1、数字化监控技术培训手册数字监控系统培训手册 第二册美国Infinova（英飞拓）有限公司目 录前 言 3一 监控系统视频压缩算法分析 31.1 压缩算法简介 31.2 监控系统常用的编解码算法 6二 前端设备 62.1 IP摄像机 62.1.1 IP摄像机结构和技术特点 72.1.2 POE供电 72.1.3 IP摄像机选择要点 92.1.4 Infinova 网络摄像机介绍 92.2 视频服务器 122.2.1 网络视频服务器的概念 122.2.2 视频服务器的构成 132.2.3 视频服务器的网络技术 132.2.4 网络视频服务器的特点 132.2.5 INFINOVA视频服务器介绍 1
2、42.3 前端多编码技术 17三 系统传输 173.1 网络分类简单介绍 183.2 局域网的分类 193.3 各种网络技术简介 213.4 EPON组网技术介绍 25四 中心管理平台 264.1 管理平台的组成 264.2 视频检索介绍 274.2 流媒体基础知识 284.3 客户端软件功能 294.4 Infinova 客户端软件 30五 存储系统 315.1 网络视频录像机NVR 315.2 Infinova NVR 325.3 系统存储设计 335.3.1 存储容量的计算 335.3.2 网络存储技术分析 335.3.3 网络存储子系统选型 345.4 数字监控系统存储配置 34六 智
3、能图像分析 35七 小型数字视频监控系统图说明 36前 言IP监控解决方案就是通过有线或者无线IP网络把视频信息以数字化的形式来进行传输，只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录。随着宽带网络应用的普及，带宽成本的下降，不断发展的网络技术为基于IP网络的数字视频监控系统的大规模联网应用提供了坚实的网络基础。IP网络监控系统融入了最新IT技术，通过通用化标准的协议使监控系统不在是模拟时代孤立系统，利用网络技术可以把各个子系统完美融合起来。IT领域的网络存储技术、通信网管技术以及计算机图像处理技术在按防的大规模应用也为实现监控系智能化提供技术基础。MPEG4、H.264算法结合媒体处理
4、器和DSP在国内监控行业获得的巨大成功，促进了嵌入式网络视频编解码器、IP摄像机的成熟稳定和广泛应用，为IP监控提供产品保障。视频联网不再是少数专网用户的高端需求，而正变成各行业大型视频监控系统的必备功能，网络技术的快速发展推动了综合视频应用的需求从简单联网到全网融合。本手册主要对数字化监控系统技术发展、产品介绍、方案应用介绍，如果需要了解模拟监控技术、监控基础知识介绍请参考INFINOVA 的监控技术培训手册第一册。本手册若有不尽之处，敬请广大业内朋友指教。一 监控系统视频压缩算法分析1.1 压缩算法简介随着人们的安防意识的不断加强，监控系统已经发展到了前所未有的新高度。公交摄像头、电信全球
5、眼、公共场所电子眼等与监控系统相关话题在社会掀起了一阵又一阵关于人身安全与个人隐私取舍的热烈讨论。可见监控系统至于当今社会的重要性不言而喻。监控系统应用不同的视频压缩格式会影响到图像清晰度、画面延时、稳定性，主要的视频压缩算法包括：M-JPEG、MPEG、H.264、Wavelet（小波压缩）、JPEG 2000、AVS。MPEG是Moving Pictures Experts Group,动态图象专家组的英文缩写，小组始建于1988年，专门负责为CD建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。MPEG共包括MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3，MPEG-4四种算法。MP
6、EG-1：制定于1992年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备，如CD-ROM、Video-CD、CD-i；MPEG-2：制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率，除了作为DVD的指定标准外，还可用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播(Direct Broadcast Satellite)提供广播级的数字视频；MPEG-3：是ISO/IEC最初为HDTV 开发的编码和压缩标准，要求传输速率在20Mbits/sev-40Mbits/sec间，但这将使画面有轻度扭曲，而且由于MPEG2 的高速发展，此算法已被淘汰；MPEG-4：传输速率要求较低，与MPEG-
