IP高清监控系统的技术探讨和设计实践

IP高清监控系统的技术探讨和设计实践作者按：面前已经陆续发表了若干个有关IP高清监控系统的基础介绍文章，与一些国外IPC产品的点评，现应一些朋友的要求，发一个IP高清监控系统的设计实例，里面有许多本人在设计过程中碰到的问题，和一些解决的方法，与广大安防从业人员一起分享，若有不正之处，请予以指导。关键词：IP监控高清摄像机存储视频监控管理平台软件一、概述当今，IP应用潮流向各个领域渗透，已经势不可挡，如何把握IP发展趋势，引入高清监控，逐渐成为各摄像机生产厂家、集成商以及业主关注的热点。本文通过对IP高清监控的技术分析、工程设计实践和存在问题探讨，希望能对各层面的安防从业者起到一定的启发和借鉴。《视频安防监控系统工程设计规范》GB50395-2007中已经对数字IP监控系统做了定义（4.0.2.4模式），“模拟摄像机增加数字编码功能，被称作网络摄像机，数字视频前端也可以是别的数字摄像机。数字交换传输网络可以是以太网和DDN、SDH等传输网络。数字编码设备可采用具有记录功能的DVR或视频服务器，数字视频的处理、控制和记录措施可以在前端、传输和显示的任何环节实施”。从中可以看到从前端到传输、到存储、控制均已实现数字化，从工程实际应用角度出发，这个数字化均是在IP化基础上实现的。在此架构模式下，我们在前端再引入IP高清摄像机，便形成一套完整的符合国家规范要求的IP高清监控系统。二、数字IP监控带来的好处1.IP监控系统的优势是全数字化，可以方便的引进高清视频技术，只需更换前端摄像机即可。2.IP监控系统前端还可以采用模拟摄像机＋DVS（视频编码器）形式接入系统，对于喜欢模拟机的用户，依然保留一份选择。3.从目前来看，IP监控系统是实现高清监控系统架构的唯一途径。监控用高清摄像机，一定要采用编码压缩，不可能采用源码流输出（HD-SDI、HDMI、DVI、YPrPb色差），监控系统无法处理和传输不经压缩的Gbps级别的数据流。若IP监控系统不设高清摄像机，则视频效果、管理功能与当前的模拟摄像机＋DVR（4.0.2.4）模式基本无差别，甚至在使用和操控的便捷程度上尚不如后者。4.对有特殊要求的用户，在IP监控平台上可以做智能视频分析。三、标清与高清的优缺点本文中所属的标清、高清是引入广电行业的清晰度分类方法，PAL制下标清的理论分辨率为625线，去消隐后，理论值为575线。而高清，则是指720p或1080i以上的分辨率，从笔者个人角度来看，高清入门的分辨率则应为1920×1080p或者1600×1200p。标清又分为模拟标清和IP标清，高清全部为IP化的摄像机。3.1标清系统的缺陷1.监控了全景，就没有了细节；2.推近、放大了某个局部，则漏掉了对全局的监控和录像；3.转到某一个视角，则漏掉了对其他方位的监控和录像；4.模拟系统做视频分析相对较困难，成本较高；3.2高清系统的优势1.全景＋细节同时监控2.清晰度高（最低1920×1080p或者1600×1200p)看得清楚，不仅有清晰的宏观记录，还有清晰的微观细节，能作为取证材料3.没有漏录、没有‘没看到’的时候（相对于标清球机的盲区）4.一台高清摄像机可以抵得上多台标清摄像机的视角和像素，从某个特定的项目工程上来看，如采用高清机则可以减少标清摄像机的数量，相对的降低造价。3.3标清与高清对比像素上的对比可以看出，高清入门机型200万像素的摄像机，像素即相当于4CIF标清机的5倍，一台相当于5台。而500万像素的高清机更是相当于十多台4CIF标清摄像机。实际图象上的对比高清图象标清图象取证，局部放大后对比图：经局部放大后，高清拍摄的由于像素丰富，画面物体、人体特征依然清晰可辨，可以作为强有力的证据信息。四、IP高清系统的设计实践下面我们结合一个实际工程案例，来探讨一下IP高清监控系统的设计思路，和设备选型原则。以某饮料生产企业为例，该企业厂区有5个车间，因自身对生产流程监控和生产过程对公众透明开放的需要，搭建一套IP监控系统。