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平安城市高清网络视频监控解决方案
来源:    发布时间: 2012-08-31 14:33   3158 次浏览   大小:  16px  14px  12px
 平安城市的的主体部分是视频监控系统,随着第一批平安城市的建设到今天,平安城市的视频解决架构也历经了几次变革,从最初的矩阵开始到DVR,再到网络编码器,一直到今天我们要讨论的高清网络视频监控解决方案,每次变革都为安防行业注入了新鲜的血液和强劲的发展动力    

 第一章 概述

众所周知,视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。在2000年以前,主要是以模拟设备为主,含摄像机和磁带录像机的全模拟电视监控系统,称为第一代模拟监控系统;2000年以后到现在,随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展,人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和压缩处理,利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示,从而大大提高了图像质量,由于传输依旧采用传统的模拟视频电缆,所以就叫着第二代半模拟半数字本地视频监控系统。从2004年开始,随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低,以及各种实用视频处理技术的出现,视频监控步入了全数字化的网络时代,由于它从摄像机或网络视频服务器下来就直接进入网络,而且依靠强大的平台软件实施管理,所以称为第三代全网络视频监控管理系统,但第三代网络视频监控还是摆脱不了清晰度的限制。随着技术不断的发展更新,时值今日,正当网络监控引领整个监控行业的深刻变革时,高清网络视频监控也同时吹响了号角。在安防监控行业领域里,百万像素乃至两百万像素分辨率的纯数字网络摄像机的诞生标志着高清监控时代的真正来临。高清不在遥远,高清就在眼前。以百万像素,超低码流,强大网络功能,真正双码流为标志的高清网络数字摄像机是我公司的战略产品,为了推动高清数字视频监控在重要安防领域的应用,我公司将和大家一起讨论高清网络数字摄像机在“平安城市”的实际应用解决方案。
第二章 行业背景分析
平安城市的的主体部分是视频监控系统,随着第一批平安城市的建设到今天,平安城市的视频解决架构也历经了几次变革,从最初的矩阵开始到DVR,再到网络编码器,一直到今天我们要讨论的高清网络视频监控解决方案,每次变革都为安防行业注入了新鲜的血液和强劲的发展动力。平安城市是一个庞大而且巨复杂的视频处理系统,不管是从规模上还是技术上要求都非常高,从中小城市到大型城市,成百上千,甚至上万的摄像机进行联网处理是件非常不容易的事情,从技术上涉及到音视频的采集、传输、存储、管理、共享等环节,也涉及到通其他安全防范系统的联动等;目前的主要的大中小城市的高速网络通信网已经逐步完善保证了大容量数据的高速传输,而且随着计算机技术和软件工程技术的发展也使得后端存储、管理以及应用层等有了可靠的保障,但到目前为止,前端的图像采集还是有个致命的弱点,就是清晰度始终满足不了平安城市视频监控的要求。目前在监控行业内普遍采用的视频分辨率标准有CIF(352*288)DCIF(512*384)D1704*576)等,每当相关机构在进行实时监控、事后录像查证时最头疼的是只能看得到但是看不清楚,更不用说细节特征了。所以高清晰的视频图像采集是安防领域众多用户最迫切的需求。针对以上的一些分析,我公司紧随视频监控行业发展的脉搏,深入了解用户最迫切的需求,运用我公司掌握的核心技术和多年来在视频监控领域积累宝贵研发经验,集中力量研发出了新一代用于安防行业的720P、1080P高清网络数字摄像机。它的诞生标志着在国内安防行业里有了真正意义上的高清视频监控解决方案,打破了国外厂商一直以来的技术垄断,为我国视频监控行业的发展做出了巨大贡献。
第三章 整体解决思路
“平安城市”高清网络视频监控系统主要由涉及到音视频的采集、传输、存储、管理、共享等环节。整个解决方案可分为前端监控资源采集、监控资源接入、联网集中管理平台、图像资源存储以及图像资源共享平台建设等部分进行详细设计。每个环节的解决方案都围绕着高清网络视频监控这一概念和新思路进行深入的探讨;从这些层面对高清网络数字摄像机在“平安城市”中的实际应用进行详细阐述,使大家对高清网络视频监控有清晰的理解,以及在“平安城市”中实际应用的可行性有最直接的判定。本解决方案将针对某平安城市的重点区域进行高清网络视频监控部署,该平安城市有21个派出所,总共500个高清视频覆盖点位,通过运营商的光纤传输资源将500个点位的高清网络视频信号进行汇聚和传输,以及承载各个派出所和其他相关部门的业务访问需求。整个系统采用统一集中管理与多点访问的方式来进行架构,实现资源整合的最大化和平台管理的集中化等要求。
 
