监控系统高清化浅析

■ 王秋 陈秋华

高清视频监控系统在平安工程中所扮演的角色越发重要。如何保证高清监控尤其是网络高清监控的质量成为所有业界人士关注的重点，总结全国各地高清监控实施经验，一个好的高清监控系统，往往需要从整体到细节全方位立体化地进行质量技术提升，才可能让高清监控为人民群众的生命财产安全保驾护航。

网络高清视频监控在平安城市中的应用越来越多，更多的用户愿意并喜欢上了高清视频监控，高清所带来的超高画质、超宽场景给人以极大的视觉震撼。网络监控逐渐取代模拟监控、高清监控逐渐取代标清监控已经成为了当今平安城市建设中不可逆转的趋势。网络高清视频监控不仅仅可以给用户带来更加清晰的图像细节，还能带给智能分析系统更多的数据来源，极大的丰富了监控数据的再利用再开发，为人们使用监控系统带来了极大的便利。高清视频监控，正一步步改变着人们的生活。

网络高清视频监控正突飞猛进的发展，从清晰度上来说，从百万像素，到200万，再到300万、500万等都已经有众多的产品在市场上应用；从市场份额上来说，高清方案已经逐渐普及，传统监控领域高清所占市场份额也在逐步增大，据国际权威电子行业研究机构IMS发布的报告表明，未来五年内，高清监控产品所占市场份额将会超越传统的标清监控产品。面对高清潮流，在平安工程的建设中，用户尤其是公安民警们更需要关注的是，如何让网络高清视频监控系统稳定良好的运行，从而使高清真正服务于大众，服务于平安城市建设，创建和谐社会的美好夙愿。

网络高清监控简介

一个标准的网络视频监控系统，由五个部分构成（如图1所示）：前端采集单元、数据传输单元、专业存储单元、控制平台单元以及图像显示单元。其实，网络高清视频监控系统也是由这五个基本的部分组成，只是，和传统的网络监控系统所不同的是，高清监控的每一部分都要求适应高清视频的需求，如前端采集部分，则需要高清网络摄像机作为采集单元，只有这样，用户最终从图像显示单元所看到的图像才可能是高度清晰的、细节充分的画面，当然，此时的图像显示单元也是高清图像显示单元，如高清解码设备、高清拼接屏等。

网络高清视频监控系统的五个部分有机结合，形成一个完整可靠的整体，为用户带来高清的视觉体验。各个部分各施其职，在一个完整标准的高清监控系统中，五个部分缺一不可。

图1：网络视频监控系统

高清前端采集单元

前端采集单元，一般而言，包括治安监控摄像机、卡口摄像机以及电子警察等摄像单元。以治安监控摄像机为例，可以分为云台摄像机和固定摄像机，这两者的区别，顾名思义，即是否可以进行云台控制、是否可以进行摄像方向的调整，在平安工程应用中，它们经常以球型摄像机和枪型摄像机的形式出现。其实，对于平安工程而言，摄像机还有很多非常重要的性能指标值得关注，比如彩色低照度性能、强光抑制功能、图像帧数等基本指标，这些指标都决定着一台前端摄像机（包括高清摄像机）采集图像的效果好坏。

数据传输单元

既然是网络高清视频监控系统，网络对于监控系统就尤为重要，这就要求在进行系统设计的时候要充分考虑到网络状况，对网络要进行专门专业的设计和考虑。在网络高清监控系统中，网络正是数据传输的重要承载体。

在平安工程中，通常会涉及到多种网络设备的选择，包括接入交换机、汇聚交换机以及核心交换机，不同交换机在视频承载网中分摊不同的任务。网络也有多种拓扑结构，包括总线型、环型、星型以及混合型，各种拓扑和各种网络设备配合在一起，可以组成多种多样的网络架构，应对不同的视频监控系统需求。所以，在网络高清视频监控系统中，一个好的网络设计，一个好的网络环境，对监控系统正常高速的运转，极其关键。

