城市监控中前端部署设计

文 | 李俊杰

随着视频监控技术的不断发展和演进，高清技术已成为新一代城市监控的关注重心，而高清监控的系统重心则是前端设备。在平安工程中，高清前端主要涉及高清IPC、高清HD-SDI像机+高清编码器、以及高清卡口\电警设备。相比而言，高清IPC以功能、架构和成本的优势在新一代国内平安城市建设中担任主流，高清HD-SDI像机与高清视频编码器只有在实时性要求非常高的场合才会少量使用，卡口电警主要承担路面\交通情况监控，我们将在卡口专题中对相关技术进行详述。本文将与您一起重点探讨高清网络摄像机，从基础谈起，讨论在实际选择和使用中需要关注的一些关键问题。

基本概念

什么是IPC

　　IPC的英文为IP Camera的缩写，中文即网络摄像机，也叫IP摄像机，在近几年，随着网络技术、芯片技术、编码技术、存储技术的发展而形成。一个IP像机主要包括镜头、光学过滤器、影像感应器、图像处理单元（压缩、编码）、Web服务器、网络模块等部分组成，采用嵌入式系统，无需计算机的协助便可独立工作。

　　IPC的主要特点，顾名思义，就是“IP”，即网络技术。它具有独立的IP地址，可通过LAN、DSL直接与以太网连接，支持多种网络通信协议如TCP/IP等。局域网上的用户以及INTERNET上的用户通过使用标准的网络浏览器，就可以对网络摄像机进行远程访问和观看实时图像；还可以对镜头、云台进行控制，实现对目标的全方位监控；结合网络监控管理平台(管理/存储/解码)可进一步构建大规模、分布式的城域级视频监控系统，也是在国内各地大规模建设的“平安城市”工程。

设备形态

　　IPC从设备形态上，与模拟摄像机几乎没有区别，可以说，用户在选择高清IPC时，可以按照以往选择模拟摄像机的思路进行选择，主要是球机、半球、枪机三种。由于平安工程建设一般都为户外安装，半球几乎不会用到。球机分为高速球机和匀速球机，往往用于户外或空旷地,四处没被挡住,需要全方位看的地方，因为相对美观，因此在价格可承受范围内的平安工程中部署较多。枪机是摄像机最开始的形态，能自由搭配各种型号镜头。安装方式吊装、壁装均可，还可以搭配云台一起使用，室外安装一般要加配防护罩。目前这种摄像机在平安城市中使用最多。

分辨率与清晰度

　　对于平安工程而言，图像清晰度无疑是最关键的需求。图像越清晰，细节越明显，观看体验越好，体育等应用业务的准确度业越高，对公安用户的实战帮助就越大，就越能体现出视频监控系统的建设价值。衡量图像清晰度采用分辨率的概念，单位是像素。这个值越大，图像的细节还原能力就越高。从图像清晰度的角度细分，业内一般将IPC分为标清IPC和高清IPC，两者之间的分界线就是百万像素或720p（1280*720像素），达到百万像素或720p的就称为高清。所以标清IPC以CIF和D1分辨率为主，高清IPC以720P和1080i/1080P分辨率为主。720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍，这也意味着图像的监控范围和细节放大能力的等比提升，带来高清图像的显著价值。

　　那么同为高清摄像机，哪些分辨率是最适合平安城市建设使用的呢？

　　前面我们提到，所谓高清IPC，分辨率必须达到百万像素或720p。其实，百万像素和720p是两个不同的概念？

　　作为全球标准的720p源自美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的HDTV标准。根据该标准，真正符合高清视频的格式主要有以下三种：720p(1280*720/逐行扫描)、1080i(1920*1080/隔行扫描)、1080p(1920*1080/逐行扫描)。此外，该标准还进一步详细定义出了每一种分辨率所对应的帧率等数值指标。因此，满足任何给定HDTV标准的高清网络摄像机也必然满足支持一个或多个特定分辨率、帧率以及色彩保真度，从而始终能够确保符合国际标准的视频质量。

