IP高清监控系统的技术探讨和设计实践

john_wang

IP高清监控系统的技术探讨和设计实践 [复制链接]

by 千家网 jandar

作者按：面前已经陆续发表了若干个有关IP高清监控系统的基础介绍文章，与一些国外IPC产品的点评，现应一些朋友的要求，发一个IP高清监控系统的设计实例，里面有许多本人在设计过程中碰到的问题，和一些解决的方法，与广大安防从业人员一起分享，若有不正之处，请予以指导。

关键词：IP监控
高清摄像机
存储
视频监控管理平台软件

一、概述
    当今，IP应用潮流向各个领域渗透，已经势不可挡，如何把握IP发展趋势，引入高清监控，逐渐成为各摄像机生产厂家、集成商以及业主关注的热点。本文通过对IP高清监控的技术分析、工程设计实践和存在问题探讨，希望能对各层面的安防从业者起到一定的启发和借鉴。
    《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395-2007中已经对数字IP监控系统做了定义（4.0.2.4模式），“模拟摄像机增加数字编码功能，被称作网络摄像机，数字视频前端也可以是别的数字摄像机。数字交换传输网络可以是以太网和DDN、SDH等传输网络。数字编码设备可采用具有记录功能的DVR或视频服务器，数字视频的处理、控制和记录措施可以在前端、传输和显示的任何环节实施”。



    从中可以看到从前端到传输、到存储、控制均已实现数字化，从工程实际应用角度出发，这个数字化均是在IP化基础上实现的。在此架构模式下，我们在前端再引入IP高清摄像机，便形成一套完整的符合国家规范要求的IP高清监控系统。
二、数字IP监控带来的好处
1. IP监控系统的优势是全数字化，可以方便的引进高清视频技术，只需更换前端摄像机即可。
2. IP监控系统前端还可以采用模拟摄像机＋DVS（视频编码器）形式接入系统，对于喜欢模拟机的用户，依然保留一份选择。
3. 从目前来看，IP监控系统是实现高清监控系统架构的唯一途径。监控用高清摄像机，一定要采用编码压缩，不可能采用源码流输出（HD-SDI、HDMI、DVI、YPrPb色差），监控系统无法处理和传输不经压缩的Gbps级别的数据流。若IP监控系统不设高清摄像机，则视频效果、管理功能与当前的模拟摄像机＋DVR（4.0.2.4）模式基本无差别，甚至在使用和操控的便捷程度上尚不如后者。
4. 对有特殊要求的用户，在IP监控平台上可以做智能视频分析。
三、标清与高清的优缺点
    本文中所属的标清、高清是引入广电行业的清晰度分类方法，PAL制下标清的理论分辨率为625线，去消隐后，理论值为575线。而高清，则是指720p或1080i以上的分辨率，从笔者个人角度来看，高清入门的分辨率则应为1920×1080p或者1600×1200p。标清又分为模拟标清和IP标清，高清全部为IP化的摄像机。
3.1标清系统的缺陷
1. 监控了全景，就没有了细节；
2. 推近、放大了某个局部，则漏掉了对全局的监控和录像；
3. 转到某一个视角，则漏掉了对其他方位的监控和录像；
4. 模拟系统做视频分析相对较困难，成本较高；
3.2高清系统的优势
1. 全景＋细节同时监控
2. 清晰度高（最低1920×1080p或者1600×1200p)看得清楚，不仅有清晰的宏观记录，还有清晰的微观细节，能作为取证材料
3. 没有漏录、没有‘没看到’的时候（相对于标清球机的盲区）
4. 一台高清摄像机可以抵得上多台标清摄像机的视角和像素，从某个特定的项目工程上来看，如采用高清机则可以减少标清摄像机的数量，相对的降低造价。
3.3标清与高清对比
    像素上的对比



    可以看出，高清入门机型200万像素的摄像机，像素即相当于4CIF标清机的5倍，一台相当于5台。而500万像素的高清机更是相当于十多台4CIF标清摄像机。
    实际图象上的对比
              高清图象                                    标清图象



