安防技术之网络视频监控

安防从业者的参考资料
前言
随着视频系统的发展及网络技术、数字成像和智能分析等技术的推动下、网络视频监控的应用从未像今天这样火暴。

面对先进的技术、旺盛的市场需求，对于万千安防从业者来说即机遇，又是挑战。

本书从一个安防从业者的视角来讲述网络视频监控技术，而是着眼于网络视频监控的应用技术，从网络视频监控系统的构成：前端、传输、后端、管理、存储方面为朋友们做一个较全面的解析
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网络视频监控技术手册
目录
第1章网络视频监控系统 (4)
1.1网络系统监控系统介绍 (4)
1.2网络视频监控应用领域 (5)
1.3网络视频监控系统的组成 (8)
第2章视频采集 (9)
2.1网络摄像机 (9)
2.1.1网络摄像机介绍 (9)
2.1.2网络摄像机组成原理 (11)
2.1.3网络摄像机特点优势（ADD） (16)
2.1.4网络摄像机应用趋势(EDIT) (26)
2.1.5网络摄像机相关术语 (32)
2.1.6网络摄像机的选购指南 (37)
2.1.7网络摄像机厂家 (43)
第3章网络 (44)
3.1以太网 (44)
3.2以太网供电 (45)
3.3无线网络 (46)
3.4数据传输方式 (49)
3.4.1IP 地址 (49)
3.4.2IPv6 (49)
3.4.3网络视频的数据传输协议 (50)
3.4.5网络视频的传输方法：单播、多播和广播 (51)
3.5网络安全性 (52)
3.5.1无线网络的安全性 (55)
3.5.2单机保护装置 (55)
3.6 QoS(服务质量) (56)
3.7相关网络设备和技术 (57)
附录一专业术语 (61)
摄像机类 (61)
球型摄像机类 (63)
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第1章网络视频监控系统
1.1网络系统监控系统介绍
IP网络视频监控系统是一种综合了网络通信、视频编码、计算机处理、软件管理等方面技术的应用系统，是大型视频监控普遍采用的技术和体系架构。

作为视频监控第三代产品网络视频监控（IPVS）是以智能视频监控管理系统为核心的标准化数字系统，从摄像机到监控中心全部设备基于IP联通，在完成所有监控功能基础上，扩展了传统CCTV系统无法完成的功能。

IPVS让监控范围更广泛，通过网络IPVS可以在数千公里范围内低延时传送图像，实现跨越省市的广域监控应用。

IPVS让多中心同时监控，IPVS可以同时把若干路图像传送到若干人员面前，完成多人实时监控，协同指挥的功能。

IPVS让监控系统架设更灵活。

利用无线、ADSL等灵活廉价的通讯手段，监控点可以任意架设，按需扩充监控范围。

IPVS 让智能化处理成为可能，IPVS处理后的图像是标准的视频流数据，可以与智能化的应用系统如人像识别，人、物分离，行为跟踪等高级智能系统结合，提高自动预警能力。

IPVS与环境监控协同工作，IPVS可以和温湿度监测，酸碱度监测，烟感监测，电压电流监测等网络监测设备一起接入网络，共同处理，完成更复杂的监控功能。

IPVS是一个开放的系统，IPVS提供多种开发API，与多种应用系统结合，如企业管理系统，城市模拟系统，会议系统等，成为企业信息系统的一部分。

IPVS是一个不断发展的系统，所有通信技术和数字化技术均为IPVS提供了源源不断进步发展的机会。

在手持设备上完成监控工作，超长时间录像等应用都将是新技术带来的监控新应用。

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1.2网络视频监控应用领域1.金融、保险
营业大厅、金库的监控管理
自动提款机及自助银行的监控
远程联网监控管理
远程车险定损监控系统
2.交通
高速公路的收费管理
重点路口的流量监控
闯红灯、违章的监控
停车场的监控
3.商业
商场的保安监控
超级市场的出入口监控
商场运作情况
4.教育
校园保安监控、考试监考
远程教学
幼儿的安全防范
家长网上浏览观看
5. 医疗
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特殊病人的隔离护理
远程医疗诊断
6. 海关码头
码头、货柜的监控管理
进出货运车辆的监控管理
7.电力
变电站无人值守
机房的动力环境监控
8.司法
监狱、看守所的监控
远程审讯
9.旅游
宾馆饭店的保安管理
重点文物及景点的保护、网上直播
10.小区物业
生活小区安全防范
小区停车场的无人监控
家庭安全防范
11.电信运营商
营业厅
机房的动力环境监控
视频监控增值业务
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视频会议增值业务
无人值守机房
12.环保
重点污染源监控
垃圾场监控
13.市政
保安监控
网上视频会议
14.机场
航站楼
15. 铁路
车站保安监控
网上视频会议
站间调度指挥、应急抢险列车保安监视
16.公安
重要地段、部门的监控110联动
移动侦察车
17.水利
水库河坝监控
江河湖防洪监控
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1.3网络视频监控系统的组成
网络视频服务器监控是利用网络资源来传输音视频资料，具有投入少、使用范围广泛的特点，它由前端设备、传输设备、监控中心、工作站组成；数字硬盘录像机（DVR）目前是应用最广泛的视频监控系统，是计算机硬件与音视频压缩卡的整合，二者的结合与发展推动着第二代视频监控系统的成熟，铸造着它的辉煌。