　　而百万像素并不是一个公认的标准，它仅仅是一个监控行业业内的实践概念，具体指的是网络摄像机的图像传感器元素数量。也就是说，当我们听到一个高清网络摄像机支持百万像素、三百万像素或五百万像素时，我们并不知道这个摄像机的帧率是多少、视频宽高比如何、隔行还是逐行、色彩保真度怎么样等等，而这些信息是衡量一个高清网络摄像机性能的重要参照，也是不同厂家、不同品牌互相兼容和满足国家标准的重要基础。所以，在平安工程中，符合HDTV 720p/1080i/1080p国际和国家标准的高清网络摄像机毫无疑是各地建设的主流。

帧率与流畅度

　　在保障清晰度的同时，还有一个重要参数不能忽视，就是视频的流畅度，衡量流畅度的标准是帧率，单位是fps（帧每秒）。fps值越高，图像中的运动物体看起来越连贯，相反，则越卡顿。人眼的视觉暂留效应使得高于24帧每秒的视频流在人眼看来就是基本“连续”的，这也是为什么我们日常接触到的电影（24fps）和电视（25fps）采用相应帧率的原因。真对平安城市应用，视频监控技术做了进一步的针对性强化，目前好的高清摄像机可以支持到1080P@60fps，每秒60帧的高清画面在满足清晰度的同时，对视频流畅度做了大幅提升，特别适合于平安工程的室外及道路环境本身的特点和包含大量运动的场景（如车流、人流监控），确保清晰的记录下每一个关键证据和瞬间。

传感器

　　在视频监控行业，图像传感器有CMOS和CCD两种。在标清监控时代，无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机，使用最广泛的是CCD。而到了高清监控时代，情况有所改变，CMOS传感器的在高清领域的综合整体优势对CCD还是造成了非常大的威胁。从目前的趋势来看，大部分高清产品采用CMOS传感器。一方面，随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善，据悉目前市场上致力于CMOS研究的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。另一方面，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。因此，尽管CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，未来高清网络摄像机将更多的选择CMOS。

编码标准

　　视频编码是高清网络摄像机的一项关键参数，它决定了所传输视频的图像质量以及需要的网络带宽。目前的高清网络摄像机视频编码标准几乎都采用H.264，只是实现的级别和档次不一样。

　　H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT联合视频工作组制定的新一代视频编码标准，用来实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。H.264不仅数据压缩比高，而且对网络传输具有更好的支持功能。H.264引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输，支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264可以在更低的带宽下实现720p、1080i/p的广播级高清视频分辨率。H.264编码目前共有BaseLine Profile、Main Profile、Profile X、HighProfile几个级别，分别针对不同的使用场合。在平安城市中采用的一般采用High Profile级别，以便同时满足高压缩率和高视频质量的要求，同时节省带宽和存储空间。

关键技术

　　在平安工程的实际建设中，上面阐述的IPC基本概念和要求都是必须满足的基础。但是只做到基础是远远不够的。宇视科技通过多年的平安工程建设实践和对公安需求的深刻把握，在IPC设计中创新性的研发和引进了许多专利\核心技术，将中国品牌IPC的设计与制造提升到国际领先的水平，树立了行业新标杆，也为各地平安城市的系统建设做出了突出贡献，受到了各地用户、领导的认可和表彰。

1080P星光级低照度

　　在照度比较低的环境下，普通摄像机只能隐约呈现彩色图像且图像通常会有较多噪点出现；星光级摄像机在此类环境下则可以较好呈现彩色图像效果，呈现较好彩色效果的同时，星光级摄像机还应该较好的抑制噪点，达到画面干净整洁的效果。

　　由于平安工程项目涉及的监控环境复杂，在一些室外空旷区域以及城市周边，路灯覆盖不全或城市路灯无法普及到，这些区域晚上基本上都是黑乎乎一片，针对这种情况，宇视适时的推出了1080P星光级高清网络摄像机，满足了夜间无照度环境下的监控需求。另外大家都知道的一个普遍规律是，分辨率越高低照度越难实现，因此宇视的1080P星光级比720P星光级技术含量更高。下图反映了采用星光级摄像机与普通摄像机的拍摄效果对比。

