浅析浦东城区高清监控覆盖项目解决方案

文｜杭州海康威视数字技术股份有限公司 何峻峰

杭州海康威视数字技术股份有限公司上海分公司 谢俊超

1 项目概述

2010年上海世界博览会是中国继2008北京奥运会之后举办的又一届国际性盛会。在世博安保项目中占“重中之重”地位的上海浦东城区高清监控覆盖项目，是截至目前国内乃至全球最大的高清监控项目之一。

2 项目意义

（1）高清监控工程的标杆

上海浦东城区高清监控覆盖项目总投资逾10亿元人民币，系统监控点超过一万个，采用IP高清技术，是中国规模最大的高清监控工程之一。

（2）大大推进安防新技术的实战化应用

上海浦东高清监控项目的实施，成功检验了国产高清系统在前端、传输、编解码、存储、显示、系统平台以及工程施工与调试、系统维护等环节上的技术和应用水平。它解决了大型IP高清监控系统搭建的难题，使用户对安防监控有了全新的认知，对安防产业发展起到了重大的推动作用。

通过实施北京奥运、上海世博等大型安保项目，以海康威视公司为代表的国内安防厂商的高清摄像机、高清编解码器、高清传输、高清存储等前后端系统产品研发和生产的技术水平获得了大幅度的提升；同时，大量前后端设备的海量应用，也促进了海康威视等国内安防厂商的高清和智能系统解决方案的发展，为之进一步研发更优化的新系统打下了坚实的基础。

（3）国内品牌渐成高清与智能时代的中坚力量

以海康威视为代表的国内品牌成为浦东高清项目的合作者和参与者，具有重要的意义。尤其是海康威视高清摄像机成功应用于浦东高清项目，打破了国外品牌摄像机垄断中国高端安防市场的局面，更是证明了国内品牌也同样有能力站在世界安防行业的前列，成为世界顶级的产品、系统供应商。

3 项目实施

3.1 项目挑战

（1）高清视频监控技术的应用达到前所未有的规模

按《浦东新区迎世博600天行动计划纲要》的要求，项目需要完成13002个图像监控点、6个图像分控中心机房和1个分局图像中心机房的建设，以及42个派出所机房的扩容。项目建成后，图像监控点密度在世博园区周边的周家渡派出所、上钢新村派出所、南码头派出所以及花木派出所和世纪广场派出所辖区为80个/平方千米左右，在城市化地区为50个/平方千米左右，在城郊结合及农村集镇为30个/平方千米左右，在农村地区为5个/平方千米左右。全区域的监控点密度平均为34个/平方千米左右，可实现对浦东新区重点目标的图像监控全面覆盖。

本项目新建高清视频监控点实际为12037个，采用200万像素高清摄像机覆盖浦东新区重要监控点，全面捕获路面上行人、车辆的特征，真正实现了“不仅看得见，而且看得清楚”。

（2）如何将多种视频资源整合

本项目是在浦东新区城市图像监控系统一期、二期和三期工程项目建设的基础上，全面应用新技术、新产品来满足新的监控要求；因此在系统设计时，需要充分考虑与已建系统的兼容，实现视频图像、录像资料和管理控制的全面整合。

本项目需要将已建模拟监控点、待建模拟监控点、固定高清监控点、可控高清监控点全部整合至同一综合管理平台；因地制宜地选用传输方式，在派出所和总控中心完成视频图像的高度融合，确保图像资源的易用性。

（3）对方案提供商的新技术整体应用能力提出了极高的要求

系统要求采用先进的、具有前瞻性的视频监控技术，包括百万像素数字高清技术、万兆以太环网技术、高清视频编解码技术，以及视频海量存储、高效检索技术和视频智能分析技术等；要求建立先进的综合视频管理平台，实现对高清、标清视频的统一管理、系统设备的运维管理以及各类视频的综合智能化应用。

此外，系统应提供足够的开放接口，以满足后续系统扩容和视频分析、视频智能化等应用扩展的需求。

3.2 系统架构

（1）三级架构

已建成的浦东新区城市图像监控系统采用“派出所—分控中心—分局中心”三级架构（如图1所示），因此本期项目依然按照此三级架构进行设计。

前端监控点按就近接入原则接入属地派出所。模拟监控点在派出所录像，高清监控点在分控中心录像。在派出所配置网络视频录像系统NVR——可在派出所与分控中心之间的通信链路发生故障时作为临时缓存；在总控中心安装网络磁盘阵列，用于取证录像的长期备份保存。

新建模拟监控点按照属地派出所已建模拟系统的接入方式完成接入。如派出所接入容量已饱和，则对已有模拟系统进行升级、扩容（不改变已有模拟系统的建设方式和用户的操作习惯，做到无缝接入、平滑升级）。

