05#视频系统.docx
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05#视频系统
第五章视频监视系统
一、设计依据及原则
1.1设计依据
∙《安全防范工程技术规范》（GB50348-2004）
∙《安全防范工程程序与要求》（GA/T75-94）
∙《安全防范系统验收规则》（GA308-2001）
∙《安全防范系统通用图形符号》（GA/T74-2000）
∙《民用闭路电视监控系统工程技术规范》（GB50198-94）
∙《工业电视系统工程设计规范》（GBJ115-87）
∙《音频、视频及类似电子设备安全要求》（GB8898-2001）
∙《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求》（GB4793-2001）
∙《信息技术设备的安全》（GB4943-2001）
∙《邮电通信网光纤数据传输系统工程施工及验收技术规范》
∙EIA/TIA568A，EIA/TIA569A国际电子工业协会通信线缆、通讯路径和空间标准
∙ISO/ICE/IS11801结构化布线标准
∙ISOTCP/IP协议标准
∙ISO/IEC13818MPEG-2协议标准
∙ISOIGMP/CGMP协议标准
∙10BASE-T，100BASE-TX标准IEEE802.3，IEEE802.3U
∙《中华人民共和国通信行业标准》（YD/T926）
∙《城市市政综合监管信息系统技术规范》（CJJ/T106-2055）
1.2设计原则
在监控系统建设中我们遵循以下设计原则：
1）实用性和先进性
系统设置既强调先进性也注重实用化，应注意系统设置的经济效益，达到综合平衡。
2）集成性和可扩展性
系统设计应遵循全面规划和分步实施的原则，应考虑全面和周到，注意预留和预埋到位，并有充分的余量，以适应将来发展的需要，应充分考虑所涉及的各个子系统的集成和信息共享，保证系统总体结构的先进性、合理性、可扩展性和兼容性，可以集成不同厂商不同类型的先进产品，使整个智能化系统可以随着技术的发展和进步，不断得到充实和提高。
3）标准化和结构化
除了系统的设计依照国家的有关标准外。
还须根据本项目系统总体结构的要求，各个子系统必须结构化和标准化，并综合体现出当今的先进技术。
4）安全性
本项目系统必须具有极高的安全性、可靠性和容错性。
5）经济性
在实现先进性、可靠性前提下，须达到功能和经济的优化设计。
二、综合安防系统规划设计
2.1视频监控管理子系统
闭路监控系统是整个智能化系统的重要组成部分，确保整个大楼的安全，提供全方位的实时监控，是整个综合安防系统的核心部分。
视频监控系统在一些主要公共区域、安全风险区域，如大楼的出入口、周界、主要道路道口、重要建筑物、较僻静的角落等处安装前端视频采集设备，通过IP网络将实时图像传送到保卫中心，实现实时监控和图像存储。
在发生意外时进行现场监视和录像。
监控中心应能清晰、及时、全面地观察到它所管理的每一监控点的情况，并将观察到的情况录制存档。
重要区域可在主监控器上重点监视。
通过对可疑人员、事件跟踪，可对现场情况进行监控记录，便于保安人员及时出警和人员调配。
监控系统既是一个相对独立的子系统，同时也可以作为其它系统（如防盗报警、门禁等子系统）的联动，出现报警时在保卫中心提供报警，实现实时打击功能。
视频监控子系统为行为识别子系统提供图像素材，接受行为识别子系统的报警信号并作出响应。
通过对可疑活动事件和行为的分析，最大程度提高报案、破案处理能力。
2.2视频监控系统的整体架构设计
整个数字视频监控系统将信令控制与码流交换分离，信令接续与码流承载分离。
若核心服务器出现故障，并不会影响目前整个监控业务的正常运行。
系统中各个部件（视频管理服务器VM、数据管理服务器DM、客户端VC、前端监控媒体终端EC/DC、视频存储设备IP-SAN）如果IP可达，都可以分布化部署，正常运行。
