数字视频网络监控系统

一 视频监控系统的发展

　　视频、图像是对客观事物形象、主动的描述，是直观而具体的信息表达形式，是人类最重要的信息载体。特别是在今天的信息社会，随着网络、通信和微电子技术快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控以其直观、方便和内容丰富等特点，日益受到人们的青睐，监控产品也正经历着从模拟化向数字化、网络化的革命。

　　数字视频监控系统是以数字视频处理技术为核心，综合利用光电传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。数字视频监控系统除了具有传统闭路电视监视系统的所有功能外，还具有远程视频传输与回放、自动异常检测与报警、结构化的视频数据存储等功能。与数字视频监控系统相关的主要技术有视频数据压缩，视频的分析与理解，视频流的传输与回放和视频数据的存储。视频是在时间上近似连续的图像序列。在数字图像处理中，把照片这类单幅的图像称为静态图像（简称图像），而把电视图像这类连续图像称为运动图像或视频。

　　视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。在九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量，这种基于PC机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控系统。九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，称为第三代远程视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图象分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。

2、视频监控系统的应用

　　近年来，视频监控在各行各业得到广泛的应用，生活中有小区安全监控，电讯行业有机站监控，银行系统有柜员机监控，林业部门有火情监控，交通方面有违章和流量监控等等。从功能上讲，视频监控可用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面。

　　（1） 住宅监控
　　目前在建造智能大厦和选购住房时，安全防范系统越来越受到人们的重视。现在，只需在现有的家庭微机上增加USB摄像头和相应的软件系统，就可实现功能强、价格低、性能可靠的数字化家庭监控系统。系统自动检测在家中采集到的图像，当发现异常时，通过Internet和短消息中心向用户指定的电话号码发送短消息，并将现场图像以E-mail方式发送给用户。用户收到短消息后通过检查E-mail就可对家中情况有清楚的了解。此外，用户出差在外时，也可以远程登录到家中计算机，观看家中安全情况或家人的生活健康状况。
　　（2）边防监控
　　我国有上万公里的海岸线和边境线，与多个国家毗邻。准确及时地掌握边海防区域的军事情况，对于有效保卫祖国的领海和领土，在未来战争中作出快速反应、掌握战争主动权有着及其重要的意义。建立边海防远程视频监控系统，对关键口岸、哨所和敏感地区实施监控，就能使我军情报部门直观、及时地监视边海防前线的真实情况，提高情报获取的实时性和综合处理能力，也能有效防止偷渡、出逃、走私、贩毒等非法行为。
　　（3）交通监控
　　有效的交通管理是我国各大都市面临的难题。智能视频交通控制系统能及时提供各路段的车辆流量和路况信息，记录违章车辆，以便实现准确快速的交通指挥调度，达到充分利用现有的道路资源，提高突发交通事故的处理能力，从而为人们的出行提供快捷舒适的交通服务。
在当前市场一体化和经济全球化形势下，企业为了提高竞争能力，纷纷在世界各地建立分支机构。通过远程视频传输系统，企业管理部门就能随时观察到其在各地机构的生产、工作状况，与电话汇报相比，既直观真实又方便快捷。

3 数字多媒体监控管理系统的特点

　　数字多媒体监控管理系统结合了传统监控系统技术、计算机多媒体技术、计算机现代通信技术及自动化控制技术，具有一般监控系统无法比拟的优点：传统的监控系统一般包括了切换、报警及控制功能。而数字多媒体监控管理系统不仅在计算机上实现了这些功能，还使得这些功能变得更加灵活和强大。并且利用现代通信技术，实现了系统之间的通信和集中控制；在切换上实现了全矩阵切换功能及各控制中心之间的视频交换；在控制上利用串行通信技术，利用二芯线实现整个系统的控制和通信，降低了系统成本，便于工程的布线安装。