新建高清监控点中，固定高清监控点24小时不间断监控固定场景，无需执行云台俯仰、聚焦等PTZ操作，因此选择前端编码方式，输出IP编码数据，在派出所直接接入图像网；可控的高清监控点作为固定高清监控点的补充，用于监控范围较宽阔的场所。由于可控高清监控点需要执行PTZ操作，为了保证动作的流畅性、满足低延时要求，选择后端编码方式，即在派出所完成编码并接入图像网。

图1 浦东新区城市图像监控系统三级架构示意图

分控中心主要完成下属派出所视频图像的汇聚，并实现实时数据的交换、转发以及对高清视频数据的分布式集中存储。

总控中心作为系统的“大脑”，完成对整个系统的集中管理与指挥调度。

由此，新建监控系统的传输链路将依托浦东已敷设的光纤资源和万兆IP图像专网，在万兆IP图像专网上实现跨层级、跨部门、跨区域的图像资源共享与调度。

（2）系统组成结构（固定高清视频监控模式）

固定高清视频监控模式组成结构如图2所示。

①外场

高清摄像机通过同轴电缆与高清编码器连接，输出200万像素高清数字图像至高清编码器进行编码。编码采用双码流技术，其中实时点播流采用H.264编码，帧率不低于25帧/秒，用于实时、连续的社会治安监控；录像存储采用MJPEG编码，帧率不低于5帧/秒，用于录像存储和事后取证。

②派出所

高清视频码流输入万兆图像网在派出所完成。以太网光端机（中心端）接入派出所图像网交换机，将前端传回的实时流和存储流送入万兆图像网。派出所专用图像工作站和插卡式高清解码器也接入派出所交换机。高清视频码流既可由专用图像工作站安装的客户端软件软解码显示，也可送入插卡式高清解码器硬解码上墙显示。

③分控中心与总控中心

派出所与分控中心、总控中心之间通过万兆图像网互联。实时点播流经分控中心流媒体服务器转发至总控中心，供总控中心专用图像工作站软解码显示或插卡式高清解码器硬解码上墙显示；存储流送入分控中心IP SAN进行存储。

3.3 系统优点

（1）配置LED补光装置，可在夜间获得清晰的车牌图像

系统采用了有效的夜间LED补光措施，可以在夜间获得车牌的清晰图像。

（2）摄像机支持自动白平衡功能，可实现良好的色彩还原度

系统所采用的摄像机支持自动白平衡功能，可在不同的灯光环境下，根据色温的变化，自动调整白平衡，使图像色彩逼真亮丽、实现良好的还原度。

白平衡处理的主要作用是模拟人眼的视觉功能，使摄像机与人眼观测和视觉理解一致。摄像机在不同的光源条件下具有不同的光谱成分与分布规律，在不同色温条件下即使对同一目标物体的色彩表现也会有不同——低色温下目标物体的色彩表现整体偏向橙色，高色温下则整体偏向蓝色。人眼经过漫长的进化过程后，能够自动适应色温变化，使人在各种色温条件下看到的目标物体色彩始终一致。自动白平衡功能即可使摄像机在各种色温条件下拍摄的目标物体图像呈现与人眼观测理解一致的色彩。

图2 固定高清视频监控模式组成结构示意图

（3）高清数字摄像机支持光通信模块

系统所采用的海康威视高清摄像机同时具备BNC（HD-SDI）同轴电缆接口和预留光模块接口，未来直接插入光通信模块即可完成无缝升级，支持用户根据不同应用环境选用不同功率和链损的LC接口光模块。高清摄像机直接与路面光纤连接，将视频图像传回派出所的方式具有以下几种好处：

◆光接口不需配置IP地址，可避免IP地址暴露在外部，有利于提高公安图像网的信息安全度；

◆光接口对摄像机防雷击、抗电磁干扰有重要帮助；

◆前端直接输出光信号，在光纤中传输，有利于提高信息传输的私密性。

（4）高清编码卡支持光模块并预留HD-SDI环通接口

系统采用的海康威视高清编码卡已预留光模块接口，未来直接插入光通信模块即可与前端高清数字摄像机配套使用——高清视频图像可从高清数字摄像机直接输入高清编码卡，无需额外借助以太网光端机传输。

高清编码卡预留HD-SDI环通接口，能将高清视频图像环通输出至高清视频交换设备，供非压缩实时上墙显示。这使得系统不必再配置HD-SDI高清视频分配器。

（5）高清摄像机采用先进的1GHz TI处理芯片

系统采用的海康威视高清摄像机的处理芯片为先进的1GHz TI TMS320DM6467德州数字信号处理芯片。该处理芯片运算能力强，不仅充分满足高清数字图像处理的运算要求，更有处理能力的余量，能够面向未来公安在摄像机上增加新业务功能的需求提供良好的可扩充性，支持新应用的无缝扩展。