第四章 高清网络视频监控系统设计
4.1 平安城市系统架构
高清网络视频“平安城市”系统的架构一般是按区域进行划分,比如各个派出所辖区,并成立分中心,本解决方案针对某城市的高清点位覆盖区域进行汇聚,各区域的网络摄像机通过电信光线传输资源汇聚到分中心,通过分中心与总中心的主干专网将监控资源传输回总中心,在总中心完成视频存储、转发以及图像浏览等视频处理;然后各派出所分中心通过专线到总中心的业务承载平台进行访问;各派出所和其他部门通过IP视频专网到总中心的用户验证目录服务器进行授权验证,合法用可获取相关视频资源以及访问存储服务器调取录像资料等。
4.1.1 平安城市网络视频监控系统的组成

序号
名称
型号
说明
视频前端编码设备
1
高清网络摄像机
 
高清720P百万像素,1080P两百万像素
管理服务中心端
1
用户&目录管理
 
整个联网集中管理平台用户、设备配置,权限优先级管理
2
管理&控制
 
浏览、PTZ控制、对讲、远程参数设定、设备巡检
3
报警&电子地图
 
报警信息搜集、应答、转发、联动、布撤防
4
虚拟网络矩阵
 
视频浏览,数字解码控制
5
单路解码器
 
解码数字视频信号,还原成模拟1080P及以下分辨率高清视频信号上电视墙
6
网络视频集中存储
 
同步集中存储、异步分散备份
7
流媒体视频转发
 
中心视频转发交换及网络负载均衡
8
集中存储服务器器
 
16盘位大容量存储,支持最大21TB海量存储
分控客户端
9
监控客户端
 
C/S的浏览和PTZ分控
10
其他视频业务终端
 
 