每个车间约安装50台IP高清摄像机用于对生产流水线的监控，车间外围通道、走廊、动力间、配电间等安装30台IP标清摄像机，每个车间就地设置一个分控中心。整个厂区设置一个总控制中心。4.1前端选择由于车间面积非常大，生产流水线很长，要想对流水线做到全面监控，采用标清摄像机的话，需要安装非常多的数量才能全面覆盖，现采用高清摄像机，经测算需安装50台方可达到要求。且在车间良好的照明情况下，采用COMS摄像机，能得到非常佳的画面质量。业主要对流水线上的成品、半成品进行监控，防止产品在流水线上跳轨和震落，也防止工作人员的“监守自盗”，因此对监控画面的实时性要求非常高。针对这些现场条件和需求，我们决定选用200万像素1920×1080p的IP摄像机，其主要性能指标和选择理由为：分辨率：1920×1080，16：9宽频，能够提供比4：3更加宽广的画面，适合狭长的流水线监控，减少摄像机安装的数量。帧率：在1920×1080p下达到25帧/秒，保证图象的实时和连续性，能充分监视到流水线的动态情况。压缩方式：选用H.264压缩技术，在[email=1920×1080p@25fps]1920×1080p@25fps[/email]达到2～4Mbps的平均码流；选用越低的码流，可以减少存储容量的要求，降低造价，提高经济性。镜头：选用300万像素的专用镜头，3～8mm手动变焦，自动光圈。300万像素镜头比普通百万像素镜头具有更高的分辨率，更加适合200万像素的摄像机；3～8mm手动变焦镜头，可以根据现场实际情况，灵活调节镜头的焦距，使摄像机画面更好地与流水线场地相匹配。传输接口：RJ45，100M以太网传输。供电形式：IP高清摄像机还可通过以太网POE供电，所有的连接线缆，只要一根超5类4对UTP即可。考虑到POE供电交换机造价比较高，为了降低成本，采用单独的电源线12VDC集中供电。因POE供电是属于锦上添花的东西，我们采用单独供电对摄像机的实际应用不存在任何影响，且采用低电压供电电源线可以与UTP网线共管敷设，无需单独再铺设管路。车间外围通道、走廊、动力间、配电间等其余部分，因监控场景不大，要求也不是非常高，采用常规的IP标清摄像机即可。IP标清摄像机技术非常成熟，选型和配置原则在此不再累述。4.2传输网络IP视频占用的流量较大，监控系统单独建设了一套专用的网络系统，不与其他生产、业务用的网络合用，以免互相影响，专网专用。我们先来分析一下系统设备用到的以太网端口的速率情况，然后再根据各设备对速率的需求，配置对应的交换机端口。IP高清（标清）摄像机：每台1个100M端口，共50＋30＝80台，80个端口；DVS（视频编码器）：每台1个100M端口，暂无；视频服务器（做视频流转发和管理用）：每台1个1000M端口，共2个端口；存储设备：每台2～4个1000M端口，目前按2口算，共需2台，共4个端口电视墙显示用工作站：每台1个1000M端口，每台可单独输出4路画面，共4台工作站，可同时输出16个画面，需要4个端口；管理工作站：每台1个1000M端口，设2台，共2个端口；可以看出除了前端采用百兆，后台管理和存储都是采用千兆端口。高清IP摄像机的码流比标清的来得大，但随着压缩技术的发展，今年的主流H.264压缩技术，已经能够做到在[email=1080p@25fps]1080p@25fps[/email]下，码流为2～4Mbps，相当于4CIF(D1)画质512K～2M的2～4倍，与画质提升的倍率相一致。百（千）兆以太网端口理论速度为100（1000）Mbps，实际可用率为30～40（300～400）Mbps，因此每路百（千）兆端口可以承载10（100）路左右的视频流量。考虑到TCP/IP网络内数据包的冲突、碰撞等不可靠因素，我们实际配置的时候还是留出余量，尽量降低端口（特别是上联端口）的流量负荷。一般配置采用48端口10/100M自适应带2口千兆上联模块的交换机作为接入层交换机，每个车间分中心配置2台即可，每台交换机各连接40台左右的IP摄像机。