安防监控系统技术的发展综述

周跃峰, 郭杰荣



安防监控系统技术的发展综述

周跃峰1, 郭杰荣*2,3

(1. 湖南华南光电(集团)有限责任公司, 湖南 常德, 415000; 2. 湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000; 3. 合肥工业大学 电气与自动化工程学院, 安徽 合肥, 230009)

中国安防监控系统技术起步较西方经济发达国家大约晚20年, 但发展非常迅猛, 并形成了完整的产业价值链, 行业行政监管也逐步形成并规范, 安防产品市场已经发展成为一个较为成熟的产业. 目前, 安防行业多种技术并存: 既有模拟解决方案, 也有数字解决方案和网络解决方案; 既有标清系统解决方案, 也有高清系统解决方案; 既有普通安防系统解决方案, 也有智能安防系统解决方案等. 但无论如何, 高清、智能、集成是安防监控系统技术长期发展趋势.

安防; 监控系统; 发展趋势

经过30余年的风雨历程, 以视频监控技术为核心的安防产品应用已得到市场的接受与广泛认同, 行业拥有了完整的产业价值链, 行业行政监管也逐步形成并规范. 随着对安防行业市场良好的预期, 安防产品市场已不再是孤军奋战, 正在从一个封闭的狭小市场, 逐步融入中国信息化产业大市场中. 2006 —2012年的安防产业市场规模由人民币1 200亿元增长至2 500亿元, 其中安防产品产值约为1 200亿元, 安防工程和服务市场约为1 300亿元; 全行业实现增加值800多亿元, 比2005年增长1.8倍. 预计到2016年总产值达到5 000亿元, 实现增加值1 600亿元.

1 安防监控系统技术的发展历程

安防监控系统技术的发展只有短短三十几年的时间, 却经历了一段曲折的推进, 大致可以分为四个阶段: 模拟监控、数字监控、网络监控及智能监控[1].

模拟监控阶段: 在20世纪90年代初以前, 主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统, 称为第一代模拟监控系统. 图像信息采用同轴电缆, 以模拟方式传输, 一般传输距离不能太远, 主要应用于小范围内的监控, 监控图像一般只能在控制中心查看. 本地模拟信号监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成, 利用视频传输线将来自摄像机的视频连接到监视器上, 利用视频矩阵主机, 采用键盘进行切换和控制, 录像采用磁带的长时间录像机[2], 远距离图像传输采用模拟光纤, 利用光端机进行视频的传输. 具有技术成熟、稳定、实时性好、图像清晰等优势. 同时, 也存在诸如经多级级联接力后视频图像质量严重下降, 大规模视频源的控制与管理困难, 系统的维护与监控困难, 数据存储和调用困难等问题[3].

数字监控阶段: 在20世纪90年代中期, 基于Windows的数字监控系统随着视频编解码器技术的发展而产生. 系统在远端安装若干个摄像机, 通过同轴线缆汇聚到监控中心的工控机或硬盘录像机上, 并且在显示器上显示监控图像. 同时, 工控机或硬盘录像机配合交换机及相关软件使局域网内其他用户能监控图像. 数字监控系统中的硬盘录像机兼有矩阵、数字存储、视频联网的多项功能, 具备简单IP网络通讯功能; 适合本地监控存储为主, 网络浏览为辅的监控环境; 硬件和开发成本低, 通过大量定制开发能满足特定用户的功能要求. 数字监控系统同时存在稳定性较差, 可靠性不高; 软件开放性差; 图像传输距离有限等问题.

网络监控阶段: 在21世纪初, 随着宽带网络技术及带宽的大大提高, 以及数字处理技术和视音频编解码效率的改进, 安防监控系统正在步入全数字大网络化的全新阶段. 网络化安防监控系统中所有的设备都以IP地址来识别和相互通信, 采用通用的TCP/IP协议进行图像、语音和数据的传输和切换. 网络监控具有以下特点: 将视频编码器DVS集成到摄像机当中, 使得设备集成度更高, 摄像图像更清晰; 省去了模拟视频传输线路, 端到端的IP传输, 干扰源及故障点减少; 施工、调试、维护更简单, 可实现远程集中管理、集中存储、资源共享; 传输不受距离限制; 系统扩容简单.