4.1.2 平安城市网络视频监控平台拓扑图
4.2 前端监控资源采集平台设计
前端监控资源采集主要是指现场的视频图像采集,除此之外还可能包括音频采集和报警探测器的信号接入等。我公司的高清网络数字摄像机比如720P1080P等可具备百万或者是两百万像素的视频采集编码能力,通过目前最先进的H.264编码标准和我公司核心的视频编码优化算法解决了高清视频图像和低码流共存的视频采集编码的难题;而且前端的高清网络数字摄像机具备音频输入输出接口以及1组报警输入输出接口,可实现现场监听、双向语音对讲、探测器联动等辅助监控功能,这些所有信号都通过网络摄像机进行编码后转换成网络数字信号进行传输;而且前端高清网络摄像机具备其高度集成化设计满足了平安城市中不同监控区域的多样性要求。
某平安城市高清网络视频监控系统针对目前平安城市建设的现状,大胆运用最新最先进的监控设备和管理平台,对全城区的重点交通路口、街道、重点公共场所、政府机关单位等地方部署高清网络数字摄像机实施高清视频监控。高清摄像机的部署还涉及到镜头的选用,本次解决方案全部采用固定监控,镜头可根据监控场合进行选择。光线变化较大的地方可采用自动光圈镜头,需要大范围监控的地方可选用广角镜头,需要进行重点细节监控的目标采用大焦距镜头进行近距离监控。具体如何选用可根据现场的实际情况进行选择,高清摄像机选配镜头还要注意一点的是建议选择1/2寸的百万像素镜头。
4.3 高清网络摄像机的接入
对于“平安城市”工程来说,前端各个点位的高清网络摄像机接入不是难题,目前像中国电信等通信运营商都有丰富的传输资源和高覆盖率的汇聚节点。由于我公司的高清网络数字摄像机具有在低码率下进行实时高清视频编码的特点,并不会对传输资源产生过高的要求,就目前来说传统D1分辨率的网络视频监控每个点需要占用≥1Mbps的带宽,而我们的高清网络数字摄像机只要有不小于2Mbps的带宽就可以传输30/s720线逐行扫描的实时高清视频信号。这个特色功能无疑是我们的高清网络数字摄像机能够走向实际应用的一个重要原因之一。高清网络数字摄像机具备的10/100Mbps自适应RJ45端口可以和任何标准的网络接入设备进行对接,而且其内置的强大的网络功能满足了“平安城市”等大型网络视频监控系统的管理需求,同时也满足了其架构的灵活性的要求。
4.4 集中管理平台解决方案
联网集中管理是网络视频监控的一个重要功能之一,在高清网络视频监控系统中同样如此。联网管理在一般可分为集中管理认证和多级多终端访问,数量众多的网络摄像机直接通过传输系统传回到“平安城市”指挥中心汇聚并进行集中管理,而其他下属片区的派出所分中心和其他相关的单位需要得到授权后到指挥中心访问“平安城市”系统的相关服务器并获取资源。
由于视频数据流的传输特性不仅考网络交换设备的性能,更对为整个系统提供各种服务的管理平台服务器的性能是个考验,因此一套性能可靠的、服务功能强大的、基于模块化的高清网络视频集中管理平台是“平安城市”高清网络视频监控系统工程最重要的组成部分之一。集中管理平台需要对整个网络视频监控系统进行有效管理,同时能够承载各种不同的业务访问需求;集中联网管理平台的示意图如下
上述示意图主要对整个高清网络视频各个组成部分进行了一个划定,其中集中管理平台的主要组成部分有用户目录管理服务器、集中管理控制服务器、流媒体转发服务器、集中存储服务器以及报警电子地图服务器等,这些服务器各自担承载相关的监控服务功能,并通过有效的模块化机制进行信息交换,完成前端设备管理以及视频数据的处理等任务。各个模块可根据各自服务功能的不同可以灵活部署在相关硬件服务器上,下面将对每个服务器所承载的服务功能和部署进行阐述。
4.4.1 用户验证目录服务
用户目录管理服务模块是大中型网络视频监控平台系统中最重要一个核心组件,平台中的集中管理控制的模块、其他服务模块以及相关业务终端都要到用户验证目录服务模块这里进行用户访问认证、授权和获取信息参数。它可承担设备(或节点)的目录树管理服务,前端节点所有的摄像机、报警器和后端监视器统一编号;还提供用户和用户组的设定、浏览许可和权限分配,以及整个系统的冲突检测。管理中心是基于用户验证为核心的系统,某个用户的权限和优先级一旦设定,则此用户不论是在网络中的哪个地方登录,也不论使用IE、客户端或是管理中心登录,或者是通过视频转发,那么它的权限都是相同的。同时每个前端网点的本地验证可以根据需要是否受联网监控中心的管理。大型联网系统中,中心用户验证目录管理服务器一般采用专业服务器来实施,这样可以保证用户验证目录管理服务器的稳定运行。用户验证目录管理服务器和其他服务器之间的关系如下图所示:
