公共建筑数字视频监控系统设计

文｜北京建筑设计研究院深圳院 彭江宁

1 总述

公共建筑是向社会全体公民或部分公民开放的建筑，包括写字楼、政府部门办公楼、商场、银行证券大楼、宾馆酒店、娱乐场所、图书馆、学校、科研院所、医院、体育场馆、机场、车站、桥梁等。这些建筑具有面积大、人流量大，人员结构复杂等特点。在社会治安状况日益复杂，群体性事件、恶性治安案件多发，特别是全球恐怖主义势力活跃的当今社会，公共建筑的安全防范工作变得非常重要。视频监控作为一种非常行之有效的安保手段，在公共建筑的安全防范工作中发挥着非常重要的作用。本文将以某大型综合性商业建筑项目为例，介绍公共建筑数字视频监控系统的设计。

2 项目概况

某大型综合性商业建筑，集现代购物中心、美食文化村、办公写字楼、度假酒店、休闲广场于一体。整个项目占地面积400000m2，东西方向约800m，南北方向约500m，可分为北、中、西三个区域，其中东区为美食文化村和度假酒店，中区为休闲广场，有酒吧、咖啡厅等设施，北区为购物中心和办公写字楼。

基于用户的需求，本项目需要建设一套高效、可靠、先进的视频监控系统。整个项目设置600个监控点（北区450个、中区50个、东区100个），在北区和东区各建立一个安保监控中心，东区的监控中心兼管中区的摄像机，北区的监控中心作为整个项目的总中心，级别高于东区监控中心。

表1 数字、模拟视频监控系统对比表

3 项目分析

3.1 视频监控体系

在视频监控系统的设计中，首先需要分析的是应采用何种视频监控体系。本项目定位高、业态组成复杂、占地面积大、投入运营后人流量大，因此考虑采用数字视频监控系统。

如表1所示，与模拟视频监控系统相比，数字视频监控系统在功能上有着明显的优势。数字视频监控系统逐步替代模拟视频监控系统是大势所趋，是监控行业发展的必然趋势。

3.2 典型数字视频监控系统结构

如图1所示，数字视频监控系统由视频采集、视频传输、视频管理与存储、视频图像显示等几个部分构成。

图1 数字视频监控系统架构示意图

（1）视频采集设备

数字视频监控系统的视频采集设备包括模拟CCD摄像机（配合编码器）、IP摄像机两种。前者是通过编码器对所拍摄的视频图像进行编码，将模拟信号转换为数字信号，再利用TCP/IP协议在网络中进行传输；后者则是本身具备数字视频输出接口（以太网接口），可直接连接网络交换机，输出数字视频图像。

（2）视频传输

数字视频监控系统的传输系统由网络交换机及其链路组成。通常在公共建筑中，数字视频系统具备独立的计算机网络，网络设备包括接入层交换机、汇聚层交换机、核心层交换机。

（3）视频管理与存储

对数字视频监控系统的管理可以通过系统的平台来完成，这个平台可以是软、硬件分离式的平台，也可以是软硬件一体的嵌入式平台。借助管理平台，可以对整个系统中所有的设备进行参数配置、性能管理、资源调整、权限分配；还可以通过接口实现数字视频监控系统与其他弱电系统的深度集成，极大扩展视频监控系统的功能空间。

视频图像的存储由磁盘阵列来完成。磁盘阵列拥有巨大的存储空间和良好的扩展能力；基于RAID技术的磁盘阵列更具有超高的可靠性，在磁盘损坏的情况下仍可以保证图像的正常存储不受影响。

（4）视频图像的显示

视频图像显示系统主要由视频解码器和显示终端组成。解码器是将数字视频信号还原为模拟视频信号输出的设备。显示终端包括监视器或大尺寸的液晶、DLP、等离子屏幕等设备。

3.3 数字视频监控技术

选定了监控系统的体系架构后，就要针对数字视频监控系统的关键技术进行分析，具体内容包括数字视频编码方式的选择、传输网络规划、视频存储方式选择。

3.3.1 数字视频编码方式

常见的数字视频编码格式包括：MPEG-2、MPEG-4、M-JPEG、H.264、Wavelet（小波压缩）。

（1）MPEG-2

MPEG-2是音频、视频信息压缩的编码标准，于1992年被ISO/IEC批准为正式标准，正式标准编号是ISO/IEC 13818，用于广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播的广播级数字视频传输。

（2）MPEG-4

MPEG-4是音频、视频信息压缩的编码标准，于1998年11月被ISO/IEC批准为正式标准，正式标准编号是ISO/IEC 14496。通过对帧重建技术的运用，MPEG-4比MPEG-2用更少的数据和更窄的带宽传输更高质量的图像。