（6）支持远程调节高清摄像机参数

本项目的高清摄像机安装在立杆上，因此必须支持内部参数的远程调节，否则一旦安装完毕，在使用过程中调节摄像机参数将有相当大的难度。系统采用的海康威视高清摄像机支持远程调节参数（包括色度、亮度、饱和度、对比度、自动聚集、中远焦调节等）。

（7）高清编码器支持输出三路以上视频流

本项目要求高清编码器能输出码流至流媒体服务器进行转发、至IP SAN进行存储、至NVR进行缓存等；并且能在直写IP SAN无法实现时，自动切换至NVR进行缓存——若NVR缓存策略无法自动实现，将导致直写IP SAN无法实现时录像文件丢失。系统采用的海康威视高清编码器支持输出多路视频流，包括输出H.264实时流经流媒体服务器转发给图像工作站，输出MJPEG码流至IP SAN进行存储；能实现NVR缓存的自动切换，无需人工干预。

（8）支持全网设备统一校时

系统支持整网设备校时，可方便地统一设备的时间，为系统的高效管理和应用提供保障。

视频监控系统整网校时在公安业务应用中具有非常重要的作用和意义，尤其是对公安刑侦过程中，需要基于视频图像精确的时间进行的监控取证和资料对比等工作而言，更是如此。浦东新区视频图像监控系统拥有数量庞大的监控点，若各种前端设备或中心设备的时间不一致，将导致不能高效地实现基于时间的人员或车辆轨迹查询、录像资料的按时查询回放、对报警事件的快速响应等。

海康威视提供的高清视频编码器、数字硬盘录像机等产品均可提供SDK，可支持平台应用服务器对设备的主动校时。具备NTP功能的前端设备产品，如海康威视数字硬盘录像机，将主动根据市局NTP校时服务器时钟进行自动校时。

3.4 项目启示

（1）高清技术整体应用能力成为厂商角逐重点。本项目对厂商在“高清与智能”时代的竞争中所需要具备的提供整体解决方案的能力提出了极高的要求。

①前端设备环节

在前端设备环节，甲方的要求具体到了前端传感器要采用大尺寸CCD芯片，更不必说对摄像机图像处理和图像表现能力的高要求了。这直接考验着厂商对高清摄像机核心处理技术的掌握能力。以海康威视为例，正是凭借世界范围内将H.264算法引入视频监控产品的先行者的优势，凭借在多年研发投入基础上突破性地掌握了ISP等多项视频处理与分析技术，拥有3D去噪、动态对比度、固态噪声过滤等一系列先进的图像采集后处理技术，能够最大限度地保证图像源的高品质，凭借结合高效的H.264编码算法成功实现了200万像素CCD实时视频采集，才得以满足了甲方针对高清摄像机提出的各种功能和性能的要求。

②传输、编解码等环节

由于高清图像包含的信息量大，因此对传输带宽的要求格外高，以1路为例，至少需要800Mbps的传输带宽。如此之高的传输带宽要求，给传输、汇聚、交换等环节都带来了很大的压力，对传统的编码方式提出了前所未有的挑战。在本项目中，海康威视凝聚多年在TI芯片开发和处理上的深厚积累，基于最新的TI芯片，通过不断的优化、调试，开创性地提供了嵌入式高清图像编码器，将前端图像进行数字化压缩后传输，提供给后端的存储、显示等相关的业务应用，很好地满足了甲方对图像编码的要求。

（2）新建高清系统需考虑与已建系统的无缝融合

视频监控系统的发展已经经过了模拟监控系统、数模结合监控系统、全数字化监控系统三个发展阶段。早期的模拟监控系统目前在绝大多数安防项目中还有存在，应用基础极其深厚，不是短时间内可以撼动的。高清网络监控系统只有实现与目前已建视频监控系统（绝大多数为传统模拟监控系统）的无缝融合，实现与其在同一平台下的统一调度、统一管理和统一应用，成为其重要的有机组成部分，才能逐步被客户接受和认可，在市场中站稳脚跟。

本项目建设的总点位数量在13000以上。数量如此庞大的监控点，不管是从业务应用要求，还是从管理要求来看，汇聚于一点显然都是不合适的。浦东全区有40多个派出所，如果为这40多个派出所分别建设机房中心及进行设备安装调试，耗费的基建费用将相当高，并且对已纳入浦东新区城市图像监控系统的派出所来说，空间上较难实现，未来设备管理的难度也较大。