　　场景切换（场景自适应技术）

　　场景切换是结合人工提前预见干预基础上调节摄像机拍摄参数的一项新技术，可以把摄像机曝光参数及其它配置参数调节到最为适合当前拍摄场景的域值，避免全自动曝光方式无法区分实际监控目标运动或其他特殊拍摄需求的情况，仅能通过光照情况进行判别的问题，是自动曝光技术上的提升。场景自适应技术在城市监控项目中，最典型的一个应用就是夜间看车牌，以下是摄像机分别采用自动曝光与场景切换技术所获得的图片效果对比：

自适应红外补光技术

　　根据画面实际情况，自动调节红外灯的亮度，从而防止图像过曝以及图像曝光不足等现象，画面亮度更加均匀，画面还原更加真实。

　　以下是采用普通红外和SmartIR技术的图像效果对比。

透雾技术

　　近年来，雾霾天气在各地的出现几率呈现显著的上升趋势。雾霾天气条件下，大气中悬浮着的PM2.5、小液滴和固体小颗粒会对光线产生较强的散射作用，使户外监控图像色彩黯淡，一些重要目标的细节更是淹没在雾霾中难以分辨细节，造成视频信息减弱、丢失。

　　宇视科技在综合了国内外不同领域先进的透雾技术与图像处理经验，在摄像机ISP中内置透雾算法，充分发挥了传统全局算法和局部算法的综合优势，并对局部算法作了裁剪和优化，使图像还原和噪声抑制达到平衡，在保证透雾图像细节得到增强和还原的同时，有效抑制传统算法引入的画面噪声和块状效应，有效提高了在雾霾天气中应用的图像效果。

第三代网络自适应技术（NAA3.0）

　　NAA(Network Auto-Adaptability)，为网络自适应简称。

　　网络异常影响图像质量，出现卡顿、凝固，一般需要降低帧率或者分辨率来适应网络异常。

　　宇视科技采用NAA3.0网络自适应技术，不需要降帧率及分辨率，在TCP环境下可以实现3%丢包无卡顿，在组播环境下可做到5%丢包+400ms延时图像无卡顿。

　　平安工程为多级多域组网架构，各种网络共存，网络节点众多，且传输网络路径普遍较长，因此网络偶尔出现异常难以避免。
而平安工程对前端摄像机的实时性有较高要求，这样，宇视科技的NAA3.0网络自适应技术能较好的解决以上问题。

集成接入技术

　　针对平安工程建设的广域特点和保密需求，宇视创首家创新性的把网络产品的传输技术融合到IP监控系统中，针对性的开发了多种灵活丰富的前端嵌入式安全接入技术，支持Ethernet（以太网）、SFP（光纤）、EPON（无源光网络）、RRPP（快速环路保护）、无线等多种接入方式，从而帮助用户可以更为灵活地部署视频监控应用，同时避免了第三方传输设备的采用，减少了系统故障点，提升了系统可靠性。

SFP在IP监控中的创新应用

　　双绞线的传输在IP网络监控中应用比较广泛，只要IP网络存在的地方就有双绞线传输的使用，接入方式简便，铺设成本低。但是同样传输距离有限，比较好的双绞线传输也仅能达到二百米左右，这意味着在短距离传输中双绞线方案有着自身的优势，但是长距离传输中却不是一个很好的选择。

　　近年来由于光纤通信技术的飞速发展，光纤监控系统的成本也大幅降低，所以光纤和光端机在监控系统中的应用越来越普及。光纤具有传输带宽高、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响小等诸多优点，一根光纤就可以传送监控系统中需要的所有信号，传输距离可以达到上百公里，很好的解决了长距离传输的问题。传统的光纤传输技术都要购买光端机来实现，不仅增加了系统投资，也增加了潜在的故障节点。宇视创新性的将光纤通信功能集成进IP摄像机中，通过内置光纤接口直接连接光纤传输，完全替代了传统IPC+光端机的组合式功能，很好的解决了光端机方式在系统的维护管理、系统的施工扩容等方面的不足。

EPON在IP监控中的创新应用

　　随着光纤传输技术的广泛使用，EPON技术由于其节省光纤（可一线串联多个设备）、高速稳定（不受电磁干扰）和通信保密（专用接口、专有协议，避免非法截获）三大优点越来越多的受到平安工程建设各方的关注。如下图所示：