（3）H.264

H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组（JVT）制定的新一代视频压缩编码标准。该标准在ISO/IEC中被命名为AVC（Advanced Video Coding），作为MPEG-4标准的第10个选项；在ITU-T中则被正式命名为H.264标准。H.264能够在较低带宽（2M以内）下实现高质量（类似DVD画质）的图像传输。在同等的画质下，H.264比上一代编码标准MPEG-2平均节约64%的传输码流，比MPEG-4 ASP平均节约39%的传输码流。H.264技术还具备容错能力强、网络适应性强等优势。更强的对信道时延的适应性使得H.264既可应用于低时延模式以满足实时业务，如电视会议等要求，又可为无时延限制的应用，如视频存储等所用。更高网络适应性则表现在H.264采用“网络友好”的结构和语法，加强了对误码和丢包的处理，从而提高了解码器的差错恢复能力。H.264在编/解中采用了复杂度可分级设计，即可以对图像质量和编码进行分级，以适应复杂度不同的各种应用需求。

（4）小波格式

小波格式并非一种视频压缩编码标准。小波变换是与傅立叶变换类似的数学算法。目 前 H.264 SVC（Scalable Video Coding，可调视频编码）中已经使用了离散小波变换方法，其特点是：

◆ 压缩比高，压缩速度快，压缩后能保持信号与影像的特征不变（失真小），且在传递中可以抗干扰；

◆ 支持点对多点传输，同一流媒体码流可以支持不同的网络带宽、多种分辨率的显示、存储等应用。

本项目选择采用H.264编码格式的视频编码器。

必须注意的是，数字视频编码器的输出方式必须为双码流，一路码流供实时查看使用，另一路码流供存储使用，两路码流的码流大小、帧率、分辨率均可独立调节。此外，编码器还必须支持单播和组播两种输出方式，这是因为一旦有紧急情况发生，会出现多点观看同一幅关键图像的需求。当需要在所有的监视器和大屏上同时显示同一幅图像时，必须启动组播传输方式，确保此幅关键图像的正常传输。

3.3.2 网络规划

在本项目中，计算机网络的规划对数字视频系统的建设是非常重要的。采用H.264的编码方式传输一路D1分辨率（720×576）的25帧/秒的全实时数字视频图像所占用的网络带宽大约是2Mbps。照此计算，本项目总计有600个视频监控点，总的带宽需求是1200Mbps。

供视频监控系统使用的计算机网络的规划，如图2所示。

在北区网络机房设置核心交换机，在北区办公写字楼和购物中心的弱电间设置接入交换机，并通过室内光纤与核心交换机构成星型连接，接入交换机的端口带宽为100M，核心交换机与接入交换机连接的端口带宽为1000M。北区共有450个摄像机，总的带宽需求为900M。

在东区网络机房设置核心交换机，在东区度假酒店和美食村的弱电间设置接入交换机，并通过室内/外光纤与核心交换机构成星型连接，接入交换机的端口带宽为100M，核心交换机与接入交换机连接的端口带宽为1000M。东区共有100个摄像机，总的带宽需求为200M。同时，在中区休闲广场的弱电间设置接入交换机，并通过室外光纤与东区核心交换机构成星型连接，接入交换机的端口带宽为100M，核心交换机与接入交换机连接的端口带宽为1000M。中区共有50个摄像机，总的带宽需求为100M。

图2 供视频监控系统使用的计算机网络规划示意图

在北区网络机房与东区网络机房之间敷设光纤链路，通过1000M端口连接两个区域的核心交换机，实现整个园区的网络连通。

3.3.3 视频图像存储相关内容的规划

（1）对于数字视频监控系统，图像的存储设备至关重要。通过对比磁盘阵列与硬盘录像机（如表2所示）可知，网络硬盘录像机已经不能满足本项目的使用需求，采用磁盘阵列作为本项目视频图像的存储介质是非常合适的。

表2 磁盘阵列与硬盘录像机对比表

（2）采用何种存储架构也是一个值得分析的问题。通常的存储架构有DAS、NAS、FC-SAN、IP-SAN几种。由表3可以看出，本项目这种数据量大，要求可靠性高，同时兼顾性价比的项目，非常适合采用IP-SAN。

表3 常见存储架构对比表

（3）确定了图像的存储设备和存储架构之后，还需要计算视频图像存储的容量。按D1分辨率图像的码流为2Mbps计算，则1路图像存储24小时的存储容量为：

按照公安系统的要求，公共场所的视频监控图像应能够以D1分辨率24小时实时存储30天以上。照此计算，1路图像30天的存储容量为0.62TB

此外，要考虑到磁盘阵列在进行冗余备份时会用一到两块硬盘做RAID，且总的磁盘空间要有10%左右的预留，因此实际的存储容量要大于0.62TB。

4 系统设计

通过以上各章节对本项目的分析，可以得出一个本项目数字视频监控系统的解决方案：采用模拟摄像机及H.264格式视频编码器作为图像采集编码设备，利用网络交换机组建接入100M、骨干1000M的视频监控网络，采用IP-SAN视频图像存储架构，以数字视频监控管理平台作为整个系统的指挥中枢。