专业存储单元

在平安工程建设中，不仅仅监控清晰度越来越高，同时新增建设点位也在呈现指数增长，随之而来的就是海量数据的存储与管理。在监控系统中，存储单元同样是必不可少的，视频监控系统不仅仅需要实时的现场画面，更关键的是，还可以在事件或事故之后及时回看事发现场当时的状况，这就对专业存储单元提出了严格的要求。平安工程中要求事发录像能及时查看、迅速查找、完整保存，也就要求了录像回放速度的快速，录像搜寻的高效，以及录像保存的可靠。另外，录像存储成本一直是业界津津乐道的一个话题，众所周知，数据量越大，要求的存储设备也就越多，设备维护工作也就越大，设备功耗也水涨船高，从而存储成本随之增加，在高清监控系统中，海量的高清数据使存储成本的探讨也更具意义。

控制平台单元

监控平台相当于整个监控系统的大脑，它是系统与用户实现人机互动的桥梁，也是用户管理查看系统工作状态的工具。一个基础的监控平台可以对监控设备进行统一的配置和管理，比如让前端设备与后端存储进行合理的通信，制定相应的存储策略，设定不同权限用户的优先级，查看系统设备状态等等；监控平台还可以对设备进行实时控制，远程控制云台转动、机动变焦镜头的焦距缩放，或是对实时图像进行手动抓拍，实现非现场执法；当今，在大联网的趋势下，通过统一的标准，平台还承担着互通任务，通过平台对接，可以完成不同监控系统之间的交流管理，在平安工程中则表现为上级监控系统管理下级监控系统，下级监控系统推送视频数据到上级监控系统。

图像显示单元

图像显示单元是监控系统的窗户，用户通过它可以看到实时图像和录像回放，这也正是视频监控系统所存在的目的。图像显示单元一般分为两个部分：解码设备和显示设备，解码设备负责将编码数据解码为显示设备能够识别的数据，然后通过显示设备实现图像的显示。在高清视频监控系统中，由于视频数据的海量性，使得解码设备的工作量相对较高，所以对其性能要求也就更高，同时还要求解码设备能够对图像显示进行分配管理，如实现轮巡、分屏等基本显示功能。而一个好的显示器才能够提供好的画面质量，所以对于高清视频而言，高清显示器也是必不可少。图2所示为公安民警正在利用指挥中心中的客户端和电视墙对监控系统进行相关操作。

图2：某指挥中心示意图

从细节提高高清监控质量

在平安工程高清的发展涉及到方方面面，由前文所述，可以总结为5个字，即“采、传、存、显、控”。从这五个部分，可以看到高清的现状和问题，从而得到提高监控质量的方式方法。

前端采集

高清的视频效果保证首先来源于高清信息的采集，如果没有前端高清视频采集，无法谈及后端的高清效果。

CMOS更适合高清时代

不管是高清还是模拟，其摄像机的清晰度主要取决于感光芯片的性能，主要有CCD和CMOS两种，在高清监控领域，也都有所应用。

CCD，即感光耦合元件，它是一种可记录光线变化的半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。CCD对监控场景的适应性更佳，在低照度下效果表现更好。CCD由以前1/4英寸到现在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等等，代表了其技术的不断发展，再经过图像处理芯片的配合，能够达到分辨率720P甚至1080P的输出。在高清的CCD领域，SONY拥有最高的话语权，它的IT1方案中基于ICX445的130万CCD芯片是各大厂家采用最多的一款百万像素CCD，其有效像素为1280×1024，最高分辨率根据各家技术实力的不同可以到达720P或者更高的960P，如浙江信产、海康等公司的百万像素高清产品其最高分辨率都可以达到1280×960，即960P这个分辨率；针对200万像素的高清监控，SONY推出了他们的ICX274芯片，该芯片的大小为1/3英寸，最高分辨率为1600×1200即UXGA分辨率，目前市面上绝大多数的200万CCD高清产品都是基于该芯片方案而设计的。

CMOS，即互补性氧化金属半导体。CMOS和CCD一样同为可记录光线变化的半导体。CMOS的传感器相对于CCD而言最大的缺点在于图像噪点多，低照情况下表现差，但是，最大的优点则是CMOS的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低。CCD制造工艺复杂，只掌握在少数厂家手中，导致其制造成本居高不下，CCD尺寸每增大一点，成本就呈几何数增长，因此如果监控要走高清化，CCD显然发展前景有限。而CMOS最大特点在于其成本低、功耗低。在获得相同像素数的情况下，价格更低，具有很高性价比，可以不断朝更高像素、更高分辨率发展，而高清监控对成本是非常敏感的，也因此市面上大部分高清摄像机都采用CMOS。