在“平安城市”系统中,涉及到海量前端设备管理和海量用户访问等信息交换,作为核心组成部分,用户目录管理服务器应当采用单独的专业级服务器进行部署,同时还可通过双机热备等方式来提升用户目录管理服务器的可靠性和稳定性。
4.4.2 集中管理控制服务
集中管理&控制服务器,主要作为整套系统的一个管理控制服务器,通过这台服务器可以对前端设备以及其他后端平台服务器模块进行工作状态和网络状态的监测;可对前端设备和其他软件模块进行远程参数配置、维护和升级的任务;也能够和前端摄像机进行双向语音对讲和监听等;可调用任意一个点位的图像以及其他辅助管理服务器功能。这台服务器在整个系统中的也可被看做是一台视频设备网络管理服务器,这台服务器负责一系列综合性的服务功能和管理功能,在大型高清视频联网监控系统中,集中管理控制服务器是必不可少的,但一般部署一台这样的服务器就可以,如果随着系统的扩容或者是服务需求越来越大的时候,可以进行副控服务器扩展,增加更多操作人员来进行管理和控制,特别是“平安城市”这类系统,可能会涉及到众多的二、三级分中心,这些分中心也需要针对各自区域的设备进行控制和一些常规管理等,所以管理控制服务器可根据不同的业务功能需求进行配置。目前本解决方案设计在平安城市指挥中心配置一台集中管理控制服务器。
4.4.3 高清视频集中存储
 “平安城市”对存储要求比较高,主要包括对存储服务器性能的考验、多路数集中存储容量的扩展、存储设备长时间连续读写的稳定性等方面。近年来存储技术高速发展,存储设备价格不断下降,专业存储系统具备了在视频监控行业广泛应用的基础,而且我公司根据目前网络视频监控,特别是高清网络视频监控系统的需求所配置的企业级的视频专用存储服务器满足了“平安城市”高清网络视频监控系统的存储要求。
4.4.3.1存储容量分析
如果按照大约500720P高清网络摄像机的中等规模高清视频监控“平安城市”系统工程建设来设计, 720P网络摄像机的码流我们可采用恒定码流来计算,按通常计算单位设置为2Mbps;那么所有摄像机后的总流量将会达到1200 Mbps;而平安城市系统要求视频信号的存储时间在15天,因此整个系统500路高清视频图像存储15天需要的存储容量是:
500*2048Kbps*3600s*24H*15/8/1024/1024/1024=158TB
而上诉这个计算结果为理论值,实际的码流会根据现场监控画面的丰富程度等有正向6%-10%的偏移,所以存储容量也会有一定偏移,因此实际的存储容量为:
158TB*1.1=173.8TB174TB
因此某平安城市高清网络视频监控系统的数据存储容量需要约174TB的存储容量。
4.4.3.2存储解决方案
我公司提供的单台存储服务器的存储容量可达21TB,而且支持RAID5,因此采用多台服务器进行存储数据流量负载均衡,本次建设需要的存储服务器数量为:174TB/21TB=8.3台,考虑到一定冗余性,我们建议配置9台存储服务器。存储架构图如下:
4.4.4流媒体转发服务
对于高清网络视频监控系统来说,如何解决多路数视频管理、多用户访问、多业务终端承载一直是网络视频面临的难题,我公司针对网络视频监控的特点,结合多年来从事网络视频监控的宝贵经验,成功推出了稳定性极强的高清网络视频流媒体转发服务模块,将这个转发服务模块部署到网络服务性能比较高的专业服务器上,可提供大型网络视频监控系统的视频数据访问服务,一般4核处理器,双千兆网卡负载均衡,3GB以上内存级别的专业服务器的网络吞吐能力在600Mbps左右,理论上可实现峰值300路高清视频转发服务,当然我们不建议服务器一直满负荷运行,时间一长肯定会造成系统不稳定,因此我们建议每台转发服务器的同时并发数控制在150路是比较合理的解决办法。
 