　　（1） 监控效果更好
　　确保监控场所内财产和人身的高度安全，提高对灾害和突发事件的防御能力。只有计算机能完成这一复杂、艰巨、单一的工作，它不受各种人为的干扰，按部就班地按照预先设置的程序完成每一步工作；在监视外部的同时，对内部保安人员同样起到监督作用，避免渎职的发生；数字多媒体监控管理系统中多媒体电子地图的引入，使监控布局更加合理，更加直观，能最大限度地避免疏漏；在传统报警头的基础上，融入最新的视频报警技术，可灵活机动地安插在视频覆盖的任何一个区域。
　　（2）系统更灵活
　　数字多媒体监控管理系统率先提出了模块化管理的思想，将视频模块、音频模块、报警模块、云台和镜头的控制模块、行动输出模块、遥控开关模块等通过计算机将其管理起来，大大减少了工作难度，使施工变得更加简单。您只需将前端设备接到所对应的功能模块接线端子上，再根据用户的要求和监控现场实际情况，现场就可以生成与之相匹配，真正属于自己的多媒体监控系统。监控现场情况随时间的推移，不可能是一成不变的，用户也许会有这样那样的要求。而对于传统监控系统来说，现场繁杂的接线是不可思议的，任何一种变更都要花费很大的精力和物力，是任何一家工程商都不愿意接受的。但对于数字多媒体监控管理系统来说，它将这一繁杂的事物变得简单不能再简单，你只需根据客户要求将关联模块重新设置一下就可以了，最多花费你几分钟的时间，彻底免去你重新查线的烦恼。如果用户有一定的能力，也许只需拔通一个电话就可完成，充分发挥了系统自身的灵活性。
　　（3）可实现网络化管理
　　网络是在计算机的基础上建立发展起来的，在信息高速公路蓬勃发展的今天，单一传统的监控系统因其通用性差，不易扩展，不能网络化等致命缺点，势必会被历史所淘汰。现代大型企业，诸如集团公司、连锁企业、商场、银行、邮电、电力等信息交流广泛的企业和部门，对管理提出了更高一层的要求。数字多媒体监控管理系统建立起以计算机为中心的监控平台，为今后向网络化发展奠定了坚实的基础。
　　（4）可实现智能化控制
　　采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多媒体化，可以方便地实现灵活机动的智能化控制。在保证监控设备正常运转的同时，一旦报警信息读入，能及时准确地做出反映。采取正确的处理行动，不是靠监控人员熟练的操作，临危不乱的心理素质和惊人的记忆力来完成的。传统系统视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警读入、行动输出等，相互之间是独立的，是象搭积木一样叠加成的，相互之间靠线连接在一起，一旦联动模式选定，就不能随便修改，连线十分复杂，不易维护，一旦有报警输入，需要操作人在极短的时间内完成一系列操作，对于七、八个点的小系统来说还可以实现，对于大、中系统来说是不可思议的。只有用数字多媒体监控管理系统，以计算机为核心实现智能化管理，将这五大部分有机地结合，靠计算机来分析、统计、处理，完成预定的每一步操作，才能真正做到临危不乱。

4 数字监控与传统监控的优势比较

　　（1）便于计算机处理。
　　由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。通过视频分析，可以及时发现异常情况并进行联动报警，从而实现无人值守。
　　（2）提供远程访问能力。
　　数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实时监控现场。用户通过一个网络连接到他们的数字视频服务器，在他们选择的PC计算机上观看到所需的视频图像，连接的网络既可是局域网也可是广域网，也可以是一个通过电话线的拨号网络（一个Modem连接到单台计算机或连接到Internet）。而模拟系统则是不可能远程观看视频图像的。
　　（3）便于查找。
　　在传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花大量时间观看录像带才能找到现场记录；而在数字视频监控系统中，利用计算机建立的索引，在几分钟内就能找到相应的现场记录。
　　（4）提高了图像的质量与监控效率。
　　利用计算机可以对不清晰的图像进行去噪、锐化等处理，通过调整图像大小，借助显示器的高分辨率，可以观看到清晰的高质量图像。此外，可以在一台显示器上同时观看16路甚至32路视频图像。
　　（5）系统易于管理和维护。
　　数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度高，视频传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。采用数字视频监控系统，故障率大大降低。而视频录像带则易遭破坏或磨损。此外，数字视频监控系统的运行是完全自动的，不需要人去介入。即使发生电源故障，数字视频监控系统具有的自举（reboots）功能将能继续电源中断时所做的事情。
　　（6）取消了视频录像带。
　　与记录在视频录像带上不同，数字视频监控系统是将视频图像记录在视频服务器中的计算机硬磁盘上，其最大优点是既能够提高存储图像的清晰度又能够快速检索到所存储的图像。作为对比资料，普通制式录像带存储图像的分辨率一般为240线，最高也就300线，这与前端摄像机具有480线的图像分辨率显得不相称，致使从录像带放出图像往往不够清晰，影响到使用的效果。相反，记录在硬磁盘上图像的分辨率能够达到近500线，图像的清晰度高。为了能看到你感兴趣的视频图像，仅需键入需要的时间值和摄像机号后，几秒钟后通过搜索硬磁盘即可将结果显现在计算机的显示器屏幕上，根据需要，你可打印它、在网上作E-mail发送，也可将其继续保存在硬盘，或者从硬盘中将其删除。
正是由于数字视频监控具有传统模拟监控无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控正在逐步取代模拟监控，广泛应用于各行各业。