　　宇视首家创新性的将PON通信功能设计集成进IP摄像机中，内置了EPON接口可直接连接光纤传输， 用户只需配置后端交换机即可方便使用，有效降低传输线缆费用和施工量，轻松实现远距离高速、保密传输。

RRPP在IP监控中的创新应用

　　平安工程建设中，线路安全问题尤其突出。犯罪人员在实施犯罪时可能会人为恶意的破坏监控传输的线路，中断关键点位录像拍摄，影响监控系统的线路安全。如何尽可能保证系统的可靠，同时又方便维护成为重要的课题。另外，对于采用IP技术为主的平安城市监控解决方案中，网络交换设备能够提供的网络接口在成本压力下还是有一定限制，在交换设备上不可能为每一路监控点提供一个接入网络接口，如何能够通过有限的网络接口接入更多的监控编解码设备也非常重要。

　　综合这两方面的实际建设经验，宇视首家创新性的把RRPP环网保护技术引入到监控系统和前端设计中，既解决了环网保护问题，又有效节约核心接入设备的网络占用。RRPP是一个专门应用于以太网环的链路层协议，当以太网环上一条链路断开时，能迅速启用备份链路以恢复环网上各个节点之间的通信通路。

　　从图中可以看出8个编码前端围成一圈RRPP环网，最终只占用了接入交换设备的两个网络端口，很好的解决了大量编码设备对于端口的占用，否则每个编码设备都要接入交换机，则会占用8个端口，如果更多的编码设备需要接入，则占用更多。若环网中编码设备之间链路出现故障，并不会影响其他节点编码设备的使用，RRPP协议能够快速启用链路保护技术，数据开始反向传输。通过采用RRPP技术，视频监控系统既可解决光缆资源部署的问题，又实现了业务的高可靠性。在多个平安工程项目实际运行中，RRPP技术取得了良好的效果。正如某公安用户所言，自从我们的平安工程采用宇视RRPP自愈环网技术以后，再也不用担心各种光缆意外中断而影响系统运行了。

非文件双直存技术

　　平安工程作为视频监控中最高安全等级的行业之一，为了保证录像数据的可靠性、保密性，IPC的录像存储机制也非常关键。为了降低系统的故障节点和节约资源，宇视首家在IPC中采用iSCSI远程网络数据块双直存技术，摄像机同时可以将两路存储视频流进行iSCSI协议封装，直接采用数据块的方式将视频数据写入不同IP SAN存储设备中。 IPC输出的图像数据流不用经过其他任何服务器设备（服务器是系统内稳定性最低的设备）即可将码流写入IP SAN磁盘阵列，并同时对主流、辅流进行选择存储，以适应不同环境的需要。磁盘阵列中的数据，通过采用数据块格式非文件化存储，所以无可见文件形成，使得即使磁盘被盗取也无法观看其内的录像内容，做到了公安监控数据的高保密性。此外，配合IPC本身支持的前端录像缓存技术，通过内置SD/SDHC卡，当传输链路出现故障时，IPC自动将图像临时缓存在本地SD卡内，一旦自动检测传输链路恢复，缓存下来的图像可以自动补录到IP SAN磁盘阵列中，实现录像零丢失。

全景拼接枪球联动技术

　　在平安工程的实际建设中往往都涉及车站、广场等尺度较大的空间内进行有效监控覆盖。为了解决大空间全覆盖监控的难题，传统的解决方案是使用高速球机进行360°扫描监控。但球机的特点决定了在任意角度任意时刻都会产生不可见的监控盲区（背面），更无法实现各方向视频信息的全息存储，使得大空间中的视频覆盖和视频记录难题仍没有得到完美解决，存在关键视频、关键证据漏记漏录的隐患。

　　因此在追溯取证需求必不可少的平安工程应用中，往往不得不配套部署多个枪机来满足无死角要求，可随之而来产生了点位施工量大（立杆、布线、取电等）、成本增加、和工程周期变长等问题，且多个枪机的多个画面，会造成整体场景的部分重叠和画面割裂，对于警员快速掌握整体状况，快速判断、处理紧急事件产生困扰。