序号
视频类型
同时并发最低路数
配置说明
1
720P,2Mbps/s
150路
专业服务器,4核CPU及以上,3G内存及以上,双千兆网卡及以上,支持网卡绑定
2
D1,2Mbps/S,1Mbps/s
300路
专业服务器,2核CPU及以上,2G内存及以上,双千兆网卡及以上,支持网卡绑定
3
DCIF,768Kbps/s
600路
专业服务器,2核CPU及以上,2G内存及以上,双千兆网卡及以上,支持网卡绑定
4
CIF,512Kbps/s
1000路
专业服务器,2核CPU及以上,2G内存及以上,双千兆网卡及以上,支持网卡绑定
以上性能指标目前非常稳定的是实测值,一般来说转发服务器的性能主要根据转发服务器的整体性能和稳定性有很大的关系,比较关键的部分是网卡和内存的处理能力,所以在设计配置转发服务器时需要特别考证其网卡和内存的性能和稳定性。在本解决方案中,针对平安城市高清视频监控的特点以及我公司管理平台软件模块化的设计,我们设计将流媒体转发模块分别部署到集中存储服务器上,通过两个模块之间的数据处理能力,在完成视频数据在存储服务器上存储的同时,同时通过每台存储服务器剩余的丰富带宽资源来进行流媒体转发服务器。通过中方式既保证了高清视频数据直接高速存储,避免多级交换产生视频数据丢失,而且同时可完成视频数据的转发。本次方案配置了9台存储服务器,因此可分别在9台上部署转发服务器模块,,实现大容量,多用户访问的负载均衡。既提升了系统整体的稳定性,也避免了资源的重复浪费。这在高清网络视频监控系统是比较合理的架构。
4.4.5报警电子地图服务
在平安城市系统中,摄像机数量众多,节点众多,而且覆盖区域广泛,如果仅仅靠集中管理控制模块或者是其他监控终端来浏览视频图像资源和控制前端设备,是不利于发挥平安城市网络视频监控系统的网络化、数字化、简单化的基本理念的,只有通过完善的后端管理平台和操作平台快速查询和定位图像资源才能及时的对所有摄像机覆盖的区域进行监视,及早发现可疑行为,事发后也能及时切换到现场。因此针对大型网络视频监控系统而开发的报警电子地图模块解决了上述难题,它通过GIS电子地图载入,将前端摄像机,乃至前端报警探测器等在电子地图上进行标注,通过点击电子地图上的点位标注图标调用该点的视频图像,而且还可报警系统集成到一起也可实现前端探测器报警点提示,并且能够自动联动附近关联的摄像机的图像在电子地图上进行现实显示;且摄像机本身具备的移动侦测功能也可向中心电子地图服务器进行联动提示。在高清网络视频监控系统中,通过这些方式在配合前端高清摄像机的清晰图像可以快速定位某一个点位的摄像机,当发生可疑行为后可自动切换该点位的摄像机进行图像显示,而且由于采用的高清摄像机,可以对被监视区域进行清晰的监控和录像存储,杜绝传统网络视频的监控系统的预览还可能看得清楚,但回放却经常让人头疼的尴尬局面。在平安城市系统的指挥中心配置一台报警电子地图服务器,还可通过大屏显示系统来显示,不管从功能上还是从系统的先进性上都会有很好的体现。
4.4.6网络虚拟数字矩阵服务
网络虚拟数字矩阵可实现视频连接、轮巡、任意监控点音视频的实时调用、多路视频组切和轮巡远程PTZ云镜控制报警视频切换强大的矩阵功能。我们称其为网络虚拟数字矩阵主要是从以下几方面来定义的:
Ø        首先该服务器直接从网络中获取网络数字视频信号,所以在前面加上了“网络”二字
Ø        其二是“虚拟二字,这是因为我们采用PC服务器和软件模块来进行多画面分割,比如1/4/6/8/916等,用这样的方式来实现传统的电视墙显示单元。大家都知道传统的电视墙显示单元是由监视器这类的显示设备组成的,我们这里是用软件来多画面分割,并通过PC服务器的显卡输出到显示器或者是大屏幕液晶电视实现的的”虚拟电视墙“。
Ø        其三:由于采用PC服务器和软件来处理视频,而这些视频信号是从网络获取的压缩后的数字视频信号,并且最终目标不是要将其还原成模拟视频信号,所以才有“数字”二字。
