視頻監(jiān)控及其關鍵技術

視頻監(jiān)控及其關鍵技術14安防徐樂144402103監(jiān)控系統(tǒng)是由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄登記5大部分組成。攝像機通過同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸到控制主機，控制主機再將視頻信號分配到各監(jiān)視器及錄像設備，同時可將需要傳輸的語音信號同步錄入到錄像機內。通過控制主機，操作人員可發(fā)出指令，對云臺的上、下、左、右的動作進行控制及對鏡頭進行調焦變倍的操作，并可通過控制主機實現在多路攝像機及云臺之間的切換。利用特殊的錄像處理模式，可對圖像進行錄入、回放、處理等操作，使錄像效果達到最佳。監(jiān)控是各行業(yè)重點部門或重要場所進行實時監(jiān)控的物理基礎，管理部門可通過它獲得有效數據、圖像或聲音信息，對突發(fā)性異常事件的過程進行及時的監(jiān)視和記憶，用以提供高效、及時地指揮和高度、布置警力、處理案件等。隨著當前計算機應用的迅速發(fā)展和推廣，全世界掀起了一股強大的數字化浪潮，各種設備數字化已成為安全防護的首要目標。數碼監(jiān)控報警的性能特點是：監(jiān)控畫面實時顯示，錄像圖象質量單路調節(jié)功能，每路錄像速度可分別設置，快速檢索，多種錄像方式設定功能，自動備份，云臺/鏡頭控制功能，網絡傳輸等。加裝時間發(fā)生器，將時間顯示疊加到圖像中。在線路較長時加裝音視頻放大器以確保音視頻監(jiān)控質量。適用范圍——銀行、證券營業(yè)場所、企事業(yè)單位、機關、商業(yè)場所內外部環(huán)境、樓宇通道、停車場、高檔社區(qū)家庭內外部環(huán)境、圖書館、醫(yī)院、公園。視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理圖組成設備視頻監(jiān)控系統(tǒng)產品包含光端機，光纜終端盒，云臺，云臺解碼器，視頻矩陣，硬盤錄像機，監(jiān)控攝像機[1]