每台交换连接的高清和标清IP摄像机的数量应一致，以保持上传流量均衡。分中心配置了2台视频服务器、2台存储、4台电视墙视频工作站（接16个高清显示器）、2台管理工作站，共需12个千兆端口。需再配一台24端口千兆电口，2个万兆模块插槽的汇聚层交换机。这样的网络架构就已经逐渐清晰：百兆接入、千兆汇聚，万兆到核心。实际上上联监控中心的链路只需千兆即可，什么原因？下面控制中心章节会进行描述。一个分中心的网络拓扑图如下：上图中实线表示百兆链路，虚线表示千兆链路网络的物理链路上采用超5类的综合布线UTP，当然能用6类更好。分中心的接入和汇聚在同一个机柜内，因此汇聚与接入的连接直接采用千兆电口即可，无需再增加光模块。如果接入交换机放在场地现场，则接入与汇聚可采用千兆多模光缆连接。汇聚与核心连接最好采用万兆光纤。因厂房较大，某些前端摄像机距离接入交换机超过100米，则此段的UTP链路改为4芯多模光纤，光纤两端用100M光纤收发器，进行光电转换。传输网络小结：由综合布线和网络交换机组成，小规模的项目只要设二层（接入与核心）即可，本系统因大规模较大，设计为三层架构（接入、汇聚与核心），系统速率满足百兆接入、千兆汇聚、千（万）兆核心。这是非常成熟的网络架构，任何一个有网络系统配置和实施经验的工程师都可胜任设计。4.3分中心设计视频服务器、存储设备、电视墙、视频工作站均设置在分中心内。4.3.1视频服务器我们这里提到的视频服务器与厂家、媒体提到的视频服务器（DVS）不一样，DVS主要功能是对模拟视频的数字化编码，我们这里所说的视频服务器主要是对前端摄像机发送过来的视频流进行封装和转发到存储设备上去，同时要响应视频工作站的回放（实时和录像）的请求，从存储设备中取出对应路数的视频流，相当于是流媒体服务器。受目前PC架构的CPU总资源限制，一般管理视频流不超过64路，为了提高系统的稳定性，我们建议每台连接不超过50路。本工程我们设置管理的是40路，这样大大的提高了服务器的稳定性，同时也保证了其他终端对服务器请求响应的及时性。服务器具体选型上应采用四核至强处理器（2颗），2G以上的内存。每台服务器上配置监控视频管理平台软件。服务器、视频流及管理平台工作流程示意图：4.3.2存储设备目前IP监控工程主流的存储采用IPSAN形式，每台存储通过2～4个千兆以太网口挂到IP网上，用于接收视频服务器转发过来的视频流。对于存储来说，我们最关心的是容量大小，因为这将关系到系统的总造价。下面来对高清和标清视频存储容量进行一下计算。单路高清30天存储时间的容量＝3Mbps(平均码流)×60×60×24×30÷8（小b变大B）÷1024（M变G）÷1024（G变T）＝0.93T，为方便计算取1T容量。单路标清30天存储时间的容量＝1Mbps(D1画质下的平均码流)×60×60×24×30÷8（小b变大B）÷1024（M变G）÷1024（G变T）＝0.31T，为方便计算取0.3T容量。因此每个车间按50台高清30台标清，存储1个月时间来算：总容量＝50×1T+30×0.3T＝59T这个59T为全实时24小时录像的理论容量，实际应用时考虑到工厂放假、生产线检修、夜间停工、以及采用移动侦测录像等策略，实际容量可以降低很多，采用48T也已经足够了。每个车间80路视频的总流量＝50×3Mbps+30×0.3Mbps=159Mbps对于存储来说采用2端口千兆网络接口，对外可以达到4G的双工速度，存储内部磁盘读写总吞吐最大值为400M，一个车间分中心全部往存储写的码流为159Mbps，这个数值对存储来说是可以处理过来的，而且还有剩余的带宽来用于录像回放（读的码流）。因为存储设备造价较高，合理的配置存储，得到一个更高的性价比，是业主所关心的，也是每个设计人员所必须掌握的。一般来说，存储设备都有个最大容量（带扩展机箱槽位时），在我们用足最大容量时候，存储主机造价就能最大限度的摊薄到每T硬盘的容量上。打个比方说，一台