    取证，局部放大后对比图：



    经局部放大后，高清拍摄的由于像素丰富，画面物体、人体特征依然清晰可辨，可以作为强有力的证据信息。

四、IP高清系统的设计实践
    下面我们结合一个实际工程案例，来探讨一下IP高清监控系统的设计思路，和设备选型原则。
以某饮料生产企业为例，该企业厂区有5个车间，因自身对生产流程监控和生产过程对公众透明开放的需要，搭建一套IP监控系统。每个车间约安装50台IP高清摄像机用于对生产流水线的监控，车间外围通道、走廊、动力间、配电间等安装30台IP标清摄像机，每个车间就地设置一个分控中心。整个厂区设置一个总控制中心。
4.1前端选择
    由于车间面积非常大，生产流水线很长，要想对流水线做到全面监控，采用标清摄像机的话，需要安装非常多的数量才能全面覆盖，现采用高清摄像机，经测算需安装50台方可达到要求。且在车间良好的照明情况下，采用COMS摄像机，能得到非常佳的画面质量。业主要对流水线上的成品、半成品进行监控，防止产品在流水线上跳轨和震落，也防止工作人员的“监守自盗”，因此对监控画面的实时性要求非常高。针对这些现场条件和需求，我们决定选用200万像素1920×1080p的IP摄像机，其主要性能指标和选择理由为：
分辨率：1920×1080，16：9宽频，能够提供比4：3更加宽广的画面，适合狭长的流水线监控，减少摄像机安装的数量。
帧率：在1920×1080p下达到25帧/秒，保证图象的实时和连续性，能充分监视到流水线的动态情况。
压缩方式：选用H.264压缩技术，在[email=1920×1080p@25fps]1920×1080p@25fps[/email]达到2～4Mbps的平均码流；选用越低的码流，可以减少存储容量的要求，降低造价，提高经济性。
镜头：选用300万像素的专用镜头，3～8mm手动变焦，自动光圈。300万像素镜头比普通百万像素镜头具有更高的分辨率，更加适合200万像素的摄像机；3～8mm手动变焦镜头，可以根据现场实际情况，灵活调节镜头的焦距，使摄像机画面更好地与流水线场地相匹配。
传输接口：RJ45，100M以太网传输。
供电形式：IP高清摄像机还可通过以太网POE供电，所有的连接线缆，只要一根超5类4对UTP即可。考虑到POE供电交换机造价比较高，为了降低成本，采用单独的电源线12V DC集中供电。因POE供电是属于锦上添花的东西，我们采用单独供电对摄像机的实际应用不存在任何影响，且采用低电压供电电源线可以与UTP网线共管敷设，无需单独再铺设管路。
车间外围通道、走廊、动力间、配电间等其余部分，因监控场景不大，要求也不是非常高，采用常规的IP标清摄像机即可。IP标清摄像机技术非常成熟，选型和配置原则在此不再累述。
4.2传输网络
    IP视频占用的流量较大，监控系统单独建设了一套专用的网络系统，不与其他生产、业务用的网络合用，以免互相影响，专网专用。我们先来分析一下系统设备用到的以太网端口的速率情况，然后再根据各设备对速率的需求，配置对应的交换机端口。
IP高清（标清）摄像机：每台1个100M端口，共50＋30＝80台，80个端口；
DVS（视频编码器）：每台1个100M端口，暂无；
视频服务器（做视频流转发和管理用）：每台1个1000M端口，共2个端口；
存储设备：每台2～4个1000M端口，目前按2口算，共需2台，共4个端口
电视墙显示用工作站：每台1个1000M端口，每台可单独输出4路画面，共4台工作站，可同时输出16个画面，需要4个端口；
管理工作站：每台1个1000M端口，设2台，共2个端口；
    可以看出除了前端采用百兆，后台管理和存储都是采用千兆端口。
    高清IP摄像机的码流比标清的来得大，但随着压缩技术的发展，今年的主流H.264压缩技术，已经能够做到在[email=1080p@25fps]1080p@25fps[/email]下，码流为2～4Mbps，相当于4CIF(D1)画质512K～2M的2～4倍，与画质提升的倍率相一致。百（千）兆以太网端口理论速度为100（1000）Mbps，实际可用率为30～40（300～400）Mbps，因此每路百（千）兆端口可以承载10（100）路左右的视频流量。
    考虑到TCP/IP网络内数据包的冲突、碰撞等不可靠因素，我们实际配置的时候还是留出余量，尽量降低端口（特别是上联端口）的流量负荷。一般配置采用48端口10/100M自适应带2口千兆上联模块的交换机作为接入层交换机，每个车间分中心配置2台即可，每台交换机各连接40台左右的IP摄像机。每台交换连接的高清和标清IP摄像机的数量应一致，以保持上传流量均衡。
分中心配置了2台视频服务器、2台存储、4台电视墙视频工作站（接16个高清显示器）、2台管理工作站，共需12个千兆端口。需再配一台24端口千兆电口，2个万兆模块插槽的汇聚层交换机。
    这样的网络架构就已经逐渐清晰：百兆接入、千兆汇聚，万兆到核心。实际上上联监控中心的链路只需千兆即可，什么原因？下面控制中心章节会进行描述。
    一个分中心的网络拓扑图如下：




