（计算机应用技术专业论文）网络视频监控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 由于历史、宗教、意识形态、经济差异等多种错综复杂的因素，恐怖与刑事 犯罪日趋猖獗，随着高新技术的发展，恐怖、犯罪的手段日渐现代化、智能化， 这已经成为国际性的问题。为此各国政府纷纷加强社会公共防范体系的建设与巩 固。另一方面，随着房地产市场的空前火热，以别墅和高档小区为代表的智能建 筑的拔地而起，牵引包括视频监控，门禁系统、楼宇可视对讲系统在内的楼宇智 能安防系统的强烈需求。 目前视频监控系统常常采用微机和w i n d o w s 平台，在计算机中安装视频压缩 卡和相应的d v r 软件，这样的方式存在许多缺陷，系统建设成本高，不易维护， 且维护费用较大，信息彼此隔离。 针对以上问题，本文深入分析了网络视频监控系统的关键技术，设计开发了 新型的网络视频监控系统。给出了网络视频监控系统的存储计算模型和带宽计算 模型。分析了视频录制与存储，实时监控，监控回放等技术实现过程。阐述了网 络视频监控系统的实现的具体方法。 该网络视频监控系统使用现有的网络系统，实现从监控点前端、监控中心、 监控工作站的数字化处理，具有扩展能力强，维护费用低，全数字化录像便于保 存和检索的优点为，是监控系统发展的必然趋势。 关键词：网络视频监控系统实时监控视频录制视频存储 a b s t r a c t d u et oh i s t o r i c a l ，r e l i g i o u s ，i d e ol o g i c a la n de c o n o m i cd i f f e r e n c e s a n do t h e r c o m p l e xf a c t o r s ，i n c r e a s i n g l yr a m p a n t c r i m ea n dt e r r o r , w i t ht h eh i g h - t e c h d e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n gm o d e r n i z a t i o n ，i n t e l l i g e n c eo f t e r r o r i s m ，c r i m em e a n s ，i th a s b e c o m ea ni n t e r n a t i o n a li s s u e t ot h i se n dg o v e r n m e n t sh a v et os t r e n g t h e n t h e c o n s t 九l c t i o na n dc o n s o l i d a t i o no ft h ep u b l i cs y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ha n u n p r e c e d e n t e dh o t r e a le s t a t em a r k e t ，h i g h - e n dr e s i d e n t i a lv i l l a sr e p r e n s e n tt h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，s oi n t e l l i g e n tb u i l d i n gs e c u r i t ys u c ha sv i d e os u r v e i l l a n c e ，a c c e s s c o n t r o ls y s t e m s ，v i d e oi n t e r c o ms y s t e m s ，a r ei ns t r o n gd e m a n d a tp r e s e n t ，p ca n dw i n d o w sp l a t f o r m sa r eo f t e nu s e di nv i d e os u r v e i l l a n c e s v s t e m s ，t h ec o m p u t e rv i d e oc o m p r e s s i o nc a r da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ， d v i l a r ei n s t a l l e d ，w h i c hm e a n st h e r ea r em a n yd e f e c t si nt h es y s t e ms u c ha sh i g h c o n s t r u c t i o nc o s t s ，u n e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g h m a i n t e n a n c ec o s t sa n dg r e a t e r i s ol a t i o no fi n f o r m a t i o nw i t he a c ho t h e r t od e a lw i t ht h ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ri