高清无止境
管中窥豹如何架构高清监控

　
　　技术需要孕育和沉淀。走过2008、2009年，中国安防行业迎来了2010年的“高清元年”。那一时候，随着前两年的产业推进，实现高清监控的技术、产品条件已经有了实质性的进展，市场也开始接受高清监控的概念。高清监控已不再是镜花水月，人们急切提出了对高清监控需求，高清监控以需求为前提，通过摄像机改变而改变的。“牵一发而动全身”，因前端产品的变化，带动传输、存储、显示和平台同时转向高清，本期CPS中安网技术专题“如何架构高清监控系统”特邀杭州海康威视数字技术股份有限公司产品经理田振华、浙江宇视科技有限公司产品总监朱兵、天津天地伟业数码科技有限公司数字前端产品经理郭辉、深圳市中瀛鑫科技股份有限公司技术部经理巩珏、金三立视频科技（深圳）有限公司产品经理张智安、深圳同尊数字技术有限公司产品经理唐飞和深圳亿维锐创科技有限公司技术总监陈丹七位技术专家一同探讨如何去建设高清监控系统，建设的难点在哪？

　　高清监控规模化应用条件

　　业界对高清的广泛关注和呼声之大，很好的证明了市场对高清监控应用的迫切需求。我们说一个市场的蓬勃兴起无非三大因素：一是现实市场是否有迫切需要，二是基于这一市场的技术积累、显示环境是否可以满足市场的需要，其三是成本问题，索尼公司技术经理文军曾在媒体上阐明此观点。浙江宇视朱兵认为普及高清监控建设需要理清三个思路：

　　不同行业不同的高清驱动力根源：

　　今天在高清引入的过程中比较积极的行业，恰恰是在图像的信息化、数字化以及数字化之后的信息处理和二次应用方面需求特别迫切的行业，而不是仅仅期望能够获得更好的视觉体验。比如公安的平安城市安防系统建设，比如交警的卡口和电子警察系统建设，比如轨道交通监控系统的建设。卡口系统就是一个很典型的例证，高清卡口之所以发展这么快，就是因为车牌识别、虚拟线圈等智能分析和处理技术基于高清的成熟化。因此各个行业对于高清的驱动力不同，导致高清的普及不是横向统一推进，充分了解各行业基于高清的二次应用开发需求，是普及高清监控的条件之一。

　　怎么构建高清系统：高清是个系统工程，除却高清摄像单元本身在系统化方面的课题（如镜头等），还有两个非常重要的系统化命题，一是布线与网络，另一个是存储。这两点都会因为高清需求的变化，而对原有监控系统造成较大影响，再新增加高清系统方面会遇到难题；在存储方面，由于信息量的丰富，单路接入带宽倍增，对应着存储设备投入的增加。我们可以考虑通过架构的优化、调整、新技术的引入来抵消这样的变化。

　　高清系统构建的TCO：从架构、产品、工程诸方面看，高清已经进入规模建设阶段，但“成本”还是高清系统建设的关键考虑之一。但是在核算成本的时候，往往重视初次设备投入成本而未对布线成本和后期维护成本进行精算。如果采用更为客观的TCO核算法，高清普及的拐点应该会更早到来。

　　中瀛鑫巩珏认为在经历了多年的洗礼和市场培育，随着技术的发展，特别是随着计算机技术的迅速发展和推广，高清网络视频监控系统逐渐取代传统的模拟监控系统成为视频监控的主流。理由如下：

　　首先，从人类发展的历史来看，互联互通是经济和科技发展的必定规律。不同系统之间经济要素的活动可以降低本钱，进步经济效率。好比中国的对外开放政策使得经济三十年来保持高速发展，炒的最火热的物联网的实质也是通过互联网将各个物体连接起来，进行信息交换，形成一个“聪明地球”。对安防行业来说，用户也需要一体化的解决解决方案，好比实现视频监控系统与报警系统、消防系统、自控系统的整合，降低系统部署和维护本钱。