    上图中实线表示百兆链路，虚线表示千兆链路
    网络的物理链路上采用超5类的综合布线UTP，当然能用6类更好。分中心的接入和汇聚在同一个机柜内，因此汇聚与接入的连接直接采用千兆电口即可，无需再增加光模块。如果接入交换机放在场地现场，则接入与汇聚可采用千兆多模光缆连接。汇聚与核心连接最好采用万兆光纤。因厂房较大，某些前端摄像机距离接入交换机超过100米，则此段的UTP链路改为4芯多模光纤，光纤两端用100M光纤收发器，进行光电转换。
    传输网络小结：由综合布线和网络交换机组成，小规模的项目只要设二层（接入与核心）即可，本系统因大规模较大，设计为三层架构（接入、汇聚与核心），系统速率满足百兆接入、千兆汇聚、千（万）兆核心。这是非常成熟的网络架构，任何一个有网络系统配置和实施经验的工程师都可胜任设计。
4.3分中心设计
    视频服务器、存储设备、电视墙、视频工作站均设置在分中心内。
4.3.1视频服务器
    我们这里提到的视频服务器与厂家、媒体提到的视频服务器（DVS）不一样，DVS主要功能是对模拟视频的数字化编码，我们这里所说的视频服务器主要是对前端摄像机发送过来的视频流进行封装和转发到存储设备上去，同时要响应视频工作站的回放（实时和录像）的请求，从存储设备中取出对应路数的视频流，相当于是流媒体服务器。
    受目前PC架构的CPU总资源限制，一般管理视频流不超过64路，为了提高系统的稳定性，我们建议每台连接不超过50路。本工程我们设置管理的是40路，这样大大的提高了服务器的稳定性，同时也保证了其他终端对服务器请求响应的及时性。
    服务器具体选型上应采用四核至强处理器（2颗），2G以上的内存。每台服务器上配置监控视频管理平台软件。
    服务器、视频流及管理平台工作流程示意图：

