网络视频监控关键技术的发展探讨

    视频监控业务的发展历程与现状

    视频监控作为安防行业的一个重要技术应用，发展迅速。在国外，视频监控业务主要为个人用户提供安全系统方案，基本定位在个人和住宅应用方面。在国内，视频监控业务主要集中在行业应用，如公安、交通、金融、楼宇等领域，行业用户已成为国内视频监控市场的主要增长点。

    视频监控技术发展至今已经历了模拟监控技术、数字监控技术和远程网络视频监控技术三个不同的阶段。

    1．模拟视频监控技术

    模拟监控技术发展较早，在20世纪90年代以前，视频监控技术主要以模拟设备为主。模拟视频监控系统一般由监控前端、传输设备、控制设备以及显示设备几个部分组成。监控前端一般为模拟摄像机、云台、声光电报警设备和雨刷等。传输设备一般为传输视频的同轴电缆，远距离传输可采用模拟光纤或者利用光端机进行传输。控制设备主要是视频切换矩阵，采用键盘进行切换和控制，将需要监控的图像在指定的显示设备进行显示。显示设备主要包括图像的监视器、报警指示设备等。

    2．数字视频监控技术

    20世纪90年代视频监控进入数字化阶段，随着计算机和多媒体处理技术的发展，数字视频压缩编码技术被应用到视频监控系统中，基于PC的多媒体监控系统由此产生。在这类监控系统中，视频采集和视频传输仍以模拟方式为主，模拟摄像机的图像信号到达多媒体监控终端后进行数字处理与存储，随后通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。基于PC的多媒体监控系统通过增加视频处理卡以增加图像的输入路数，采用数字化存储及视频解压缩功能，可以对监控区域进行高清晰度的画面显示，使图像回放时也能达到极高的清晰度。

    3．远程网络视频监控技术

    近年来，随着网络技术的发展，Internet已经无处不在。远程网络视频监控技术将传统的模拟视频、语音信号转换为数字信号，通过计算机网络进行传输，实现了视音频信号的数字化、网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。网络监控技术集成了数字处理、网络、计算机、视音频编解码以及图像处理和识别等多种先进技术。

    网络视频监控系统由监控系统前端、数字化处理器、网络传输、监控控制系统组成。监控前端和模拟系统一样由摄像机、云台、声光电报警设备和雨刷等设备构成。

    数字化处理器的主要功能是将监控前端采集的模拟图像信号进行数字化处理，并将数字图像信号进行压缩处理，以便减少图像信号传输时所占用的网络带宽。

    网络传输主要由网络传输设备组成，如交换机、路由器等。监控系统将现场图像和报警信号转换成IP数据包，利用网络传输给控制系统。

    控制系统由监控控制平台、电视墙及大屏幕系统组成。监控控制平台可以使用监控系统的各种功能。电视墙及大屏幕系统由网络解码器、电视墙、大屏幕组成，它们从网络接收监控图像，解码后输出到电视墙或者大屏幕上。

    网络监控系统与传统的模拟监控系统的比较如表1所示。

    网络视频监控关键技术介绍

    网络视频监控的关键技术有很多。下面简要描述一下信令控制协议、视频编解码以及模拟视频监控系统如何改造为网络视频监控系统等几项关键技术。

    1．信令控制协议

    由于标准不统一且控制通道和媒体处理不分离，视频监控业务的开展受到一定的局限性。

    （1）标准不统一

    由于视频监控主要应用于本地监控，国际上并没有形成相关的标准，视频监控厂家各自为政，产品之间也没有采用任何协议来支持互通，各厂商之间甚至厂商自己的产品之间有时都不能互连，无法组成能容纳不同厂商产品的监控系统。

    （2）控制通道和媒体处理不分离

    目前很多网络监控系统主要采用HTTP协议，视频通过HTTP协议以流媒体方式进行传输，没有区分媒体通道与控制通道，而是采用共用一条HTTP通道。随着网络的发展，监控规模的不断扩大，这对于视频监控的可管理、大规模运营是极不为利的。