2.3视频监控系统的架构层次
∙监控接入层
前端监控媒体终端（EC编码器）负责把摄像头传送过来的模拟图像转换并编码压缩成IP数据流通过IP网络传送，支持UDP组播流和存储iSCSI单播流。
∙承载交换层
采用开放式的TCP/IP协议的IP承载网，并利用组播/单播协议把不同的数据码流传送到实际目的地址。
同时通过视频/控制网关把原有的监控系统（包括矩阵、光端机、DVR、网络监控系统）的控制信号和码流转换成标准的IP信号并由控制管理层进行处理。
∙控制管理层
智能监控系统采用信令控制与码流交换分离的体系，控制管理层主要负责整个系统的信令控制。
控制管理层是iVSIP智能监控系统的核心部件，系统中所有的设备都是通过控制管理层来实现相互的通信和管理。
主要控制管理设备是视频管理服务器VM和数据管理服务器DM，单台VM服务器可管理多达5,000个视频源。
∙视频应用层
视频应用层主要由视频客户端负责把监控图像进行实时查看，并把历史数据进行回放。
同时智能监控系统可以提供相应的API接口，提供第三方做深层次的应用开发，实现与行为分析、入侵报警、电子地图等子系统的联动。
三、系统功能特点
3.1高清晰、低延时的图像质量
系统采用最新的专业图像技术，可提供D1（720×576）高清晰图像分辨率，支持符合国家标准的编码协议。
通过端到端的图像传输架构，可提供广播级的高清图像质量和不到300ms的延时，满足视频监控的实时操控要求。
3.2双流分离设计
系统根据网络监控中对实时流和存储流的需求差异，创新性的在编码器产品中采用了实时流和存储流分别输出的双流设计，其中实时流支持单、组播，存储流支持iSCSI标准的单播流，编码器到IPSAN盘阵间实现端到端连接，既满足实时流低延时、大收敛比的访问需求，又满足了存储流高可靠性、海量存储的需求，避免了传统方案媒体服务器转发存储流的瓶颈问题，优化了系统的整体并发处理性能。
3.3智能便利的管理维护
将IP网管及业务控制平台的技术应用至IP监控系统，彻底改变传统监控只能依靠人工进行系统管理和维护的局面，对大量前端编码器管理：
管理平台批量下发设备的配置；定期对设备配置进行巡检，必要时可自动纠正设备配置；新加入的设备自动通知管理平台。
故障管理：
故障发现并告警（告警灯、声音、Email、短信），故障识别、定位、并且自动修复。
3.4系统高可靠性
系统中音视频流不在管理服务器上集中处理，而是通过网络的处理交换以分布式的形式分发出去，避免由于视频交换服务器的处理性能而造成的瓶颈问题。
EC编码器终端采用嵌入式Linux操作系统，保证设备可靠性。
核心管理服务器采用高处理性能服务器和Linux操作系统，保证整个系统的可靠性。
3.5与国家标准的高契合
系统要求视频管理服务器的设计原则、构成、功能、性能、接口、运行管理、维护以及编码规则等均严格遵循了GA/T669-2008《城市监控报警联网系统》系列国家标准，未来第三方接入更简单方便。
3.6后期扩容简单
后期如果有扩容需求，方案采用NGN架构，在对系统中任何一部分进行扩容时，都不会对系统其他部分造成影响。
由于全网基于IP实现，在扩容时成本更低、更简单。
系统扩容时所涉及的改变如下：
前端监控点增加：
只需增加前端摄像头和编码器和传输线路，如果新增摄像头与已有摄像头较近，可以就近接入已有编码器，此时则无需增加传输线路；
机房扩容：
系统扩容时，只需增加以太网交换机端口数量，机房建设简单、接线少、功耗小、工作环境要求低。
3.7与传统技术对比
与传统监控方案相比，IP智能监控解决方案有以下优势：
∙数据存储更加安全可靠，且查询快捷；
∙组播方式占用带宽小，可靠性强；
∙业级元件，适合恶劣环境；
∙标准图象压缩协议以及动态图象编码专利，保证图象清晰度；