要做到高清，还需要在宽动态、自动白平衡、图像的锐利度、以及数字降噪、色彩调整、光线补偿等多方面技术协作。只有在这些综合性能都能够得到很好体现，并且彼此能够相互协调情况下，才可以说是高清的真正实现。CMOS与其他图像处理技术的结合要远远超过CCD，动态范围更高，响应速度也更快，更适合高清监控的大数据量特点。此外，随着技术的发展，CMOS的灵敏度也得到极大改善，在效果上，如今一些CMOS传感器与CCD已经不相上下甚至已经优于CCD的实际效果了。

高清摄像机需要搭配高清镜头

平安工程的高清监控不仅对摄像机、也对专业镜头提出了高清化的需求。高清镜头对于高清监控具有重要意义。高清时代的摄像机清晰度可达到百万级别，但若所搭配的镜头与其不匹配，那就无法完全呈现出摄像机的超高分辨率效果。

在相同的摄像机情况下，画面最终的表现，镜头的分辨率起了决定性的作用。高清镜头优于普通镜头主要体现在三个方面：清晰度、光谱透射能力和光谱矫正能力。高清镜头能增强画面的对比度和亮度，获得高清的图像效果，对画面的细节表现更丰富。

那么要如何选择高清镜头呢？一般来说，在选择镜头时要根据摄像机的最高分辨率来选择相同或高于其像素的镜头产品。此外，还要根据项目特点具体分析。比如，在需要夜间拍摄的场所，为了让日夜型摄像机具有更好的拍摄效果，必须依赖于高清镜头具有更大的口径，如2/3英寸，以及更好的光圈值F，让摄像机能够获取更多的光通量，协助摄像机在夜间获得更好的拍摄效果。

某些项目摄像机在使用过程中需要配合红外补光灯，那么应该使用具备IR功能的镜头，这样在夜晚也能得到更加明亮的画面，同时也降低夜晚虚焦的问题。而对于较为苛刻的环境，例如配合激光灯，对远距离目标监控，就要保证非可见光波长在900um时依然能够达到60%以上的透射率。

视频处理器作用不容忽视

要实现清晰的图像质量，除了前端镜头、传感器部分对光线的处理，影像处理部分也是摄像机中不可忽视的一环。直接从传感器中得到的图像往往效果差强人意，不论色彩还是细节都与实际图像有很大差距，难以作为事后证据。经过图像处理，包括面部检测、噪声过滤、去坏点、肤色矫正、自动白平衡、自动曝光以及边缘加强等等操作后，可以使图像变的更加细腻，更加贴近真实世界中的图像。因此采用什么样的处理器会直接影响监控的效果。

当前很多高清摄像机直接采用CMOS厂商提供的ISP或者一体化CMOS(内置ISP图像处理器)，这些ISP图像处理器可以应付一般的场景，但是对于需要宽动态的场景，处理效果差。而监控系统和消费电子或者广电应用模式不同，在视频监控系统中，被监控对象无法配合摄像机的角度，所以在背光、逆光等情况下，普通的ISP图像处理器则无法提供有效的宽动态图像，从而造成可视图像质量下降。

在高清时代，处理器不仅承载了图像处理与分析、编解码压缩等大量工作，还会嵌入大量的智能分析算法，对海量高清数据进行分析，负担起更重要的作用。

此外，视频处理器不但支持多格式解码、多速率多流以及高清多通道功能，而且还可提供音频、语音以及其它高清视频编解码器，可实现更高的灵活性与更低的设计复杂性。视频处理器支持从D1、720p乃至高达30帧每秒的1080p的全系列产品，从而使客户能够构建可扩展的产品线，支持各种编解码器。ISP软件实施可提供视频稳定、面部检测、噪声过滤、自动白平衡、自动曝光以及边缘增强等功能。