数字硬盘录像机为安防事业的发展立下过汗马功劳。

目前第三代视频监控系统——全数字网络视频监控正引领着监控技术的发展。

根据网络监控实现、网络传输的方式，我们大概可以把它分成4部分：
1)前端设备：主要包括视音频及数据的采集和编码部分（摄像机、网络视频服务器）。

2)传输设备：主要是指网络系统，现有的网络形式包括有线网络（LAN、PSTN、ISDN、
XDSL、WAN等）、无线网络（WLAN、卫星通信等）和无线移动网络（CDMA、GPRS 等）。

3)监控中心：实现视音频的还原和系统的运行及存储管理，主要有视频解码设备、存储服
务器、监控系统管理软件、电视墙、磁盘阵列等。

4)工作站：通过客户端软件实现视频浏览和前端设备控制。

其构成组成模式
模拟摄象机+数字硬盘录像机+计算机网络系统
模拟摄象机+网络视频服务器+计算机网络系统
网络摄象机+计算机网络系统
CDMA、3G无线网络视频监控系统
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第2章 视频采集
2.1网络摄像机
2.1.1网络摄像机介绍
网络摄像机是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，它可以将影像通过网络传至地球另一端，且远端的浏览者不需用任何专业软件，只要标准的网络浏览器（如“Microsoft IE 或Firefox ）即可监视其影像。

网络摄像机内置一个嵌入式芯片，采用嵌入式实时操作系统。

摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过网络总线传送到摄像内置的Web 服务器。

网络上用户可以直接用浏览器观看Web 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。

网络摄像机正面视图 网络摄像机后视图
网络摄像机的应用 宽带信息网络除了提供高速的网络接入外还能取代铜轴电缆图像传输线路，将实时图像
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监控纳入宽带信息网络应用范围，这就使得信息网络代替传统闭路电视成为必然 .基于PC 的多媒体监控系统功能较强，但主要进行小范围监控。

当传输距离远或者需要上网时，基于PC的多媒体监控稳定性不够好、功耗高、需要有人值守、软件的开放性不好。

这些问题为基于网络和嵌入式技术的网络视频监控提供了舞台。

网络摄像机将图像转换为基于TCP/IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口或WIFI WLAN无线接口直接传送到网络上，通过网络即可远端监视画面。

网络摄像机采用了最先进的摄像技术和网络技术，具有强大的功能。

内置的系统软件能实现真正的即插即用，使用户免去了复杂的网络配置；内置的大容量内存存储警报触发前的图像；内置的I/O端口和通讯口便于扩充外部周边设备如：门禁系统，红外线感应装置，全方位云台等。

提供软件包(SDK)便于用户自行快速开发应用软件。

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2.1.2网络摄像机组成原理
网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。

1、镜头
镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，
与模拟摄像机相同。

2、图像传感器、声音传感器
图像传感器有CMOS和CCD两种模式。

CMOS既互补性金属氧化物半导体，CMOS 主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。

这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。

不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。

这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要
问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热。

暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现杂点。

CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。

光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。

通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。

但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途的某些特性。

这一部分与模拟摄像机相同。

声音传感器即拾声器或叫麦克风，与传统的话筒原理一样。

3、A/D转换器
A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。

基于CMOS模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口，无须A/D转换器；而基于CCD模式的图像传感器模块如有直接数字输出的接口，亦无须A/D转换器，但由于此模块主要针对模拟摄像机设计，只有模拟输出接口，故需要进行A/D转换。

4、图像、声音编码器
经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或标准进行编码压缩。

编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化；便于在计算机系统、网络以及万维网上不失真地传输上述信号。

目前，图像编码压缩技术有两种：一种是硬件编码压缩，即将编码压缩算法固化在芯片上；另一种是基于DSP的软件编码压缩，即软件运行在DSP上进行图像的编码压缩。

同样，声音的压缩亦可采用硬件编码压缩和软件压缩，其编码标准有MP3等格式。

5、控制器
控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。

如果是硬件压缩
编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。

6、网络服务器
网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用了RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP 等相关网络协议，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台。

7、外部报警、控制接口
网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。

如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。

网络摄像机的基本原理是：图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器的声音传感器转化为电信号，A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩，再控制器的控制下，由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET，控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号，且按要求发出控制信号。

