采用高清网络摄像机，相比普通摄像机具有明显的技术优势：
1.高清数字摄像机采用百万像素级别CCD或者CMOS传感器，能获得更多的视频信息，实现1280×720、1920×1080、1600×1200甚至更高的视频图像分辨率；
2.监控图象显示质量更高，能够更好地捕捉细节；
3.逐行扫描CCD、CMOS动态画面表现更流畅；
4.支持HDTV的宽屏输出模式（16:
9）；
5.监控画面覆盖面更广，相同监视区域可以替代原有的多个固定点摄像机和一个全方位摄像机。
3.2高清特点
由于受到成本的限制，高清在视频监控行业一直未得到有效地应用。
而现在芯片技术及压缩算法的发展，高清的视频监控产品逐渐兴起。
现在D1标清视频压缩格式业已正式写入数字硬盘录像系统（DVR）国家标准。
高清摄像机和高清视频编解码器也逐步得到应用和推广，其清晰度可以达到1920*1080甚至更高，高清视频监控系统提供的高质量视频图像，将视频监控效果带来显着的提升。
图像清晰度更高、细节更加清楚
传统的标清分辨率的图像对于多数的监控场景，基本上无法对细节进行分辨。
而当发生案件时，从录像资料中很难对监控现场涉案的人员、物品准确认定，不具备很好的对侦破工作的指导性和法律质证能力。
在一些重要的监控场所，应采用高清摄像机获取高清晰度的监控画面，更能清楚地呈现监控原貌。
高清视频监控图像与标清视频图像清晰度的直观比较如下图所示：
高清和标清图像效果比对
监控目标覆盖范围更广、提高监控效能
在传统的标清监控技术构架下，为了保证监控的覆盖率，尽可能的减少监控死角，需要安装部署相当规模数量的监控摄像机，监控系统规模不断扩大，从几百路向成千上万路甚至数十万路的规模发展。
如此规模庞大的监控资源，在同一时间里却只有极少部分能够得到实时的监控，而绝大多数监控图像被无差别的记录保存下来，从而形成了海量级的视频录像数据资料。
而这些规模庞大的录像资料中也仅有极少部分因可能与某些已知的事件相关联而被备份以外，其他的录像信息则不断的被新的录像数据所覆盖。
这就是典型的传统监控系统大规模、高成本、低效率的建设应用现状。
在高清监控技术构架下，单台高清摄像机能够相当于几台普通摄像机的监控覆盖面，且图像分辨率更高、信息量更丰富，因此采用高清监控可以非常有效的缩减系统规模，节省传输链路和设备，从而减少总体建设成本，高清监控技术将推动视频监控系统建设应用向着集约化、效能化转变。
如图下图所示：
一台高清摄像机即可覆盖整个十字路口，实现原先需要多个摄像机才能达到的功能。
高清视频监控的大范围覆盖效果图示
高清摄像机能实现数字PTZ功能
高清摄像机不仅提升了图像清晰度，使得数字PTZ功能得以体现，也就是在整幅大图像中对某个局部细节进行放大或移动。
而且这种大范围整幅图像监控拍摄，不会错过监控范围内的任何情况，给日后的调阅查证提供了有效手段。
同时由于数字PTZ方式没有机械移动部件，设备也更经久耐用。
第4章存储子系统
本项目设计的存储系统需满足所有高清监控点按1080P分辨率（4M码率）保存30天的要求。
出于成本考虑，此次设计存储采用NVR作为存储设备。
每台NVR满配8块4T硬盘之后，可以满足20路1080P高清监控点存储30天的需求。
4.1编码压缩能力
海康威视是业界第一家为编码设备引入编码算法的厂家，基于对监控行业逐渐深刻的认识，我们针对监控本身的诸多特点对编码算法进行持续优化。
考究产品的压缩编码能力可以从以下三个方面一窥究竟：
超低压缩码率——可能目前大部分用户都不太在意超低码率下压缩编码，原因是大家在持续提升图像质量而不断增加码率。
但是不可否认手机监控已经走入我们的生活，在手机屏仅支持QCIF画质、无线通信带宽紧缺的现在，能以64Kbps甚至56Kbps作QCIF编码实现手机监控，是一种技术实力的体现。
海康威视任何一部DVR或者NVR的子码流均可通过网络直接送往用户手机，实现手机监控。
主流压缩码率——按照逻辑辨证法看待事物，实现同样画质的图像，谁的消耗少证明谁的技术更胜一筹。
在保证FULLD1图像解析度的条件下，使码流更低是追求的目标，而且还需使得DSP运算能承受代码的复杂度。
对用户而言，呈现的回放分辨率是FULLD1，而需要超过2Mbps甚至8Mbps的码流显然是在浪费网络带宽和存储空间。
海康威视可以利用码流编码出FULLD1画质，而我们向上支持到8Mbps的码流是为未来高清编码作预留。