n d e p t ha n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g yo f t h en e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m , d e s i g n sa n dd e v e l o p san e wt y p eo fn e t w o r k v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m s i tg i v e s - s t o r a g e a n db a n d w i d t hc o m p u t i n gm o d e l c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h en e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m i ta n a l y z e st h ep r o c e s so f t h ev i d e or e c o r d i n ga n ds t o r a g e ，r e a l t i m em o n i t o r i n g ，p l a y b a c k , a n do t h e rt e c h n o l o g y i te x p l a i n st h es p e c i f i cm e t h o dt oa c h i e v et h ew e bv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m k e yw o r d s ：n e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m , r e a l - t i m em o n i t o r i n g ，v i d e o r e c o r d i n g ，v i d e os t o r a g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纫1 受复签字日期：幻。7 年1 月j d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤星盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乏乞爻壶 导师签名： 悉嬲 签字日期：伽7 年1 月10 日 签字日期： 叩年f 月l l 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 由于历史、宗教、意识形态、经济差异等多种错综复杂的因素，恐怖与刑事 犯罪日趋猖獗，随着高新技术的发展，恐怖、犯罪的手段日渐现代化、智能化， 这已经成为国际性的问题。为此各国政府纷纷加强社会公共防范体系的建设与巩 固。另一方面，随着房地产市场的空前火热，以别墅和高档小区为代表的智能建 筑的拔地而起，牵引包括视频监控，门禁系统、楼宇可视对讲系统在内的楼宇智 能安防系统的强烈需求【1 】。 近年来，视频监控系统在安防领域中的地位日渐突出，作为报警复核、动态 监控、过程控制和信息记录的有效手段，图像视频信号本身具有可视、可记录及 信息量大等特点，并能提供“眼见为实”的证据。视频监控系统作为预防犯罪的 有力武器，在美国得到了广泛的应用，几乎所有的银行、商店、加油站、美术馆、 图书馆、a t m 机、机场、公交站、地铁站、写字楼、停车场、宾馆、医院、学 校等，都安装有视频监控系统。 视频监控系统正在高速发展过程中，已经渗入到社会生活的各个领域。 从发展上看，视频监控系统经历了三个阶段，第一代视频监视系统指的是以 v c r 为代表的传统c c t v 监控系统 2 1 。第一代系统存在很多明显的缺点【3 】，例如 维护工作繁琐、无法进行远程访问、无法与其他安防系统( 如门禁、周界防护等) 有效集成、录像质量将会随着时间的推移下降等。 在上世纪9 0 年代中期，以d v r 为代表的第二代视频监视系统出现在视频监 视市场上 4 1 。d v r 使用户可以将模拟的视频信号进行数字化，并存储在电脑硬 盘而不是盒式录像带上1 5 】。 第三代系统指定就是目前正在蓬勃发展的网络化视频监视系统，又称为i p 视频监控系统，它从一开始就是针对在网络环境下使用而设计的，因此它克服了 d v 洲v r 无法通过网络获取视频信息的缺点，用户可以通过网络中的任何一台 电脑来观看、录制和管理实时的视频信息【6 】。第三代视频监控系统是完全数字化 的系统，它基于标准的t c p i p 协议，能够通过局域网无线网互联网传输，布控 区域大大超过了前两代系统；它采用开放式架构，可与门禁、报警、巡更、语音、 m i s 等系统无缝集成；它基于嵌入式技术，性能稳定，无需专人管理；它灵活性 天津大学硕士学位论文第一章绪论 大大提高，监控场景可以实现任意组合，任意调用【7 1 。 i p 视频监控系统具备前代产品所不具备的灵活性、可扩展性、兼容性、可 管理性、可维护性、数字化等特点，将是大规模视频监控系统发展的方向。 