　　为更好的满足空旷场合的全景监控的需求，业界曾出现过一种全景摄像机，即采用多个镜头 + 多个 sensor，拼接出一副全景图像，但是这种设计难以达到环境适应能力强的室外应用需求，抗高温、高湿的能力非常有限，且为了增加集成度，镜头一般无法选用大尺寸通用高清镜头，更无法使用大景深的长焦、中焦镜头来保障最佳图像质量。

　　为了彻底解决大空间场景高质量、高效率、高性价比监控的课题，宇视科技首家推出了全景拼接枪球联动技术，采用多个高清枪式摄像机的画面拼接出一幅 180°的高清全景画面。通过采用通用枪机，使得选配合适的高清镜头成为可能，即保证了画面不变形不失真、又可以获得最优的景深，实现大角度，大景深，真正的全景监控。此外，通过全景枪球联动控制，可以通过鼠标点击将球机快速指向全景大屏画面的任意位置并拉伸放大，灵活、快速实现全景中的细节观察，进一步提升了监控有效性与便利性。

PTZ体育跟踪技术

　　在划定区域内，进行特定目标跟踪的功能。该功能主要用在体育跟踪球上，配合球机进行目标物体跟踪监控。宇视科技在业界首创通过PTZ体育跟踪球跟踪嫌疑目标运动轨迹，并进行特写抓拍，便于高效搜寻嫌疑目标。

全天候工业设计

　　传统的室外球型摄像机都采用透明塑料材料来制作下部防护外罩，实现防水、防尘的功能。但是，通过几年来的平安城市应用实践，发现传统球机在使用一段时间后都会出现透明罩易脏、易挂水、易被风沙打磨划伤的问题，使得高清监控图像分辨率下降，严重影响图像质量和图像记录与细节分辨效果，影响实战应用。

　　宇视科技通过深入的行业实践与积累，创新性的设计出新一代全天候结构球机，去掉了容易积灰、划伤的塑料透明罩，并对光路玻璃进行特殊的光学处理和镀膜，实现了防积水、防积灰、防风沙划伤的同时，将透光率从传统的85%提升至99.7%，同时，摄像机可工作在－40℃～70℃的温度环境下，满足了各种极端天气环境下的安装需求，这些最大程度保障了全天候、长时间室外环境使用下的图像一致性、通透性与清晰度，在业内第一次真正满足了平安城市监控对室外球机的严格要求。宇视全天候新一代球机的出色产品设计也获得了国际权威机构的肯定，一举摘得2013年德国IF工业设计大奖。

　　另外，宇视前端摄像机的高品质还体现在：6KV防雷技术（宇视的摄像机无需增加外置防雷器能够达到6KV防雷能力，根据经验绝大部分雷电波感应在10m距离线缆时雷击电压会小于4KV，完全满足平安工程日常防雷的需要）以及±25%宽压能力（宇视的摄像机能够满足持续高达±25%的电压波动，高于普通摄像机±10%的电压波动，且在短时间内容忍更大的电压波动范围，宽压能力确保网络摄像机在日常电压波动恶劣环境中正常稳定地工作。平安城市项目中的摄像机多安装于室外，且分布很广，对于较偏远的监控点位，其取电线路必然较长，而线路越长，其电压压降也越大，这样会导致在一些极端情况下，前端摄像机的实际工作电压会大大低于正常工作时所需电压。此时，宇视摄像机的宽压容忍能力正好解决了这种应用需求）。

结束语：
在平安工程实际项目中队高清IPC进行准确选型是一个重要而复杂的过程，上文中提到的是一些最需要优先考虑的关键性因素。不同地区还需根据自身的业务要求和客观条件综合考虑多种技术因素，如音频接口、报警接口、存储接口等硬性因素，还有如操作系统、码流、网络协议、照度、Web功能等软性因素等等。还有一点需要重点考虑的就是，高清IPC只是高清视频系统的一个组成部分，上文中未提及的高清整体解决方案，对于构建大型平安工程，也是非常重要的关键性因素，具体技术细节请见本刊相关专题。