高清时代视频监控系统的分析以及应用

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高清视频监控技术近年来得以迅速发展，主要是因为它解决了人们在正常监控过程中对“细节”看不清的问题。“高清”即“高分辨率”。关于高清的定义，对于安防行业来说却是一个后来者。高清的定义最早来源于数字电视领域，高清电视，又叫“HDTV”，是由美国电影电视工程师/-会确定的高清晰度电视标准格式。电视的清晰度，是以水平扫描线数作为计量的。它的集中高清划分方式如下：1080i格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1920×1080，隔行/60Hz，行频为33.75KHz。

720p格式，是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1280×720，逐行/60Hz，行频为45KHz。

1080p格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1920×1080逐行扫描，专业格式。

高清电视，就是指支持1080i、720P和1080P的电视标准。

而在安防行业，传统监控系统最高可达标准清晰度，进行数字编码后，一般可以达到4CIF或D1的分辨率，约为44万像素，清晰度在300至500线之间;采用高清网络摄像机的IP监控，如果要达到800电视线的清晰度，那么网络摄像机的分辨率至少要达到1280×720的标准，约90多万像素;若采用200万像素的网络摄像机，就达到了超高清图像的要求，宽高比为16：9的网络摄像机，对应分辨率为1920×1080，宽高比为4：3的网络摄像机，对应分辨率为1600×1200。安防行业更多的是借用电视领域的高清划分标准，俗称为“高清”和“标清”。

安防市场中已经出现了分辨率能够达到1080i和720P的网络摄像机，因为网络给高清视频的传输提供了一个很高的保障。当然也有具有高清传输接口的模拟摄像机，如具有Y/Pb/ Pr和VGA接口的*机或一体机。

　“高清”的采集

高清的视频效果的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。无论是*机、一体机还是网络摄像机、模拟摄像机，采集的原理都是一致的，只是技术和器件上的区别。高清视频的采集最重要的是感光元器件的性能，至于CCD和CMOS各有优劣，在高清监控领域，也都有所应用。CMOS在高像素方面有着一定的优势，而CCD对监控场景的适应性更佳。我们也不妨搁置争议，由市场需求来判别孰优孰劣。

总而言之，在CCD和CMOS对于高清监控市场已经均有应用，CCD由以前1/4英寸到1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等，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1080i的输出。CMOS技术也在成像方面不断进步，加上其成本低廉、便于集成也为广大客户接受，CMOS类型的监控摄像机目前分辨率也能达到1600×1200及以上。同样，镜头要能够保证进光量和角度，同时还要有一个适宜调焦和光圈来配合感光元器件的成像。因为高清的视频通常依赖于一个调焦的操作，对于焦距和光圈不满足实际需求来说，高清摄像机也惘然。在一体机中通常配合较高的变倍来更好的体现高清的效果。

高清采集即高清摄像机的发展受其制约，因为并不局限于高清视频处理本身，而更多的是高清的市场应用。比如高清传输问题、高清设备的配套问题等。所以一个高清的方案将是从前端至后端一整套的高清解决方案，缺少一环，将不能实现真正的高清。目前更多具有倾向性的解决方案即通过编码处理实现网络传输来解决后续的问题。

“高清”的编码

高清编码是我们不断提升的核心技术之一，可以说最终视频效果好与不好，依赖性最大的是编码技术的应用。高清编码处理即将采集的高清信号通过编码处理转换为数字信号并通过网络的方式进行传输，与普通视频信号的编解码原理一致。区别只是更侧重于视频处理芯片的处理能力，即具有高清编码能力，其输出的视频分辨率能够达到我们划分的高清标准。

目前市场上对于编码处理芯片厂家也潜在隐性竞争。TI、飞利浦、霍尼韦尔、华为、海思甚至台湾一些厂家，都在安防市场上角逐。对于在SOC构架下DSP方案和ASIC方案在竞争日愈激烈的安防领域也形成了潜移默化的对手。在此，我们不讨论其优劣，这点由市场来评价。我们只谈高清编码处理能力问题。对于高清编码而言，这两种方案都有所涉及，在高清网络摄像机、视频服务器、甚至DVR方面都有所体现。

视频处理单元能够支持H.264Main Profile、Baseline Profile、MJPEG、JPEG等多种实时编解码，也支持H.264同时编解码30fps@D1、MIPEG、JPEG支持最大300万像素的编码。H.264Main Profile强大的编码算法极大提高了视频质量，并且能够灵活的提供场编码或者帧编码，为客户支持不同的显示终端提供了方便，同时视频处理单元还支持双码流编码，即MJPEG和 H.264可以同时编码。图形处理单元能够提供De-interlace算法处理，灵活的运动检测。