7、1和MPEG-2相比，更适于交互AV服务以及远程监控。此算法也是目前在监控领域应用比较广泛、成熟的；目前市场上的MPEG-4压缩算法有MPEG-4 ASP (Advanced Simple Profile), MPEG-4 SP (Simple Profile), 及MPEG-4 Short Header，其中由于MPEG-4 ASP提供完整的 I, B, P frames，因此可提供较好的压缩比率，而MPEG-4 SP及MPEG-4 Short Header 只能提供I, P frames，因此在相同的影像画质下，MPEG-4 ASP所需的频宽远比MPEG-4 SP或Short Header
8、 来得小。在目前的实际应用中，MPEG-4 ASP 及 SP 通常用在ASIC架构的芯片上，而Short Header多用在DSP架构上。H.264和H.263：H.261是最早出现的视频编码建议，目的是规范ISDN网上的电视会议和可视电话应用中的视频编码技术。它采用减少时间冗余的帧间预测和减少空间冗余的DCT（离散余弦变换Discrete Cosine Transform）变换的混合编码方式。H.263建议的是低码率图像压缩标准，但实质上H.263和H.263、H.263+已发展成支持全码率的应用。DVR中未采用此技术。1995年，ITU-T的Video Coding Experts Gro
9、up（VCEG）在完成了H.263后，设定了两个新的目标：一个短期目标是在H.263上添加一些新的特性（结果形成了H.263 version 2），另一个长期的目标是开发一个新的低码率的标准。在这个长期目标上努力的结果是产生了H.26L草案。H.26L比H.263提供了更好的视频压缩效果。2001年，ISO的Motion Picture Experts Group（MPEG）看到了H.26L的先进性，成立了Joint Video Team（JVT），包括了MPEG和VCEG的专家们。JVT的主要任务是把H.26L草案发展成为一个完整的标准。结果就是两个完全相同的标准：ISO MPEG4 Par
10、t 10和ITU-T H.264，它的官方名称就是Advanced Video Coding（AVC）。可以说H.264标准是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像专家组）的联合视频组（JVT，Joint Video Team）开发的标准，也成为MPEG-4 AVC，它作为MPEG-4 Part10，即“高级视频编码”。在相同的重建图像质量下，H.264比H.263节约50左右的码率。因其更高的压缩比、更好的IP和无线网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。同时也应注意，H.264获得优越性能的代价是计算复杂度增加，据估计，编码的计算
11、复杂度大约相当于H.263的3倍，解码复杂度大约相当于H.263的2倍。H.264标准中的内部预测创造了一种从前面已编码的一幅或多幅图像中预测一幅新帧图像。AVC编码使用基于块的运动补偿。从H.261标准制定以来，每一个主要的视频标准都采用这个原理。H.264于以往标准的重要区别是：支持一定范围的图像块尺寸（可小到44）和更细的分像素运动矢量（在亮度组件中为1/4像素）。H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而活动平稳的图像质量。H.264能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。H.264的基本系统无需使用
12、版权，具有开放的性质，能很好地适应IP和无线网络的使用，这对目前的因特网传输多媒体信息、移动网中传输宽带信息等都具有重要的意义。H.264/MPEG-4的应用范围是非常广阔的，它可以试用于多种网络，其高效的编码性能，H.264/MPEG-4可满足多种应用的需求，目前主要应用在以下领域；基于电缆、卫星、Modem、DST等信道的广播；视频数据在光学或磁性设备上的存储，基于ISDN、以太网、DSL无线及移动网络的公话服务、视频流服务、彩信服务等，除了以上介绍的应用，基于H.264/MPEG-4的平台，还会涌现很多新的应用。M-JPEG：M-JPEG（Motion- Join Photographi
