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视频监控系统的IP化发展给网络融合带来的前景分析同方泰德国际科技（北京）有限公司 付俊建筑智能化系统IP网络融合实验，视频监控篇摘要：主要对视频监控系统的发展趋势进行了详细的分析，描述了现存视频监控系统的几种不同架构。分析了我们做网络融合实验的缘由、目的，并通过一个典型案例的实验结果对视频监控系统中各种数据流的特征进行分析及总结。最终的目的是为建筑智能化网络融合提供量化的数据和融合承载问题的分析方法。关键词：摄像机；编解码；视频流；存储1 系统概述视频监控系统是由摄像机、传输链路、控制系统、显示和存储五大部分组成。前端摄像机按技防要求和针对不同区域的布点原则分布在各层楼面，将视频信号通过同轴电缆（或者双绞线）传送到相关弱电间，再通过统一的承载网络传输到弱电总控中心。在总控中心，操作人员可发出指令，对云台的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作；建立专用的存储网络，存储设备集中放置在总控中心内，所有视频信号通过网络传输到中心的存储设备进行存储。在总控中心设置解码器和工作站用于观看和控制实时视频和回放记录的图像，视频图像可显示在模拟监视器上，也可显示在计算机监视器上。视频图像的观看/控制，以及记录图像的回放，可以通过计算机鼠标来控制。2 系统架构发展分析视频监控系统按其发展轨迹可以分为三大阶段：模拟视频监控阶段、编解码视频监控阶段及全IP视频监控阶段。模拟阶段的核心设备是视频矩阵，由模拟摄像机、画面分割器、视频矩阵、监视器和硬盘录像机组成。摄像机的图像由同轴电缆（或其他介质）传输，并由硬盘录像机进行存储。模拟视频监控系统具有技术成熟、性能稳定、操控性好等优点，至今已存在并发展了20多年。伴随着网络技术、存储技术与视频监控技术的不断发展和融合，视频监控系统的组成、架构发生了根本的变化，模拟系统正在慢慢的退出历史舞台。编解码阶段的核心设备是视频编解码器，由模拟摄像机、编解码器、监视器和硬盘录像机组成。编解码系统的缺陷是：系统结构复杂，前端摄像机的传输需要经过多次的数模转换，信号损失很大，主要为标清摄像机，像素较低，虽然目前的应用场合较多，但是随着智能网络系统和高清摄像机的茁壮发展，该系统的增长趋势减缓，最终将被全IP系统逐渐取代。全IP阶段没有核心的硬件设备，系统变得开放而分散，由网络摄像机（IPC）、视频解码器、中央管理平台及存储系统组成。可以实现视频网络传输、远程播放、存储、视频分发、远程控制、视频内容分析等多种功能。具有无线传输、PoE供电技术及高清像素等优点，缺点就是价格偏高，技术还不够成熟，在施的案例较少。数字技术和以IP技术为核心的网络技术的发展，改变了包括视频监控系统在内的各种建筑智能化子系统的传输架构，原本封闭的视频监控系统逐渐转向开放性和标准化。视频监控系统已经开始从模拟系统向编解码系统、全IP系统发展。基于智能化计算机网络，采用IPC（IP摄像机）的数字化视频监控系统，相对于传统的闭路电视监控系统，其整体功能更为强大、扩展性更优异、灵活性更强。不但解决多栋建筑间的布线问题，而且随着今后的建设规模扩大，不需要在硬件配置上变动，便能实现升级。它不仅可以实现传统视频监控系统的各项功能，还能够有机整合本地及远程的视频图像，对其进行统一的管理和存储，实现视频资源的综合管理和应用。伴随着建筑结构的越来越复杂及多样化的管理需求，视频监控系统的IP化是未来的主流发展趋势。3 视频监控系统IP融合实验分析目前，智能建筑行业产品的数字化技术已趋于成熟，随之而来的工作就是厂商们逐步将产品传输架构向IP网络移植，大部分厂商已陆续推出不同深度的，基于IP架构的产品和解决方案，并逐渐成为行业应用主流，在这个大前提下，建筑智能化各系统由传输独立组网到智能化业务统一融合承载的时代，已经到来了。