,鏡頭,支架。視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成部分包括監(jiān)控前端、管理中心、監(jiān)控中心、PC客戶端及無線網橋。各組成部分的說明如下：（1）監(jiān)控前端：用于采集被監(jiān)控點的監(jiān)控信息，并可以配備報警設備。①普通攝像頭+視頻服務器。普通攝像頭可以是模擬攝像頭，也可以是數字攝像頭。原始視頻信號傳到視頻服務器，經視頻服務器編碼后，以TCP/IP協(xié)議通過網絡傳至其他設備。②網絡攝像頭。網絡攝像頭是融攝像、視頻編碼、Web服務于一體的高級攝像設備，內嵌了TCP/IP協(xié)議棧?？梢灾苯舆B接到網絡。（2）管理中心：承擔所有前端設備的管理、控制、報警處理、錄像、錄像回放、用戶管理等工作。各部分功能分別由專門的服務器各司其職。（3）監(jiān)控中心：用于集中對所轄區(qū)域進行監(jiān)控，包括電視墻、監(jiān)控客戶終端群組成。系統(tǒng)中可以有一個或多個監(jiān)控中心。（4）PC客戶端：在監(jiān)控中心之外，也可以由PC機接到網絡上進行遠程監(jiān)控。（5）無線網橋：無線網橋用于接入無線數據網絡，并訪問互聯網。通過無線網橋，可以將IP網上的監(jiān)控信息傳至無線終端，也可以將無線終端的控制指令傳給IP網上的視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)。常用的無線網絡為CDMA網絡。PC機工作特點：數字化視頻監(jiān)控的數字化首先應該是系統(tǒng)中信息流（包括視頻、音頻、控制等）從模擬狀態(tài)轉為數字狀態(tài)，這將徹底打破“經典閉路電視系統(tǒng)是以攝像機成像技術為中心”的結構，根本上改變視頻監(jiān)控系統(tǒng)從信息采集、數據處理、傳輸、系統(tǒng)控制等的方式和結構形式。信息流的數字化、編碼壓縮、開放式的協(xié)議，使智能網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安防系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)間實現無縫連接，并在統(tǒng)一的操作平臺上實現管理和控制，這就是系統(tǒng)集成的含義。網絡化視頻監(jiān)控的網絡化將以這系統(tǒng)的結構將由集成式向集散式系統(tǒng)過渡，集散式系統(tǒng)采用多層分級的結構形式，具有微內核技術的事時多任務、多用戶、分布式操作系統(tǒng)以實現搶先任務調度算法的快速響應，組成集散式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件采用標準化、模塊化和系統(tǒng)化設計，視頻監(jiān)控系統(tǒng)設備的配置具有通用性強、開放性好、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數據處理方便、人機界面友好以及系統(tǒng)安裝、調試和維修簡單化，系統(tǒng)安全，容錯可靠等功能。系統(tǒng)集成化前提假設在背景模型提取階段，運動目標在場景區(qū)域中運動，不會長時間停留在某一位置視頻流中某一像素點只有在前景運動目標通過時，它的亮度值才發(fā)生大的變化，在一段時間內，亮度值主要集中在很小的一個區(qū)域中，可以用這個區(qū)域內的平均值作為該點的背景值。具體實現過程：在YUV顏色空間下，Y值的變化范圍為0~255，將該范圍劃分成若干區(qū)間[0,T][T,2T]…[Nt,255],n=255/T，對于每個像素點，統(tǒng)計一段時間內每個區(qū)間內亮度值的出現的次數。找出出現次數最多的那個區(qū)間，將該區(qū)間內所有值的平均值作為背景模型在該點的亮度值。這種方法不受前景運動目標的影響。運動目標檢測檢測當前圖像和背景圖像中對應像素點的差異，如果差值大于一定閾值，則判定該像素為前景運動目標后處理噪聲的影響，會使檢測結果中出現一些本身背景的區(qū)域像素點被檢測成運動區(qū)域，也可能是運動目標內的部分區(qū)域被漏檢。另外，背景的擾動，如樹枝、樹葉的輕微搖動，會使這部分也被誤判斷為運動目標，為了消除這些影響，首先對上一步的檢測結果用形態(tài)學的方法進行處理，在找出經過形態(tài)學處理的后的連通域，計算每個連通域中的面積，對于面積小于一定值的區(qū)域，將其拋棄，不看做是前景運動目標。視頻監(jiān)控存儲技術大數據時代數據存儲量呈現爆炸式增長。同時，隨著IT網絡技術的蓬勃發(fā)展和視頻監(jiān)控數字化、網絡化、智能化的逐漸成熟，視頻監(jiān)控前端攝像機視頻采集技術也在飛速發(fā)展，從早期的10萬像素到今天的200萬、500萬像素，視頻清晰度越來越高，視頻畫面中的信息量也越來越豐富。高清時代，當傳統(tǒng)的存儲模式遇到今天的爆炸式信息發(fā)展時，作為安防視頻管理系統(tǒng)信息的最終集散地，存儲技術有怎樣的發(fā)展，這些發(fā)展又將帶來怎樣的行業(yè)變革。

高清視頻數據存儲技術現狀從大環(huán)境來看，視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)可以有多種實現方式，目前在用戶應用端主流的實現方式有三種：DVR、NVR和SAN。至于近幾年被熱炒的“云存儲”，我們可以看到，其噱頭遠大于應用，能夠真正落到實地的應用少之又少。而隨著高清技術的普及和成本的降低，近期新建的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎清一色地選擇了“高清解決方案”。其中，“平安城市”作為視頻監(jiān)控項目建設的領軍項目，具有風向標的作用，其對于高清存儲解決方案的青睞，側面反映了高清技術在監(jiān)控存儲中越來越重要的地位。