13、c Experts Group）技术即运动静止图像（或逐帧）压缩技术，广泛应用于非线性编辑领域可精确到帧编辑和多层图像处理，把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑，不过M-JPEG压缩效率比较低，存储占用的空间大到每帧815K字节，最好也只能做到每帧3K字节，但如果因此而采用高压缩比则视频质量会严重降低。此外，M-JPEG这种压缩方式并不是一个完全统一的压缩标准，不同厂家的编解码器和存储方式并没有统一的规定格式。JPEG 2000：JPEG 2000， 正式名称为 ISO 15444 ，同样是由JPEG 组
14、织负责制定，与传统 JPEG最大的不同是在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦转换(Discrete Cosine Transform) 为主的区块编码方式，而改采以小波转换(Wavelet transform) 为主的多解析编码方式。小波转换的主要目的是要将影像的频率成分抽取出来。可以实现比JPEG更高的压缩比和同时支持有损压缩和无损压缩。不过目前在监控系统中的应用还是比较少。Wavelet（小波压缩）：小波变换（ WAVELET ）是 MPEG4 标准的一部分。该算法在图象处理方式上的特殊性，决定了它在影像回放和远程传输方面上的优越性。在回放时画面的清晰度远MPEG4 等压缩算法高得多。W
15、AVELET算法使用逐渐编码方法，它先将整个图像以较低的分辨率编码，然后逐渐增加细节，这和 MPEG2 等，则是将图像分成一定大小的图块，进行编码，如果需要不同的分辨率，则需要再次分割图像，并逐个编码。用 WVELET 算法处理的图像，轮廓清晰，既便在图像分辨率较低时，在辨认局部表情和面板数字这些细节时，也比其它压缩算法效果好得多。 WAVELET 的力像质量好，图像质量和传输位率之间为线性关系。JPEG 2000算法也是以WAVELET为技术核心开发的。AVS：AVS （Audio Video coding Standard）是我国第一个具有自主知识产权的数字音视频编解码技术标准。AVS标准
16、在国家标准计划中的正式名称为信息技术先进音视频编码，它是我国第一个具有自主知识产权、达到国际先进水平的数字音视频编解码标准。通过综合的评测对比，AVS与H.264的编码效率处于同一水平，不过由于具有自主的知识产权，在相关产品开发上具有明显的成本优势。1.2 监控系统常用的编解码算法当前监控系统中用到MPEG2、MPEG4、M-JPEG、H.264。MPEG2图像效果最好，不过占用带宽较大，主要是用在有专网的监控系统中，例如高速公路、电力系统等。M-JPEG单帧图像清晰度高，另外，M-JPEG不需要安装插件就可以直接通过IE播放。市面上很多双编码设备可以选择M-JPEG或者MPEG4。MPEG4
17、是目前安防中应用最广的算法，技术成熟，上游技术支持多。H.264具有公认的的先进性，但是它并不是首选的压缩标准，监控产品厂家各自开发H.264其中一部分，产品不能互相兼容。另外H.264还有一些技术上的缺陷，如系统资源占用高、音视频不同步。二 前端设备2.1 IP摄像机IP网络摄像机从1995年开始应用于监控领域时，由于当时宽带条件不普及，较窄的带宽损耗了图像的质量，而且网络摄像机成本很高而致使市场接受程度很低。 直到2000年以后，网络开始快速发展起来，于是更多的厂商大胆地投入到这一新兴领域。2.1.1 IP摄像机结构和技术特点IP摄像机主要构件是模拟摄像机模块和WEB SERVER模块。I
18、P摄像机由专用编解码芯片完成对图像及声音的压缩编码成网络信号数据，由网络接口传送到网络上。现在市面上IP摄像机编码方式有两种方案，ASIC方案和DSP方案。ASIC方案是前期IP摄像机主流，是把编码压缩算法固化在专用芯片里，特点是芯片主要是由几个大厂提供算法较为标准，一些IP摄像机厂商就是把现成编码卡或者利用芯片厂商提供的方案自己制作编码卡集成在模拟摄像机里，ASIC方案实现起来技术难度小，不过功能较为单一。DSP方案是摄像机厂商开发编码算法，运算在飞利浦、TI等专用DSP中，随着TI进入安防领域专门推出视频编码方案芯片64XX系列后，这种方案得到越来越多的厂商应用。DSP方案需要厂家有较强的
19、开发实力，算法的优劣直接影响到IP摄像机的性能。由于DSP方案厂家可以自己开发算法，厂商可以增加许多个性化功能，也可以嵌入智能视频分析技术，所以DSP方案IP摄像机更加具有技术优势。2.1.2 POE供电POE也被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现