　　其次，模拟摄像机+硬盘录像机的监控模式无法满足市场对互联互通的要求：首先目前以硬盘录像机为核心的监控系统是一个封锁式系统，是一个安防孤岛，不能跟其他治理系统进行信息活动。另外，这种模式将图像采集、数据存储、监控治理混为一体，一旦因地震或火灾、被盗等事件导致设备损坏，数据无法恢复，因此数据可靠性不高。另外这种封锁式模式使得系统扩充比较艰难。众所周知，硬盘录像机需采用多块硬盘来扩充存储容量，特别是现在的监控系统规模越来越大，数据量越来越多，采用硬盘录像机这种方式很难实现设备和数据的同一治理。

　　 同尊唐飞采访中也谈到此问题，他说就整个行业来看，去年的高清产品与模拟产品是3：7的比例，但是随着高清技术的发展，以及行业需求的旺盛，高清产品的需求和发展速度之快，相信现在都已经超过这个比例了，高清的普及，需要技术的发展和积累，包括编码技术，存储技术，网络带宽等各技术的高速发展，才能形成完整的高清监控解决方案，用量的增长带来成本的降低，现在很多高清产品的价格都已经趋向模拟产品的价格了，当系统成本趋于一致，客户体验到的高清图像效果越来越好的时候，就是高清监控普及的时候了。