目前高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的存儲設備應用模式呈現四種技術現狀：單一設備存儲模式、Scale-Up形式的容量擴容、傳統(tǒng)RAID存儲以及對性能的關注大于容量。

單一設備存儲模式：目前，在“平安城市”等中大型視頻監(jiān)控項目中，主流的存儲模式是SAN架構(IP-SAN和FC-SAN兩種)，而在中小型視頻監(jiān)控項目中，NVR的存儲模式是主流。無論是哪種情況，存儲設備都是通過單一設備的存儲模式來提供服務的。雖然近期有很多廠商在宣傳和推廣“云存儲”解決方案，但從實際應用來看，能夠落地的“云”少之又少，云存儲解決方案的遇冷一方面說明“云存儲”技術還不夠成熟，用戶對使用“云存儲”還存在一定的“戒心”;另一方面也說明目前的SAN架構的存儲模式仍能滿足用戶對存儲的應用需求。形式的容量擴容：對于動輒數PB的“平安城市”類大型監(jiān)控項目，存儲的擴容模式仍然采用增加擴展柜、選用大容量硬盤和縱向堆疊存儲設備的方式。傳統(tǒng)RAID算法：雖然近幾年視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用需求和整體技術突飛猛進，從模擬視頻，到1080P，甚至更高清晰度的數字視頻，僅用了數年的時間，但是存儲核心的RAID算法卻沒有針對視頻監(jiān)控應用做出相應調整，仍然是傳統(tǒng)RAID算法行天下。對性能的關注大于容量：在高清視頻存儲系統(tǒng)的應用中，設備的性能是用戶較為關心的問題，但從實際的應用來看，性能往往能夠輕松滿足相應容量的應用需求，并不是存儲設備的瓶頸。例如在“平安城市”項目中，視頻存儲一般需要滿足30天的存儲需求，一臺24盤位的存儲設備做一個RAID組+1塊熱備盤，若選擇3TB硬盤，單臺設備可提供近60TB存儲空間，僅能滿足43路4Mbps的視頻存儲，即并發(fā)170Mbps的碼流，這樣的寫入壓力對于配置了千兆iSCSI端口的存儲設備而言，壓力并不大。

高清存儲的核心技術分析從上面的分析來看，目前的存儲設備的性能和應用模式是可以滿足現階段高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求的。高清存儲的核心技術更偏向于穩(wěn)定性，例如大碼流并發(fā)讀寫的穩(wěn)定性與設備自身面對應用的穩(wěn)定性。大碼流并發(fā)讀寫的穩(wěn)定性：同樣是100Mbps的并發(fā)讀寫壓力，100路1Mbps碼流、50路2Mbps碼流和25路4Mbps碼流的寫入壓力是不同的。高清視頻應用要求存儲系統(tǒng)對更大數據塊、更大碼流的應用環(huán)境進行優(yōu)化，這種優(yōu)化一方面是存儲設備自身的優(yōu)化，另一方面，還要求存儲廠商要具有較強的軟件研發(fā)能力，能夠針對不同的平臺廠商對視頻發(fā)送的不同模式進行對接性優(yōu)化。設備自身面對應用的穩(wěn)定性：在路數不變的前提下，高清視頻要求更多的存儲空間，對單臺設備而言，意味著應用調優(yōu)，而對整個存儲系統(tǒng)而言，則考驗著存儲系統(tǒng)的整體運維能力，也是對存儲廠商的集中管理軟件易用性、大項目實施能力、大項目售后服務能力的綜合考驗。高清時代存儲面臨的挑戰(zhàn)高清時代已經全面到來，而且隨著未來技術的發(fā)展，視頻的清晰度還會更上一層樓(當然，這并不意味著存儲容量的激增，畢竟壓縮算法也在升級)，這種情況對存儲廠商而言，機遇與挑戰(zhàn)并存。機遇自不待言，挑戰(zhàn)卻是全方面的，如存儲系統(tǒng)穩(wěn)定性、面向高清應用的開發(fā)能力、面向視頻應用的RAID算法、大規(guī)模磁盤陣列管理軟件、整合開發(fā)能力以及成本控制和供貨能力。其中，軟件開發(fā)能力、成本控制及供貨能力需要引起關注。軟件開發(fā)能力主要是指存儲廠商面向監(jiān)控平臺廠商的軟件開發(fā)能力。眾所周知，全國有眾多視頻監(jiān)控平臺廠商，而過去幾年建設的“平安城市”等視頻監(jiān)控項目采用了多個平臺廠商的軟件系統(tǒng)，這就要求存儲廠商具有強大的軟件研發(fā)對接實力：一方面能夠針對監(jiān)控平臺的視頻數據傳輸模式進行存儲系統(tǒng)的優(yōu)化，另一方面也要求存儲廠商能夠和監(jiān)控平臺廠商一起面向用戶的應用需求做定制化的二次軟件開發(fā)。成本控制和供貨能力是眾多廠商所忽視的，然而隨著高清應用和視頻點數的增加，存儲設備的需求量也隨之激增。動輒數PB的存儲容量要求存儲廠商能夠合理控制存儲設備的成本，同時保證大規(guī)模存儲設備的供貨、安裝、調試以及上線。