智能监控阶段: 智能监控一直伴随着安防监控系统技术发展的整个过程. 它将随着技术的不断成熟而得到更加广泛的应用. 智能监控系统是采用图像处理、模式识别和计算机视觉技术, 通过在监控系统中增加智能视频分析模块, 借助计算机强大的数据处理能力过滤掉视频画面中无用的或干扰信息, 自动识别不同物体, 分析抽取视频源中关键有用信息, 快速准确地定位事故现场, 判断监控画面中的异常情况, 并以最快和最佳的方式发出警报或触发其它动作, 从而有效进行事前预警, 事中处理, 事后及时取证的全自动、全天候、实时监控的智能系统. 如: 人脸识别、车牌号识别、车辆类型识别、船只识别、红绿灯识别等等.

2 安防监控系统技术现状

目前, 安防监控系统技术可谓是“百花开放、百家争鸣”. 从视频信号的传输方式角度, 可分为模拟系统和数字系统; 从摄像机的分辨率角度, 可分为标清系统和高清系统; 从存储的角度可分为DVR、NVR、SAN、云存储等系统; 从传输介质角度可分为同轴电缆、双绞线、光纤、网线传输等[4].

模拟系统比较普及的是复合视频信号基带传输, 复合视频信号(Composite Video Signal)是一种将视频信号中的亮度信号(Y)、绿色色差信号(U)、红色色差信号(V)(U和V统称色度信号C, 与亮度信号相对)和同步信号复合传输和存储的方式. 由于设备制造相对容易、成本低廉、使用简单, 被广泛应用于标准清晰度电视、VCD等影音设备、家用电视游戏机等领域和产品中.

模拟高清系统可采用高清复合视频接口HDCVI(High Definition Composite Video Interface)[5], 是一种基于同轴电缆的高清视频传输规范, 采用模拟调制技术传输逐行扫描的高清视频. 使用75-5或更高规格同轴电缆时, 1280H可保证650 m高质量高清视频信号的可靠传输.

数字系统传输主要有IP网络传输系统和SDI数字传输系统等. SDI的概念来自于广播级的应用,这个长年在广播使用的协定/技术近年被引进作为安防监控的高清方案平台, 由于源于网络监控, 花了数年的时间还是无法顺利大量取代CCTV方案, 因此强调传输未压缩/低延迟/易安装的HD-SDI方案才能异军突起.

传统模拟标清系统一般指摄像机分辨率在540线及以下, 相当于40万像素, 录像质量为4CIF(704 × 576)及以下, 数据带宽为1.5～2 Mbps, 能满足看得见的需求.

传统模拟高清系统一般指摄像机分辨率为600/650/700线, 相当55万像素, 录像质量为WD1(960 × 576), 数据带宽为2.5～3 Mbps.

网络高清一般指100万像素及以上, 录像质量720P(1 280 × 720)、1 080P (1 920 × 1080), 数据带宽720P(3～4 Mbps)、1 080P(6～8 Mbps), 利于大规模联网监控.

数字高清一般指100万像素及以上, 传输无损数字信号, 录像质量720P(1 280 × 720)、1 080P (1 920 × 1 080), 数据带宽720P(3～4 Mbps)、1 080P(6～8 Mbps), 预览最清晰、操控无延时.

3 安防监控系统技术的发展趋势

从全球安防监控系统技术发展总体来看, 视频信号不论采用何种传输方式, 也不论采用何种存储方式, 高清、智能、集成技术是今后长期发展的趋势.

3.1 高清

在安防监控系统领域, 随着国际市场和国内市场对监控系统的普及和大量使用, 人们对图像的要求越来越高, 从最开始的能看到图像, 到现在的要清晰的图像, 到今后的能进行处理分析的高清晰图像. 因此在技术方面随着高清产业的不断发展和用户对高清晰影像的需求, 高清已成为产业发展的新趋势.