Ø        最后是关键的部分,通过以上所描述的PC服务器还有软件模块这些资源,最终实现从视频监控网络中获取数字视频信号在虚拟的电视墙上进行任意调用浏览、多画面轮循、多画面组切、云台控制等操作,实现矩阵功能。这就是网络虚拟数字矩阵服务器的解释。
这种方式适合于各种类型的网络视频监控,特别是高清网络视频监控系统,这个矩阵服务器不仅可作为电视墙的显示系统组成部分,还可作为终端浏览服务器,矩阵服务器同时还可受集中管理控制服务器的管理,进行远程控制等。还集成了数字矩阵键盘,进行键盘操作。
4.7 资源共享平台建设
资源共享平台即“平安城市”指挥中心各个监控终端比如显示系统、客户端终端、其他业务终端、图像资源在专网上传输到各辖区分中心以及其他相关机构等。
4.7.1 显示系统
整个系统采用全数字架构,如果从节约成本和显示灵活性等方面考虑可直接采用网络虚拟数字矩阵的方式来实现电视墙显示系统,数字矩阵在前面有介绍就是直接采用PC服务器进行数字视频软解码,通过软件的方式实现多画面显示和切换,轮循等功能;当然也可配置高清视频解码器将高清数字视频信号还原成高清模拟色差分量信号送到支持高清分辨率的液晶电视机进行显示,也可由这二者结合来组成;还可采用支持高清分辨率的拼接墙显示技术来扩展显示系统。
某平安城市高清网络视频监控系统采用模数混合的显示系统解决方案,在监控中心采用40台高清视频解码器、18画面高清网络虚拟数字矩阵服务器来完成视频显示处理,同时配置4032寸高清液晶电视和252寸等离子液晶电视来组成显示单元,其中一台等离子接网络数字矩阵,另外一台等离子接电子地图服务器。通过这种方式可尽显高清视频监控所带来的超级震撼效果。
4.7.2 监控终端
监控终端主要是平安城市指挥中心一些其他的操作人员通过PC客户端进行图像调用,资料检索以及其他方面的操作的终端服务器,这些监控终端主机主要对视频处理能力要求比较高,目前一些中高端的PC机或者是工作站都可以满足要求同时浏览4720P高清视频图像。如果采用4核心及以上处理能力的工作站是可以同时浏览至少8720P高清视频图像,而对于1080P其要求自然会更高,通常情况下, 1080P的码流是720P2倍多,4核心的工作站服务器一般可同时同时浏览41080P高清视频图像。
4.7.4 分中心以及其他机构访问
为了能让公安系统、政府机构以及其他的执法机构等更多的用户访问平安城市系统,我公司的高清网络视频监控管理平台提供C/S或者是B/S两种访问接入模式,两者都通过网络接入设备与平安城市系统专网接驳,通过平安城市系统指挥中心授权后,进行远程登陆访问,获取与该授权用户相关的信息资源。C/S模式具有丰富的操作功能和良好的人机界面,智能引导式操作,保证各分中心和其他机构的友好访问和进行快速资源查找定位。
第五章 高清视频监控在平安城市中的优势
基于720P1080P等超百万像素的高清网络数字摄像机的网络视频监控系统的整体优势非常明显,这使得在平安城市系统工程中变得实实在在,而且所带来的视觉震撼和强大功能是传统网络视频监控系统无法比拟的,其主要优势如下:
5.1 前端设备优势
前端设备主要是指720P1080P等高清网络摄像机,这些新锐产品完全是我公司自主知识产权的新一代高清摄像机,这些设备不仅给平安城市系统来广播级的高清视频录像,而且其高度集成化的嵌入式设计、结构简单、稳定性好、易于接入和管理。
5.2 系统构架灵活
高清网络摄像机具备强大的网络功能和国际标准接口,可利用已经光缆资源和汇聚节点,可利用公众宽带网和公安专网,可利用微波传输和即将到来的3G传输等,将前端的音视频、控制、报警信号通过各种网络传输上级监控中心,可适应不同类型平安城市的复杂环境和特殊功能需求。
5.3 配套设施功能强大
配合高清网络数字摄像机以及平安城市系统工程,我公司推出配套的高清网络视频监控管理平台,整个平台基于大型网络视频监控系统架构,采用模块化设计,适用于不同类型的平安城市系统。
5.4 工程施工方便
采用全网络,全数字化架构,前端高清网络数字摄像机只需要考虑网络接入就可以了,不需要在为视频线、控制线等繁杂的工序头疼,减少了故障节点。而且减少了干扰的可能性,强大的网络功能更方便设备安装、调试,使整个系统的可靠性和稳定性大为提高。