高清压缩码率——目前海康威视提供的130万像素网络摄像机就体现了全实时高清压缩编码的实力。
相对于FULLD1画质，图像尺寸和分辨率提升约一倍，码流应该需要4Mbps，经过对MPEG4编码算法的不断优化，目前利用3Mbps码流可完成百万像素全实时编码。
综上所述，评价一种产品的编码能力并不能仅从编码码率、图像分辨率去片面比较，而是需要综合考量的。
4.2压缩编码特点
经典架构
我们选择RISC芯片（ARM）完成主控，DSP芯片完成编码运算。
选用的ARM归属于EMPU（嵌入式微处理器），针对监控系统的专有性对保留其相关功能，裁剪无用功能，大幅减小系统体积和功耗。
相对于某些基于CISC或者通用CPU，在工作温度、抗电磁干扰能力、可靠性等方面都做了增强，具备体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。
视频流编码要求编码芯片能胜任连续数据流的处理及高精度复杂运算，因此DSP器件是最优的选择。
对系统结构和指令进行特殊设计，编码效率高、执行速度快。
业界首创的双码流技术
针对国内网络建设相对落后的环境，为了在录像数据和网传码流之间取得平衡，我们开发了双码流技术。
DSP对同一路图像进行两次编码，主码流用于录像，选择高分辨率、全帧率、最优图像质量，子码流用于网传，选择普通分辨率、非实时、普通图像质量。
通过这样的设计，可以不需要用户去改建现有网络，省去额外的网络投资，当然，该方式源于目前绝大多数用户实时监控的时间＜＜录像回放的时间，且实时监控的强度要求不高。
当并发访问数量激增时，任何设备都会出现瓶颈，没有哪个厂商可以逃脱，但是我们采用了更能让用户放心的处理策略，即录像＞网传，主码流＞子码流，简而言之，CPU运转是优先保证录像的，确保有清晰完整的录像文件是可追溯的。
若用户对实时监控的要求很高，也有充足的网络带宽满足全实时FULLD1监控的需求，那么直接网传主码流即可。
动态编码技术
目前支持在编码过程中动态修改编码参数，而不需要重启设备，由此而衍生的“事件压缩”功能让用户更满意。
据统计，监控录像有80%属于无用数据，其中绝大部分是录制静态画面，在过去以变码率方式来降低存储量。
“事件压缩”更加符合用户需求，即用户希望“有用数据”是清晰的，对“无用数据”的清晰度要求不高。
在判决何谓“有用数据”时，经统计我们认为报警触发的录像、移动侦测触发的录像，以及未来智能分析报警触发的录像是“有用数据”，因此利用“事件压缩”功能，“普通数据”采用低分辨率、低码率进行录像，“有用数据”采用高分辨率、高码率进行录像，编码参数的改变由设备自动完成。
在录像质量和存储空间之间做了最好权衡。
第5章解码子系统
视频解码服务子系统主要是为满足不同监控中心对模式图像应用需求而设置的，视频解码服务子系统可相应视频显示控制子系统的控制指令，并调用新建和已建的视频资源。
视频解码服务子系统主要完成如下功能：
响应控制指令：
视频解码服务子系统响应视频显示控制子系统的视频调用、切换功能。
视频调用功能：
视频解码服务子系统可根据用户调用指令，实现对制定视频源的调用功能。
视频解码功能：
对接收的视频，完成解码，输出模拟信号。
因为解码子系统也按“交换”方式实现图像的切换控制，与模拟矩阵相似，故称为数字矩阵。
5.1数字矩阵工作方式
在监控中心采用多台嵌入式解码器构成数字矩阵取代了传统的模拟视频矩阵来管理电视墙。
它的主要功能与模拟视频矩阵基本相同，都是基于交换的原理来管理前端视频源切换上电视墙。
控制中心向数字矩阵发送相关预览指令，数字矩阵从指定前端获取高清数据流，并解码输出到电视墙；由此能进一步实现切换、轮巡等操作。
控制中心还能向存储系统发送检索指令，存储系统将相关的历史码流推给高清数字矩阵，解码上墙。
解码数据流向示意图
5.2数字矩阵功能
高清解码性能
数字矩阵支持解码QCIF/CIF/2CIF/DCIF/4CIF等多个编码格式的视频。
解码服务器并能解码HD720p、1280*960、1600*1200等多个高清编码格式。
为未来接入高清前端预留性能。
全实时解码效果
预览和回放时，画面均可达到25fps全实时图像画质，随着系统的不断优化，未来将突破传统的25fps限制，达到更高的帧率，比如50fps。