　　如何架构高清

　　IPC与SDI，共存的前端高清市场

　　文中之前也提及，架构高清监控系统，首先从前端摄像机开始。行业有种观点，高清监控应用的必须前提是网络化众所周知，传统的标清监控分为模拟、数字和网络三种类型，但无论哪种类型都必须采用前端摄像机+后端管理控制等系统框架。在这之中，监控摄像机则根据后端设备的性质选用模拟摄像机或网络摄像机，也就是说在标清监控系统中，前端设备与传输手段是既可使用模拟设备也可使用网络设备。但高清监控却不然。首先，我们知道，采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式。模拟传输一般采用YPbPr 分量传输，一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVl、HDMl或者HD—SDI传输其中DVI或HDMf的传输距离只有几米，不适合用于监控传输，而HD—SDI虽可以传输100米左右，但对同轴电缆的要求很高，线缆的价格也非常昂贵。无论是模拟方式还是数字方式传输，未经压缩的高清视频信号传输成本都明显高于以前的模拟标清视频信号。而采用视频压缩编码并通过JP网络进行传输时，高清视频与标清视频在传输成本上的差异很小。因此，可见高清监控首先必须基于视频压缩处理并通过IP网络进行传输，只有这样才能有效控制高清视频的传输成本，从而让高清监控真正具有实用意义。去年风靡一时的HD—SDI高清监控摄像机对IPC摄像机提出挑战，誓与争雄。企业如何看待？海康威视田振华认为，IPC的优势在于可基于IP网络传输，并且可无限扩展，组建大规模的监控系统成本较低。IPC的缺点在于网络信号延迟大、网络传输存在安全隐患。SDI的优势在于可基于同轴电缆传输无损数字信号，图像还原更真实，操控更实时。 SDI的缺点在于SDI信号目前点对点传输最远只能达100米，组建大型SDI监控系统成本较高。在实际项目中IPC和SDI均有很多应用，海康威视针对IPC和SDI应用提供了整体产品解决方案。2011年，海康威视率先提出了网络高清+模拟高线+数字高清 = 全面高清的理念，并以实际行动推动着"网络高清+模拟高线+数字高清"的高清视频监控应用演进历程。海康威视高清系统涵盖从前端采集、中间传输、后端平台等各个环节，包括网络高清、模拟高线、数字高清在内的产品线组合；金三立张智安持同样观点，他说IPC在工程施工方面方便灵活，现在传输技术已经非常成熟，无线、3G、光纤等等，另外IPC在集中管理方面也具备灵活性高，容易操作等优势。SDI采用同轴电缆传输，在旧有的模拟线路上进行改造比较有优势，目前SDI的项目需求都集中在旧模拟监控改造方面，另外SDI实时性特别好。但是由于SDI的视频信号是没有经过任何压缩的，所以数据量非常大，给录像存储带来巨大成本。目前金三立两种方案都在深度研发，并且已经在市场上推出了IPC、SDI高清监控系列产品；中赢鑫巩珏采访中对记者说，IPC与SDI在图像质量方面，二者均可以达到720P、1080P，甚至更高像素；SDI摄像机和IPC高清摄像机在视频监控领域内有各自的应用范围和侧重点，它们是互补而不是取代关系。基于IP网络的视频监控系统随着平安城市等大事件推动，越来越受到关注，自2006年以来，可以说是高清网络视频监控的黄金年代，目前越来越多的业主需求已经倾向高清晰的网络视频监控设备，尤以平安城市天网工程建设、港口码头、大型运动场馆、各大银行系统等安保视频监控建设需求为甚。SDI是近两年的后起之秀，SDI 的出现势必会更加推动IPC 厂商更深度探索、研发。SDI摄像机若想获得较大的应用空间，传输距离及视频图像存储仍可能会是制约瓶颈，由于SDI摄像机传输采用传统的同轴电缆传输，同轴电缆传输距离是有限的，它不同于IPC 摄像机是借助网络远距离传输，这是二者最大的差距。不仅如此，由于SDI摄像机采集的数据量较大，其传输过程又不经编解码器压缩，给数据的存储提出了很大挑战。IPC高清网络摄像机采用H.264压缩算法，能够很好节省传输带宽和存储空间。IPC高清视频监控系统融合了更多的技术和提供了丰富的功能；天地伟业郭辉谈及 IPC与SDI之争，认为一套完整的高清监控方案包括前端采集、中间传输、平台控制等几个方面，IPC和SDI单纯比较前端采集的话，其最明显的区别是IPC的视频是压缩过的，而且有一定的网路延时，而SDI直接传输未压缩过的实时视频；在中间传输环节，IPC通过网络传输，有着非常好的可扩展性，并且可以很容易实现远程访问，资源共享等；而SDI在短距离传输使用同轴线缆，在长距离传输使用光纤，由于带宽占用大，一颗光纤只能传输1路高清SDI信号，在可扩展性和远程访问等特性上受限；在平台控制方面，IPC可以很容易通过网络实现平台的远程控制和资源管理，而SDI的平台控制则比较麻烦，需要矩阵，切换器，键盘等设备，而且后端存储上SDI也需要编码压缩存储。天地伟业针对不同的行业应用提供不同的高清解决方案，在平安城市、道路监控等联网需求较多的行业大多使用IPC高清监控方案，而在一些法庭、检察院等对实时性要求很高的行业则提供SDI高清监控方案；同尊唐飞认为SDI方案和IPC方案各有优缺点，SDI方案是通过同轴电缆作为介质，传输未压缩的高清数字码流。满足全高清、无延时、视频无损耗的高清应用需求，与模拟监控系统有许多类似之处，很容易被客户接受。但是，目前安防业内生产相配产品如SDI摄像机、SDI光端机、SDI 数字硬盘录相机和后端平台设备仍然寥寥可数，且成本非常高，相当于IPC方案的2倍。即使用户倾向于选择SDI的监控系统，恐怕在前后端还无法满足到用户多样化需求。SDI仅仅是一个过渡方案。IPC 方案是通过网线传输压缩后的高清数字码流。在高清图像、延时、视频损耗情况下，理论上是弱于SDI方案的。但是随着技术发展，芯片的改良和传输介质技术的进步，这些差距将逐步缩小，SDI的优势将不复存在。针对目前的阶段，同尊基于对视频监控系统架构、图像信号处理（ISP）、图像编解码、管理平台等核心技术的积累，特别是在同尊高清设备光纤环网的专利技术应用，同尊高清IPC方案经过压缩后的图像在码流、延时、视频还原等技术的处理均能满足客户需求，高清IPC方案所带来的优越性、适应性、便捷性和可扩充性上就非SDI方案所能比拟；亿维锐创陈丹基本认同以上观点，认为在巨大的市场需求中，IPC与SDI谁也无法取代谁，但相对而言市场会更侧重IPC高清方式。