编码传输

除前端采集外，高清编码及传输也是在监控系统中不可缺少的重要环节，高清视频常见编码格式有H.264、M-JPEG、MPEG4等格式。

在这几种编码格式中，H.264是目前最有前途的一种编码格式，相对于MPEG2、MPEG4而言，其压缩效率是三种编码中最高的。H.264标准由国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）和国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）共同研究发布，因此H.264有两个名称，一个是沿用ITU-T组织的H.26x名称，叫“H.264”，另一个则是AVC（高级视频编码）。H.264格式的最大特点是在保证画面质量的情况下，它可以把文件大小控制在MPEG2格式的二分之一甚至三分之一。所以其更高的压缩比、更好的IP和网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。但是需要注意的是，H.264获得优越性能的代价是计算复杂度增加，因此H.264的硬件要求是最高的。

目前编码芯片有以海思为代表的ASIC和以TI为代表的DSP两大阵营，海思从Hi3510开始，就对监控专用的视频压缩技术进行重点研究。在使用H.264压缩标准下考虑到视频的时延性和打包的方便性，推出了2M带宽的720P实时Hi3512高清解决方案，Hi3515芯片方案在此基础上将性能提升到了1080P@30fps，强化细节效果等等。TI的DSP如达芬奇数字媒体处理器TMS320DM6467，是基于DSP的SOC（片上系统），集成了300MHz的ARM内核和600MHz的DSP内核，并采用高清视频协处理器，在执行H.264HP@L4（1080p30fps、1080i60fps、720p60fps）的同步多格式高清编码、解码与转码方面，表现出色。

在传输过程中，高清意味着需要更高带宽。早期，H.264编码D1（720×576）画质的码流为1.5M左右，那么以1080P计算，画面尺寸约是D1的5倍，简单计算，码流也是5倍。因此，H.264编码的一个1080P高清画面所用带宽约为8M，与D1画质的MPEG2相当。而如今，随着H.264最高制式H.264 High profile以及H.265的应用开发，1080P尺寸画面的码流也已经可以做到2M左右了，由此可以看出，对于“高清”，网络传输并没有特别的要求。目前，在一些平安城市或多级联网的项目中，大都采用专网或者光纤。相比模拟传输，数字网络传输高清视频具有得天独厚的优势。

目前高清在编码传输中遇到一个最大的问题就是各个厂家虽然都采用H.264编码但是格式不统一，各家的编解码设备不能混用，标准不统一，虽然ONVIF的出现使得这一现象有解决办法，但是由于各家对ONVIF协议的理解和认知层面的差异，即使IPC和平台都做了对ONVIF的支持，也可能面临着对接及互访不成功的现象。

高清存储

对于高清平台存储来说，存储的类型一般采用两种方式：分布式存储和集中存储；存储设备部分，一般会有：NVR网络视频录像机和IPSAN两种存储设备。其中NVR作为一个新兴的产品，在网络摄像机尤其是高清摄像机的普及中扮演着非常重要的角色，其主要功能是对网络视频流进行录像、存储，并提供实时显示和代理转发等功能，一般多采用嵌入式架构，硬解码支持多路网络标清或者高清摄像机接入。有些厂家的NVR可以支持16路标清或者8路高清网络摄像机的接入；嵌入式硬解码，可以实时预览，录像；内置硬盘可以存储；内置代理转发模块可以对接入的视频流进行转发；此外还带有VGA、BNC以及HDMI等多种输出接口可以解码上墙显示；此外它还可以作为节点设备，在系统做中做节点监控和分布式存储；高清存储的另一个重要设备就是IPSAN。

随着高清的普及，IPSAN在存储中扮演着越来越重要的角色，尤其是在当今的平安工程建设当中，几乎都已经采用了直存方式的IPSAN集中存储。IPSAN通过采用IP构架的以太网传输，具备良好的扩展性、共享性和较低的分摊应用成本，而存储介质使用的是高可靠的监控级硬盘甚至是企业级硬盘，容量一般是TB级别，随着4TB硬盘甚至更高容量的产品走入我们视线，大型高清监控系统PB级海量存储解决方案也得到普遍应用。

