探究高清数字视频监控系统关键技术及发展

探究高清数字视频监控系统关键技术及发展作者：邱桂苹常青穆森赵倩来源：《电子世界》2012年第14期【摘要】随着现代科学技术的不断发展，视频监控技术日益受到人们的重视和关注。

视频监控系统逐渐从模拟化、数字化向网络化、高清化、智能化的方向发展。

本文首先从高清的定义出发介绍了高清数字视频监控系统的整体架构。

其次分析了系统从高清数字视频信号的采集、传输、存储到显示以及智能化的融合等关键技术，最后提出了高清数字视频监控系统持续完善发展的几点想法。

【关键词】高清；数字化；智能化；海量存储；视频监控1.引言随着科学技术水平与经济的发展，安防理念愈加深入人心。

视频监控系统经历了从模拟技术到数字技术的演变过程。

视频监控系统中国的安防市场逐渐开放，拥有巨大的潜力和商机。

视频监控的规模和范围也不断扩大，从整体上看，意识到数字化视频监控技术所具备的优势的企业和用户正逐渐增多，网络视频监控的市场已处于起步阶段。

从发展趋势上来看，完全数字化的网络视频监控具有强劲的发展势头。

目前在视频安防监控系统中，高清数字视频监控系统已经越来越占据了主导地位，已成为未来视频监控系统的必然发展趋势。

近年来，用户对图像清晰度，处理速度、图像智能分析海量信息存储方面提出了更高的要求，促使视频监控技术向高清化、数字化、智能化发展。

传统的模拟监控凡是逐渐不能满足某些行业监控需求，随着新一代图像处理芯片技术的发展，高清数字视频监控系统必然渐渐进入人们的视野。

2.高清监控的定义高清视频监控近年来得以迅速发展，主要是为了解决人们在正常监控过程中“细节”看不清的问题。

“高清”即“高分辨率”，关于高清的定义，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协会确定的高清晰度电视标准格式。

监控领域的高清标准，一直沿用广电的标准。

720p、1080i、1080p三种分辨率定义为真正的高清视频。

FullD1或4CIF不是高清。

高清对于视频监控并不是件容易的事情。

它涉及到监控系统的颇多环节，高清数字视频监控系统不仅仅是提供单纯的高清网络摄像机就解决了高清监控的问题，摄像机只要采用百万高清的CMOS或CCD就可以达到高清标准，但是摄像机的高清并不代表系统的高清，高清由于视频信息量的倍增，必然要求视频编解码、传输、存储、显示、视频回放等环节都要全面支持高清，对用户而然，高清是一个整体的系统解决方案，只有在包含了前端采集、信号传输、海量存储、高清显示和综合控制管理平台各个环节都达到了“高清”要求时才有意义。

系统架构如图1所示。

3.高清数字视频监控关键技术3.1 高清前端采集技术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。

高清网络摄像机已成为一种必然趋势。

按照图像分辨率划分，市面上的高清网络摄像机已经发展到了300万、400万、500万像素。

对于高清监控系统，前端采集设备一般使用网络摄像机。

我们知道，摄像机的清晰度主要取决于感光芯片的性能，主要有CCD 和CMOS两种，在高清监控领域，也都有所应用。

图像清晰度与摄像机的感光元件密切相关，目前最为广泛使用的感光元件是CCD，但CCD响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机普遍采用CMOS作为感光元件。

而采用CMOS敏感元件的高清监控摄像机在低照度、灵敏度、噪点、抗干扰等方面存在不足，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。

3.2 高清传输技术监控系统传输技术主要有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输和宽频共缆传输六种传输方式。

每种传输技术都有其自身特点，有各自的应用层面，对于一个复杂的监控系统往往根据不同的传输距离，不同的监控要求，采用不同的传输方式。

面对高清应用的超大数据量，以及实时性的要求，采用光纤传输是解决长距离视频监控高速传输系统的最佳解决方式，通过把视频及控制信号转换为光信号在光纤中传输。

光纤传输具有衰减小、频带宽、不受电磁波干扰、重量轻、保密性好等一系列优点，广泛应用于国家及省市级的主干通信网络、有线电视网络及高速宽带计算机网络。

而在视频监控系统中，光纤传输也已成为长距离音视频及控制信号传输的首选方式。

但光纤传输需专门的技术人员负责光纤熔接及设备维护方面的工作，另外对于近距离监控信号传输不够经济。

高清意味着需要更高带宽。

一般认为，H.264编码D1(720×576)画质的码流为2M左右，那么以1080P计算，画面尺寸约是D1的5倍，简单计算，码流也是5倍。

因此，H.264编码的一个1080P高清画面所用带宽约为10M，与D1画质的MPEG2相当。

由此可以看出，对于“高清”，网络传输并没有特别的要求。

不过有一点必须指出，目前的互联网是不能够承载高清画质的，必须是专网甚至光纤。

相比模拟传输，数字网络传输高清视频具有得天独厚的优势。

3.3 高清存储技术数字化监控的应用越来越广、规模越来越大，采用何种存储方式对数字视频信息进行保存逐渐成为厂商以及用户关注的焦点。

目前存储的主要解决方案包括直连式存储（DAS）、存储区域网络（SAN）、网络接入存储（NAS）等3种。

DAS是架构比较简单的存储系统，但是其未实现存储和转发的分离，对服务器性能要求比较高。

由于DAS对于距离的限制性，扩容比较困难，不太适合广域网的“全球眼”大容量要求的业务平台。

NAS在性能上已经有了很大的提高，但是其设计还是以文件共享为主，文件系统查询缓慢，容量不可管理，数据越来越多时甚至会出现无法调用的情况，不适合流媒体特别是监控的应用。