∙全IP化统一管理、环节少，方便易用；
∙可与其他系统兼容，保护投资，提高效率，适合今后发展趋势；
∙电子地图，故障告警、系统审计等人性化功能优势明显；
智能化管理控制应用需求，实现对大量前端设备的集中控制和批量管理多级权限管理；智能告警、系统日志提供
3.8视频监控系统方案设计
在总控中心机房构建统一的管理平台对所有数字监控存储系统设备、业务的统一管理。
部署视频管理服务器实现对所有监控业务的管理、控制以及对EC、DC编解码器的设备管理；部署实现对所有存储资源的管理、分配以及存储计划的设定；部署WEB监控客户端，管理人员可以直接在客户端上操作来进行实时流的切换，以及历史视频信息的快速查找、播放等。
同时在中心机房可以根据需求，部署多台DC解码器，这样可以通过在客户端上操作，直接在数字监控系统上进行实时播放。
为了实现视频信息的存储，根据存储容量的要求，部署多台专业存储设备，EC编码压缩后的数字视频流直接通过iSCSI，以裸数据方式写入VX1500。
在分控中心机房构建二级监控中心，存储阵列分散配置在总控中心、两个分控中心。
网络交换平台采用IP网络。
其主要工作原理为：
安装在前端的摄像机把图像信号摄入后，视频信号经视频编码器转换为IP网络信号，通过铺设到位的网线传输。
编码器支持双流，经编码后一路UDP实时组播视频流传输到由数字解码器组成带有矩阵切换控制功能的数字视频矩阵，控制矩阵图像上电视墙，实时图像格式为D1（分辨率为720×576），同时在经授权的专网用户可通过客户端接受实时组播视频流。
另一路是ISCSI存储流直接送入存储设备，授权监控客户端可通过局域网远程查看录像资料，并可以截取或备份，录像资料保存的时间决定SAN存储设备硬盘容量。
3.9系统前端设备部分
视频编码器采用MPEG2/MPEG4/H.264编码算法，支持D1分辨率；编码芯片采用支持高码流的ASIC或DSP芯片，视频编码器控制单元需支持ISCSI协议和组播协议，设备可以设置目标地址，支持时钟同步及远程管理等功能。
在室内监控点部署枪机，支持彩转黑，保证在夜间低照度下可用。
3.10系统管理平台部分
系统管理平台的构成
系统管理平台由以下单元构成：
∙视频编码器（EC）
∙视频管理服务器（VM）
∙视频数据管理服务器（DM）
∙视频解码器（DC）
∙视频监控客户端
∙系统管理平台业务流程
∙实况业务
高清晰度全数字监控系统采用了高质量的音视频压缩算法，视频编码为MPEG2/4算法。
系统可实现了高质量的DVD画质（720*576D1格式）和立体声效果。
音视频采用混合编码，声音和图像的传送完全同步。
采用了专用的硬件编解码芯片，音视频的传送时延小于300ms。
实况业务实现过程：
EC、DC、VC加电启动完成后，应当马上进行向VM注册；注册成功后，进行周期性的自检信息上报；如果注册失败，则重新发送注册消息，直到注册成功为止。
摄像头采集图像后，由EC编码器进行A/D转换，编码压缩为高带宽（4Mpbs以上）、高分辨率（D1格式）的视频媒体流数据，使用组播报文的形式发送到视频监控专网。
由专网对IP报文的复制、转发功能，实现对组播报文的传播。
接收端的DC（解码器）只要使用IGMP申请加入对应的组播组，就可以接收到特定摄像头的组播媒体流数据，经过解码器的解码，然后进行D/A转换，就可以将现场图像实时的还原到监视器上。
如果不使用DC，也可以通过客户端，接收组播媒体流，通过计算机的软解码，直接显示到计算机的显示器上。
∙轮切业务
轮切业务基于实况业务，是对多路实况进行轮询查看的业务。
轮切业务实现过程：
在VM上，针对DC进行轮切配置，指定DC轮切的多路摄像头，以及每个摄像头需要逗留的播放时间（一般在3-10s左右）。
轮切计划可以设置为计划执行，或者是立即执行。