以往, 高清摄像机的应用仅在道路监控中, 以抓拍图像为主. 如今, 各种高清安防监控系统方案在各行各业得到普及. IMSResearch预测, 到2015年, 超过70%的网络摄像机都将是百万像素的分辨率. 与标清系统相比, 主要有以下优势: ①高清晰度, 采用百万像素级传感器, 能获得更多的视频信息, 一般可达1 280 × 720、1 920 × 1 080、1 280 × 1 024、1 392 × 1 024、1 628 × 1 236甚至2 048 × 1 536的分辨率; ②图像显示质量更高, 能够更好地捕捉细节; ③逐行扫描CCD/COMS让画面更清晰, 自然流畅, 方便集成智能分析功能; ④可支持HDTV的宽屏输出模式(16:9), HDTV实现了图像质量的巨大飞跃, 这意味着更清晰的图像, 更好的色彩保真度和宽屏格式; ⑤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, 节省线缆、安装、维护费用.

日前, 注视者(北京)科技有限公司推出了2 900万像素超高分辨率监控摄像机, CCD分辨率为6 576 × 4 384, 在相同分辨率的情况下, 相当于95台模拟摄像机的监视范围. 该款摄像机的特点是可同时兼顾大视场及局部细节. 目前, 部分场所(特别是金融场所、营业场所、公共场所等)监控探头分布密集, 处处给人以处于受到监视的环境中的感觉. 如用高清摄像机, 在获得相同分辨率的情况下, 可减少摄像机的数量.

3.2 智能

我们日常所接触到的安防监控系统, 无论是模拟还是模数混合, 抑或纯数字, 其工作方式依旧是“实时监视, 实时录像”, 不仅浪费人力, 更是浪费物力, 面对数不尽的视频录像资料, 想要提取有价值的录像是较困难的, 长期保存也是一大难题, 此外现有的监控系统对于人的参与非常依赖, 智能监控可以分担人力、节省资源, 因此智能安防监控是一个发展趋势, 也是安防监控系统发展的必由之路[6—7].

国外已有一些机构在研究智能安防监控系统, 使安防监控系统能像人一样具有独立的思考能力. 如果说摄像头和编码传输系统完成了人的“眼睛”的功能, 那么, 视频分析便是担任“大脑”的角色. 使计算机系统能够通过图像处理和分析来理解视频信息中“发生了什么事情”, 这样, 计算机系统便能够“读懂”视频信息内容, 再为视频信息设置一定的规则, 计算机系统将“读到的内容”与“设定的规则”进行匹配, 一旦行为与规则完全匹配, 便可以迅速报警或者索引出来.

智能安防监控系统技术虽然还存在诸如缺乏统一的标准、市场认知与需求定位还需一个过程、准确率、技术开发是永无止境、创新研发有待加强等问题, 但无法阻止其雨后春笋般的应用. 早期的智能安防监控系统主要应用在道路监控, 如今在各行各业的安防监控系统中得到了广泛的应用. 如海关能识别人脸的自助通关系统、具有车牌识别功能的停车场车辆管理系统、人脸验证高拍仪(为一款集证件扫描、场景拍摄、人脸抓拍于一身的高效办公设备)、移动智能终端APP验证、过程连续实时验证、人脸模板库验证、证件照片库验证、智能视频客流统计系统、便携式图像侦查研判系统、视频浓缩、视频检索、移动侦测、周界防范等.

智能安防监控系统技术不仅应用广泛, 而且已初具规模. 如汉王科技的人脸识别产品, 2012年中期收入2 489万元, 同比增长22.62%; 2012年末期收入4 472万元, 同比增长10.27%, 2013年中期收入3 570万元, 同比增长43.43%, 占主营收入的25.52%.

3.3 集成

安防监控系统集成在促进安防产业的发展方面具有重要的作用, 主要表现在以下几点: ①没有安防监控系统集成, “安防”就无从谈起. 系统集成业务在安防产业链中起着承上启下的作用, 既是产业上游各类安防产品发挥作用的载体, 也是安防产业下游运营服务业务开展的基础和前提. 离开了系统集成, 安防行业将无法形成完整的链条, “安全防范”将无从谈起; ②没有安防监控系统集成, 安防各子系统就无法实现联动. 不论是视频监控系统、出入口控制系统, 还是防盗报警系统、对讲系统, 都只是实现对某一区域“安全”的某一层面的防范, 若想做到对该区域的全方位、立体的安全防范, 则只能依靠系统集成. 借助系统集成, 这些安防子系统才能够有机统一起来, 也才能发挥子系统间的联动效应, 从而实现对这一区域的全方位的安全防范; ③没有安防监控系统集成, 更大区域的联网就无法实现. 2012年2月公安部下发了《全国公安机关视频图像信息整合与共享工作任务书》, 明确规定: “到2015年6月, 要实现全国各地市级和东部地区100%、中部地区90%、西部地区80%以上的县级公安机关建成视频图像信息共享平台; 在部、省级平台互联互通及在授权范围内互控的基础上, 开展多级平台间的联网调试工作, 东部、中部、西部地区省级共享平台与辖区内各级平台的联网率分别达到100%、90%、80%以上; 全面完成视频图像信息共享平台与警用地理信息系统等公安业务信息系统或平台的融合应用”. 若完成该项任务, 系统集成必将发挥重要作用. 全国大联网, 所涉及的同级系统的兼容与联动、下级系统的融入、上下级系统的权限配置, 无不属于系统集成的范畴. 可以说如果没有系统集成, 更大区域(如区、市级)的联网就无法做到, 更不要说实现全国大联网了.