高清時代，存儲同樣面臨著容量和帶寬問題的困擾前文計算過目前SAN架構的應用模式下，存儲性能是大于存儲容量需求的，但這并不意味著存儲廠商就無需為容量和帶寬投入精力，相反，作為專業(yè)的存儲廠商必須要做到兩點：存儲技術的前瞻性以及用戶應用的前瞻性。目前監(jiān)控系統(tǒng)還處在建設階段，監(jiān)控系統(tǒng)的用途主要是“看”，存儲的視頻數據絕大多數為無用數據，有用數據也只有在需要查看時才有可能被調出來。但隨著“大數據”時代的到來以及“智慧城市”建設的全面展開，以往被認為是無用的數據也可以變得有用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會對社會治安、城市管理發(fā)揮更大的作用。高清時代，存儲技術的前瞻性和用戶應用的前瞻性的交叉點問題即存儲容量和帶寬問題，解決之道就是“云存儲”。雖然“云存儲”近幾年已經被多次熱炒，但真正落地的卻是少之又少。個人認為，云存儲的成熟要求天時地利人和：用戶應用需求的升級、云存儲技術的真正成熟以及國家政策的扶持和標準的制定，三者缺一不可。同時，降低能源消耗及使用成本也成為棘手的問題。節(jié)能減排已經成為本世紀全球性的熱門話題。對于數據中心機房而言，每年的電能消耗數字驚人，這也催生了存儲系統(tǒng)的節(jié)能需求。節(jié)能減排應該從以下幾方面入手：1.硬盤節(jié)能：硬盤是存儲設備的主要耗電部件，硬盤節(jié)能技術的創(chuàng)新對整個存儲系統(tǒng)的節(jié)能提升意義重大;2.存儲產品自身節(jié)能：這要求存儲產品廠商在產品設計中更多地考慮節(jié)能性，如選用高能效電源、主板、CPU，采用無線纜設計降低設備發(fā)熱等;3.應用性節(jié)能：結合用戶的實際應用需求，選擇合適的存儲設備休眠策略，優(yōu)化存儲設備部署，達到存儲系統(tǒng)節(jié)能的效果。

高清存儲的未來趨勢

目前，在高清存儲領域的新技術有：RAID算法、快速重建、各行業(yè)應用的定制化能力;同時，新應用方向為：大規(guī)模“平安城市”項目建設。個人認為，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的未來趨勢絕不會走向無限高清化，而應該是圍繞解決實際問題多樣化發(fā)展。如在智能交通領域要求監(jiān)控系統(tǒng)高清、無延遲、高幀率;在城市視頻監(jiān)控要求系統(tǒng)合理應對各種天氣、燈光等外界環(huán)境;而在某些應用領域要求面向低照度的視頻監(jiān)控……因此未來的監(jiān)控系統(tǒng)將會是多種視頻格式的綜合應用。多樣化的應用更好地匹配了用戶環(huán)境對數據的需求，也給未來的數據分析、數據挖掘提供了更好的原始數據。在此基礎上，有理由認為高清存儲的未來趨勢是面向應用的視頻數據挖掘，但是這個過程會是曲折而漫長的，需要監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設備廠商突破相應的技術瓶頸。此外，“云存儲”也將為高清存儲帶來很大影響。