VM根据事先配置好的轮切计划，将轮切命令周期性的下发到指定的DC上，由DC根据接收到的切换指令，决定当前需要接收的摄像头场景实况，从而在监视器上循环显示多路摄像头的实况场景。
∙存储业务
存储的目的，是为了将来在任何需要的时候，都可以清晰的调阅历史录像。
存储业务、回放业务示意图如下：
存储业务实现过程：
在DM上，按照实际情况，配置存储设备IP-SAN，然后根据各EC的存储计划，配置存储资源。
EC启动后，向VM注册，VM向DM获取该EC的存储计划，连同注册成功信息，一起返回给EC。
摄像头采集图像后，由EC编码器进行A/D转换，编码压缩为高带宽（4Mpbs以上）、高分辨率（D1格式）的视频媒体流数据，使用单播报文，以iSCSI流的形式发送到视频监控专网，目的地址为DM分配给该EC的IP-SAN地址。
EC将媒体流信息写入IP-SAN，同时，每隔一定时间，建立媒体流检索信息，DM定期检查各IP-SAN上的检索信息，记录到DM服务器上的数据库中，以备回放查询。
∙回放业务
回放业务实现过程：
客户端启动后，向VM注册，VM返回注册成功。
在客户端的监控地图上选择要作回放操作的摄像头，并设置好要求回放的时间段。
客户端通过VM向DM请求该摄像头上述时间段的检索信息，DM查询自己的数据库，根据数据库的记录，DM通过VM返回给客户端：
当前时间段的媒体流记录情况。
客户端根据检索到的媒体流时间段记录信息，对有媒体流存储的时间段，向VM请求播放。
VM接收请求后，将请求转发到DM，DM为客户端分配initiatorname，客户端通过此initiatorname即可读取IPSAN中存储的历史数据，显示到客户端的显示器上，实现回放功能。
根据回放情况，用户可以在回放的时候进行快进（按照2x、4x、8x）、单帧播放、后退、进度条前后拉动等常见操作。
∙客户端多画面业务
监控客户端上，可以实现多画面的显示，多个画面之间的操作相互独立，比如：
可以显示多路实况，可以显示多路回放，也可以部分画面显示实况、部分画面显示回放。
客户端根据所配置的计算机性能的不同，可以支持4画面、6画面、9画面等显示方式。
∙其他业务
EC码率更新、DM存储资源更新
EC码率更新，由VM向EC发送Set命令，修改EC的码率参数。
EC回应OK成功后，VM向DM发送Notify消息，通知DM，EC的码率已被更新。
DM存储资源更新（或者存储计划更新），在DM上修改了存储资源/存储计划，上报给VM，即可。
∙辅助业务：
终端注册、告警、保活、配置轮询
终端（EC、DC、客户端）等，启动后，必须向VM发起注册，注册成功后，才能接入到视频监控专网，进行工作。
在设备正常运行的过程中，如果出现任何异常，终端将异常信息保存到本地，也可以将异常向上汇总到VM，或者由VM主动向终端发起查询。
当VM管理的域内设备出现故障时，VM需要及时的向客户端（告警台）上报故障信息。
故障可能来源于VM自身，也可能来源于域内的设备。
终端注册成功后，需要周期性的向VM发送保活。
保活是为了保证终端与VM服务器之间的通讯正常，类似设备之间的心跳检测，默认10s进行一次保活确认。
VM主动发起的配置轮询，是为了保证VM上记录的配置与EC/DC上实际的配置一致。
配置轮询的时候，如果出现配置不一致，将以VM记录的配置为准，由VM记录轮询前的终端配置，然后将VM上记录的终端配置，下发到不一致的终端上，强制终端修改当前的配置。
如果有重大的配置差异，VM将记录日志，并启动相关的告警提示。
通过客户端的监控键盘，控制当前摄像头的云台动作时间同步
系统支持域内全部设备均使用NTP服务器作为时间同步来源的配置，也支持域内设备根据VM的系统时间进行域内设备进行时间同步的机制。
客户端与VM之间的时间同步通过自检信号完成；客户端与设备间的时间同步，可以通过自检信号完成，也可以通过INFO消息进行指示。
3.11系统存储部分设计
