高標(biāo)清混合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實施

隋玉敏

(青島科技大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東青島266061)

機車制造業(yè)具有生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)狀況多變，生產(chǎn)裝置大型化，生產(chǎn)過程連續(xù)化等特點，因此，對于生產(chǎn)、安防具有嚴(yán)格的規(guī)范和特別的要求，尤其對于重點崗位和要害部位.近年來，該行業(yè)的眾多企業(yè)對生產(chǎn)跟蹤、精益生產(chǎn)日益重視，加大了在一些重要廠房的“要害”部位安裝監(jiān)控設(shè)備的投入，采用先進的數(shù)字存儲技術(shù)，在相關(guān)的廠房建立了智能化的監(jiān)控系統(tǒng).但各企業(yè)隨著生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，現(xiàn)代化生產(chǎn)水平的快速提高，尤其是動車和高鐵項目對機車制造提出了更高的要求等，機車制造企業(yè)對智能化管理系統(tǒng)也提出了更高的要求;企業(yè)中的各業(yè)務(wù)部門對遠(yuǎn)程資源的共享提出了新的使用要求，各級、各部門、各區(qū)域資源共享需求日益增多，動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的管理、使用范圍不斷加大，系統(tǒng)的整合需求日益強烈;同時為了便于十分便捷地看到各個監(jiān)控點及監(jiān)控廠房的情況，建立統(tǒng)一的監(jiān)控中心是勢在必行且符合客觀實際的.本文針對機車制造企業(yè)目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合該行業(yè)的實際需求設(shè)計了混合高標(biāo)清視頻監(jiān)控系統(tǒng)并在實際應(yīng)用中給以實現(xiàn).

1 邏輯結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

機車制造企業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)有它自己的功能特點:它不單單是完成安防任務(wù)，還要與企業(yè)的其它信息系統(tǒng)集成，如門禁系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等，最終為生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)及信息采集、辦公樓、廠房的安全管理提供技術(shù)支持.目前一些機車制造企業(yè)在許多辦公場所、廠區(qū)等已經(jīng)存在傳統(tǒng)意義上的“標(biāo)清”視頻監(jiān)控系統(tǒng).雖然“高清”視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)很長成熟，在應(yīng)用中也已被廣泛采納，對于完全新建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在綜合考慮需求與成本的情況下可以依照高清標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和實施全新的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但對于機車制造企業(yè)目前已普遍存在一套“標(biāo)清”視頻監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，就要考慮如何在滿足新的需求進行高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的同時又要考慮對原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效利用和兼容，即根據(jù)生產(chǎn)安全系統(tǒng)建設(shè)需求，綜合現(xiàn)有各辦公區(qū)、生產(chǎn)廠房的監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等的建設(shè)情況，設(shè)計一套具有多級聯(lián)網(wǎng)、集中監(jiān)控的解決方案，以滿足企業(yè)生產(chǎn)、安防監(jiān)控需求.本著統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理、盡可能兼容與集成的原則進行邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計，見圖1.

圖1 高標(biāo)清混合視頻監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)首先體現(xiàn)了原有的“標(biāo)清”視頻監(jiān)控系統(tǒng)與“高清”視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有機結(jié)合.為了兼容已存在的系統(tǒng)，往往會涉及到在用的模擬矩陣，對此可采用非壓縮接入方式方便地將模擬矩陣集成進來，進行統(tǒng)一控制，即在調(diào)度客戶端的統(tǒng)一界面上進行切換調(diào)度和前端控制.其次，該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的集成，使得實時監(jiān)控、視頻存儲、聯(lián)動報警、事件查詢與綜合應(yīng)用在全局管理下進行信息共享，最終為生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)及信息采集、辦公樓、廠房的安全管理提供準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù).該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)任意的擴展，具有很好的靈活性.

2 實施方案設(shè)計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由前端監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)傳輸、后端管理、視頻處理等幾個重要部分組成［1］.圖2給出了某機車制造企業(yè)高標(biāo)清混合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu).該設(shè)計充分考慮了與原有的“標(biāo)清”視頻監(jiān)控系統(tǒng)的兼容，通過在原監(jiān)控中心增加相應(yīng)的設(shè)備實現(xiàn)與“高清”視頻監(jiān)控系統(tǒng)的連接.