1 2 本文著者主要工作及论文安排 1 2 1 本课题的主要工作 网络视频监控系统是将传统的模拟视频信号转换为数字信号，通过计算机 网络来传输，通过智能化的计算机软件来处理，系统将传统的视频及控制信号数 字化，以i p 包的形式在网络上传输，实现视频的数字化、应用的多媒体化以及 管理的智能化。 本文主要工作： 1 本文深入分析了视频监控系统的关键技术，设计开发了新型的网络视频监控系 统。 2 给出了网络视频监控系统的存储计算模型和带宽计算模型。 3 分析了视频录制与存储，实时监控，监控回放等技术实现过程。 4 阐述了网络视频监控系统的实现的具体方法。 1 2 2 本文结构 第一章，阐明了本课题的背景及研究的意义以及本领域的研究动态，并说 明了本文的主要内容。 第二章，介绍了网络视频监控系统的各种关键技术。 第三章，对网络视频监控系统的整体设计进行介绍，主要包括系统设计目 标、各种设计要素、监控中心方案。 第四章，阐述了网络视频监控系统的实现方法。 第五章，对所做的工作进行总结并提出展望。 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 2 1 总体架构图 第二章关键技术介绍及分析 所谓网络视频监控系统，顾名思义，就是将传统意义上的视频监控系统与计 算机网络有机结合而成的监控系统。它拥有全新的概念与最新的架构，代表当今 监控系统的潮流方向。从另一个角度看，它又是在标准多媒体监控系统的基础上 逐渐发展、衍变而来的。它们内部的架构大同小异，只是在信号的传输形式上， 网络视频监控系统借助于网络，更先进、灵活。 网络视频监控系统利用计算机网络进行视频监控系统的音、像与数据信号的 控制、传输，以实现通过网络中任意一台计算机由其音视频采集卡来进行音像 与数据信号的采集、压缩、传输与存储；或利用网络摄像机内置的接口( 符合 网络传输协议) ，将图像、声音信号以流媒体的形式直接传输到网络中，用户只 需借助互联网，即能随意调看、监听从网络传来的任意一台摄像机摄取的画面与 其内置监听头采集的现场声音：若有需要，还能对摄像机的云台与电动变焦镜头 进行调控。除此之外，拥有门禁报警、消防自动喷淋等功能的网络视频监控系 统，还能传输门禁刷卡数据、报警信号与红外烟雾传感器在其监控范围中采集 的模拟量数据等。 常见的网络视频监控系统架构如图2 1 所示【8 】： 1 前端设备部分 前端设备由高分辨率彩色摄像机、电动镜头、室外全方位云台、室外全 天候防护罩、高灵敏监听头、紧急报警按钮、多功能解码器、视频多媒体端机等 设备构成 9 1 。 前端设备可实现对现场图像，音频信号的采集，还能接受控制中心经解码器送 达的控制指令，控制云台电动镜头做各种旋转及变焦距等伺服动作，以保证摄像 机有更大的摄像范围和“锁定目标的需要；采集的视频信号按h 2 6 4 格式存储 在硬盘中，供事后查证。 2 传输部分 系统的传输部分充分利用国家公用数据网( d d n ) ，各多媒体端机通过d d n 基带m o d e m 接入中国电信的d d n 公用数据网，使整个系统形成广域网的结 构。可传输的信号如下所述。 天津丈学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 剖 c 艚i # 娜 一# l ，十& 十一u l ! g oo l i # m ，o 一 $ ，o 镕0 9 s 目， 障* # pr 1 2 ，m s 图2 一l 网络视频监控系统架构国 各监控点位的图像声音和报警信号，上传到中心控制室； 各分控系统与中心控制室实现有关数据的艰向传输； 控制中心室所分发的控制信号与公共广播信号的传输 分控系统与各监控点位之间的取向传输，如图像声音和报警信号的上 传与控制信号的分发等， 3 控制中心部分 中心控制系统是建立在分控系统局域网基础上的，通过d d n 基带m o d e m 接入d d n 公用数据网，并与各前端多媒体端机组成广域网。 由于采用了分布式结构与分权限管理方式，因此在中心控制系统中，其分控 局域网的每台授权p c 均可充当整个视频监控系统中的一个控制主机，同时也 能对前端的云台及电动镜头任意控制。 控制中心装备多台专业级l c d 监视器，采用多画面分割器，使每台监视器 可同时输出多路图像，还装备大屏幕p d p 作为监控墙，用以同时显示从多路图 像中任意选出的n 路图像。 系统的效字图像记录设备，采用专业级d v r ，不仅拥有硬盘录像或重放功 能，还能按照时间日期来进行录像检索。 4 分控系统部分 在n 个下级单位，分控系统也设置相同的工控p c ，同样利用d d n 基带 m o d e m 接入d d n 公用数据网，实现与中心控制主机一样的控制功能，但其 权限低于主机。 章蛾蚕 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 2 2 网络摄像机简介 2 2 1 网络摄像机结构 网络摄像机的应用，使图像监控技术有了一个质的飞跃； 网络的综合布线代替了传统的视频模拟布线，实现了真正的三网( 视频、音 频、数据) 合一； 网络摄像机即插即用，工程实施简便，系统扩充方便； 跨区域远程监控成为可能，特别是利用因特网，图像监控已经没有距离限制， 而且图像清晰，稳定可靠； 图像的存储、检索十分安全、方便，可异地存储、多机各份存储及快速非线性 查找等。 