通过高效的编码处理之后，加上其他通信控制部分的规划和设计，比如网络的适应性、安全性、码流的封装格式和传输功能。再集成了监控所需其它I/O接口，如报警、通讯控制、语音对讲等接口，配合RJ-45接口进行传输和操作。虽然其中编码技术比较成熟，但是对于处理高清视频而言，能力和设计上有待进一步思索和提高，我们要求的高清监控不仅仅是图像清晰，还要追求帧率、码率符合预定需求，同时还应该考虑存储成本和网络带宽的问题。因为我们的监控是一个全面的系统，具有足够应急能力的系统。所以在高清的视频处理上，我们应该更多地保持一份冷静和思考。

　“高清”的传输与存储

高清视频的传输，即通过特定介质将高清的视频信号传输给用户。这里的传输具有两个层次上的划分，一是通过编码处理后的数字信号，这里一般通过网线进行传输，涉及到局域网、城域网、互联网等网络构架。一般情况下，高清视频的传输信息量大、占用带宽多，采用网线进行连接，对应的带宽为百兆或千兆。传输介质带宽满足后，同时还要考虑到系统各个接口、交换设备、桥接设备等，不能因为带宽限制而导致高清视频的传输异常。一般高清视频的码流在2M-8M之间可设，所以更多应用的是局域网当中，通过超五类或六类网线进行传输。

高清视频的存储也更多指的是数字信号而言的，目前通过DVR、NVR 或依靠于服务器衔接磁盘阵列、抑或直接构架NAS或IPSAN服务器等多种方式。采用DVR(现在也有很多NVR或混合DVR的说法)是最早实行的一种方式，其将录像、回放、控制、浏览、网传等功能集一身，当然对于高清视频的存储，DVR必须具有网络信号输入的功能模块。但是目前这一功能模块受到厂家之间配合的局限，视频源与DVR厂家必须做到兼容才能正常使用。对于磁盘阵列，即通过高清视频传输至客户后端服务器，服务器本身的控制软件将控制视频流直接存储在与服务器连接的磁盘阵列中，所有的控制、浏览、录像、回放、报警等操作都通过软件进行集中处理。对于NAS和IPSAN方式，首先网络摄像机本身应该具有与NAS服务器连接的/-议和模块，直接将视频流端口指向NAS服务器并进行存储操作，在回放查询上，NAS服务器本身也是一个文件共享服务器。将录像文件在网络系统上进行共享。所有网络系统中客户均可以通过网络远程下载高清视频信息。

当然，上述所说的高清网络摄像机仅是其中一种方式。除此之外，高清一体机或球机也能够提供高清视频源信号，高清的一体机通过VGA/色差等接口来传输，其分辨率能够达到1080i，并且具备PTZ功能，让人们更好的看到细节。如果监控距离不是很远，可以直接用色差线、VGA线进行传输，用在室内、视频会议等场合也足显其优势。下面简单介绍几种具有高清传输能力的接口。

　色差端子

色差视频信号也就是我们所说的Y/Pb/Pr信号，其分离为3个不同的基本部分来进行传输。通常采用绿、蓝、红三色，色差端子三根传输线将亮度(Y)，以及三原色信号中的蓝色和红色去掉亮度信号后的色彩差异信号(Pb、Pr)，分别进行传输，保持了色度通道的最大带宽，避免了因繁琐的传输过程所带来的影像失真。色差端子是模拟信号中最高级的传输方式之一，其效果也是最好的，相比于S端子，其色彩鲜艳明亮，画面锐度很高。

　VGA端子

众所周知的VGA的端口采用非对称分布的15pin 连接，其工作原理是将视频源内以数字形式存储的影像信号通过模拟变调转换成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。如果是接驳模拟显示设备(如普通CRT 显示器)就不必像其他视频信号那样还要经过显示端的矩阵解码电路的换算，如果是接驳数字设备，则需要显示设备内置转换器，画质会有所下降。

DVI端子

DVI信号的传输完全采用了数字格式，保证了视频源到显示终端的传输过程中资料的完整性，可以得到更快捷的传输速度以及更清晰的影像。所以，具备DVI接口的显示终端都是数字显示终端。DVI接口有三种，分别是DVI-Digital(DVI-D)、DVI-Analog(DVI-A)和DVI-Integrated(DVI-I)。其不同之处在于DVI-D 只支持数字显示的设备;而DVI-A类似于VGA接口，采用模拟信号传输；而DVI-I则是同时支持数字显示和模拟显示，并且可以兼容使用DVI-D的设备。