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

由于高清的要求，監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信息量必然倍增，這就要求視頻編碼、傳輸、存儲、視頻瀏覽、視頻回放等環(huán)節(jié)都要全面支持高清，對客戶而言，高清是一個整體的系統(tǒng)解決方案，只有在包含了前端、平臺、存儲、瀏覽、顯示等各環(huán)節(jié)時才有意義［2］.因此，針對前端監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)傳輸、后端管理、視頻處理等組成部分在設(shè)計和實施時要充分考慮對“高清”的支持.

2.1 前端監(jiān)控設(shè)備

監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備目前主要采用以下2種解決方案:一是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(簡稱高清IPC)，二是高清編碼器與高清工業(yè)攝像機結(jié)合的模式.二者的本質(zhì)區(qū)別是高清IPC內(nèi)置攝像機和編碼器，而工業(yè)攝像機與高清編碼器相結(jié)合的模式使得用戶在高清工業(yè)攝像機的選擇上有更多的余地［2］.雖然工業(yè)攝像機與高清編碼器相結(jié)合的模式使得外存儲問題可以較好地解決，但是該模式造價較高.在該設(shè)計中，新配置的前端攝像機可全部采用全高清(1 080P)網(wǎng)絡(luò)攝像機，針對不同的場景環(huán)境和監(jiān)視區(qū)域使用不同類型的前端攝像機.如在寬闊廠房且有人臉和標(biāo)簽辨識度要求的地方采用了高清200萬像素的FD8161室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)智能半球攝像機;在低光照環(huán)境下或夜間高辨識度要求環(huán)境下采用了高清EXMOR200萬像素的IP8151s網(wǎng)絡(luò)智能槍機.

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)依賴于物理的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，只有一個穩(wěn)定、安全、易管理、可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能負(fù)載并保障整個系統(tǒng)的正常運行.因此需要搭建一個高效、安全的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來源于正確的設(shè)計、合適的設(shè)備以及匹配的結(jié)構(gòu).圖3給出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備選型.采用這樣的星型結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整齊，層次清晰，便于管理;雙核心設(shè)備實現(xiàn)了設(shè)備級的冗余，網(wǎng)絡(luò)健壯性提高;每個節(jié)點采用兩條線路，提高了帶寬，實現(xiàn)了線路冗余與安全.

核心交換機應(yīng)選用便于擴充的機箱式架構(gòu)，需要同時配置雙引擎、雙電源;背板帶寬足夠支持現(xiàn)有設(shè)備及以后擴容要求.按照廠區(qū)實際情況劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)等區(qū)域.在每個區(qū)設(shè)置一個匯聚分中心.匯聚交換機要求支持兩路以上千兆/萬兆光纖上傳和千兆連接端口.在每個區(qū)設(shè)置一個匯聚分中心.接入交換機應(yīng)采用POE供電方式交換機，并且根據(jù)前端網(wǎng)絡(luò)攝像機的實際數(shù)量合理配置合適端口的交換機.銳捷的RG－S8606－Bseries、RGS5750－24SFP、RG－S2312G－P可以分別用來做核心交換機、匯聚交換機和接入交換機.

2.3 后端管理

后端管理在本系統(tǒng)中承擔(dān)中心角色，各相關(guān)區(qū)域的前端攝像機通過綜合管理平臺實現(xiàn)管理、音視頻流管理、轉(zhuǎn)發(fā)、事件管理等操作，視頻處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)流接收處理解碼實現(xiàn)數(shù)字矩陣的上墻顯示，CCL客戶端管理系統(tǒng)接入視頻專網(wǎng)，或者在管理者日常辦公電腦上安裝客戶端軟件，就可以對其管轄下的所有視頻進行統(tǒng)一管理、瀏覽和錄像回放等功能操作，另可將報警主機通過IP模塊的連接方式實現(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動.對于原有的標(biāo)清監(jiān)控系統(tǒng)可采用增加合適的視頻編碼器的方式接入到管理平臺中，同時管理平臺需要與原有的模擬視頻矩陣進行通信，完成視頻切換、原有模擬攝像機的PTZ控制等功能.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備選型