优化的解码方式
正对数据源不同，可设置更合理的解码方式。
当数据源为实时数据流时，可设置为实时性优先以降低延迟；当数据源为回放数据流时，可设置为流畅性优先以获得更清晰流畅的回放效果。
单画面和四画面分割
目前业内首推支持高清视频四分割显示，更合理利用大尺寸的高清显示屏。
拖拽操作
可将任意高清监控头拖拽至任意高清显示屏解码显示。
可将一组监控头拖拽至一组高清显示屏解码显示。
多种轮切效果
由海康威视首推的IP矩阵概念实现基于IP网络的轮切功能。
多个高清监控头在1个高清显示屏中自动轮巡切换显示；一组高清监控头在一组高清显示屏中自动轮巡切换显示；轮巡间隔时间可由用户自定义。
灵活的切换模式有利于提高监控有效性。
5.3数字矩阵优势
高清图像质量
高清数字矩阵可无损地还原出原始编码图像的效果（与模拟系统不同，数字信号经过网络传输后，不会因传输距离、线路质量等因素受到干扰）。
在标准的HD720p分辨率格式下，还原出的模拟图像可实现大于700TVL以上的图像效果，确保图像显示质量。
与此同时，还能解码HD960p、1600*1200的高清码流。
易于搭建
高清数字矩阵采用成熟技术和产品，易于构建和维护；其次，数字解码器的视频输入是通过网络来完成，不涉及大量的模拟信号输入，其安装和管理都非常简便；
易于部署
如上所述，高清数字矩阵的视频输入是通过网络来实现的，只要有IP网络的地方都可以部署数字矩阵，不受到信号传输距离的限制；
易于扩展
前端高清网络摄像机的码流经过网络传输到高清数字矩阵后，经过解码还原为非压缩信号输出到电视墙。
也就是说，只要能够接入网络的视频信号，均可作为数字矩阵的输入端。
这与传统的模拟矩阵M×N的架构（例如128进16出矩阵，M=128，N=16）相比，其输入数量几乎是无限制的。
易于管理
与模拟系统不同，数字矩阵系统是标准的IP网络模块，可接入统一的视频管理平台进行统一管理，其视频切换策略等均可通过电脑管理界面完成，不受到硬件的物理限制。
而且通过管理平台可方便的实现其工作状态管理和在线保活等网管功能。
第6章管理平台
平台软件是一套定位在监控专网环境中使用的网络集中监控软件，以分布式系统设计理念为基础，从监控业务中抽象出各功能模块，各施其职、相对独立，之间的信令交互又使它们构成一个有机的整体。
网络视频监控系统需要实现前端接入、网络存储、网络接处警、监控中心图像呈现与控制和集中管理的功能。
因此，平台软件包括以下功能模块：
中心服务模块、存储服务模块、流媒体服务模块、电视墙服务模块、报警服务模块、客户端模块。
各服务模块的物理承载形式为Server，构成中心服务器、存储服务器、流媒体服务器、电视墙服务器和报警服务器，客户端模块的物理承载形式为高性能PC，构成配置客户端和操作客户端。
各应用服务器的主要功能如下表所示：
软件平台各应用服务器主要功能
中心服务器
视频安防监控系统的“大脑”，统一管理视频监控设备，包括：
IP前端、DVR、DVS、NVR、HybridDVR及上述各应用服务器。
存储服务器
网络存储服务的提供者，它依托于磁盘阵列等存储介质为其提供存储容量，阵列挂载方式支持DAS、NAS、IPSAN、FCSAN等。
它能解决IP前端、视频服务器（DVS）的网络存储难题，也能为DVR提供中心备份存储。
多台存储服务器通过逻辑堆叠的方式构成存储子系统，为大规模视频监控系统提供海量、可靠的存储服务。
流媒体服务器
把实时数据流转发给多个用户观看，起到缓解前端设备压力、节省网络接入层带宽和隔离内外网设备的作用。
电视墙服务器
实现数字矩阵功能的组成部件，兼具解码、显示输出、轮巡切换等功能。
软件界面呈现上与真实电视墙一一对应，对它的操作结果将直接反应在电视墙上。
报警服务器
监控系统报警信息的汇聚点，接收报警信息并按优先级转发报警信息给不同客户端执行处警。
过程记录在报警日志中。
客户端
配
置
客
户
端
系统维护员的操作对象，它对设备、服务器、控制单元信息、用户执行添加、修改、删除等操作，维护中心服务器的数据库信息。
它还能配置录像计划、电子地图、用户权限、电视墙布局等。
操
作
客
户
端
用户执行日常监控操作的对象，包括：
预览、PTZ控制、回放、切换上墙、报警处理、日志查询等。
根据分配权限的不同，控制中心具备分级功能，所能访问的监控资源和使用的功能截然不同。