　　先进、高集成、易扩展的高清监控平台

　　高清监控平台总体技术架构首先要先进，高清监控平台的建设不仅要考虑当前的应用，还要为未来系统应用扩展提供基础。基于SOA的系统架构是IT领域中业务与技术多年发展和不断融合的智慧结晶，具有适应性强、可重用的业务流程和服务。新一代的高清安防监控平台需要在继承SOA理念上，结合高清监控平台系统的要求所构建。即以稳固的统一安防监控平台(USP)为基础，通过开放的安防集成服务总线(SIB)集成行业安防业务中间件与行业安防集成工具，整合构建出行业化安防监控平台(ISP)。在USP统一平台和ISP行业平台之上，提供面向行业的安防业务应用功能套件，并通过企业服务总线(ESB)和企业信息门户(EIP)融入信息管理、决策支持等各行业管理系统中。

　　 海康威视自主研发的集中监控管理平台iVMS-5000，是一款基于SOA系统架构，可集成多种安防子系统的联网平台。平台采用先进的软硬件开发技术，解决了各安防子系统集中管理、多级联网、信息共享、互联互通等问题。平台稳定、可靠、易用，可集中管理视频监控系统中的各个模块，对资源进行统一调度，满足高清监控的需要。iVMS-5000是一套 “集成化”、“数字化”的平台，实现对各个功能模块在一个平台下的统一管理，并且实现相互之间的联动，使整个系统真正实现了“一体化”管理。安全方面，从业务和视频数据的重要性和安全性出发，从信息安全、网络安全、运行安全多方面进行安全保证。系统符合监控联网平台长远应用需要，设备、网络、平台的建设最终须服务于用户业务与监控数据的应用。系统主体采用IP网络架构，标准的接口，可实现功能的平滑升级。系统采用模块化设计，通过相应模块的添加即可实现系统的扩容与业务应用功能的增加。本系统能够很好的接入高清网络摄像机、高清网络球机、高清解码器等网络设备，并提供前端设备的实时预览、高清存储、回放、上墙等功能，真正的实现高清监控。同尊唐飞向记者介绍他们公司高清平台时介绍说，他们采用采用先进的NGN架构理念充分整合了IP网络、视频、存储、信令等领域的技术，采用开放的架构，标准的技术实现。系统将信令控制与媒体流交换分离的先进理念引入视频监控系统。系统管理服务器只处理信令流，媒体流通过网络或专用流媒体服务器的处理交换以分布式的 形式分发出去，避免了由于媒体流处理的性能压力而造成的核心管理服务器瓶颈问题，从而可以 实现监控规模的无限制扩展。控制面与数据面分离，组播网络无需流媒体服务器转发，减少单点故障，降低网络传输延时。分级分域分权管理，支持更多分级，具12级十万路的跨域视频调用能力。灵活支持从简单资源访问到完善跨域管 理操作等各种应用管理需求，即支持跨域看、控、查等基本业务，也支持跨域备份、对讲、报警 等强业务。多种标准的兼容支持能力，全面支持并参与编制行业（公安 3111、电信全球眼、联通宽视界、电力、石化、考试院联网等）、地域标准（DB33等），支持将各类非标准第三方平台转换为标准联网协议，满足跨域联网监控需求；天地伟业Easy7平台是面向大中型用户跨区域网络化视频集中管理领域的专业平台级安防管理软件，具备信息资源管理，设备管理，用户管理，网络管理，安全管理等功能，提供对上万路的高清，标清，模拟，网络，数字等不同类型的信号接入和整合及管理。根据实际应用，划分为业务层，接口层，处理层，接入层，设备层，实现高内聚，低耦合，是可伸缩的分布式平台。