存储的可靠性在平安工程中处于相当核心的地位。通过高清监控系统，将会有海量的存储数据存储到IPSAN中，而每一路每一时刻的数据对于用户而言都可能是关键核心数据，这就要求IPSAN存储数据的高可靠性。目前在业界，专业的监控用IPSAN已经占据了大部分网络视频监控存储市场。专业存储的可靠性体现在多方面，不仅仅有专业的针对数据的监控级或企业级数据硬盘作为数据保护，还有专门的数据备份方案，因为单靠硬盘的稳定性还不能保证数据的不丢失，必须要针对硬盘可能出现故障而采取相应的措施，目前市场上主要采用RAID技术，硬盘热备份技术来进一步加强多块硬盘的稳定，另外针对设备本身的冗余方案，如冗余电源、冗余风扇、冗余电池、双BIOS系统等等，可以保证存储主机在出现一些硬件故障时能继续正常工作，当然随之而来的还会有容灾备份方案，这就升华到解决方案级别的存储方案了，可以在之前所提及的几种方案均失效的时候给存储系统以更全面的保护，加之现今提及的云存储方案，实际上市容灾备份方案的升级和衍生，云存储直接可以避开硬件设备的限制，将所有存储资源进行云分配，从而从应用层层面对存储进行可靠性保护。对于存储系统尤其是高清存储系统的保护，随着新技术新理念的不断深入，存储数据的零丢失可以说已经成为了平安工程项目体系中的现实目标了。

目前高清存储面临的一个问题就是在大路数多级联网的高清项目中，如何降低存储的成本，一方面这需要压缩算法的改进，一方面需要硬盘及IPSAN的成本下降。在算法方面，目前已经有厂家在使用H.264或H.265编码制式，使得单路存储码流大大下降：如浙江信产，可以实现2M码流传输720P的高清图像，使一路高清一小时的存储空间大约在1.8G左右。而硬件成本的下跌也是IT化的一个趋势，所以，在IT不断发展的过程中，存储质量的提高让平安工程和高清监控系统的质量有着傲人的成效。

平台控制

目前在平台尤其以大规模高清监控平台遇到问题最为典型，例如：视频设备数量庞大；由于项目是分期建设，前端设备的品牌很杂，如何实现统一管理；实施过程中网络环境多种多样，非常杂乱；在多级联网的情况下，还经常涉及到多级联网的问题，对接起来非常困难；平安工程规模不断发展，系统的扩容型、维护性如何保证，这些都是平台控制面临的非常严峻的问题。

模块化管理

目前，众多高清平台部署采用“分而治之”的策略将高清监控系统构成化整为零，将大系统建设问题按管理分级、业务分层、设备分类进行逐级分解为小系统建设问题，以逻辑上的虚拟条带为构建基础单元解决系统中大量设备的管理、扩充问题，并实现病毒和网络风暴的隔离，避免了单点故障扩散到整个系统。而统一管理是在解决每个小系统的问题后再把每个小系统堆叠起来进行统一管理，实现灵活的系统扩充，也便于系统建设分步实施。而且充分考虑高清标清的兼容性问题，采用“中间件服务器”概念对录像流媒体做支撑，实现模拟视频全实时，数字视频高清晰的技术要求；对大规模的视频监控实施统一的资源管理，开放的设备兼容性，实现不同厂家设备的互联互通；在显示部分，支持多画面分割显示，多类型切换模式满足不同用户的观看需求；集成灵活的警情接入，实现全面的报警联动，对多级的联网调度实现直观的场景定位；以及集成应急预案宏策略，完善的日志记录，键盘客户端操作，GIS地图矢量定位等等功能来确保大规模高清监控平台的业务需求和平稳运行。

不断推进标准化

随着平安工程建设的不断深入，平台互联也成为了各大平安城市建设的必修课。所以，很多标准也就应运而生，比如浙江省的DB33/T 629.6-2011标准，即《跨区域视频监控联网共享技术规范》，以及新国标GB/T28181-2011《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》，通过一系列标准的推广与应用，各级平台的互联问题也就有章可循了，高清系统平台化建设这一课题也在监控大联网的建设中不断走向标准化。