8、图像的编码标准
目前，网络摄像机的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。

MPEG4
所谓MPEG标准就是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。

到目前为止，已经制定完成并批准执行的有：1991年批准的MPEG1、MP3;1994年批准的MPEG2;1999年批准的MPEG4和MP4。

正在制定的标准有：MPEG7和MEPG21.
H.263
H.263是ITU-T提出的作为H.324终端使用的视频编解码建议，H.263经过不断地完善和多次的升级已经日臻成熟，如今已经大部分代替了H.261，而且H.263由于能在低带宽上传输高质量的视频流而日益受到欢迎。

H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动补偿的DPCM混合编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和“之”字形扫描编码，从而得到输出码流。

H.263在H.261建议的基础上，将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索；同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和PB帧编码等四个高级选项；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。

H.264
H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。

在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50％左右的码率，比目前根据MPEG4实现的视频格式在性能方面提高33％左右。

M-JPEG
M-JPEG技术即运动静止图像压缩技术，它把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩技术方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧地编辑。

但M-JPEG只对帧内地空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，
故压缩效率不高。

2.1.3网络摄像机特点优势（ADD）
应用优势
网络摄像机不仅可基于计算机局域网用于区域监控，如住宅小区监控、办公楼、银行、商场等传统地监控；而且也能通过INTERNET用于新型地跨区域远程监控及网上展示，远程儿童及老人看护、无人值守通信机房监控、旅游景点网上演播、产品网上展览等。

技术优势
优势一真正的端到端的全数字方案
优势二终结隔行扫描
优势三支持百万像素
优势四集成音频
优势五集成PTZ控制和输入/输出端口
优势六支持PoE以太网供电
优势七安全通讯
优势八跨区域的远程监控
优势九与第三方系统兼容，有机集成
优势十前端智能视频分析
网摄像机的特点
把图像进行M-JPEG、MPEG4或H.264编码压缩，通过网络利用TCP/IP协议进行传输；通过网络摄像机或镜头、云台和其它外部设备进行操作控制；内置一个10M/100M以太网RJ45接口，可通过网络实现远程接口；一个并行I/O口，可以连接外部传感器进行自动报警，也可以对外部设备进行控制或进行联动报警功能；一个RS45串口，可以对镜头、云台进行控制，或连接其他外部设备；内嵌WEB SERVER，网络摄像机内部提供了一个WEB SERVER,允许用户从PC机使用标准地浏览器进行各种接口、操作；具有单独地安全机制，可以对操作本摄像机地用户进行分级别的权限验证；有中心的集中式管理与控制的监控网以及无中心的分布式监控网；内置实时操作系统，支持软件下载和配置设置，方便升级和操作管理。

2.1.4网络摄像机应用趋势(EDIT)
以太网技术成熟，宽带信息网络将以太网络端口延伸到整个大楼，除了提供高速的网络接入外，还能取代铜轴电缆图象传输线路，将实时图象监控纳入宽带信息网络应用范围，这就使得信息网络代替传统闭路电视成为了必然。

随着数字视频压缩编码技术的日益成熟，微机的普及化，为基于PC的多媒体监控创造了条件。

基于PC的多媒体监控系统功能较强，但是主要解决了小范围监控的问题。

当传输距离远或者需要上网时，基于PC的多媒体监控稳定性不够好、功耗高、需要有人值守、软件的开放性不好。

这就为基于网络和嵌入式技术的网络视频监控提供了舞台。

网络摄像机集成普通摄像机和网络转换器，将图象转换为基于TCP/IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口直接传送到网络上。

通过网络即可远端监视画面。

网络摄像机采用了最先进的摄像技术和网络技术，具有强大的功能。

内置的系统软件能实现真正的即插即用，使用户免去了复杂的网络配置；内置的大容量内存存储警报触发前的图象；内置的I/O端口和通讯口便于扩充外部周边设备如：门禁系统，红外线感应装置，全方位云台等。

提供软件包(SDK)便于用户自行快速开发应用软件。

与其它方案比较
相对于传统的闭路电视监控系统：无须同轴电缆、无须庞大的视频分配器；软件实现NxN多对多（即多个观察员可同时看多个镜头画面）；安装所需设备少，工程成本大幅降低（整个安装过程就是架设摄像机和在PC机上安装系统管理软件），大幅减少线材；充分利用网络资源，走宽带网络图象传输非常廉价，增强了监控范围的灵活性，可直接实现远端监控，利用网络更新软件。

这些是传统的闭路电视监控系统无法比拟的。

相对于当前的数字监控系统：对PC机的要求大为减少，一般普通配置即可；无需软件维护；无须机房，可以安装在过道和环境差的地点；可以避免了死机现象和重新启动时造成无法监控的缺陷。

