數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要點

■朱月紅

數(shù)字高清監(jiān)控作為新興技術(shù)，成為監(jiān)控行業(yè)目前的技術(shù)發(fā)展熱點。憑借相對于傳統(tǒng)模擬標清監(jiān)控，其能更清晰地呈現(xiàn)細節(jié)的技術(shù)優(yōu)勢，贏得市場的青睞。未來，基于數(shù)字高清的監(jiān)控系統(tǒng)，需求市場巨大。

體系架構(gòu)設(shè)計

目前數(shù)字高清道路監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)存在分非壓縮和壓縮兩大類。

非壓縮架構(gòu)由非壓縮高清攝像機、高清光端機、高清矩陣、高清SDI-DVR等設(shè)備組成，從前端至大屏顯示均不經(jīng)過壓縮，因此其優(yōu)勢在于可控攝像機的圖像與控制信號的傳輸無延遲間隔，其后端圖像存儲依然采用數(shù)字壓縮。

壓縮架構(gòu)由前端IP高清數(shù)字攝像機，IP網(wǎng)絡(luò)交換機、高清NVR、解碼器等設(shè)備組成，依托于通用IP網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強。

通過部分試點項目的綜合比較，非壓縮架構(gòu)在性能功能上僅在延遲上略勝一籌，但存在造價昂貴、所需設(shè)備眾多（高清光端機、高清矩陣）、通用性差等大問題。IP壓縮架構(gòu)正成為目前高清監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的主流，相應(yīng)的產(chǎn)品如IP高清攝像機、高清鏡頭、高清NVR、高清解碼器也將成為高清監(jiān)控市場的產(chǎn)品主流。下文就IP壓縮架構(gòu)的各相關(guān)設(shè)備選型做詳細分析闡述。

前端采集

固定/可控

早期試點項目有可控和固定兩種高清前端并存，經(jīng)過多年的試點比較，可控高清攝像機造價昂貴、延遲大、實用性差等缺陷越發(fā)明顯，結(jié)合視頻后期處理應(yīng)用，筆者建議現(xiàn)階段的高清監(jiān)控應(yīng)以實用的固定攝像機為重點基礎(chǔ)建設(shè)。

IP高清攝像機

高清IP攝像機的優(yōu)劣與檔次主要由感光器件尺寸、有效像素、處理器性能、靈敏度、制作工藝、色彩還原性等硬指標決定，攝像機內(nèi)部處理器自帶數(shù)字壓縮及后期應(yīng)用，因此壓縮算法、碼流、幀率、本地存儲等特性指標也成為高清IP攝像機技術(shù)指標的重要部分。下表就目前市場眾多高清攝像機的測試分析各項指標和實際效果：

指標項 分析結(jié)果感光器件 存在CCD和CMOS兩種，國內(nèi)以CCD為主，國外以CMOS居多，主流尺寸有1/3、1/2.8、1/1.8、1/2、2/3等。分辨率國內(nèi)用戶對圖像流暢度要求較高，200萬像素攝像機均已達到25幀/秒，因此國內(nèi)主流為720p和1080p，逐行掃描,畫面寬高比為16:9。壓縮格式常規(guī)有H.264MPEG4M-JPEG三種,國內(nèi)H.264以其高壓縮比、低碼流、高性能的絕對優(yōu)勢成為高清監(jiān)控的主流壓縮格式。靈敏度 普遍不如傳統(tǒng)模擬攝像機，建議夜間光照嚴重不足區(qū)域配置補光燈補充光照強度。色彩還原性高清色彩普遍有不同程度的失真，而色彩還原性是衡量高清攝像機圖像質(zhì)量和檔次的重要指標，須對比觀察實物與圖像顯示效果。720p和1080p兩檔均能達到25幀或30幀的流暢度，但要驗證其穩(wěn)定性，須測試觀察在畫面信息變化較大時是否有馬賽克、卡住、丟包等現(xiàn)象。圖像處理 具有背光補償、寬動態(tài)、強光抑制等多種處理方式。碼流 單路視頻平均碼流一般在10Mbps以下，瞬時碼流高峰值可達50Mbps。本地存儲 是數(shù)字攝像機的衍生產(chǎn)物，每路10Mbps以下的平均碼流使本地存儲成為了可能。流暢度

鏡頭

高清鏡頭作為高清攝像機的配件，其MTF值、焦距、光圈范圍等關(guān)鍵指標影響高清圖像的最終呈現(xiàn)。

MTF：是不同于傳統(tǒng)標清鏡頭的新指標，用來反映鏡頭的透光性、反差對比度、分辨率以及邊緣及中心的一致性。MTF曲線圖是衡量鏡頭品質(zhì)和工藝的重要依據(jù)。MTF值一般在F（光圈值）=8時測得最好，由4條曲線組成，分別反映鏡頭的透光性/反差對比度、分辨率、相散和一致性。