.云计算的应用

如今云计算在高清监控系统中已经有了众多成功的案例，云计算的出现，可以解决众多平台应用中错综复杂的问题。引入云计算，高清监控系统至少应该在信息采集层面、交互处理层面以及扩展维护层面，满足相应的先决条件。

在信息采集层面，由于平安工程具备丰富的已经建设和新建的采集设备，同时，在信息处理计算压力非常大的今天，借鉴云计算的思想，整体系统需要采取分布式计算的思路，前端设备除了具备最基本的采集功能的同时，也具备有分析、存储功能。在信息服务层面，通过智能的接入，将各种标准、非标准的设备进行整合接入，同时，集中存储系统也考虑到将结构化、非结构化的海量数据进行有效的存储管理。在交互处理层面，可以将服务层面已经初步加工的信息，结合各类业务需求，进行深入加工。

基于上述需求，云计算可实现以下应用：

系统部署与运维：利用云计算提供的虚拟化技术，实现安防系统的快速部署、系统运行监控与故障迁移。

海量数据存储：数据是安防系统的核心，它既包括视频、图片、模拟量等非结构化数据，也包括人员信息、设备信息、配置信息等结构化数据，通过云存储实现海量数据的存储、检索、读取。

智能分析：利用云计算提供的计算资源池，实现海量非结构化数据的特征分析，如视频智能分析、视频元数据处理、人脸识别、车牌识别等，把非结构化数据转变成结构化的描述数据，以便计算机二次处理。很难想象没有云计算支撑的智能分析系统如何从数百PB数据中提取出关键信息。

智能统计：利用云计算提供的计算资源池，实现海量实时数据或历史数据统计，对安防态势做出实时判断与趋势预测，如人流量统计、车流量统计。

智能检索：利用云计算提供的计算资源池，实现海量数据的智能检索，它不再是数据的简单比较，而是通过规则的过滤实现对安防数据的综合化应用。如根据人员特征、车辆特征检索视频，通过告警的时间、地点检索相关联的监控资源。

基础安防服务平台化：随着安防跟其他行业的融合，安防应用多样化的趋势明显，但安防的基础服务是稳定的，如存储服务、报警服务、消息服务、数据服务等，在云架构下提供一个统一的安防基础服务平台会提高安防应用的研发效率。

安防应用虚拟化：利用云计算提供的基础框架，可以实现安防应用的虚拟化部署，从而实现安防应用的按需部署。

云计算在平台乃至整个安防领域的应用越来越广泛，这不仅仅是一种技术趋势，更是高清监控系统发展的需要，同时，云计算理性的释放，才能让高清监控得到有效的提升。

高清显示

高清的解码显示通常由高清解码器或者高清网络矩阵来完成，通过高清解码器或者高清网络矩阵配合网络键盘使用可以实现画面切换，高清上墙，轮询切换等。以高清输出接口来说，目前主流有的VGA和HDMI等接口，HDMI接口代表着高清显示接口，它的主要特点是色彩还原度高，画质无损耗。

在显示器这部分，一般分为LCD、PDP两种。受高清电视技术发展的影响，监控显示设备的高清化速度非常快。以往传统显示设备中还有CRT显示器，CRT器件具有亮度高、反差大、色彩还原好、图像细腻等特点，但由于受到自身重量、体积、功耗等因素影响，CRT监视器已经退出新建监控系统。而LCD、PDP器件由于采用逐点显示方式，没有回扫线，具有图像细腻、无闪烁现象，不易造成视觉疲劳的优势。其中，LCD监视器以轻薄、省电为特色，PDP以高亮度、大尺寸闻名。在轨道交通、平安城市等大型图像联网指挥中心，已经大量使用了LCD/PDP拼接大屏。

结束语

在监控领域，高清化，网络化的时代已经来临，高清作为监控技术发展的主要方向之一，结合网络技术带来新的变革，高清网络监控正在以一种高姿态、高要求进入我们的世界，不断满足市场竞争需求，不断改变着平安工程视频监控理念。随着各个厂家对高清市场的重视，高清相关方案的完善，以及平安工程对于高清日益增长的需求，高清必将会取代标清，成为监控市场的主导者。