我們看到，云存儲解決了統(tǒng)一存儲空間、負載均衡、故障切換、無限擴容等方面的問題，匹配了未來高清監(jiān)控系統(tǒng)對存儲的應用要求，已成為未來存儲發(fā)展的必然趨勢。與此同時，也應該看到，無論從技術層面還是成本層面，目前的云存儲形態(tài)還遠未真正成熟。未來面向高清監(jiān)控的云存儲應該兼具“公有云”和“私有云”兩種形態(tài)?！肮性啤碧峁┮曨l監(jiān)控服務，面向家庭、商戶等中小型用戶;“私有云”更多是以公安、交通等重點行業(yè)自建的數據中心為主要應用。

無論是“公有云”還是“私有云”都是對現有存儲架構的劃時代革新，能夠真正使用戶體驗到“云”的便利性。高清時代的存儲行業(yè)變革高清時代，對存儲行業(yè)的相關軟硬件和系統(tǒng)提供商而言，機遇和挑戰(zhàn)并存。高清全面推進意味著項目建設的遍地開花，對存儲軟硬件產品的需求呈幾何增長，這是機遇。挑戰(zhàn)則來自多方面：一方面是技術革新，高清時代對存儲系統(tǒng)有更多、更高的要求，在技術變革的時代，產品布局不夠優(yōu)秀、好產品的技術方向把握不準確，就很容易在技術更新換代時期遭到淘汰，歷史上很多巨頭型企業(yè)的迅速沒落已經證明了這一點。另一方面，需求的增長也意味著更多的巨頭型企業(yè)進入這個原本不被注意的應用領域，帶來了更加激烈的行業(yè)競爭格局。專業(yè)存儲設備廠商必須清楚自身優(yōu)勢，并在將其優(yōu)勢發(fā)揮到極致的同時，思考產品、業(yè)務的適度外延。

智能技術智能分析作為視頻監(jiān)控下一個技術的競爭焦點，在安防監(jiān)控業(yè)內已然成為炙手可熱的研究課題。現在不僅安防設備商/集成商對此功能蜂擁而至，很多IT領域的集成商由于算法成本研發(fā)的成本不高，所以也開始從其他領域的智能識別涉足智能監(jiān)控，或通過后端SDK提供服務，或與攝像機設備商合作，并且往往在產品形態(tài)上有異于當前主流的攝像機外形。

如此眾多繁雜的攝像機產品及智能算法功能，不得不進行一些關鍵性技術的區(qū)分辨別。以深度學習的人臉檢測、人臉識別、人群分析、車牌識別、圖像識別等技術而言，普通的二維智能算法多半通過后端大數據庫的比對實現查找匹配的功能，在簡單的應用場景下，準確率都能達到85%以上，但在復雜的應用場景，如擁擠的人群、遮擋物眾多、移動速度過快等狀況下，二維智能算法的缺陷表露無遺。普通攝像機智能分析的缺點及根源在市面上，普通的智能攝像機存在三個缺點：一是不帶變焦的攝像機對遠距離的目標無法看清目標細節(jié);二是帶變焦的鏡頭雖然通過人工操作，可以看清遠處目標，但不能跟蹤運動目標，同時因完全靠肉眼觀察，容易疲勞，也需要大量人力投入，成本高昂;三是部分智能攝像機能識別車牌及實現有限的報警功能，但對安裝角度、目標距離有很高要求，不適合大面積應用，并且在對多個運動目標實現自動鎖定、自動跟蹤、自動預警等方面的技術不夠成熟。

而對