此次数字视频监控系统中视频图像的存储时间为30天（按照848路计算），同时要求图像质量清晰可辨，计划采用D1格式（1.5M码流）保存。
系统支持RAID5技术，支持配置热备盘。
存储容量的计算
本次监控系统建议采用基于IPSAN存储设备的数据集中存储模式。
IPSAN是基于高速以太网的SAN架构，通过iSCSI（InternetSCSI，Internet小型计算机系统接口）协议来实现存储数据在服务器和存储设备之间高速传输。
它继承了IP网络开放、高性能、高可靠性、易管理、可扩展性强、自适应性强的优点，实现存储网络与应用网络的无缝连接，并提供了优良的远程数据复制和容灾特性。
监控系统中，监控录像数据的容量需求较大，本期工程设计为848个摄像头。
另外，由于多路摄像头的监控数据为并发实时写入，对于带宽、持续写性能、控制器处理性能也有较高要求。
存储设备的控制性能、持续读写带宽也需随着容量的扩展，同步提升，以满足监控系统的带宽、性能需要，选型设备不可有内部带宽、性能的瓶颈。
存储容量计算：
根据公安部颁布的国家标准，联网监控所需的总容量（单位：
TB）的计算公式为：
总容量（单位TB）=码率（单位：
Kb）×3600秒×24×数据保存天数（单位：
天）×实际安装的监控路数÷8÷1024÷1024÷1024。
本期工程设计848个摄像头需要监控24小时监控并存储，存储时间为30天，并设计10％冗余存储，空间存储容量为：
监控系统存储容量计算（Ea分控中心98路）
视频流带宽
1536
kbps
根据需求调整
存储天数
30
天
根据需求调整
24小时/天
24
小时
3600秒/小时
3600
秒
1.1
影响系数
存储容量/路/天
17.40
GB
视频路数
98
路
根据需求调整
存储总容量
51.163
TB
10%冗余后容量
56.279
1T硬盘净容量
0.900
TB
所需硬盘（1T）数量
64
块
监控系统存储容量计算（Eb分控中心41路）
视频流带宽
1536
kbps
根据需求调整
存储天数
30
天
根据需求调整
24小时/天
24
小时
3600秒/小时
3600
秒
1.1
影响系数
存储容量/路/天
17.40
GB
视频路数
41
路
根据需求调整
存储总容量
21.405
TB
10%冗余后容量
23.545
1T硬盘净容量
0.900
TB
所需硬盘（1T）数量
27
块
监控系统存储容量计算（总控中心709路）
视频流带宽
1536
kbps
根据需求调整
存储天数
30
天
根据需求调整
24小时/天
24
小时
3600秒/小时
3600
秒
1.1
影响系数
存储容量/路/天
17.40
GB
视频路数
709
路
根据需求调整
存储总容量
370.148
TB
10%冗余后容量
407.163
1T硬盘净容量
0.900
TB
所需硬盘（1T）数量
453
块
存储子系统实现方案
监控系统的存储主要有两种模式：
DVR本地存储和NVR网络存储，DVR存储因为性能低、维护管理管理困难、安全性差、不便于扩展等原因，在业务要求较高、监控系统规模较大的场合已经逐渐被NVR所取代。
而基于IP的NVR网络存储又有两种方式：
一种是DVS+服务器＋IPSAN的文件存储方式，另一种方式是DVS+IPSAN的块存储方式。
目前市场上大多数监控解决方案都是采取第一种方式，H3C监控解决方案采取第二种方式。
∙DVS/DVR+服务器＋IPSAN的文件存储
如下图所示：
从示意图可以很清楚看出，首先是流媒体服务器的性能瓶颈问题，这种方式下，流媒体服务需将视频流数据转换为文件进行存储。
由于前端存在大量的视频流数据，后端需要进行大量的文件存储工作。
流媒体服务的处理性能，带宽等都容易成为性能瓶颈，存在严重的‘哑铃效应’问题。
第二，单点故障，所有视频存储流、实况流、控制流都要经过流媒体服务处理，流媒体服务器的故障意味着整个监控网的瘫痪。
