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安防知识:安防行业多级高清视音频监控系统的实现

查看次数:次  发布时期:2011-12-06  【返回】

        一 、当前视频监控的现状与分析
        当前,我国视音频监控系统发展很快,但综合来看,仍处于一个监控质量和应用较低的水平。绝大部分业主和集成商关心的是低价格和能够接入安防网络传输,而很少关注监控图像质量、功能扩展以及升级扩容。这就使安防行业整体陷入一个以价格为主的恶性竞争状态,加之没有强制市场准入机制,国内一部分企业抱着“捞一笔”的观念,使安防市场非常混乱。低价格带来的直接问题就是技术含量低,整体系统仅仅考虑能够运转起来,后期应用和高清晰高端应用做不起来。从技术上来讲,视音频监控主要存在如下问题。
        (1)视频图像质量差,不能进行高清晰监控和后期处理。
        安防监控核心是通过视频监控系统,清晰实现实时播放或录制监控内容,及时发现或回放异常图像。当前,视频监控普遍图像质量模糊,分辨率很低,有跳帧和马赛克的情况,根本不能达到清晰监控效果,更谈不上高清监控。以至于我们常常看到银行、交通发生一些案件在电视上播出通缉信息,警察和电视机前观众都不能看清嫌疑人或者车辆的具体特征,给后期破案侦察带来的作用并不大。
        特别是如果需要进行监控图像的逐帧播放、局部放大、图像分析和图像识别等后期处理,为监控提供具体特征材料或科学分析素材,当前我国绝大部分监控系统都不能做到。给相关分析工作的开展提供的支持非常有限。
        (2)没有音频扩展或者音频质量差,不能进行视音频综合应用。
        随着安防监控要求越来越高和技术整体进步,传统单一视频的监控已经不能满足整体需要,音频扩展加入进来甚至成为必备的功能。当前的安防产品和系统对于音频扩展支持较少,无法进行双向对讲、同步处理等高端应用。有的厂商为了满足要求,专门增加音频编码。视频,音频两套设备相互独立,增加系统的通信开销和设备投入,更为重要的是,两套设备同步很难,出现声音与图像相对延迟较大。
        (3)不能进行系统对接与互连互通,标准性不强,稳定性差。
        很多人认为,安防产品之间的互连互通必要性不大。可是现实的情况,就是如果没有产品的兼容性和互连互通,就意味着一旦选择某一个设备供应商就意味着本套系统完全与之绑定,一旦这个供应商倒闭或者转型,不再提供产品,整个系统后续的维护扩容都没了保证,最终业主不得不再筹资投入大量财力、人力、物力建设一套系统,形成重复建设。这也反映了安防行业各个企业遵循的标准不一或者某些自成体系搞垄断的问题,这对整个行业的快速发展是不利的。
        此外,由于没有一个明确的市场准入机制和标准要求,有些产品采用PC架构的设备,而PC架构的设备最大不足之处是在于它不能很好的保证工作的稳定性和可靠性,原因主要体现在以下两个方面:第一,因为PC架构的设备在处理相关信息时是采用边编边存的方式,而这种边编边存的方式是由同一核心来控制,由于不能够对来源信息量进行有效的控制,使得核心处理不够及时,直接造成了整套系统的不稳定和不可靠。第二,由于PC架构的设备配置Windows/Linux操作系统、插卡式、散热以及病毒等各种可见和不可见的原因,造成PC架构的设备稳定性较差,系统极易造成崩溃,直接导致监控的中断。
        (4)不能进行统一网管,对于多级垂直管理缺乏有效的解决方案。
        如果没有统一网管系统,整个系统的人工维护量会非常大,特别是大型安防视音频监控,各个监控点分布可能比较分散甚至隐蔽。依靠人力进行管理和联系几乎是不可能。当前,部分视频监控产品还停留在用RS-232进行网管,由于RS-232信号的电平过高、采用非平衡发送和接收方式,所以存在传输速率低(≤20kbit/s),不能对系统设备进行快速和有效的管理工作;传输距离短(≤15m),不能对远端设备进行管理工作;串扰信号较大,不能一次性的对较多的设备进行统一的管理工作。