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、图像编码 器 i 们、声音编码器、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、声音传感器 图像传感器有cm os 和cc d 两种模式【1 1 1 。 cmos 即互补性金属氧化物半 导体，由硅和锗两种元素组成，通过cmos 上带负电和带正电的晶体管来实 现基本的功能【l2 1 。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录，解读成影 像。cmos 相对于ccd 最主要的优势就是非常省电。其耗电量只有普通c cd 的1 3 左右。但cmos 在处理快速变换的影像时，会由于电流变换过于 频繁而过热，暗电流抑制得好就问题不大，如抑制得不好就十分容易出现杂点【l3 1 。 c c d 图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传输电路 构成。光电二极管把光信号转化成电信号，再经转化电路传送和输出【1 4 1 。 通常，传送优良图像质量的设备都采用c c d 图像传感器，而注重功耗和成本的产 品则选择c m o s 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 留适合于特定用途的某些特性。 声音传感器即拾声器( 或麦克风) ，与传统的话筒的原理一样。 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c m o s 模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口，无需a d 转 换器；而基于c c d 模式的图像传感器模块也有直接数字输出的接口，亦无需 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 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，需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频信号与多媒体信号的数字化，便于在计 算机系统及网络上不失真地传输信号。 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d s p 的软件编码压缩，即软件运行在d s p 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编码压缩。 5 控制器 控制器是网络摄像机的心脏，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d s p , 即两者合而为一。 6 网络服务器 网络服务器提供网络摄像机的网络功能，采用r t p r t c p , u d p , h t t p , t c p i p 等相 关网络协议，允许用户从自己的p c 机上使用标准的浏览器，根据网络摄像机的 i p 地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，以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4 8 5 接口、用于报 警信号输入输出接口。例如，当红外探头发现有目标出现时，可发报警信号给 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、声音信号经过麦克风输入后， 由图像传感器和声音传感器转化为电信号，在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，在控制器的控制下， 由网络服务器按一定的网络协议送入局域网或i n t e m e t 。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。 2 2 2 具体实现方法 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、商场等传统监控，而且也能通过i n t e m e t 用于新型、跨区域的远 程监控及网上展示，如远程看护、无人值守的通信机房监控、旅游景点网上演播、 产品网上展览等。 以广州安居宝科技有限公司完全自主开发的网络摄像机为例，系统有如下一 天津大学硕士学位论文 第二章关键技术介绍及分析 些特点： 1 把图像进行m j p e g 编码压缩，通过网络利用t c p i p 协议进行传 输；通过网络摄像机( 或镜头) 、云台和其他外部设备进行操作控制； 2 内置一个i u 4 5 接口，该接口可接1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网卡，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；一个r s 4 5 串口，且可以对镜头、云台 进行控制，或连接其他外部设备； 3 内嵌w e bs e w e r ，允许用户从p c 机上使用标准的浏览器对各窗口进行 操作；具有单独的安全机制，可以对操作本摄像机的用户进行分级别的权限验证； 4 有中心的集中式管理与控制的监控网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 3 网络传输设备 计算机网络都是通过各种网络传输设备连接起来的。