这些是基于PC的数字监控系统无法比拟的。

投资分析
基于网络摄像机的监控系统和传统监控系统成本比较需要考虑许多因素。

主要因素有监控点数、监控副控数、监控范围、录像要求、报警要求等。

在比较基于网络摄像机的监控系统和传统监控系统成本时，还有一个重要的出发点就是：计不计算网络布线和电脑的成本？计算进入成本的理由很简单；不计算进入成本的理由是网络布线和电脑是已有投资，不做监控也需要。

如果不计算网络布线和电脑成本，即使在一个大楼内，当监控点数到达50个，监控副控到10个时，两种方案的投资相近（35万）。

总结
基于网络摄像机的监控系统具有如下优点：
1、先进性
此系统利用现有的综合布线网络传输图象，并进行实时监控。

系统所需的前端设备少，连线简洁；后端仅需一套软件系统即可。

2、可靠性
此系统的主要设备网络摄像机采用了嵌入式实时操作系统，所需设备简单，而图象的传输是通过综合布线网络实现的，系统的可靠性是相当高的。

3、性能价格比
此系统所需设备极其简单，系统的控制全由后端的软件系统实现，省去了传统模拟监控系统中的大量设备，如昂贵的矩阵、画面分割器、切换器、视频转网络的主机等。

由于图象
的传输通过综合布线网络，省去了大量的视频同轴电缆，降低了费用。

4、安全性
系统设置了不同等级的使用者权限，仅有最高级权限的用户才可对整个系统进行设置或更改。

没有权限的用户是接收不到图象的。

图象数据的存储是专有的格式。

5、使用及维护性
系统的安装极其简单,软件系统的安装及使用也非常易懂。

在维护性方面,系统的接线十分简洁，而主要设备的可靠性很高，维护性能好，而且可实现远程维护。

6、扩展及延伸性
当需要增加监控点，监控主机时，只需要通过现有网络增加一台摄像机或PC机即可，而不需要对现有布线系统做什么改动
7、应用范围广阔
区域性监控：利用网络传送实时图象，如办公室、大楼等跨区远端监控：连锁事业、大型工厂机房、远端老人儿童看护、公共建物、无人危险环境监控、各金融机构分行监控、交通监管、错误警报辨识…等。

网络摄像机应用趋势
以太网技术成熟后，宽带信息网络将以太网络端口延伸到整个大楼，除了提供高速的网络接入外，还能取代铜轴电缆图象传输线路，将实时如象监控纳入宽带信息网络应用范围，这就使得信息网络代替传统闭路电视成为了必然。

随着数字视频压缩编码技术的日益成熟，微机的普及化，，为基于PC的多媒体监控创造了条件。

基于PC的多媒体监控系统功能较强，但是主要解决了小范围监控的问题。

当传输距离远或者需要上网时，基于PC的多媒体监控稳定性不够好、功耗高、需要有人值守、软件的开放性不好。

这就为基于网络和嵌入式技术的网络视频监控提供了舞台。

网络摄像机集成普通摄象机和网络转换器，将图象转换为基于TCP/IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口直接传送到网络上，通过网络即可远端监视画面。

网络摄像机采用了最先进的摄像技术和网络技术，具有强大的功能。

内置的系统软件能实现真正的即插即用，使用户免去了复杂的网络配置；内置的大容量内存能存储警报触发前的图象；内置的I/O端口和通讯口便于扩充外部周遍设备如：门禁系统、红外线感应装置、全方位云台电脑感；另外还提供软件包（SDK）便于用户自行快速开发应用软件。

网络摄像机
基于IP网的视频监控系统随着平安城市、安保奥运等大事件推动，越来越受到关注，并以一种不可逆的态势席卷全球视频监控领域。

目前大多数全IP视频监控系统以DVS作为主角，随着编码芯片技术的不断发展，以及集成电路设计的不断改进，让视频图像采集子系统与压缩编码子系统能整合至单块集成电路板，进而成就了IP摄像机。

首先看看模拟摄像机+DVS这种方式的一些固有缺陷。

数据处理过程如下图所示：
CCD图像传感器对图像信号进行采集并数字化，由专用DSP芯片进行图像处理后，编码成CVBS模拟信号，经同轴电缆传输至远端DVS，其对信号再做模数转换，梳妆滤波等操作，编码成数字信号进行处理并传输。

这个过程带来了诸多问题，缺陷也隐藏其中：信号经数模转换、模数转换后，图像质量受损；
模拟信号由同轴电缆长距离传输，信号衰减严重，易受干扰，图像质量下降；
图像分辨率固定为PAL、NTSC，不能满足更高分辨率的监控要求；
视频信号动态范围小，难以满足低噪声、宽动态、高帧率等需求；
由于第2点在使用过程中困扰太多用户和工程商，部分商家通过一个很巧的办法解决了这个问题，即：将DVS的视频编码模块加装至模拟Camera内。

如下图所示：。