但能否和其它智能化子系统有效承载在同一网络平台上，这仍然是个悬而未决的问号？在视频监控系统中，伴随着视频监控系统的规模越来越大和视频图像的高清化发展，单台摄像机的码流越来越大，整个系统的传输带宽翻倍扩大。而且在整个系统中，视频流的突发流量、存储数据的高可靠性要求及各种视频流之间的优先级保障等等，它们给承载网络带来了非常巨大的压力。这也就奠定了视频监控系统在网络传输中的主导地位。举个简单的例子，视频监控系统的流量，如果设定分辨率为D1和2Mbps码流的话，一个单路编码器的监控摄像头会产生2Mbps的实况流和存储流。对于一个千兆的网络交换设备而言，能承载多少个单路编码器？并不能以简单的1000/(2+2）=250个得出所能够承载的单路编码器的数量。而为了解答这个问题，首先我们要引入视频压缩算法这个概念。目前主流的算法有M-JPEG和H.264两种。压缩算法由I，B和P帧组成，I帧是帧内编码帧，将全帧图像信息进行JPEG压缩编码及传输；P帧是前向预测编码帧，以I帧为参考帧；B帧是双向预测内插编码帧，是由前面的I或P帧和后面的P帧进行预测。就视频来说，仅I帧就可以重构完整的图像，所以给网络带来的突发压力主要是在传输I帧时。其次我们要考虑网络承载的突发负荷和传输的优先级保障机制。假使采用PAL制式的摄像机，每秒25帧。实际上由于监控场景的运动复杂程度和编码器的算法等因素，码率并不是平均的分布在25个帧间隔内的，而I帧图像的突发大小对于输出的码率就会有很大的影响，可能会导致码率数倍的增大。因此对于视频监控的IP 承载网络来说，突发流量属于潜在的影响因素，一旦在网络规划及设计时没有考虑此因素，并为此留出设计余量的话，势必会造成网络的拥塞以及视频数据报文的丢失，并使监控画面卡顿、产生马赛克等现象。这只是我们的理论分析，要了解视频在网络中传输的特性，我们需要一些真实的测试数据。而且测试时要尽可能地使用真实流量，同时为了能够得出量化的测试数据，还要结合测试仪器产生的测试数据，通过多个方面的数据做综合分析，得出最终的测试结果，这种情况下得出的测试数据和现实最接近、最可信。 3.1 典型应用场景本次视频监控系统的网络融合实验采用了H3C的监控平台，选择清华同方实际在施项目中最具代表性的“商务办公建筑”为典型环境：建筑面积69343平米，地上35层，地下2层。该模型具备智能建筑的典型项目特征，将其适当扩展可以较容易的得到其他类建筑及建筑群和园区的设计思路，对分析其他智能化系统也具备完整的参考价值。系统共包含344路标清摄像头，2路高清摄像头，24小时提供实时监控图像的存储业务。34个标清解码器和2个高清解码器将实时的监控画面上电视墙，并以轮巡的方式显示所有实况监控画面。8台标清客户端及2台高清客户端既可实时调用实况监控画面，也可查看历史画面。3.2 系统架构本次视频监控系统测试既没有选择已经逐渐退出主流市场的模拟系统，也没有选择现阶段还处于不是很完善的全IP系统，而是采用目前市场的主流架构“模拟摄像机+编码器”，原因归纳起来如下：1、 可以实现全数字化管理，为用户提供灵活的解决方案；2、 前端模拟摄像机兼容性好，产品线成熟，功能、类型不受限制；3、 可以保护前期投资，这是IPC短期内无法超越的优势；4、 传输网络部分的带宽压力要低于高清系统；5、 存储容量相对于高清系统来说也会更小。而且随着视频技术的全IP化发展，采用IPC架构的话相对于编解码系统来说会少一个编码器的节点，对于我们今后的测试和分析而言会更简单。本次测试的系统架构由以下几部分组成：1、 用于采集视频信号的前端摄像机；2、 对摄像机进行编码的设备；3、 传输路由及通信设备；4、 用于显示的解码器和监视器组成的电视墙；5、 集中存储设备；6、 中控室设备，包括各种服务器及工作站。系统通过统一承载网络传输到安保控制中心。安保控制中心配置管理服务器、集中存储设备、监控工作站等设备，实现视频信号的管理和存储；配置视频解码器和电视墙，实现视频图像的显示。