5 数字式监控系统的构建

　　一种构成数字式电视监控系统的可能结构如图1所示，它由硬盘录像机、图像切换装置和网络传输接口三部分构成，具有多画面处理、录放像、矩阵控制、探测报警、远程传输等多种功能，为此需要在PC机平台上集成以下三类板卡，并应有USB或IEEE1394接口，以实现数据的快速交换。

　　1 图像输入、压缩及处理板块
　　（1）如果采用的是新型数字式摄像机，则其输出的是图像数据流VS（Video Streaming），可以直接与PC机快速进行数据交换，将视频图像输入到PC控制主机中。
　　（2）如果采用的是模拟式CCD摄像机，则首先要经过系统的视频接口及处理模块，逐次从多路输入中选出一路进行A/D转换，并压缩成MPEG标准数据后予以存储。这样对于16路图像扫描输入速度，因有各路间的采集切换时间和系统开销，故速率一般为每路每秒数帧，但也有每秒25帧的实时产品。图像画面大小和清晰度有320×240、640×480及720×576等多种。
　　（3）在对图像显示速度要求不高的场合，也可采用价格低廉的CMOS数码照像机，新型机种的分辨率已能达到640×480，视其内快闪存储器容量的大小，存储图片的数量可达数百张之多。
　　2 切换控制板块
　　其功能是通过软件来控制摄像机输入图像的切换，并按需要将切换图像送往各指定的显示器上。有模拟切换和数字切换两种不同的技术层次，数字切换可得到更好质量的图像，但因要采用有多个处理器并行处理的高速专用芯片，故其费用要比模拟切换贵很多。在以芯片实现切换控制之后，便可通过将分割显示图像数据流送往不同显示器的VRAM之中，循环刷新来达到显示的目的。此外，从理论上讲，还可以在图像输入采集切换与输出显示之间引入同步控制机制来实现。
　　图像的记录采用硬盘录像机，它不仅有500线以上的录像分辨率和巨大的存储空间，更能实现图像或报警事件的快速检索，是一种理想的将存储、分割、显示集于一身的数字化装置，其操作系统除了Windows外，还可采用Linux、RTOS、FreeBSD等操作系统，以便提高硬盘录像机的可靠性和简化操作的复杂性。
　　3 网络连接与远程传输板块
　　早期的视频图像远程传输和联网一般都是基于计算机之间的低层控制通讯网络，如RS232/RS485通信协议，由于RS232/RS485通信协议没有路由功能，因此只能做到点到点的连接，另外，RS232/RS485通信协议也没有纠错功能，因此在发生通讯错误时，联网功能就失败。因此新型的远程视频图像传输需要改进为通过LAN传输联网的系统。
　　对于CCTV而言，要求的是全数字的视频信息联网，数字CCTV主机相当于一个网络视频服务器，所有对视频的需求都由视频服务器控制和完成。当前由于视频压缩技术的发展和LAN及Internet的普及，网络带宽成本正在下降，千兆以太网及高端路由器产品使局域网与广域网的界限也越来越模糊，同时带有IP地址的LAN接口摄像机、编解码器、硬盘录像机等也已经出现，这使得有可能建立视频信息网。
　　每一个视频信息网对外表现为一个视频网站，有IP地址，通过网关或路由器即可接入Internet，这样就可供其它远程用户访问。视频信息网对内表现为专用网，由视频服务器、键盘、编解码器等组成，带LAN接口的摄像机、编解码器等可直接连接到LAN上，而模拟式的CCD摄像机则需经过编码器才能挂到网上。