4.1 系统结构设计

本系统共设置北区、东区两个监控中心，北区监控中心作为整个系统的总监控中心。系统总体结构示意图，如图3所示。

北区共有450个摄像机，视频图像通过同轴电缆接入相应楼层的弱电间，由安装在弱电间内的视频编码器进行数字化编码后接入网络。各楼层的交换机通过室内光纤以1000M的带宽接入网络机房核心交换机。视频管理服务器和IP-SAN磁盘阵列安装在网络机房，接入核心交换机。在北区监控中心设置接入交换机，并通过室内光纤以1000M的带宽接入网络机房核心交换机，监控中心内的视频解码器和管理工作站都与此交换机连接。

东区及中区共有150个摄像机，视频图像通过同轴电缆接入相应楼层的弱电间，由安装在弱电间内的视频编码器进行数字化编码后接入网络。各楼层的交换机通过室内光纤以1000M的带宽接入网络机房核心交换机。视频管理服务器和IP-SAN磁盘阵列安装在网络机房，接入核心交换机。在东区监控中心设置接入交换机，并通过室内光纤以1000M的带宽接入网络机房核心交换机，监控中心内的视频解码器和管理工作站都与此交换机连接。

北区核心交换机和东区核心交换机通过室外光纤，以1000M的带宽进行连接，用户可以在北区的总监控中心通过这条链路查看东区摄像机的图像并对东区PTZ摄像机进行控制。

图3 系统总体结构示意图

4.2 系统存储容量计算

根据摄像机的数量和视频图像的编码格式、分辨率、存储时间等因素，可以计算出磁盘阵列的存储容量。

北区共有450个摄像机，根据上文列出的计算公式，按存储30天计算，所需的存储容量为279TB，再加上10%的预留空间，得到实际的存储容量为307TB。

本项目选择的磁盘阵列可容纳24块硬盘，采用RAID5技术，使用1块硬盘作为备份盘。如每块硬盘的容量为2TB，则每台磁盘阵列的实际存储空间为46TB，北区需要使用7台这样的IP-SAN磁盘阵列。

东区和中区共有150个摄像机，按同样的方式计算，实际的存储容量为102.3TB，需要使用3台IP-SAN磁盘阵列。

5 数字视频监控发展趋势

数字视频监控系统从诞生到今天，已经取得了长足的进步。“模拟CCD+数字编码器”的架构已经日趋成熟稳定，数字监控系统未来的发展方向是什么？笔者认为，未来数字视频监控发展的方向将是摄像机IP化、传输网络多样化以及视频应用智能化。

IP摄像机，也叫做网络摄像机，其创意可能早在数字视频监控诞生之时就已经产生，但是由于诸多原因的限制未能像视频编码器一样得到大面积的推广。IP摄像机的优势在于使用简单、布线方便（可将视频线、控制线、电源线合一）、图像像素高（目前市场上已经有200～300万像素的IP高清摄像机在实际项目中得到应用）。长远来看，IP摄像机必将取代“模拟CCD摄像机+编码器”的模式，成为视频监控领域的主流。

目前，3G网络和城市无线局域网正得到大力推广。而不论是模拟摄像机还是网络摄像机，都要受到布线问题的困扰。如果摄像机搭载3G模块，布线的问题将迎刃而解。众所周知，3G网络是一个传输速率比较高的网络，目前某运营商实现商业化运营的3G网络，可以提供上传3M、下载7M的网络带宽，且稳定性非常好。如果有朝一日，3G网络摄像机产品真正成熟起来，必将在监控领域掀起一股3G风潮。同样，当城市无线局域网建设到一定程度的时候，无线网络摄像机也会大行其道——毕竟城市无线局域网的带宽可以达到54M，这将使得高清视频图像（200万以上像素，1080p分辨率）的远距离传输成为可能。

目前，智能视频分析技术在市场上的应用还不是很广泛。长时间以来，人们对视频监控系统的应用绝大多数都是对视频录像的查看，尤其是公安部门。监控录像为公安部门破案提供了巨大的帮助，但是其作用总是在事后体现。而若能在犯罪或事故发生或即将发生时及时发现，将会为社会挽回巨大的损失。智能视频分析系统的作用就是在异常情况发生时自动地进行报警，使监控系统使用者能够在第一时间发现异常情况，及时作出处理。

目前的智能分析系统能够对非法入侵、人员异常聚集、可疑丢弃物、锁定物品丢失等情况作出反应，发出警报，但由于视频分析算法的不完善和成本的相对昂贵，尚未得到大面积的应用。笔者相信，未来随着智能分析算法的完善、成本的降低，智能视频分析技术必将得到广泛的应用。参考文献

1 安全防范工程技术规范（GB 50348-2004）.

2 毕厚杰.新一代视频压缩编码标准H.264/AVC.

3 刘富强.数字视频监控系统开发及应用.