　　高清化存储

　　朱兵在高清监控普及条件中重点强调了高清存储问题。　相对于传统的模拟摄像机， 高清摄像机具有高效、开放、智能的特点，尤其是借助网络摄像机可以突破传统CCTV系统对图像清晰度的桎梏，实现更高分辨率、更高画质的高清监控。为满足高清监控需求，后端高清平台存储系统同样起着至关重要的作用。高清存储目前从应用方面来看分三类，一是集中式监控存储系统，它通过网络实现监控数据集中存储，统一管理，在较大范围内（如市、区、分局等）实现监控数据的集中存储，可以涉及到几百甚至几千个摄像监控数据；二、分布式监控存储系统通过网络实现监控数据集中存储，统一管理，在较小范围内(如单位、所等)实现监控数据的集中存储，可以涉及到几十到几百个摄像监控数据；其三，集中和分布式混合监控系统存储方案。中式监控系统便于管理，分布式监控系统方便视频数据的回放和查询，两种方式各有利弊，所以在一些大型的监控系统中，越来越多的方案选择将集中和分布式进行统一部署，这样不仅方便了管理，而且有利于数据的回放和查询，同时也降低了对带宽的压力。鉴于目前网络带宽资源有限，监控数据所要求的带宽又比较大，所以采用网络传输实现数据的集中存储是不现实的，而全部采用光纤传输的成本又较高，所以目前通常的监控建设模式是分散存储，集中管理。因此，高清平台存储系统的中心设备的选型，需要充分考虑产品的功能要能满足日益丰富的用户需求、性能要能满足长时间高负载运行的维护需求。

　　中赢鑫巩珏说，高清视频监控涉及到巨量数据的采集、存储和使用。因此，一个高效能的视频监控系统必须具备高效能的数据存储系统，这关系着数据管理的效率、数据安全以及数据利用的效率。而日益逼近的高清监控时代更需要强大、可靠的存储平台。Wision视频监控管理平台中，监控存储有两种方法，一种是小集中大汇聚，即前端分散式本地存储，如IPSAN构架方式；另一种是在大型项目里，高清视频通过管理平台+存储服务器实现存储，其存储服务器通常是存储阵列。同尊公司采用IPSAN存储，以及采用前端直写存储-数据块存储，减少对转发服务器的依赖， 同时系统的双流机制，可以灵活配置，如常规标清，一旦报警自动转为高清存储，既节省存储空间，也保证数据有效性。在传输网络中，同尊的设备级联技术和光纤环网技术，大大节省光纤资源的布置以及人工成本，全网组播技术的应用，减免流媒体转发服务器的部署，还可以保证系统的安全性和可靠性；在高清显示，解码上墙上面，同尊采用硬解上墙，可全部实现1080P的高清解码上墙，以及配合平台的数字矩阵功能，实现图像的切换和调阅；宇视科技在高清平台方面提供基于“块直存”的多媒体存储架构。块直存已经成为业界发展的方向。其创新性主要体现在：采用了基于iSCSI协议的IP SAN直存技术，抛弃了传统的流媒体服务器，简化系统架构；采用了“时间索引+块数据”的专用数据结构，抛弃了传统的文件系统，提高高清监控下的数据管理效率；