这些设备被称为连通硬 件。其中，局域网( l a n ) 中的传输设备主要有网卡、转发器、多站访问单元、 集线器、路由器、桥式路由器、转换器；广域网( w a n ) 主要包括多路器、信 道组、专用网、调制解调器、访问服务器和路由器【1 5 】。只有了解了这些网络设备 的基本功能，才能较好地配置网络，从而建立网络视频监控系统或是实现基于网 络的分控。 1 网卡 网卡，全称为网络接口卡，是用于连接计算机与传输媒介的物理板卡，通常安 装于计算机的扩充槽中，有些则直接集成在计算机主板上。从性质上说，网卡也是 一种网络收发器或传输媒介适配器。计算机装上网卡再通过相应的网络连线，才 可以与其他同样配上网卡的计算机共同构成局域网。 网卡一方面通过i s a 或p c i 总线与计算机连接，另一方面又同时与光纤或电 缆等通信介质连接。因此，网卡既可以把计算机内的各种数据传送到网络介质上， 又可以从网络上接收各类数据信息。 网卡在网络中起着极为重要的作用：准备数据，发送数据，控制数据流量和接 收数据。 在工作中，计算机首先告诉网卡将要发送的数掘，并为没有缓冲区的网卡分配 好内存；然后，当网卡接收到要发送数据的信息后，如果自身不忙就会告诉计算机 自己已经准备好；最后，网卡通过总线接口从计算机内存中将数据搬移到网卡。由 于网卡的处理速度一般都比较慢，所以网卡在传递数据前，需要和对方就发送数 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 据的速度、最大的数据帧大小、发送数据时的时间间隔、等待数据确认的时间、 每次数据确认前发送的数据量等进行协调，一旦所有的因素都被协调好，网卡就 开始向网络上传输数据了。 2 转发器 转发器将两个或多个电缆连接起来，并将所有的输入信号重新传输到其他段 上1 16 1 。其主要功能包括：扩展网络段，使结点的数目不再受到电缆短的限制；不 停地检测网络上的问题，并能连接其他网络设备上的结点。转发器的优点在于价 廉，但是由于要向所有的输出段发送信号，因而使网络更加繁忙，降低了传输效 率。 3 多站访问单元 多站访问单元( m a u ，m u l t i s t a t i o na c c e s su n i t ) 用于连接令牌环网，是连接 令牌环网的核心设备，它工作在o s i 参考模型的物理层和数据链路层，在令牌环 路上将数据帧从一个结点向环中的下一个结点传送。 4 调制解调器 如果用户没有局域网环境。例如，只有一两台计算机，也没有其他局域网接入 设备，仅仅通过电话线也是可以与其他异地计算机连成网络的。在这种情况下， 计算机需通过调制解调器并借助电话网( p s t n ) 或综合业务数字网( i s d n ) 接 入网络，即计算机信息在发送时先经模拟或数字调制，在接收端再经过与发送端 相反的解调过程，即可形成计算机能识别的数字信号。这样，如果在某个孤立 的站点安装有多媒体视频监控系统或支持拨号访问的硬盘录像系统，在远端通过 电话拨号，就可以在自己的计算机上看到该站点监控的现场画面了。 调制解调器具有内置式和外置式两种。其中，内置式又分为插卡式和主板集 成式。插卡式调制解调器可插于计算机主板的i s a 或p c i 插槽上，主板集成式 则直接做于计算机的主板上。 它们都是通过板卡上的i u 一1 1 接口与外来电话线相连接，同时还有一个环 出r j 1 1 接口用于连接电话机；外置式调制解调器通过r s 2 3 2 接口及连接电缆 与计算机的r s 2 3 2 接口( u l j “串口”) 相连接，另外，除了r s 2 3 2 口和两个 r j 1 1 电话线接口外，外置式调制解调器还有一个外接电源接口，因为它需要通过 外接电源来供电。 调制解调器的主要指标是数据传输速率。另外，在实际的网络传输中，数据 传输速率与电话线路上的噪声直接相关，电话线路的质量差分直接影响数据传输 速率，与进行通信的两端设备有关，若高速通信设备与低速通信设备相连时，通 信速度以低速通信设备为准；还与用户使用何种系统及硬件配置有关，系统不同 些通信速率也会不同。 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 5 中继器 中继器工作在o s i 参考模型的物理层【l 引。当信号在媒介上经长距离传输而 变得越来越弱时，就要使用中继器。它可以对数据脉冲进行放大和整形，以消除 衰减和失真。 实用中，中继器只适用于同一种或差异仅存在于物理层的网络之间的连接， 即只需要信号的整形放大就可以实现两个网络之间的耦合。对于数据链路层以上 的协议来说，用中继器连接起来的若干段电缆与单根电缆是没有区别的( 可能某 处会稍许有一些延时) 。因此，中继器的主要功能在于延长电缆的有效连接长 度，还可以起到以太网拓扑结构的功能。简单的中继器在放大有用信号时会将噪 声一同放大，而质量好的中继器能首先将有用数据提出，然后对数据信号进行放 大。 由于中继器在物理层提供了大的驱动电流，因此适合于长距离联网，但它对 网络流量没有控制功能，在使用中应注意不能形成环路，要遵守m a c 协议的 定时特性，不能用中继器将电缆无限连接。 