3.3 典型业务流量分析所属业务需关注的业务流量各种流的特征实时图像及报警图像存储业务存储流事后查证，对实时性要求不高，因此需要保障尽量不丢包，它对延迟、抖动及丢包率敏感度低，采用TCP/ISCSI协议传输实时图像调用及显示业务实况流需要保障图像的显示效果，是要重点保障的，它对延迟、抖动及丢包率敏感，所以采用UDP/TS协议传输历史图像调用业务回放流需要保障图像的显示效果，是要重点保障的，它对延迟、抖动及丢包率敏感，所以采用UDP/TS协议传输1）存储流：存储流为单向流量，方向为从编码器到IPSAN。2）实况流：分为两部分，编码器向流媒体服务器发送单向实况流；流媒体服务器向解码器/客户端发送复制后的实况流。3）回放流：回放流是以IPSAN为起点，经过数据管理服务器转换，到客户端终结的视频流，回放流以数据管理服务器为中心点，前后分为两段。4 验证实验用于流量采集的IP设备：视频管理服务器、数据管理服务器、流媒体服务器、IPSAN、标清编码器、高清编码器、标清解码器、高清解码器、客户端及流量捕获工作站接入到同一台交换机上。H3C视频监控系统主要业务流的传输指标如下表：交换机队列对应COS值业务流量类型业务可容忍时延(us)实测最大时延(us)业务可容忍抖动(us)实测最大抖动(us)业务可容忍丢包率(%)实测丢包率(%)是否可承载该业务3存储流 500,00052.41 30,00038.82 30是3回放流（TCP）1,000,00052.41 100,00038.82 0.10是4实况流 300,00032.3 10,00015.13 0.50是4回放流（UDP）1,000,00032.3 100,00015.13 0.10是5VM与WEB客户端的交互报文52.1738.5600是5VM与WEB客户端、MS之间的交互信令52.1738.5600是5VM的SIP信令52.1738.5600是5VM与WEB客户端的轮询保活信令52.1738.5600是5VM与EC之间的SIP信令52.1738.5600是视频监控系统中存储流的特点是对实时性要求不高，需要保障不丢包；实况流和回放流需要保障图像的显示效果，对延迟、抖动及丢包率敏感。基于以上视频流的特点，网络系统通过QoS等策略保证了视频监控系统在网络上的可靠传输。视频监控系统监控画面质量主观评价如下：编号测试项评价1马赛克效应无2边缘处理良3颜色平滑度良4画面还原清晰度良5快速运动图象处理良6复杂运动图象处理良从上表可以看出，在测试组网中的真实视频监控系统运行可靠，监控画面质量良好，进一步说明系统可在测试承载网络上稳定可靠运行。5 实验意义、价值与发现本次实验只是选用了国产著名品牌H3C的视频监控平台来做测试，因为我们不可能也没有办法对所有的视频监控产品去做测试。但是万变不离其宗，只要测试的方法是正确与可行的，那么对于AXIS、BOSCH、PELCO等品牌的厂商来说，本次实验的结果及数据都会有很重要的参考价值。而这也正是本次视频监控系统网络融合的主旨所在，通过整个实践过程，找到分析和解决“建筑智能化统一承载”问题的方法，只有学会了方法，才能让系统设计人员面对不同的项目和不同的产品提出有效的网络设计方案。而且在测试的过程中TYCO、BOSCH等厂家都给提供了相关的资料及数据。视频监控主要包含了实时视频显示及视频存储功能，而不同的功能对于网络承载的需求也不一样。对于视频显示来说，优先要考虑的是视觉效果，所以实时性和低延时性是最重要的。视频存储要考虑数据存储的安全性，最重要的是可靠性。由于视频存储和视频查看的需求同时存在，海量的前端摄像机接入以及控制中心存储的流量汇聚，造成了流量的局部热点，整体网络的流量分布不均衡。如果按照流量可能出现的最大带宽设计，在网络设备选择上需要留出额外的冗余度，成本过高；如果不考虑热点情况，一旦出现局部流量热点，网络设备很可能不能及时处理数据报文，从而造成网络拥塞或丢包。因此我们需要根据视频监控系统各种流的特点，流量的分布及流量波动范围对不同的流量进行带宽保