　　面对高清监控模式下的海量数据，通过集中式数据管理，实现了对资源的统一划分和调度，实现数据的全局性管理；天地伟业郭辉说，要实现高清监控首先需要一套完整的从前端采集到中间传输以及后端控制的解决方案。在前端采集部分，最核心的竞争点在于3A控制技术，包括自动曝光、自动白平衡、自动聚焦，这部分是成像的关键技术，在图像的处理上如画质的通透度，图像的清晰度等方面需要有专门的FPGA或者DSP等模块做特殊的图像处理以实现产品的差异化和竞争优势；对于存储问题，需要压缩编码技术的创新和优化，以天地伟业高清产品为例，可以实现2M码流传输720P图像，这对于后端的海量存储是根本性的解决；在传输部分，由于目前国内带宽资源和环境限制，需要保证机器在低带宽的环境下可以做到不丢帧和卡顿，以天地伟业为例，其最新的压缩编码技术可以保证在低带宽环境下图像传输的流畅性和实时性；在显示部分目前的VGA接口已经不能满足高清的需求，如果要显示高清效果，一定要在解码设备中实现HDMI接口，目前天地伟业的高清解码设备已经可以支持HDMI、DVI、VGA等多种输出接口。

　　 其他建设难点与注意事项

　　架构高清监控系统还会遇到其他方面的建设困难，比如，中赢鑫巩珏谈到的传输方面，高清网络摄像机一般会选用720P或者1080P的解决方案，如果要达到理想的图像效果，就需要2~8M的网络带宽，如果一个系统当中要有几百个点，那整个网络的数据流会相当大的，并且视频流是实时的数据流，会持续给网络相关的交换设备造成持续的压力，这需要在网络规划方面做好充足的功课。同时，众多的高清厂家只是将注意力放在了前端摄像机的像素上，而没有研发相应的高清视频解码器，只能围着PC机的屏幕来观看高清图像，无法将高清的图像独立的在大屏幕上显示。海康威视LCD大屏的主要特点和优势包括：高亮LCD显示器，采用超宽视角 DID 液晶屏窄边框设计（双边 6.7mm），内置拼接控制模块、适合拼接大屏幕墙 ；可视角度：178°（H）/ 178°（V）；操作方式：红外遥控、远程控制；挂架、支架、机柜多种安装方式供用户选择； 金属外壳，防静电、防磁场、防强电场干扰。

　　海康威视作为高清监控项目承建商，对于高清项目建设有发言权，田振华说，从工程商的角度考虑高清建设，主要的难点在于：首先，多数从事安防的工程商是传统CCTV从业者，不具备IP、IT的工作经验，若是建设高清联网监控，对于联网工程的标准和难点需要重新学习；其次，高清摄像机不同于模拟摄像机，安装完成后需要针对场景调试多项参数，参数调试多是通过IE控件或者客户端完成，技术难度较高；再次，高清监控项目的设备是通过平台软件进行管理控制，应用模式有别于传统的CCTV系统，对工程商而言需要改变过去的习惯；最后，高清监控项目会存在各种网络应用问题，日常维护技术难度大，成本较高。此外，

　　建设高清监控项目经常会遇到原建的模拟监控系统如何能够快速改造升级到高清的监控系统，田振华谈到，对现有模拟监控项目进行高清改造主要有3种方式：模拟高线、网络高清和数字高清。模拟高线方案的特点是充分保留了原有传输线路，将传统摄像机升级成600/650/700线的高线数模拟摄像机，后端编码存储采用比D1更高分辨率的WD1（960*576）硬盘录像机，监控设备升级为数字显示设备，系统的预览、录像图像质量较升级前可提升30%以上，而总成本较低。网络高清方案的特点是通过有线或者无线网络链路传输数字信号，将传统摄像机升级成百万像素摄像机，后端存储采用NVR/HDVR设备，监控设备升级为数字显示设备，在预览、录像质量提升1.5倍以上，大规模监控项目总成本较低。数字高清方案的特点是通过HD-SDI或光纤传输无损数字信号，编码录像采用高清数字编码DVR，监控设备升级为数字显示设备，可获得无损数字信号，是真正意义的高清，录像质量提升1.5倍以上，技术能力强，成本较高，适合高端应用。

　　高清无止境，其建设比定有诸多挑战与难题，我们安防人将上下而求索！

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