将各服务模块组合使用便能构成多级视频监控系统，结构示意图如下所示：
软件平台架构
6.1中心服务模块
中心服务模块的软件界面图如下所示：
中心服务模块担当系统管理的角色，将完成以下功能：
设备与服务注册管理
记录设备和服务模块的信息，设备包括：
IP前端、DVS、DVR、HybridDVR，服务模块包括：
流媒体服务、存储服务、电视墙服务、报警服务。
客户端信息管理
记录配置客户端、操作客户端的信息，包括用户名、密码和用户权限（系统资源），在客户端访问监控系统前执行登陆验证功能。
NTP全网校时功能
对监控专网内全部设备启用NTP校时服务，保持全部设备时间统一。
可由操作员发起手动校时或中心服务器启用定时自动校时功能。
自动切换备份存储设备功能
为了确保录像数据存储的可靠性，当中心服务模块发现存储服务器出现损坏、掉线、宕机等异常情况时，会将存储服务自动切换到备用存储服务器上，维系存储服务正常运转。
手机网关服务功能
中心服务模块自带手机网关服务功能，手机客户端能登陆至监控系统使用权限范围内的监控资源。
也支持关闭手机网关服务。
内置WebServer服务功能
中心服务模块内置WebServer服务功能，维护员可通过IE浏览器登陆管理页面完成配置维护工作。
也支持关闭WebServer服务。
6.2存储服务模块
存储服务模块担当管理集中存储的角色，将完成以下功能：
磁盘分组管理功能
自动获取可用磁盘分区，包括本地磁盘和网络映射盘，用户可将各磁盘分区指定到不同的磁盘分组。
用户可利用磁盘分区大小来控制循环录像保存的时间。
预分配技术
对磁盘执行格式化和预分配功能，确保未来使用中不产生磁盘碎片，磁盘不会因为长期运行而导致工作效率降低。
受损分区修复技术
存储服务器因掉电或系统被恶意重启导致磁盘分区（索引文件）遭受破坏，存储服务器重启后，对受损分区自动执行修复操作，确保存储服务器能继续正常工作。
主动更新录像计划
存储服务器会自动从中心数据库获取最新的录像计划并执行，接受配置客户端实时更新录像计划。
支持定时录像计划、移动侦测报警录像计划、报警录像计划，并提供预录功能。
自动重连机制
因网络异常或设备重启导致丢失与视频源的连接，存储服务器将持续执行重连操作，侦测视频源是否上线，直到恢复连接为止，继续执行录像计划。
自动接续存储服务
当存储服务器遭遇掉电或恶意重启后，重启自动修复受损分区并恢复录像服务。
若存储服务器受损严重，将报警信息自动上报中心，发出报警信息提示工作人员排障，给出排障的参考信息。
异常信息保存在本地日志文件中。
故障自调整功能
存储服务器出现程序崩溃、异常退出等情况时，将自动重启以确保存储服务正常工作。
VOD点播服务
为客户端提供录像检索、点播服务，支持按录像起止时间、录像类型检索录像文件，播放历史数据。
支持播放过程中按时间定位功能，用户可快速跳转到某时间点的录像。
录像片段锁定功能
支持用户对重要录像数据执行加锁功能，防止执行循环录像时重要录像数据被覆盖。
当录像数据被下载备份以后，可对其执行解锁功能，释放存储空间。
数据补录功能
当存储服务器和备份存储服务器均失效或网络故障以后，IP前端将数据缓存在本地SD卡内，DVS将数据缓存在本地磁盘内，当存储服务器或网络恢复工作以后，将缓存的数据自动补传至存储服务器挂载的磁盘内，保证录像文件的完整性。
检测
存储服务器对挂载的磁盘执行检测操作，当发现磁盘工作不正常或寿命将近时，主动向报警信息上报中心，提醒工作人员更换硬盘。
6.3流媒体服务模块
流媒体服务模块的软件界面图如下所示：
流媒体服务模块担当数据流转发的角色，将完成以下功能：
实时流转发功能
将客户端请求的实时流转发给客户端查看，若请求的实时流已经被流媒体服务器获取，将执行复制分发工作，若请求的实时流未被流媒体服务器获取，将执行连接获取再转发的工作。
连接情况统计功能
能统计流媒体服务器的进出码流数，每个通道码流转发路数、客户端的请求路数以及实时流丢包率和延时。
故障自调整功能
流媒体服务器出现程序崩溃、异常退出等情况时，将自动重启以确保存储服务正常工作。
异常信息主动上报
流媒体服务器可将自身遇见的实时流断流等异常信息上报中心，提醒管理员检查断流原因。
异常信息记录在本地日志文件中。
6.4电视墙服务模块
电视墙服务模块的软件界面图如下所示：
电视墙服务模块担当管理电
升级会员 