SAN又可分为FC SAN和IP SAN，其中FC SAN更多用于数据中心局域范围内高带宽和低时延的IT系统，而且建设成本高，不适合于视频监控系统，而IP SAN在成本、网络距离、系统性能等多方面都更加适合广域网、大容量的视频监控存储系统。

3.4 高清显示技术对于高清视频监控，其显示的效果也同样受到显示设备的影响，对于高清视频监控的浏览，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。

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。

考虑到系统的兼容性，接口丰富已成为高清显示设备的一种需求。

如兼具有接收CVBS信号的BNC接口、色差分量接口YPbPr、VGA接口、DVI接口、HDMI接口等种类。

3.5 高清与智能的融合高清监控带来的不仅仅是分辨率的提高，高清的出现，会带来很多原先在标清系统中无法实现的应用（如结合智能的车牌识别、人脸识别技术等），这是一个质的变化。

因此高清会带来应用的变革，会带来技防模式的变化，两者互为相辅相成的关系。

有了智能，可以进一步提取有效信息进行高精度编码，减少无效信息对带宽的占用。

因为高清的出现，可以带来对智能需求的迫切性。

高清视频技术可以给我们带来高清晰、无延时的、包含丰富完整信息的高质量视频源，而智能分析技术则可以通过智能化的信息给我们带来多样化的应用。

高清和智能的结合是必须的，高清和智能的结合会带来视频监控应用模式的变化。

高清离开了智能，产生的价值仅仅是分辨率的提高。

对于智能来说，很多智能技术和应用只有在高清基础上才有实用性，因此，智能的大规模发展和应用应当以高清为基础。

4.高清数字视频监控系统的持续完善高清数字视频监控系统是一个整体性的系统，应提供一套从高清数字视频从采集、分析、处理、传输、存储到控制、显示、综合管理平台等一系列系列完整的解决方案。

只有每个环节都达到或满足高清视频监控系统的条件，整个系统才是真正的高清。

这样的高清视频监控系统对用户来说才真正具有实用价值。

新的体系架构还需同时兼容原有的监控系统，集成多模式传感器，既可以保护已有投资，又可以将各种传感器整合到新的架构中，让传统设备参与分析、调度和存储管理，最大限度适应用户的需要。

(1)前端采用百万像素高清网络摄像机系列产品，但是目前主流的摄像机其自动化的程度，为整个系统服务和应用的支持能力不足。

有待于研究嵌入式高清视频图像采集、分析、编码的软硬件系统，实现实时高清视频流的采集、处理、编码和输出。

满足高清数字视频监控系统对前端传感器智能化调度、智能化存储、智能化分析的功能的要求，同时实现传感器对后台控制的响应。

(2)满足高清数字视频监控对网络传输的需求，寻找出一种适合高清数字视频流传输能力基于IP协议网络拓扑结构，基于以太网交换、光纤传输等技术，研究流媒体数据的传输方式。

针对全高清数字视频流大数据量的特性，研究一种高性能的传输协议。

搭建专用全高清数字视频传输网。

(3)未来图像分辨率还会不断提高。

提高图像分辨率就意味着提高图像传输带宽、增加影像数据存储空间、影像价值提高。

所以，存储设备在高清方向的发展，还是要秉承能够提供足够高清影像不停顿、不延迟的带宽，能够提供海量级别、易扩展的存储空间；能够提供多重保护方式使其做到存得住、存得久。

应该遵循集中式管理、分布式部署的原则，满足大容量并发操作为目标，通过并行处理、优化存储策略等方式，提高存取访问速度、降低资源占用、消除访问瓶颈。

(4)虽然全高清数字视频监控是未来的发展方向，但不可否认，目前仍然是传统监控系统占主导。

为了适应现状，加强新的体系架构的适应力，在研究和设计新的体系架构的同时，必须考虑其与已存在的监控系统的兼容问题。

需要研究一种复合矩阵接入不同信号，实现按显示控制要求对特定视频流的解码、图像处理、显示和大屏拼接等功能，实现高清数字视频的大屏显示。

并解决高清视频在单屏幕控制终端上的多画面显示问题，解决高数据量带来的总线带宽、解码能力、处理速度和显示能力的问题。

5.结束语随着不断提高的监控技术的发展，高清作为监控技术发展的主要方向之一，结合网络技术带来新的变革，在不断满足市场竞争需求的同时，趋向于一种理性的思考，高清监控正是以一种高姿态、高要求进入我们的世界。

视频监控系统必然向高清化、系统化、智能化方向发展，我们相信未来视频监控市场将有广大厂商构建起多方共赢的合作关系，共同推动产业进步，为各行各业的应用发挥更大的作用。