        多级综合监控系统还存在着切换调度、远程调用的应用,当前,整体系统的多级还都是实现的“假多级”管理,下级仅是有选择的抽取1或2路图像传输给上级,如果需要更多,则需要分时切换实现。上级无法观看到某一个下级全部图像,也较少能控制到下级上传,对于全网络的监控则更少。
        二 、多级高清视音频监控系统的实现
        从上面的分析来看,当前我国视音频监控存在着一定的不足,不能满足当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势。快速发展的中国需要让安防监控真正发挥作用,实现有效的监控管理,要对这些不足之处有的放矢的进行改进,才能满足实际应用的需求,保证整套系统的先进性、稳定性和兼容性,最终成功的搭建起一体化高清视音频监控综合业务系统。典型的多级高清视音频监控网络如图1所示。多级高清视音频监控系统是未来发展的方向,也是监控诉求的集中体现。无论是交通(包括城市交通和高速公路),矿井开采安全生产,军队公安边防指挥还是电力石油监控,管道河道监控等等都是向集约化、智能化、多级化监控体系发展。那么,多级高清视音频监控系统的需要如何构建呢?下面就“高清”,“多级”,“视音频监控”等几个关键字分别展开。
        1.高清监控的实现
        为什么当前视频监控图像质量差?其原因主要有两点,其一,信源采集的摄像机(头)的质量,其二,是信源编码质量——即编码器的选择。摄像机(头)产品众多,成熟度相当高,简单对比就能分辨出采集图像质量,可以根据投资预算选择效果好的产品,在此不多赘述。编码器可以称作整个系统的核心之一,编码器选择好坏对于整个系统都有至关重要的影响。当前监控图像出现跳帧、抖动、延时大的原因排除摄像头因素,主要是编码器不具备时基校正、水平、垂直、前置等多重滤波功能,而做高清监控编码器具备这些功能会大大提高图像质量,保证同步,用电视界业内人的话说就是“图像很透”。
        当前,监控使用编码器分为MPEG-2和MPEG-4两种,普遍认为MPEG-4节省带宽,但是图像质量会比MPEG-2差一些。实际来说,成熟编码器设备供应商提供的产品应该都是高清晰的。那么要实现高清监控需要分辨率能够达到720×576×25帧/秒,这个可以实现达到现有DVD的图像水平,这样图像质量能够实现清晰的特征提取、图像分析、逐帧播放等功能应用。同样的,不论MPEG-2/MPEG-4都要求实现无私有协议,与其他设备的互连互通。当前,我国编码器的开发主要参照MPEG-2/DVB、MPEG-4、ITU等相关国际标准,在国内标准没有一致的情况下,如果都能严格依照国际标准做不增加私有通信协议和描述符,行业各个企业就能互连互通。电信之所以发展快速其中一个重要的原因,就是电信在设备的选型上都尽可能选择标准化设备,不被某一个设备供应商牵制,出现任何问题都能找到标准设备替代,大大节约了运维成本和精力。视频监控是个相当大的行业,如果各个企业都能够严格参照标准做产品,实现产品的互通,将会大大促进全行业的发展。
        构建高清监控系统也要求编码器具有强大的功能扩展和传输网络接入接口,针对音频应用的增加能够实现视音频同步传输,具备拾音器接口。针对云台、摄像头、传感器的控制能够具备RS-232/RS-485通信接口进行远程控制,针对中心图像的监控识别,要求具有叠加字幕等功能。针对多种网络,要具备N×E1、IP等多种传输方式。
        光端机传输在监控领域应用也非常多,当前能够实现高清的是采用4:2:2视频编码和20位音频编码的数字光端机,特别是在音频上会有效降低干扰,达到较好的效果。同时为了增加应用,光端机上同时可以走IP数据,并有电话对讲功能,提高了光纤通道的利用率。
        2.多级监控的实现