6 集线器 集线器是一种特殊的中继器，有多个输入和输出端口，用来在媒介段间的中 央点进行连接，以星型拓扑结构连接网络结点。它可将多个不同的介质段连到一 起，而不会引起严重的杂波和干扰。因此从物理结构上看，集线器相当于将所有 连接计算机的网线集结在一起，是所有网线的一个“集结点”。通常有非延加集 线器、可延加集线器和智能型集线器3 种。可延加集线器也被称作有源集线器， 即有放大信号的功能，因而可以有效地延长信号的传输距离。 常见的集线器有4 口( 即具有4 个r j - 4 5 接日) 、8 口、 l6 口和32 口型。根据适用网络传输速度的不同，集线器又可分为1 0 m 、 1 0 1 0 0 m 自适 应和1 0 0 0 m 自适应型。通过把2 个或2 个以上的集线器级联，可以扩充网络中 的- 4 5 接口数量，从而增加联网计算机的数量。 7 网桥 网桥工作在o s i 参考模型的数据链路层，是一种在该层实现网络互联的存储 转发设备。大多数网络，尤其是局域网，在结构上的差异体现在数据链路层的介 质访问协议( m a c ) 中，因而网桥被广泛地用于局域网的扩展项目中。网桥从一 个网段接收完整的数据帧，进行必要的比较和验证，然后决定是丢弃还是发送给 另外的网段。转发前，网桥可以在数据帧之前增加或删除某些字段，但一般不 进行路由选择过程，因此，网桥具有隔离网段的功能。智能型的网桥甚至可以连 接两个不同的网段，例如，连接以太网段和令牌环网段。在网络上适当地使用网 桥可以起到高速网络负载、提高整个网络传输性能的作用。 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 由于网桥工作在数据链路层，因此，它所连接的网络的覆盖范围不受以太网 覆盖范围的限制。但对于大型网络，两个最远的网段之间经过的网桥并不是任意 的，一般不超过5 个；否则，可能会使整个网络的性能下降。 和中继器比较起来，网桥能完成更多的工作。网桥能够在数据帧上重生数据， 而中继器却只能简单地进行放大；可以检查每个数据帧的目标地址和源地址，并 建立一个路由表；还能够有选择地传送数据，因而可以有效地隔离网络的故障。 网桥中的路由表是这样建立的：首先判断数据帧是否有效，如果有效，则把数 据帧的源地址和网桥路由表中的地址进行比较；如果该地址在路由表中已经存在， 就直接重生和传输数据帧，否则就把该地址加入路由表中。由此可知，网桥中的 路由表最初是空的，随着网络数据的传输，计算机的地址渐渐地增多，一旦所有 的计算机都发送过信息，路由表中就存储了全部的地址。 当网桥进行数据转发时，路由表就显得很有用了，因为网桥会将路由表中存 储的目标地址与数据帧的源地址进行比较。当网桥接收到数据后，如果确认数据 帧的目标地址和源地址在同一个网段，就把该数据帧忽略，不再发给其他网段； 如果目标地址和源地址不在同一个网段，就只把该数据帧发给目标地址所在的网 段，使数据不必发给其他无关的网段。这两种情况都有效地减小了网络的信息流 量。如果数据帧的目标地址不在路由表中，就将数据发给除源地址外的所有网段。 8 路由器 路由器与网桥的最大差别在于网桥实现网络互联发生在数据链路层，而路由 器发生在网络层，主要用于连接不同的网络。路由器通过访问网络地址对网络层 上的数据和路由数据帧进行交换，而不像网桥那样是利用物理地址( 或者说是 m a c 地址) 来交换数据。因此，在网络层上实现网络互联需要相对复杂的功能， 如路由选择、多路重发及错误检测等均在这一层上用不同的方法来实现。路由器 中也有一个路由表，但它不像网桥中含有的物理地址那样，路由器中含有的是网 络地址，因而它能包含所有己知计算机的网络地址。当路由器收到数据帧时，它会 先检查该数据帧的目的地址，并通过对路由表的检查确定一条最佳的传输路径，然 后通过这条路径把数据帧发送给目的地址。 路由器还具有缓存数据的功能，因此它能够控制数据的流量，使发送端和接 收端的速度保证相互匹配，从而避免数据的丢弃；同时，它还可以对数据重新进行 分组和分段，当数据过大而使接收端无法接收时，路由器就将大的数据帧分成小 的数据帧，以便对方的接收，避免了重复发送。 与网桥相比，路由器的异构网互联能力、阻塞控制能力和网段的隔离能力等 方面都要强很多。路由器是局域网和广域网之间进行互联的关键设备，通常的路 由器都具有负载平衡，控制网络流量及提高系统容错能力等功能。一般来说，路 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 由器大都支持多协议，提供多种不同的电子线路接口，从而使不同厂家、不同规 格的网络产品之间，以及不同的网络之间进行非常有效的网络互联。 9 网关 网关实现的网络互联发生在网络层之上( o s i 参考模型的第4 7 层) ，因此 它是网络层以上的互联设备的总称。对于网络体系结构差异比较大的两个子网， 从原理上来说，在网络层以上实现网络互联是比较方便的。对于局域网和广域网 而言，下面三层的结构差异比较大，它们之间的耦合是十分复杂甚至是不可实现 的。在这种情况下，一般采用网关进行网络互联。 2 4 网络视音频传输控制 数字视音频压缩技术的发展使得视音频信号经由网络传输成为可能，网络也 不再单一用于计算机数据通信，视频监控、防盗报警、出入口控制、电子巡更 及其他数据接入服务等都可以借助于计算机网络来实现【憎】。