　HDMI端子

HDMI避免了DVI有着接口面积过大、不能传输音频等缺点，HDMI 其最高传输速度虽然小于DVI(DVI可达8Gbps，HDMI为5Gbps，最高画质的HDTV信号传输需要2Gbps)，但还支持八声道96kHz或单声道的192kHz的数码音频传输(支持Dolby Digital/DTS格式)，无需单独使用音频连接线。同时其连接线的长度也可以达到20多米(DVI线在8米以上就会影像画质)。HDMI接口为19针，在针脚上和DVI兼容，只是采用了不同的封装，可以通过转换器兼容DVI接口。

总之，高清视频的传输对于VGA/DVI/色差/HDMI这几种接口传输而言，受距离影响比较大，一般情况无损传输的距离在十几米到二十几米，且线材也是比较昂贵的。笔者认为这种传输方式在实际安防监控中单独使用的环境条件比较少。使用时更多的时候是配合高清视频服务器来用，将视频源的高清信号通过视频服务器编码，通过网络进行远距离传输。抑或直接使用高清的网络摄像机进行传输。

“高清”显示

对于高清视频，其显示的效果也同样受到显示设备的影响，对于高清视频的浏览，不能通过一般的显示器或液晶屏，所使用的显示设备也必须能够支持视频输出的分辨率标准。目前市场上分辨率最高的显示器达到1080P，液晶大屏显示也支持高清标准，所以在后端，一般不经过解码处理，而直接进行显示。一方面是为了存储和浏览的结合一致。另一方面对于高清视频本身而言，不便再做解码处理，通过解码处理将使得画质下降，反而体现不出高清效果，从观看角度来讲，解码的必要性也不是很大。因为通过大屏或高清显示器完全满足了正常浏览的需求，也方便了集中管理。

所以在系统构架中，对于高清后端显示设备，首先能够保证其不影响监控效果，其配套的服务器接口类型、显卡性能、分辨率的扩展等等因素，均是在考虑范围之内。再者，也无需要一味的追求最高配置，只需要支持传输的视频分辨率格式即可，如果本身视频达不到1080P，配给1080P的显示器也是资源上的浪费。

　“高清”应用

对于高清视频监控，目前市场呈上升的趋势，在很多项目中应用了百万、两百万像素的摄像机的并非凤毛麟角，敢于采用高清摄像机作为监控的条件之一也并非心血来潮。而是客观市场需求和高清技术日益成熟的表现。

一个单位的高清监控，对于出入人员能够清楚识别其相貌和身份、对于出入车辆能够清楚识别车牌号、对于工作人员能够清楚判别其工作内容和违规细节。该项目属于单位内部使用，所以采用内部局域网网络作为监控网络。百兆带宽对于20个高清摄像机也已足够。

前端采用百万像素的网络摄像机、高清球机、高清编码器，通过局域网构架网络监控系统，后端采用集中管理模式，由主服务器、录像服务器、报警服务器、转发服务器等组成。前端网络摄像机执行高清抓拍的功能，球机执行随机动作查看和及时反应跟踪，同时联动录像存储于存储服务器中。

对于高清监控而言，图像清晰度是最核心的指标之一，对于高端高清摄像机比如五百万像素摄像机，通常在处理编码过程中，因为其数据量大，而有时导致帧率达不到正常的监控需求，在使用过程中更多使用在高清抓拍的场合，以及在场面中细节的抓拍，甚至有些专门用于高清抓拍的摄像机，配合长焦镜头，施展其长距离高清抓拍的能力。

另外一些应用，比如在全景摄像机中，一些超千万像素的摄像机配合广角镜头，放置在系统中，用于进行全景监控。在一个显示器画面，把同一个视频流的局部分为多个细节画面同时监控，全景和多个局部。既监控了大面积全景，又不漏掉细节，大大提高了监控效率和质量。

这种模式是为解决安防监控中漏洞问题。传统的监控分辨率低，为了满足局部细节清晰度，而不断增加成本、增加摄像机数量，包括摄像机、配套设备及辅材费用的增加；布线、安装及后期维护费用的增加，或者采用云台/变焦(PTZ)摄像机来放大、跟踪目标。全局和细节顾此失彼，容易漏录视频信息。全景高清摄像机正是能够提供全景和细节的相互配合一种新模式。