        随着规模的扩大和跨地域情况的增多,集中管理和多级监控一直是各个行业的目标。多级监控解决的第一个问题是E1、IP、光纤等各种传输网络传输信号的汇总与切换调度,其一可以采用数字矩阵进行信号无损的切换调度与汇总,并且通过数字矩阵实现数字化存储。相对于硬盘录像,数字存储可以节省存储系统投资,提高存储量且多次回放不影响图像质量,可以转DVD离线存储。其二随着IP技术的发展,在管理中心局域网内,可以采用IP网管将各个信号统一转换为IP数据,在局域网内通过网络组播实现在PC机上软解码监视、存储。
        此外,多级监控需要能够远程对下级甚至对监控点的控制,这就需要统一网络管理系统,有别于采用RS232的设备网管,统一网管系统采用基于IP网络方式,通过统一网管系统能够控制多路图像上传,监控点云台控制,双向对讲,下发网管信息。统一网管方式如图2所示。各节点的设备通过以太网口相连并跨路由,在一个全基于IP的网络环境中,进行设备管理统计的系统。由于IP网的迅速发展,基于此种方式的网管系统以更自如高效的、更易接受的方式展现给用户。在此方式中,由于各设备集成了可被控制和可被管理的机制,保证了带外网管理系统对设备实行统一的全实时管理。并且以TCP/IP为基础的网络管理具有以下优点:网络规模不受限制;控制管理简单,支持远程控制,容易实现系统的扩容和改造,系统具有几乎无限的无缝扩展能力,所有设备都以IP地址进行标识,增加设备只是意味着IP地址的扩充;整个系统采用模块化设计,系统稳定,单点的故障不会影响整个系统的运行。在网管系统中,各节点所有设备均通过网管接口(RJ-45)接入HUB,然后直接或者通过网络与中心控制微机相连。统一网管系统也存在一个标准的问题,基于SNMP国际标准的底层协议开发的统一网络管理平台能够最大限度和最大便利的与其他厂家的设备兼容和进行集成。统一网管系统也需要支持跨区域管理和分级管理模式,并且在第三方设备对系统提供通信协议,若为非标则提供MIB库支持,完全能够监管第三方的设备。
        3.视音频监控的实现
        “高清”、“多级”是视音频监控系统的目的,单单高清监控或单单实现多级,都对于整个系统级应用的意义不大。所以多级高清视音频监控系统才是落脚点——要实现一体化综合业务平台更重要是在系统集成控制上下功夫。
        在采用高清编码器生成较好的数字传输流(TS)基础上,在各个传输网络能够将信号统一汇总为MPEG2/DVB信号或者IP信号实现多级管理的条件下,视音频监控系统需要实现整体设备,传输网络与功能应用联动、采集、传输、存储、调用一体化完成。在统一界面下实现一个大型平台的控制与管理,真正实现“多级高清视音频监控系统”。所以,一个强大的支撑调度软件必不可缺少,特别对于垂直集中的管理机制平台,授权管理(是否给某个用户具备操作权限)与级别控制(不同级别的用户具备不同的控制管理,操作权限)显得尤为突出。在软件架构上C/S结构和B/S结构各有所长,针对监控系统的不同需求可以按需选择,但是C/S架构的软件系统的功能应用可以做的更丰富,通信开销更少,建议以C/S结构为主。数码视讯推出一套C/S结构的软件系统能够进行系统设备控制、系统设备监控、用户授权和系统设备的拓扑管理等功能,并且对于系统资源占用非常小,每个PC机上都能够运行,因此既可以作为中心控制平台的主控系统,又能够装到任一台PC上作为分控。中心系统软件需要具有良好的人性化设计,操作简单和使用方便,最好能够使用者感觉不到是对设备在操作,而是直观的对图像进行操作。
        三、 多级高清视音频监控系统展望
        随着应用需要的宽广,视音频监控系统在安防行业承担着越来越重要的任务。美国为了防范恐怖袭击已经下令在多个城市安装高清晰视音频监控系统,提高安防能力;面对日益临近的奥运会,北京也在积极部署奥运会的安防监控与道路指挥视音频监控。由于视音频信息占据了人类获取信息量的绝大部分,未来将会形成以高清视音频监控为核心,结合扩展无线网络传输,GPS定位系统,移动通信系统,自动识别系统的综合业务平台,多个体系协同保障指挥,构造多级跨平台的智能网络。
 

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