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4.3.2存储设备
    目前IP监控工程主流的存储采用IP SAN形式，每台存储通过2～4个千兆以太网口挂到IP网上，用于接收视频服务器转发过来的视频流。对于存储来说，我们最关心的是容量大小，因为这将关系到系统的总造价。下面来对高清和标清视频存储容量进行一下计算。
    单路高清30天存储时间的容量＝3Mbps(平均码流)×60×60×24×30÷8（小b变大B）÷1024（M变G）÷1024（G变T）＝0.93T，为方便计算取1T容量。
    单路标清30天存储时间的容量＝1Mbps(D1画质下的平均码流)×60×60×24×30÷8（小b变大B）÷1024（M变G）÷1024（G变T）＝0.31T，为方便计算取0.3T容量。
    因此每个车间按50台高清30台标清，存储1个月时间来算：
    总容量＝50×1T+30×0.3T＝59T
    这个59T为全实时24小时录像的理论容量，实际应用时考虑到工厂放假、生产线检修、夜间停工、以及采用移动侦测录像等策略，实际容量可以降低很多，采用48T也已经足够了。
    每个车间80路视频的总流量＝50×3Mbps+30×0.3Mbps=159Mbps
    对于存储来说采用2端口千兆网络接口，对外可以达到4G的双工速度，存储内部磁盘读写总吞吐最大值为400M，一个车间分中心全部往存储写的码流为159Mbps，这个数值对存储来说是可以处理过来的，而且还有剩余的带宽来用于录像回放（读的码流）。
    因为存储设备造价较高，合理的配置存储，得到一个更高的性价比，是业主所关心的，也是每个设计人员所必须掌握的。一般来说，存储设备都有个最大容量（带扩展机箱槽位时），在我们用足最大容量时候，存储主机造价就能最大限度的摊薄到每T硬盘的容量上。打个比方说，一台24槽存储，只配了1块1T硬盘，那么这个存储单位T容量的造价是很高的；而如果24槽位都用满，那么每T的造价就将为很低了。
    在以上我们分析总流量和总存储容量都许可的情况下，可用单台IP SAN存储，采用24槽位主机加24槽位扩展机箱，共48槽位。若采用目前主流性价比最高的1TB容量SATA盘，可得到48T的存储容量，若采用1.5T的SATA盘，则可得到72T的容量。
4.3.3分中心的显示与控制
    目前对高清视频来说，暂无现成的硬件解压的解码器可用来直接输出到电视墙。因此主流的做法是，视频工作站上安装客户端软件，利用PC机内的高性能显卡进行解码输出到显示屏上。每台PC机安装2块双DVI（或HDMI）输出的高性能显卡，可得到每台4路独立的输出。我们分中心的电视墙为16块高清显示屏，需要配置4台视频工作站。
    需要说明的是，PC机显卡每一路输出的视频图像可以是单路，也可以是多画面分隔的图像，支持4、9、16最多至64路。分中心电视墙的显示屏其中5台用来显示16分隔画面，使80路的视频全部上墙显示，剩余的11台做单画面固定或轮询显示。
    电视墙采用16：9的高清1080p专用42”PDP显示屏，以提高显示效果与稳定性。该高清显示屏支持复合视频、DVI、HDMI、YPrPb分量接口，可以显示各类信号源。
    由于习惯使然，普通的保安值班人员喜欢实用专用的摇杆、键盘，对视频图象进行切换和控制，在此IP监控的架构下，直接能实用的只有计算机的键盘和鼠标，操作起来非常不方便。因此，为了解决这个实际问题，我们在管理平台软件的支持下，配置了一套带USB接口的摇杆键盘，以方便操作人员的使用。
    在操作台上配置了一台管理工作站，可以对本车间内安装的所有IP摄像机进行菜单设置，对服务器、存储设备进行配置和管理。管理工作站还设置不同的权限，以便不同的操作人员使用。
4.3.4与生产管理的结合
    本IP监控系统不仅仅是作为一套安防监控系统，而且成为了一个生产管理的辅助手段。通过本监控管理平台的开放性接口，对生产管理系统（MES）进行二次开发对接，在流水线发生异常情况时，可以及时调用现场的视频图像，若生产线无人值守，则可通过短信或3G视频方式发送到管理人员的手机中，大大的提高了生产管理系统智能化成都。
本项目中具体的二次开发工作由生产管理系统建设单位进行实施，我方负责接口开放和协调工作。
4.4总控制中心设计
    厂区设一个控制中心，对下面的5个车间分中心可以进行全面的监控和管理，查看实时图像和调用录像资料。总控中心设有24块大屏电视墙，作为全厂生产管理的调度中心。
    从前面的分中心架构可以看出，每个车间的摄像机视频码流绝大部分已经在本地进行了存储和实现了管理，即使总控制中心不运行也不会影响分中心的正常运转。如果总控中心不调用、查看分中心的视频，则总控和分中心之间网络的流量基本为0；若总控中心要调用下面的视频资料，按单屏单路显示来计算，最多为32路，以高清码流为例最多达32×3＝96Mbps。鉴于此，我们认为分控中心的汇聚层交换机到总控的核心交换机采用千兆链路即可，当然从长远角度来看，布线系统是一次性投资的，主干宜采用万兆光缆，但目前对于监控系统的应用千兆速率就够用了，这样也可以降低网络交换设备的造价，毕竟万兆设备的价格还是比千兆高许多。
    32路视频输出，配置8台4路输出的视频工作站。另外再设置6台指挥调度工作站，可以对任意路视频进行监管、查看。