6 典型的监控系统

　　（1）VSAM
　　在1996年至1999年间，美国国防高级研究计划局（DARPA）资助卡内基梅隆大学、戴维SARNOFF研究中心等著名大学和公司合作，联合研制了视频监视与监控系统VSAM，目标是开发自动视频理解技术；用于实现未来战争中人力监控费用昂贵、非常危险或者人力无法实现等场合的监控。
　　VSAM是一个战场监控系统，目前处于试用阶段，主要功能包括：
　　（1）融合多种类型的传感器，对监控地区进行全方位的昼夜监控。信号采集设备有摄像机、音频采集头、红外和微波报警探测器、温度探测器、电流电压数据采集器等。可遥控操作设备包括电动三可变镜头、全方位云台、室外电控防护罩、电控自动门、射灯开关等。
　　（2）具有先进的视频分析处理器。不但能检测和识别异常对象的类型，还能分析与预测人的活动。根据运动对象行为的危害性进行自动提示和报警。
　　（3）由Internet、Intranet和局域网构成的先进网络传输系统，支持多种通信线路连接。可将图像信号通过光缆直接传送到总控中心，在视频分析基础上将检测到的异常情况以文字形式传送到监控总控制台。这不仅有效减少了网络带宽的压力，而且操作员只需查看文字信息，一人就可监控网络上的所有监控点。
　　（4）使用地理信息和三维建模技术提供可视化图形操作界面。当视频分析处理器报告了运动对象、对象类别及位置之后，操作员不仅可以使用虚拟的对象（人、汽车、坦克等）在地理信息界面上进行标记，而且还能在辅助窗口观察对象的真实活动情况。
　　（5）机载航空摄像机不需要经常性的人工操纵就能自动对准地面监视目标，实现对重要目标的长时间监视；自动协调多个图像传感器无缝接入，实现整个战场场景的监视。 因此，VSAM不但能进行一般性的军事安全监控，如军事基地、军械弹药库和边海防线的监控；而且能够进行局部战争战场的实时监控，如敌方军力部署及调动情况等。

　　2）DVR
　　DVR是Digtal Video Recoder的缩写，译为数字视频录像机或硬盘录像机，随着数字化改造的浪潮不断深入人心，DVR已经成为视频监控领域一个灸手可热的产品，一夜之间全国冒出了上百家生产销售DVR的厂商，大有一统整个监控市场之势。但是DVR是真正意义上的数字多媒本监控系统吗？能真正取代现在的监控系统吗？许多同行都面临这样的困惑，让我们来看看监控要解决什么样的问题，其实监控是一个综合的系统，核心内容侧重的是数据的安全，我们这里讲的数据是一个数据流的概念，即包括常规的通讯数据流，又包括了视频流和音频流，无论是传统模拟的监控系统和数字化监控系统都要以此为核心，针对不同的功能模块做系统整合，通过切换、报警、控制、存储等等功能实现来满足用户的需求。而DVR核心问题是解决视频的数字化压缩和存储，系统功能也只仅仅满足了监控“监”的一部分需求，对“控”的内容相对比较薄弱和欠缺。监控本身是一个系统，绝不能只强调某一功能，而忽略其它相关功能模块，这样就不能达到监控是为了数据安全服务这一根本目的。
目前的DVR恰恰是只强调了视频的数字化而忽略了许多更为重要的功能模块。在实际应用当中你往往会遇到这样或那样的问题，需要靠其他监控设备来弥补这样或那样的不足，在实际应用的监控系统中DVR只起到了录像机的作用，DVR只是满足了监控的部分功能需求，在系统应用中带有很大的局限性。例如DVR大部分应用是银行柜员机监控，但柜员机监控本身是银行监控系统的一部分，可以这么讲，DVR只是数字多媒体监控的一部分，其实在另外一个层面，虽然现在许多DVR厂商在产品中加入云台控制、报警输入输出等相关功能，看似是一个完整数字监控系统，但追究其本质，我们会发现许多DVR所不能解决的问题，报警还仅是开关量的输入，不符合行业要求的四态报警，无法解决对于大路数矩阵切换，无法输出和组合电视墙，无法构成多级监控网络等等。我们不排除DVR会向数字多媒体监控发展，但要真正实现还需要一个过程，目前的DVR只是数字监控系统发展的最初阶段；仅是数字监控的一部分，也只是数字多媒体监控的一部分。