20、有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。 IEEE在1999年开始制定该标准，最早参与的厂商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是，该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003年6月，IEEE批准了802. 3af标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。IEEE 802.3af的发展包含了许多公司专家的努力，这也使得该标准可以在各方面得到检验。 一个典型的以太网供电系统。
21、在配线柜里保留以太网交换机设备，用一个带电源供电集线器、交换机给局域网的双绞线提供电源。在双绞线的末端，该电源用来驱动电话、无线接入点、相机和其他设备。为避免断电，可以选用一个UPS。 POE的系统构成及供电特性参数一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD,Power Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备,同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载,即POE系统的客户端设备,如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备
22、（实际上,任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系,并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。POE标准供电系统的主要供电特性参数为：1.电压在4457V之间,典型值为48V。2.允许最大电流为550mA,最大启动电流为500mA。3.典型工作电流为10350mA,超载检测电流为350500mA。4.在空载条件下,最大需要电流为5mA。5.PD设备提供3.8412.95W五个等级的电功率请求,最大不超过13W。POE通过电缆供电的原理标准的五类网线有四对双绞线,但是在l
23、0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。IEEE80 2.3af允许两种用法,应用空闲脚供电时,4、5脚连接为正极,7、8脚连接为负极。应用数据脚供电时,将DC电源加在传输变压器的中点,不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法,但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的,但同时应有1500V的绝缘安全电压。POE的两种供电方法POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两
24、种方法：一种称作“中间跨接法”( Mid -Span ),使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电,相应的Endpoint PSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。另一种方法是“末端跨接法”(End-Span),是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电,其输电采用与以太网数据信号不同的频率。Midspan PSE是一个专门的电源管理设备,通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔,一个用短线连接至交换机,另一个连接远端设备。可以预见,End-Span会迅速得到推广,这是由于以太网数据与输电采用公用线对,因而省去了需要设置独立输电的专用线,这对于仅
25、有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。2.1.3 IP摄像机选择要点IP摄像机比模拟摄像机功能更加丰富，选择时可以需要注意到多方面的参数，视频压缩格式，目前视频监控领域MPEG4较为通用。另一个指标是最大分辨率以及帧率，一般来说PAL格式连续图像为25帧/秒，有些厂家产品最高分辨率是D1的，但是只有在CIF格式下才能输出25帧图像，选择设备时需要区分出不同产品实际参数，选择合适的产品。另外有些IP摄像机可以支持移动图像侦测、报警存储以及POE供电。这些比较个性化的功能可以为特殊项目提供更好的方案。另外，选择POE供电的摄像机时需要有POE交换机支持，所以在项目中，需要落实网络是