          全厂IP视频监控系统总拓扑图
    控制中心还配置了一台备用的视频服务器和备用存储，可以用来在分中心视频服务器当机失效时候即时接管，将该分中心的所有视频码流切换到总控中心来，这时候汇聚至核心的千兆主干网络真正起到作用，单个车间分中心总码流前面计算过为195Mbps，在千兆网络中完全可以满足无阻塞。同时系统发出警报，提醒工作人员前去处理分中心服务器问题。
核心交换机采用机架式千兆核心交换机，配置1块引擎，1块24口千兆电口板和一块24口千兆光模块板，背板容量大于所有端口全双工全线速下的总和。
    大屏采用24块50”DLP拼接墙，3×8的排列方式，拼缝小于1mm。由于目前DLP性价比最高的产品为4：3产品，单块最大分辨率为1280×1024，对于单屏来说尚不能完全显示前端200万像素的1920×1080的分辨率，因此在输出时可以采用稍微降低画面分辨率，以满足显示设备的分辨率。若要点对点显示全画面，则可以通过拼接屏系统进行多屏漫游显示，3×8的DLP显示墙整体上可以达到10240×3072的分辨率。
    如果以后16：9的DLP拼接屏形成主流，并价格合理，则全部选用16：9的1080p宽屏，显示系统可以达到完美的与前端摄像机像素匹配。
4.5管理平台的选择
    目前市面上能提供视频监控管理平台软件的厂商很多，有第三方的也有某硬件厂商配套的。一般来讲第三方平台软件走的是开放性的道路，全面支持各品牌、各规格的IP摄像机，对于业主和集成商来说，以这样的第三方平台为基础搭建IP监控系统显得非常方便，可以自由选择各具特色的IP摄像机品牌产品，整合到系统中去，而不惧各品牌产品不兼容、不能管理。支持IP摄像机产品越多的平台软件，应优先考虑。
    我们也尝试过采用带有全套硬件、软件产品的某些厂家的解决方案，这是某些安防厂家自行设计开发的，对于自己的产品，整合得非常好，也有很多亮点存在（如ISCSI的应用），但只能接入自己品牌的产品，不能兼容或兼容很少其他厂家产品。而市面上有那么多各具特色的IP摄像机可选择，如松下的宽动态、SONY的低照度、PELCO的稳定性，我们怎能因为一个平台原因，将这些优秀的产品拒之门外呢？
    开放——是IP时代的主流思想，IP监控系统的设计更应顺应这个思路。
五、三种监控架构经济性分析
    可能有些同行和业主还对IP监控系统不是很了解，认为IP系统造价投资一定很高，不是一般人所能接收得了的，但是我们通过这样的案例，并对三种主流架构进行分析，完全可以颠覆造价贵的概念。
请看下表的分析



    从对比中可以看出，IP标清系统并不比模拟系统增加多少造价，在合理选择设备、精心搭配下还甚至可以做到造价更低。高清系统受制于摄像机本身的价位和存储、软件的造价，每路的造价尚不经济，但从可以代替5路标清或1台标清球机角度来看，造价并不高。
    以上述工程为例，如果车间流水线不采用高清摄像机，覆盖同样的场地选用标清摄像机的数量会增加3～4倍，其造价同样会增加很多。
    而在满足系统实际流量、存储容量的情况下，选择具有最佳性价比的配置和产品，则是降低IP监控系统造价的一个重要手段。
六、影响IP高清监控推广的几个障碍
    从目前市场上的现有成熟产品角度来看，IP高清监控系统的推广还存在着几个缺陷或者障碍。
低照度的实现:
    IP高清摄像机一般都采用COMS作为感光芯片，COMS最大的缺点是低照度下成像质量差，无法实现CCD那样的低感光度。因此所有的COMS百万像素高清摄像机的致命弱点就是低照度效果差，即使在添加红外补光灯的情况下，效果依然不如CCD。这个缺陷有待于COMS原理的改进，和处理芯片技术的发展。
高性价比的存储:
阻碍IP高清监控系统推广应用的另一个因素就是存储，而存储技术主要又是受制与硬盘存储容量的提高。若硬盘存储密度提高若干倍，而价格继续走低，每路高清视频的存储成本可降到目前DVR存储价位，则高清系统替代标清系统是指日可待。
国家行业规范不健全:
    高清监控系统没有相关的国家设计、施工验收标准和规范。
用户的使用惯性:
    用惯了模拟标清，对IP系统的认知程度不够，需要厂家和集成商的大力推广。
七、IP高清监控工程目前最佳的实践方式
    鉴于采用全IP高清监控工程投资较大，不是每个业主都能承受，我们摸索出最佳的实践方式为采用标清＋高清混搭模式，即为以下混合型的架构。




    结论：
1.采用全IP监控系统
2.关键场合，选用IP高清摄像机
3.选用开放式的支持高清摄像机的智能化视频管理平台软件
4.合理的配置网络、存储系统，以达到最佳的性价比