2.4 圖像呈現(xiàn)技術(shù)

目前應(yīng)用較多的主要是CRT和LCD兩種顯示器，CRT監(jiān)視器具有價格低廉、亮度高、視角寬、使用壽命長的優(yōu)點，但近些年LCD憑著高清、高亮、高對比度、低功耗、長壽命、體積小、質(zhì)量輕、低價位的優(yōu)勢逐步成為高清視頻監(jiān)控的最佳選擇.LCD的配置主要從清晰度、色彩還原、亮度、對比度、可視角度、響應(yīng)時間等方面進行比較分析，從而選出適合自己的高清視頻監(jiān)控顯示系統(tǒng).

3 具體實施中應(yīng)注意的問題

3.1 前端設(shè)備的選擇

美國電影電視工程師協(xié)會對HDTV標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了針對前端攝像機設(shè)備對高清分辨率的要求為720 P或1 080 P，而且也定義了圖像傳輸過程中全幀速為25/30幀/s及色彩保真要求，同時還定義了視頻瀏覽回放環(huán)節(jié)16∶9的寬屏格式［3－4］.但研究表明，直接采用這些標(biāo)準(zhǔn)，很多情況下并不適合視頻監(jiān)控場合［5］.例如，寬高比方面，機車制造企業(yè)往往擁有自己內(nèi)部的露天實驗場地，人們更關(guān)注的是監(jiān)控畫面中地面上的人或物，而希望上半邊天空的比例要小，因此對露天實驗場地的監(jiān)控就需要適應(yīng)更寬視野的n∶1(n≥2)寬高比圖像格式.對于幀率，25幀/s可以適合大部分場景，但在有些情況下，希望更高的幀率.例如，在機車制造生產(chǎn)企業(yè)的總裝廠等有快速移動的關(guān)鍵工位往往需要對進口零部件及貴重器件進行跟蹤管理，需要能清楚識別部件或器件上的條碼，25幀/s的圖像有時就很模糊，需要50幀/s甚至100幀/s.因此，應(yīng)根據(jù)環(huán)境、用途、清晰度等具體需要配置可變幀頻的高清攝像機.

3.2 存儲應(yīng)注意的問題

“高清”視頻監(jiān)控意味著存儲空間的高消耗.不管是從物理區(qū)域分布還是從數(shù)據(jù)流量都是巨大而且復(fù)雜的，這對存儲系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性、容量的可擴展性等方面都有很高的要求.由于升級改造中要保留原有的可用的系統(tǒng)，就要保留原有的DVR、NVR存儲系統(tǒng).此外，為了滿足高清視頻的存儲，必須采用IP SAN技術(shù)來依靠服務(wù)器銜接磁盤陣列直接構(gòu)架IPSAN服務(wù)器.為了使DVR系統(tǒng)能與IP SAN系統(tǒng)兼容，DVR必須具有網(wǎng)絡(luò)信號輸入的功能模塊，視頻源與DVR廠家也必須兼容，只有這樣才能保證存儲系統(tǒng)的正常使用.

4 結(jié)語

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造的關(guān)鍵是能否在保證系統(tǒng)的技術(shù)先進性、未來可擴展性的同時兼容已有系統(tǒng)，最大程度地減少浪費，將復(fù)雜、多樣的視頻監(jiān)控系統(tǒng)納入綜合管理平臺，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，綜合現(xiàn)有門禁系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等，為滿足企業(yè)生產(chǎn)、安防監(jiān)控提供及時有效的數(shù)據(jù).該高標(biāo)清混合視頻監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)靈活，可擴展性強;總體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)先進，具有較好的兼容性;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全、易管理、可靠性高.相信對機車制造企業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級改造項目具有一定的借鑒作用.

［1］羅世偉.視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理及維護［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］任廣杰，朱啟東，曹 寧.高清視頻監(jiān)控中的若干關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.電信科學(xué)，2011(2):119.

［3］SMPTE274 －1998.1920 ×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates［S］.1998.

［4］ANSI/SMPTE296M －1997.1280 ×720 scanning，analog and digital representation and analog interface［S］.1997.

［5］毛曉東，樊亞文，高清視頻監(jiān)控技術(shù)在城市公共安全中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2010，34(4):104.