因此，鉴于过去已建成的浦东新区城市图像监控系统采用了“派出所—分控中心—分局中心”的三级架构，本期新建项目的系统总体架构垂直层次依然按照“派出所—分控中心—分局中心”三级架构进行设计。本项目建设了6个分控中心，将前端图像通过自有的光纤网络传输到派出所，汇聚至分控中心，在分控中心实现存储和流媒体图像的转发应用。如此，每个分控中心承担2000路左右的高清图像接入，达到了资金节约、空间利用和系统风险控制的平衡。

按照这个思路，存储和流转发的业务应用集中于分控中心，而派出所则是系统真正投入实战应用的场所。在监控中心内设置高清电视墙解码服务器主机，既可以调阅实时图像上本地高清监视器显示，又可以查阅历史录像。这种建设方式和以往的道路监控系统的建设方式存在一定的差异，这种差异类似于本地服务器和无盘工作站之间的区别。

（3）云存储和云分析在高清监控中得到应用

出于对公安取证的严谨性和图像质量的考虑，浦东高清项目所用的高清摄像机均采用H.264（面向实时监看）和MJPEG（面向存储）双码流输出。系统每秒会产生200Gbps以上的数据流量，每小时产生10300多个图像文件，15天产生约370万个图像文件。需要存储的海量视频数据有如潮水般冲击着存储系统，信息规模呈现爆炸式增长，对存储设备的容量、读写性能、可靠性提出了极高的要求。传统的存储模式已经无法与之相适应，需要引入高可靠、可伸缩、PB级的分布式文件系统。系统采用云存储技术，从整体架构上进行设计，实现统一管理和虚拟化集群服务，按需分配存储资源，有效提高了数据的可管理性和利用率；各类数据流的分离与文件系统优化，提高了存储系统的性能；简单的网络接入应用、便捷的扩容技术、系统多设备的冗余等，充分体现了云存储技术的可用性与可靠型。

系统每天都会有大量的录像数据，日积月累就会形成海量的视频数据。这些数据被访问的频率非常低，都是一些“死”数据。要将这些“死”数据转化为可供检索的情报数据，就需要对这些海量数据进行复杂的图像分析运算，将有用的信息，如人脸、车牌、行为以及相关的抓图和录像片段提取出来。即使如此，这些情报数据同样也是海量的；而要在海量的情报数据中快速找出用户关心的人、事、物，就要涉及到复杂的图像比对和海量检索。对海量的数据进行图像分析，以及对海量的情报数据进行图像比对和快速检索，运算量非常巨大，用单台普通的计算机不可能完成，必须对数据进行云分析。云分析是云计算在视频监控系统中的应用，是图像分析技术和分布式计算相结合的产物，也就是将大量相对廉价的服务器通过高性能网络连接起来，进行统一的调度和管理，使它们相互协调，共同完成海量的数据存储、分析以及检索任务。

（4）智能分析等技术在大型高清项目中得到应用

由于本项目摄像头数量太多，靠人力查看屏幕无法做到万无一失，唯有结合智能化分析才能实现全面掌控。系统以插件的形式提供了可灵活配置的智能视频分析功能，可在发现监控画面中有异常情况后进行告警处理，通知监控人员，更加有效地协助监控人员处理突发情况，并最大限度地减少误报和漏报现象，真正变被动监控为主动监控，减少人工干预，确保被防护对象的安全。

但是，必须认识到，限于各种技术条件、现场条件及经济因素，并非所有监控点位都能够实施实时智能分析；如此一旦有突发事件发生，岂不又将被迫以人海战术应对大海捞针式的视频检索？对此，系统提供了事后智能视频分析技术，从而保证即使事发时相应摄像机未启用智能分析技术，仍能够通过事后分析将事件检索出来。将实时智能分析与事后智能分析技术无缝紧密结合，能够在大幅减少人员成本的同时，极大提高案件侦破的效率。

4 实施成效

浦东高清覆盖项目建成后，浦东全区拥有了一张高清监控的大网，配合频闪LED补光措施，可以非常清晰地将过往车辆的牌照特征记录下来，以备查询之需，满足了公安各业务单位的应用需求。

项目的建成，全方位扩展了浦东新区监控覆盖面，夯实了平安浦东新区建设的根基。同时，该项目作为上海平安城市建设工程的重要组成部分，在上海世博会期间，发挥了治安监控系统在加强社会管理、组织群防群治、预防打击犯罪等方面的特殊作用。

5 结束语

通过参与本次浦东高清覆盖项目，以海康威视为代表的国内安防厂商积累了丰富的经验，相信在未来的年代里，必将凭借自主掌握的一个又一个核心技术，不断提供一套又一套先进的高清系统，跻身全球安防行业的前列。