焦距：決定視場中哪一部分最清晰，用f表示，高清鏡頭以焦距分類可分為定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、電動變焦鏡頭。手動變焦鏡頭目前廣泛應(yīng)用于道路監(jiān)控固定高清攝像機中，可適用于不同的目標和場景。道路監(jiān)控攝像部件安裝于室外立桿挑臂上，攝像部件容易晃動，因此在鏡頭選型時還應(yīng)注意相應(yīng)的焦距固定措施，齒輪固定、螺釘固定等，防止鏡頭脫焦。

光圈：決定鏡頭的通光量，用F值表示，F(xiàn)=焦距/光圈孔徑，F(xiàn)值影響夜間圖像效果。道路監(jiān)控固定攝像機一般選用自動光圈鏡頭，由于焦距固定，場景變化不大，光圈驅(qū)動方式選擇DC驅(qū)動即可，電動變焦鏡頭選用視頻驅(qū)動效果較好（用于可控高清攝像機）。

與攝像機的匹配：1/2"的鏡頭可以用于1/3"的攝像機，但分辨率必須大于攝像機分辨率，300萬像素的鏡頭才能與200萬像素的攝像機匹配，主要原因體現(xiàn)在兩方面：一是攝像機與鏡頭的像素密度應(yīng)相等，即鏡頭的分辨率/鏡頭的感光器件尺寸 = 攝像機的分辨率/攝像機的感光器件尺寸，以此倒推，得出適應(yīng)攝像機的鏡頭分辨率需求；二是鏡頭由多組凹/凸的鏡片組成，邊緣與中心的一致性較好的鏡頭在80%左右，邊緣分辨率多少會下降，因此鏡頭分辨率大于攝像機分辨率為宜。

傳輸與交換

數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都依托IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，包括前端攝像機、高清NVR、管理服務(wù)器、客戶端PC等設(shè)備。

接入層

前端攝像機至中心機房的傳輸為接入層，傳輸媒介為光纖，傳輸設(shè)備分為光纖收發(fā)器/以太網(wǎng)光端機/工業(yè)以太網(wǎng)交換機和PON設(shè)備（EPON和GPON）兩大類。

光纖收發(fā)器/以太網(wǎng)光端機/工業(yè)以太網(wǎng)交換機：適用于光纖資源充足的情況，前端至中心機房的光纜鏈路為點對點連接方式，每個點位占用1芯光纜。光纖收發(fā)器和以太網(wǎng)光端機都為網(wǎng)絡(luò)透傳設(shè)備，不帶交換。光纖收發(fā)器僅傳輸網(wǎng)絡(luò)信號，以太網(wǎng)光端機為傳統(tǒng)模擬監(jiān)控體系的衍生物，可傳輸模擬標清視頻信號。工業(yè)以太網(wǎng)交換機一般為8口以上，至少具備二層交換和簡單網(wǎng)絡(luò)管理功能，適用于高清攝像機布設(shè)較為密集的點位。

PON設(shè)備：通過光纖復(fù)用能有效節(jié)省鏈路光纜資源，EPON與GPON的區(qū)別主要是帶寬容量。在實際設(shè)計鏈路和鏈路節(jié)點數(shù)的時候不能完全按照這類產(chǎn)品宣傳資料中的描述將這類產(chǎn)品用到極限，如最遠60KM傳輸距離、1.25G單口帶寬。在實際設(shè)計中需結(jié)合鏈路衰減、收斂、網(wǎng)絡(luò)開銷、余量等綜合因素設(shè)計。鏈路衰減由光纖衰減、節(jié)點設(shè)備衰減等組成，與光纜本身質(zhì)量、分光器衰減指數(shù)、分光級數(shù)密不可分，一般建議單根光纖的總體傳輸距離不超過20KM為宜。網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)計應(yīng)考慮所接設(shè)備產(chǎn)生的最大帶寬，高清監(jiān)控按照10M/路計算帶寬為宜。

匯聚層

匯聚層采用交換機連接前端攝像機信號、機房NVR和各類服務(wù)器，根據(jù)前端接入規(guī)模、帶寬、設(shè)備類型、應(yīng)用情況選擇相應(yīng)的以太網(wǎng)交換機配置方案。攝像機接入端口根據(jù)前端接入的帶寬情況配置對應(yīng)的100M/1000M/10G端口，NVR和攝像機接入端口盡量接在一臺交換機上或劃分在同一個VLAN中，以最小化故障影響。對于一些大型系統(tǒng)，一般建議網(wǎng)絡(luò)交換機采用三層交換機，以支持VLAN和路由交換應(yīng)用。