第三，这种存储方式是将数据流切成一个个文件进行存储，形成文件的时间间隔和人们对监控系统及时响应的要求必然形成无法调和的矛盾。
形成文件的时间太长（比如半小时形成一个视频文件），在形成视频文件期间无法调用录像，无法满足监控应急响应的要求；如果为了满足应急响应的需求，缩短形成文件的时间（如5分钟形成一个视频文件），则会产生大量的文件，给系统造成巨大的性能压力，而产生大量的文件会严重影响检索回放的效率。
举个例子：
如以5分钟形成一个视频文件考虑，每个监控点一天就将产生近300个文件，如果每个监控点的历史图像要存储30天，就意味着每个监控点需要产生近9000个文件，对于一个大规模监控系统，如500路，系统将需要处理450万个文件，系统必然不堪重负。
DVS+IPSAN的块存储方式
因为该系统时在IP网络、IP视频、IP存储等领域有着长期的技术和产品积累。
进入IP监控领域后，H3C将这些技术进行融合，首家将iSCSI块存储（iSCSI，即internetSCSI，基于IP的SCSI协议）的存储方式引入监控中，有效解决了大规模数字监控方案中的“哑铃效应”问题。
不同于文件的随机读写，监控系统中的视频数据实际上是可以采用顺序读写方式的，当存储时间到期后可对原有视频数据进行依次覆盖。
利用这点，采用iSCSI块方式进行视频存储可以很好的规避文件系统工作机制和流媒体服务器性能瓶颈的问题。
如下图所示：
当某个监控点的图像需要进行集中存储时，前端编码器与IPSAN设备建立iSCSI连接，然后将存储视频流进行iSCSI协议封装，采用数据块的方式直接将视频数据写入IPSAN存储设备中。
通过这种方式，监控视频数据的存储不需要转换为视频文件，自然也不需要流媒体服务器。
从而有效的规避文件系统问题和流媒体服务器性能瓶颈问题，全交换的存储方式也不存在单点故障的问题。
整个监控网具备良好的可扩展性，无论监控规模有多大，整个系统不会存在性能瓶颈。
同时，由于对视频数据的存储和检索回放等都是直接通过iSCSI数据块操作完成的，因此可实现对历史图像的即时回放及精确到秒级的检索，满足用户应急响应的监控需求。
DVS+IPSAN块存储的方式对监控厂商的技术积累和实力有更高的要求（不像流媒体服务器文件存储方式，一个小厂商找几个设备一拼凑就能实现），要求编码器支持双码流，实况流和存储流可以独立编码，同时编码器要求支持iSCSI协议。
双码流是现在所有高端编码器的基本要求，实现的厂商较多，编码器支持iSCSI则要求监控厂商同时具备专业的存储技术积累，对于目前的大多数监控厂商而言，存在一定的技术门槛。
另外，H3C的视频监控解决方案中，专门配置一个数据管理系统DM，在DM管理和调度下，前端编码器直接面对IPSAN存储，形成一个全分布的存储解决方案。
DM能够对存储进行统一注册管理，是H3C针对存储设备定制开发的，注册管理信息包括存储设备、可用资源容量、资源策略、存储资源等iSCSI连接信息，通过这些注册信息的调用，可以完成丰富的存储管理功能，实现从前端编码器到IPSAN的直接块存储，VC视频客户端直接从IPSAN实现检索回放。
本次监控系统的设计方案中，采用基于iSCSI编解码器直接写入IP存储系统的集中监控模式。
在该模式下，监控录像数据从iSCSI编解码器，经由IP网络，直接写入IP存储系统中。
采用多控制器的IP存储系统搭建开放的海量数据中心，满足数据读写的性能、容量等需求。
存储子系统可靠性方案
RAID5：
RAID5用一个盘的容量做为数据校验用，但是数据校验的信息被均匀的分散到的阵列的各个磁盘上，这样就不存在并发写操作时的校验盘性能瓶颈。
阵列的磁盘上既有数据，也有数据校验
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