甚至有些智能化的彩 电、冰箱、洗衣机、微波炉等家用电器也都配置了网络接口，并具备了上网功能， 它们可以通过网络下载家用电器的优化工作程序，还可以由用户在远程通过网络 遥控启动某些家用电器的预定的工作程序。 2 4 1 网络视音频传输 从物理结构上看，计算机网络己经将所有的计算机通过网络接入设备及有 线或无线介质连接在一起。因此，从理论上说，视频监控系统中的所有设备通 过适当的网络接入设备都己连接到计算机网络上，并且借助于该网络进行视音 频信号的传输及设备状态的控制。 近年来，在视频监控系统中又提出了网络摄像机及视频网关的概念。它们以 独立设备的形式，不经过计算机便可以直接接入网络，而网络上的任何一台计算 机都可以通过专用的或通用的软件来查看画面、监听声音或进行各种控制操作。 与网络摄像机相比，视频网关自身不带摄像机，因此它具有一对视频输入 输出端口，可以接收由普通摄像机送来的视频信号，并通过其内部数字处理，输 出符合t c p i p 传输协议的数字视频流到网络上。其视频输出端口用于外模拟监 视器，其报警、通信接口与踊述的网络摄像机的功能完全一样。有些视频网关可 以连接多路摄像机。 无论是网络摄像机还是视频网关在接入网络后都会有自己的i p 地址，因而 网络上的任何授权用户都可以通过联网的计算机找到任何一台摄像机监看画面， 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 并对其云台镜头进行控制，这就完全打破了传统监控系统传输距离的限制，也 大大减少了线材成本及施工费用。 在进行系统连接时，首先应将视频网关通过具有r j - 4 5 接头的5 类网线接 入计算机网络，然后再接入摄像机、解码器及报警探测器，最后接通电源，就可 以进行软件设置了。 2 4 2 网络控制方法 在综合型的安全监控系统中不仅传输视音频信号，还传输多种控制信号， 而这些控制信号原来大都是按r s 2 3 2 4 8 5 通信协议来传输的，因此，有些厂 家专门开发了可以将r s 2 3 2 4 8 5 通信协议与t c p i p 协议进行双向转换的通 用转换盒。这样，视频监控系统中的前端解码器与系统主机的通信、出入口控 制系统中各门口读卡器与系统主机的通信就都可以借助该转换盒并通过网络实 现“透明”传输。其他具有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信接口的设备也可以通过该转 换盒直接接入网络，以网络对这些设备进行控制。需要说明的是，由于前述的网 络摄像机或视频网关已经内置了这种转换盒的功能，因此视频监控系统中的前端 解码器可通过网络摄像机或视频网关的内置r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信接口直接 接入网络。 如图2 2 所示，为仅用单路视频网关及一台1 6 画面分割器实现1 6 路视频 信号经网络传输的原理图。这显然是最经济的多画面网络接入方式。任何一台联 网并安装了监控软件的计算机都可以显示经视频网关传来的1 6 画面分割器输出 的视频画面，并可以对前端的一个解码器进行控制。而其中对于画面的选择控制 则是经由t c p f l p 转换盒将控制指令转换为r s 2 3 2 通信格式后，通过对1 6 画 面分割器的r s 2 3 2 接口进行控制来实现的。这里，t c p i p 转换盒不仅可以控 制1 6 画面，还可以接入具有r s 2 3 2 接口的水、电、气“三表”传来的数据信 息。 ， 网络视音频接入设备的应用程序界面一般有两种形式：一是普通的 w i n d o w s 应用界面，通常是用v i s u a lc + + 或v i s u a lb a s i c 语言编写而成，因此 未安装网络视频监控应用程序的用户不能通过网络看到网络摄像机视频网关 传来的图像，当然也不能对其进行控制；另一种是通用的i n t e r n e t 浏览器界面， 用h t m l 语言编写而成，用户不需要安装专用的网络视频监控应用程序，用i e 浏览器即可以看到上述网络监控设备传来的监控画面，此时，只有通过使用密码 验证才能限制非授权用户接入本监控系统。 天津大学硕士学位论文第二章关键技术介绍及分析 图2 2 视频信号经网络传输的原理图 - 1 3 天津大学硕士学位论文第三章网络视频监控系统设计 3 1 组网与部署 3 1 1 目标 第三章网络视频监控系统设计 本项目将以建立科学的防控机制、指挥机制和运行管理体制为核心，以先进 的技术为手段，以提高治安管理者的防控能力、快速反应能力和协同作战为目的， 以群众满意为标准，构建“听得见，看得着，查的到，控制得住的防控体系。 本次建设项目要求如下： 1 前端 摄像机数目：新增6 9 9 台摄像机( 并考虑后期扩容1 0 0 台摄像机) 摄像机分布：分散分布 摄像机类型：模拟摄像机 摄像机接入：光纤接入 编码方式：h 2 6 4 分辨率：d 1 - 。 编码时延：无量化标准，治安监控，时延越小越好 摄像机供电方式：近供 语音通道：摄像头要求有下行的语音通道，方便实现喊话功能。 2 存储 时长：1 5 天 3 管理、控制 需支持基本控制如：方向、焦距、光圈、预定义巡航等。 摄像机可以支持按地区、或按组织架构进行分组管理和控制。 