7 数字视频监控的意义

　　用计算机作为监控的中心，并且把多媒体技术、网络技术、视频技术应用到监控上，已经完全超越出传统保安监控的范畴，所引入的思想理念带动了高新技术的发展和社会的进步，是一次里程碑的飞越，具有深远的现实意义：
　　（1）可观的经济效益
　　数字视频监控系统的远程访问能力为业主和经理提供了一个商业管理工具，可用于贵重物品的管理和重要人员的有效时间管理。一天24小时的远程可视能力也改善了监控系统值班人员的生活质量。这样，使得数字视频监控系统的潜在市场要比模拟视频监控系统大得多。餐饮业、银行业、老年银发族护理、婴幼儿看护业都需要这种远程访问数字视频监控系统。有了它，作为白领阶层如果无法经常在家照顾父母，只要将其PC机插入任何电话线，再拨通受口令保护的自己的数字视频服务器，就可以在外实时看到家里所发生的一切。
　　（2） 强大的威慑力
　　“安全的可靠的监控系统通过计算机智能化管理，使报警布局更加趋于合理。计算机将安防工作做得有条不紊，避免了任何疏漏，并充分利用多媒体特性，结合实时捕捉、视频报警、硬盘录像等技术，使防范工作更安全，更周到，更方便，对罪犯起到了强大的威慑力，能更有效地防止犯罪；严密的计算机监控网络，跨越地域时空，实时跟踪每一个监控现场；迅速的反映能力，能更有效地打击犯罪。”
　　（3） 减轻保卫强度
　　保卫工作看似简单，但很繁琐，艰巨，责任重大。黄金眼多媒体监控管理系统的高度智能化，进一步把保卫人员从枯燥无味的工作中解脱出来，在提高安全性的同时，减轻了工作强度：其独特的网络功能，免去了领导安全检查的辛劳；结合可视化编程技术，良好的操作界面，提高操作员的操作兴趣，更加有利于人机配合监视，提高安全性。
　　（4） 进一步奠定发展的基础
　　二十一世纪是监控系统全面进入到计算机网络的时代，废弃传统系统，选择以计算机核心的多媒体监控管理系统，为今后向更高、更远的发展奠定了基础。基于计算机，我们可以不断地将最新、最好的科技引进来，更有利于与时代接轨。将目前监控仅用于安防的目的，向更高的更远的方面发展，融合环境监测、消防安全、自动化控制、网络通讯、智能管理等多方面，使之成为一个整体，相互依托，势必会创造出强大的生产力，促进企业的不断发展。

8 未来发展与要求

　　数字视频监控系统不仅符合信息产业的未来发展趋势，而且代表了监控行业的未来发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，成为目前信息产业中颇受关注的数字化产品，特别是近年来，随着技术的进步和社会经济的不断发展，客观上监控系统的准确性、有效性和方便性提出了更高要求。具体地讲，主要体现在以下两个方面：一是需要实施视频监控的范围更加广阔，由传统的安防监控向管理监控和生产经营监控发展，而且对同一套系统的覆盖面和实施距离地提出了更高的要求，通俗地说就是要达到点多面广。二是要求监控系统与管理信息系统、网络系统结合，实现对大量视频数据的压缩存储、传输和自动处理，从而达到资源共享，为各级管理人员和决策者提供方便、快捷、有效的服务。