安防监控系统集成对安防产业发展的重要作用, 也体现在行业占比上. 众所周知, 安防产业主要由产品、系统集成和运营服务三大部分组成, 其中产品又主要分为视频监控、防盗报警、门禁和对讲等四大类. 市场占比方面, 近几年没有发生太大变化, 安防系统集成(含工程安装)占比在46%左右, 产品占比44%, 运营服务占比10%. 可以看出, 在国内安防产业中, 发展潜力和市场规模居于首位的均是系统集成业务.

反映在企业层面, 系统集成的重要性更为凸显. 据相关机构的统计, 2010年中国安防从业企业约25 000家左右, 其中, 集成工程企业约14 130家, 包括具有全国集成工程资质的企业1 579家和具有地方集成工程资质的企业12 551家. 占安防企业的56.5%. 安防集成工程商虽然数量众多, 但是在全国范围内具有竞争实力的企业很少, 规模较大的企业也只是在区域市场上或特定行业安防领域具有一定的竞争优势.

4 结束语

高清、智能、集成是安防监控系统的长期发展趋势. 高清能提供更清晰的图像和更多的细节; 智能使安防监控系统具有人脑的思维与判断能力, 能大大降低操作人员的工作强度, 减少警情的漏判, 提高系统的可用性, 能真正做到实时监控; 集成能使各安防监控子系统进行统一规划、集成设计、统一施工, 使各子系统之间形成联动, 从而实现对目标区域的立体、全方位的安全防范.

[1] 李川. 浅述视频监控系统的经历与发展[J]. 电大理工, 2009(4): 49—50.

[2] 何俊正, 申凌云. 电视监控系统的应用及优化改造[J]. 中国设备工程, 2009(3): 49—50.

[3] 刘凯. 监控系统信号传输方式的选择[J]. 科技风, 2012(12): 103.

[4] 秦健. 双绞线视频传输器在监控系统中的应用[J]. 中国公共安全: 市场版, 2007(5): 94—95.

[5] 贺霖. 大型住宅小区监控系统[J]. IB智能建筑与城市信息, 2004(11): 36—38.

[6] 肖文波, 肖文锋. 远程视频监控系统射频传输方式的设计及实现[J]. 电工技术, 2002(6): 21—22.

[7] 单伟. 基于网络的监控系统视频信号传输的研究[J]. 仪器仪表学报, 2004(S1): 476—477.

Summary of safety surveillance system

ZHOU YueFeng1, GUO JieRong2

(1. Huanan Opto-Electro-Sci-Tech Co.Ltd, Changde 415000, China; 2. School of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The security monitoring system of China is developed about 20 years later relatively western countries, but the development is very rapid, and a complete industry chain is formed, industry supervision administration also gradually has been formed and specified. The security market has become a relatively mature industry. At present, multiple technology security industry coexistence: simulation solutions, digital solutions and network solutions. Not only have SD system solutions, also have the HD system solutions, not only have common security system, also have intelligent security system solutions. However, HD, intelligent and integration are the development trend of the security monitoring system technology for a long time.

security system; monitoring system; development trend

TP 277

1672-6146(2014)02-0081-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.018

通讯作者email: jierong_guo@126.com.

email: 13807427697@139.com.

2014-05-08

湖南省产学研科技攻关重大专项; 中国博士后科学基金资助项目(2013M541819)

(责任校对:谭长贵)