    网络监控系统进行媒体承载和控制的分离，对于媒体承载部分比较明确，可采用IETF专门为流媒体传输制定的协议RTSP（实时流传输协议），也可采用IETF为实时视音频传输制定的协议RTP/RTCP（实时传输协议/实时传输控制协议）。对于视频监控的控制协议，为视频监控制定一个专门的协议标准是不太现实的。比较可行的办法是借用现有成熟稳定的信令控制协议，目前，可以借用的协议是广泛用于视频会议、VoIP应用的H.323体系与SIP（会话初始协议）。H.323提供了在基于IP网络上进行多媒体通信的规范，H.323是一个复杂而庞大的协议族，现阶段是视频应用的主流技术。然而由于其过于复杂，现在正受到基于SIP协议视频应用的挑战。IETF提出的SIP是用于建立多方多媒体通信的规范。SIP具备简单灵活、分布式控制等优点，有望广泛应用于视频监控领域。

    2．视频编解码

    在视频编解码技术方面，监控技术主要采用MJPEG、MPEG系列与H.26x系列。MJPEG是基于静态视频压缩的技术，图像的清晰度比较高，适用于监控应用领域。MPEG系列主要应用于视频存储、视频广播和视频流媒体、互联网或无线网上的流媒体等领域。H.26x系列主要应用于实时视频通信领域，如可视电话、会议电视等。

    目前视频编解码研究的热点是MPEG-4和H.264，它们采用基于对象的动态压缩技术，可以获得更高的图像压缩比和带宽利用率，在400kbit/s左右的码率下即可实现有效的音、视频传输，随着码率的提高可以相应地提高音频、视频质量，在2Mbit/s左右时即可达到类似DVD的效果。MPEG-4和H.264被普遍认为是未来视频编解码的发展趋势。

    3．如何改造模拟视频监控系统

    随着网络视频监控技术的发展，它必将逐渐占据监控领域的主导地位。但是模拟监控技术经过几十年的发展，应用非常广泛，目前仍占据着很大的市场份额。让模拟监控系统的使用者放弃原有监控系统，重新投资于网络监控系统是很困难的一件事。如何将模拟监控系统改造为网络视频监控系统是亟待解决的问题。

    模拟监控系统向网络监控系统的改造，从理论上来说，就是改造监控系统的网络传输部分，具体如图1所示。

图1 模拟监控系统向网络视频监控系统改造

    在监控前端的模拟摄像机处增加网络设备―视频服务器，视频服务器将模拟图像信号转换为数字信号，完成视频数据的压缩和控制信令在网络上的传输。视频解码器完成数字信号接收，将图像数字信号转换为模拟图像信号，送入交换矩阵进行显示。控制平台主要完成监控系统的控制，传递用户的操作命令。

    从理论上来说，任何模拟摄像机，包括固定摄像机、球形摄像机、带云台的摄像机等都可以通过视频服务器集成到网络视频系统中。模拟摄像机和视频服务器的组合相当于一台网络摄像机，因此目前很多厂家都生产出了一体化的IP摄像机。

    模拟视频监控系统一般有专用的监控室，在这种情况下，同轴电缆已经安装就位，可以采用在监控室统一将视频输出给视频服务器，以便对视频服务器进行集中放置、供电和管理。

    监控中心通过视频解码器使用现有的模拟监控设备监控网络视频系统中的数字化视频图像。视频解码器将数字化的视频信号转化为模拟信号，输入到交换矩阵，从而能够在原有的显示设备上显示。

    网络视频监控技术的发展

    随着网络技术和数字处理技术的不断发展，视频监控也在向数字化、无线化、监控网络化、系统集成化和结构模块化等方向发展。

    1．无线网络视频监控系统

    无线网络以其安装方便、灵活性强、性价比高等特点得到了广泛应用。无线网络监控是采用无线的方式将监控前端或客户端和监控平台连接从而实现监控。当监控前端位置分散并且距离监控平台较远时，用户采用传统布线方式临时建立客户视频监控中心的成本较高，如果遇到道路、河流等阻碍时，代价更是不可估计。利用无线传输网络，上述问题就可迎刃而解。无线网络视频监控系统结构如图2所示。