4 控制中心 解码器+ 上电视墙，p c + 上电视墙 5 权限管理 监控中心可以分级，上级中心可以对本级和下级中心进行管理和控制，可以 调用管辖范围内任意一路监控图像 下级中心只能管理和控制本级 天津大学硕士学位论文第三章网络视频监控系统设计 权限由上级中心统一配置 6 互联互通 需考虑后期集成现有1 0 0 路摄像机 3 1 2 总体拓扑 本次工程中，将在网通机房建设一个数据中心机房，此监控中心将负责6 9 9 个摄像头的接入和存储。后期并接入原有模拟监控系统平台已经部署的1 0 0 路摄 像机。 ：安鬈”乓=六? n：i 黟 吃意。亲 篙f 摆黥。船一 如图3 一l 所示各个系统组件功能如下： i 媒体服务器( m e d i as e r v e r ) m e d i as e r v e r 是i p v s 系统的核心组件，它将接收所有视频服务器发送过来 的实时监控媒体流，并将其存 n a s 系统，同时将相关的元数据信息发送给元 数据服务器。 内置的i pm a t r i x 模块能够将实时监控媒体流发送到其他的媒体服务器或者 监控终端，网络传输可以支持u n i c a s t 和m u l t l c a s t 两种方式。 内置的d e v i c e a d a p t e r 模块能够接收前端设备发送的事件和告警信息并继续 传递给元数据服务器或者相关的监控终端，或者是将监控终端的p t z 控制信息 传递给前端设备。 天津大学硕士学位论文第三章网络视频监控系统设计 内置的r e s o u r c em a n a g e r 模块维护媒体服务器所相关的前端设备的信息。 内置的c o n n e c t i o nc o n t r o l l e r 模块维护监控终端的实时视频监控请求以及控 制i p m a t r i x 的操作。 2 流服务器( s t r e a m i n gs e r v e r ) 流服务器可以为监控客户端提供实时监控数据流和监控录像回放功能。 3 认证服务器( a a as e r v e r ) 认证服务器一般部署在监控中心，它对监控终端用户进行认证，只有通过了 其认证和授权，才能对视频流进行监控以及对前端设备进行控制。 4 元数据服务器( m e t a d a t as e r v e r ) 元数据服务器保存了各个设备的配置信息以及从前端设备上传的事件、告警 信息。另外，元数据服务器直接与数据库系统相连，是各类查询的接口。在进行 跨域视频调用时，元数据服务器也将负责相关信息的交互与传递。 5 网络管理服务器( n m ss e l n e r ) 网络管理服务器可以监控各个设备的运行状态，下发配置文件，l o g 和故障 管理，软件升级管理等。 6 时间服务器( n t ps e r v e r ) 时间服务器能够保障系统中各设备能够保持统一的时间参数。这样可以使实 时监控、录像回看的时间更精确。在所存储的媒体需要被调查取证时，尤为重要。 7 动态域名服务器( d d n ss e r v e r ) 前端设备( 如摄像机或者视频服务器编码器) ，在进行注册时需要使用到动态 域名服务器进行域名与i p 的映射，从而在其i p 地址不固定的情况能够方便的在 系统中注册并与其他设备进行交互。 8 监控客户端( s u r v e i l l a n c ec l i e n t ) 监控客户端是为客户实现提供实时监控、录像回放、前端设备控制等功能的 软件包，可以安装在w i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s x p 等操作系统平台上。 9 监控电视墙( t vw a l l ) 相关 媒体服务器具有软件矩阵的功能，和解码器相配合可以将监控点情况实时信 号传递至电视墙。并且可以方便进行监控点图像的选择与切换，及时了解现场状 况。 3 1 3 视频监控平台与承载网 1 核心层 天津大学硕士学位论文第三章阿络视频监控系统设计 函0 移 图3 2 核心层架构图 0 函 如图32 所示： 在数据中心机房，配置2 台认础网管服务器和2 台元数据服务嚣做i + 1 备 份，阻及2 台流服务器。码流d 12 m ，存储1 5 天：配置6 9 9 9 0 + 1 - 一) 台媒体服务 嚣，1 4 台n a s ，共5 个机架。 端口需求。采用l 台$ 6 5 0 6 r 做核心交换机，每台$ 6 5 0 6 r 上配置1 块4 8 端 口千兆电口模块连接服务器和存储设备，1 块8 端口干兆光口模块连接视频监控 承载网汇聚层设备以及公安市局内网。如表3 - 1 所示： 表3 - 1 核心层端口需求表 一- ，一，屠器、 天津大学硕士学位论文第三章网络视频监控系统设计 2 汇聚层 在平山、小堡和南地部署汇聚交换机。 以平山汇聚为例。如表3 2 所示： 表3 - 2 汇聚层端口需求表 单位 端口统计 平山局 4 8 东明局 4 3 三合接入网 2 0 平山乙楼接入网1 7 彩北o 国信接入网1 8 锦程接入网1 4 永山接入网4 彩北e 区接入网 1 7 彩力接入网 1 6 郑家接入网 1 0 柳唐接入网 5 溪湖 2 2 总计2 3 4 因此，需要2 3 4 * 2 4 2 m b p s = 5 6 6 m b p s 上联带宽。需要l 路上联千兆光口，下 联千兆光口 3 接入层 以平山为例。平山局监控点数为4 8 ，则需要4 8 个1 0 0 m 光口。上联带宽需 要4 8 * 2 4 2 m b p s = 1 16 m b