26、否可以满足配套条件。2.1.4 Infinova 网络摄像机介绍Infinova有多种网络摄像机可供不同场合需求选择，下面简单介绍几款IP摄像机：1、 IP固定摄像机 V6101和V6102系列网络摄像机 SONY 1/3 高灵敏度Super. HAD CCD传感器 采用数字信号处理器(DSP)芯片组件控制图像 解析度：480线或520线 高灵敏度，抑制光晕能力强和高信噪比 自动电子快门(AES)，自动增益控制(AGC)，自动跟踪白平衡(ATW)，背光补偿(BLC)，抑制闪烁模式(F.L.) 支持C或CS镜头接口 内置防色噪红外截止滤光片，具有日夜转换功能，可以视日夜光线环境变化情况自动切换彩
27、色/黑白模式（仅V6102型号适用） 通过IP网络传输视频、音频和控制信号，同时可将视频信号传送到多个接收器接收 视频编码采用MPEG-4/G.711国际标准 10/100 Base-T自适应网络，通过TCP/IP实现远程控制 可通过IE进行浏览和设置，方便的上传设置信息 密码保护功能可防止非法连接和操作 提供网络QoS的服务类型选择功能 可根据客户需求定制POE功能2、 IP半球 V6641和V6642系列网络半球摄像机 SONY 1/3 EX View CCD传感器，半球型防护罩 数字信号处理器(DSP)芯片组件控制图像 像素: NTSC(EIA)=380K/PAL(CCIR)=440K(
28、高分辨率) 高灵敏度，抑制光晕能力强和高信噪比 自动电子快门(AES)，自动增益控制(AGC)，自动光圈(AI)，自动白平衡(AWB)，背光补偿(BLC) 可移动式红外截止滤波片，实现彩色/黑白模式自动切换（仅V6642型号适用） 支持多用户同时浏览图像，可以实时地将视频同时发送到多个视频接收终端。 可实现网络视频信号、控制信号（可选）的传输，通过客户端IE浏览器进行现场监视 内建网页伺服器，支持IE 5.0以上版本等浏览器访问 用户密码保护，防止非法修改系统参数 防伪水印（Water Mark）技术 支持DHCP动态IP地址或手动设置IP地址 支持动态I-P画格比率 (Dynamic I-P
29、 Frame Ratio) 支持动态调整质量与压缩率 图像抓拍功能 移动侦测(Motion Detection)，可支持多种智能化报警方式 软件网络远程升级 提供网络QoS的服务类型选择功能 AC/DC电源供电，低功耗，支持POE供电等多种供电方式外形美观，安装使用简便3、 IP快球 V1700N系列网络快球 可选1812，2212，2312，2612和3512五种变焦倍数 自动光圈、自动变焦、背光补偿 网络快球一体化结构，体积小巧，集成度高 网络视频传输和网络控制功能 支持MPEG-4编码方式，实时传输视频图像 支持D1分辨率 防伪水印技术 图像抓拍，移动侦测功能 支持PPP窄带传输 网络远
30、程控制PTZ云台 支持动态IP帧传输 同时支持网络和模拟视频输出 内置Web服务器，视频图像可由Windows IE浏览器浏览 可支持多用户同时访问，终端用户数目不受限 可选日夜转换型摄像机，支持红外照明设备 花样扫描，高速水平扫描，自动翻转, 自动水平扫描 密码保护，防止非法用户修改快球菜单参数 两种隐私区域模式，有效屏蔽隐秘景物 自动归位功能，可保证快球不被操作时自动执行预置命令 丰富的报警功能，联动继电器、预置位、花样扫描、水平扫描 球罩内储存快球预置信息，更换升级快球不需重新设置信息 IP66防护等级，具有可靠的防尘防水性能 室外型可防结冰，内置加热器和空气循环系统 提供多种室内室外安
31、装方式，适应性强 网络远程软件升级 复位按键可在异常情况下恢复出厂设置4、 IP一体化云台高强度铝合金精铸，耐高温，抗腐蚀128个预置位，6个可编程巡视轨迹，4个可编程花样扫描，具有AUTOPAN和AUTOSCAN的功能可编程自动归位，编程菜单语言为英语具有2种隐私区域功能16个区域,每个区域最多可带20个字符标识可内置18倍、22倍、23倍、26倍、35倍一体化光学组件带雨刷器和内置加热器及除霜装置网络视频传输和网络控制功能MPEG-4编码方式，实时传输视频图像内建网页伺服器，支持IE 5.0以上版本浏览器访问支持多用户同时访问，用户密码保护，防止非法修改系统参数防伪水印（Water Mark）技术支持DHCP动态IP地址或手动设置IP地址支持动态 I-P画格比率，支持动态调整质量与压缩率 图像抓拍功能移动侦测(Motion Detection)可控制数字变焦（数字视频缩放）网络软件远程升级可在风速每小时90英里下正常工作，可承受130英里的风速2.2 视频服务器2.2.1 网络视频服务器的概念网络视频服务器是一种对音视频数据进行编码处理并完成网络传输的专用设备，从而实现远程监控的功能。市场上的网络视频服务器现在存有采用MPEG2、M-J