匯聚層網(wǎng)絡(luò)交換還需完成VLAN劃分和網(wǎng)絡(luò)安全等至少兩部分的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。VLAN劃分通過劃分不同網(wǎng)絡(luò)邏輯分組限制廣播范圍并控制用戶訪問權(quán)限，一般將前端攝像機、對應(yīng)的NVR以及對應(yīng)的用戶終端PC劃分在一個VLAN。

網(wǎng)絡(luò)安全包括接入安全、驗證授權(quán)和數(shù)據(jù)加密。當未經(jīng)授權(quán)的用戶或前端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)報警并生成日志。數(shù)據(jù)傳輸中加密會降低通信速度，但取決于具體的加密技術(shù)。

存儲

高清存儲一般采用高清NVR設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)接入前端攝像機信號。目前主流市場主要有DSP和X86兩大架構(gòu)體系NVR，主要功能性能由接入能力，并發(fā)能力、最大磁盤數(shù)，協(xié)議兼容性等決定。

DSP型 NVR功耗小，但處理能力和并發(fā)能力均有限，一般不超過8路1080p，磁盤驅(qū)動器數(shù)量不超過8個，無法做硬盤RAID冗余。X86型 NVR采用計算機處理器，其性能功能有很大的發(fā)展空間，可以輕松接入16路、32路或以上的1080p錄像流，磁盤驅(qū)動器數(shù)量至少16個，且可做硬盤RAID冗余。

很明顯，X86架構(gòu)NVR有更廣闊的發(fā)展前景，但是考慮穩(wěn)定性、可靠性以及故障影響，一般不建議將NVR用到其極限能力。在設(shè)備配置計算數(shù)量時應(yīng)同時結(jié)合接入數(shù)與硬盤容量兩方面分配單臺NVR的接入數(shù)，硬盤配置除考慮數(shù)據(jù)存儲裸容量，還應(yīng)考慮操作系統(tǒng)盤和RAID冗余備份盤。 如需要長時間備份，可增加NVR磁盤擴展柜或添加大容量磁盤陣列。

顯示

高清圖像的顯示分為PC顯示和監(jiān)視器顯示兩類。PC顯示依賴于軟解碼，監(jiān)視器顯示需要硬解碼。將解碼程序調(diào)入內(nèi)存中用CPU解碼，就是軟解碼，軟解碼會極大消耗CPU的運算能力，畫面易卡頓，解碼能力在1-4路之間，但圖像可以通過后期優(yōu)化處理。通過硬件實現(xiàn)的解碼成為硬解碼，將解碼程序?qū)懭牖蚬袒谛酒希▽Ｓ肈SP或ARM處理器），專注于圖像解碼運算，不占用系統(tǒng)開銷，圖像較流暢，能解1-8路，圖像不經(jīng)過加工真實再現(xiàn)。目前軟解碼產(chǎn)品居多，真正實現(xiàn)硬解碼的鳳毛菱角，各家解碼效果更是參差不齊。

圖2：高標清監(jiān)控融合架構(gòu)建議

圖3：視頻監(jiān)控未來趨勢走向

與標清的融合

大部分地區(qū)都已建設(shè)了標清監(jiān)控，投資的規(guī)模較大，原先的標清監(jiān)控?zé)o法丟棄，老系統(tǒng)的操作界面和鍵盤經(jīng)過了多年的磨合改進已十分成熟穩(wěn)定簡便，不少用戶仍然習(xí)慣用鍵盤操作。

分析系統(tǒng)現(xiàn)狀，新建的高清監(jiān)控須考慮與已有的標清監(jiān)控系統(tǒng)融合，建議使用統(tǒng)一的攝像機列表、統(tǒng)一的操作權(quán)限管理和統(tǒng)一的軟硬件操作終端，這部分工作需要高集成度的大型平臺軟硬件支持，建議選擇技術(shù)實力強且有成功應(yīng)用案例的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)集成公司配合完成。

結(jié)束語

作為監(jiān)控系統(tǒng)集成商，想要在數(shù)字高清監(jiān)控的技術(shù)領(lǐng)域中脫穎而出，就必須在體系架構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品選型和組合上領(lǐng)先一步。數(shù)字高清監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品升級換代迅猛，因此建設(shè)方在初期規(guī)劃時應(yīng)考慮技術(shù)的前瞻性，避免設(shè)備淘汰過快，后期維護困難等問題。