基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統的分析與設計

[摘要]監控系統作為高校校園穩定的安全保障，其使用效果直接關系到高校和諧校園構建的順利進行。而基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統則具有使用成本低、圖像清晰、系統穩定性強、存儲量大且易于調取和擴展性強等特點，十分符合當今高校的技防需求。文章結合徐州工程學院校園IP監控平臺的開發應用成效，從IMOS的核心技術入手，提出了基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統基本構架，并對整個系統四大主題的原理和應用進行了詳盡分析，以期為當今高校校園技防系統的建設提供理論和實踐指導。

[關鍵詞]IMOS；校園IP監控；設計；應用

[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]A [論文編號]1009—8097(2011)09—0075—04

隨著社會信息化程度的不斷加深以及網絡通信技術、存儲技術和多媒體技術的飛速發展，視頻監控逐步從模擬、數模結合系統轉變成IP網絡視頻監控系統。IP網絡視頻監控的低成本使其廣泛地應用到了社會的各行各業，作為備受社會高度關注的大學校園，也已從原始的人防、物防，逐漸過渡到重視技防，越來越多的學校開始采用技防手段并不斷向信息化、綜合化、網絡化和主動化方向發展。

與IP網絡視頻監控系統相比，模擬或數模結合系統雖然能直接將視頻圖像從前端傳輸到客戶端，并逐一顯示在監視器上，但是，由于視頻線纜只適合短距離傳輸，傳輸距離的增加就勢必會導致信號衰減、失真，無法滿足高校校園的全方位監控。同時隨著監控規模的增大，視頻顯示設備和錄像設備的大幅增多，也加大了用戶的管理難度。徐州工程學院作為徐州市唯一的一所市屬新建本科院校，共包括城南和中心兩個校區，占地2035畝，現有全日制普高在校生18000人，在崗教職工1700多人。作為一所校區分散、師生人數多的地方新建本科院校，徐州工程學院自2009年7月開始正式建設基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統，整個技防系統共分為三期實施，截至目前，整個系統已基本完成。自工程實施應用以來，已取得了較為可喜的成效，兩個校區均實現了技防全覆蓋。幾年來，依托技防設施，學校發案率保持持續下降的趨勢，治安和刑事案件的破案率達到了100％，得到了省、市各級業務部門和全校師生的一致認可，為我校省級平安校園的創建和和諧校園的構建打下了堅實的技防基礎。筆者依托徐州工程學院的IP視頻監控系統成功案例，對基于IMOS技術的校園IP視頻監控系統的核心技術、基本構架和實施成效進行了可行性分析，為當今以多校區辦學為主流的高等學校實現有效安全管理、構建和諧平安校園提供了可行性、針對性極強的理論和實踐指導。

一 IMOS及核心技術分析

1 IMOS簡介

定位于IP多媒體基礎軟件平臺的IMOS(IP MultimediaOperation System-IP多媒體操作系統)是一個通用的支撐多媒體綜合監控的中間件平臺，它通過對整個監控系統的所有組件進行融合優化，滿足各種聯網監控系統的全局看、控、存、管、用業務需求。通過分層設計，將各種多媒體功能和數據進行抽象和分層歸類成各種模型，每個層次由若干互相獨立、而又可以協同工作的中間件組成。中間件外部接口考慮互通的需求，最大程度的使用標準協議和業界通用接口模式，而在內部則提供高性能、高可靠性的自主研發通訊機制。每個層次上，都允許客戶根據需要擴展自己的插件，從而開發出更加符合客戶個性化需要的應用平臺。具體來說，從底向上分為四個層次：OS基礎設施層、數據訪問層、多媒體基礎設施層、業務邏輯層。(見下圖1)

2 IMOS的核心技術

基于IMOS的IP網絡視頻監控解決方案在整體先進性、靈活性、可擴展性和開放性等各方面相對以往平臺軟件和業界同類軟件都有了質的提升，支持IMOS平臺的核心技術包括：

(1)MOS－多媒體操作系統

IMOS對涉及到硬件的各種業務操作，進行了統一的接口封裝，不同的硬件平臺，只要根據IMOS定義的統一接口，實現此接口定義的相關功能即可。

(2)MAS一多媒體數據訪問服務

MAS是結合多媒體數據和應用的特點，通過對傳統的磁盤陣列技術進行了改造，提升磁盤陣列對硬盤錯誤的容錯能力，支持通過虛擬文件系統技術對網絡化存儲訪問進行屏蔽，在MAS內部解決網絡化問題，簡化存儲應用，真正做到IP可達即存儲可達。

(3)MMW-多媒體軟件中間件

IMOS平臺全面采用中間件平臺的設計理念，從底層向上層都進行嚴格細致的抽象，由若干互相獨立、而又可以協同工作的中間件組成。可以實現各種綜合業務的支持能力，可以支持各種安防領域的應用，實現跨設備、跨平臺的數據傳送／復制以及用戶程序自動化執行能力。

(4)MRV-多媒體資源虛擬化

IMOS支持將物理設備分解成多個基本資源的集合，根據攝像機資源、監視器資源、告警源資源、存儲資源、電子地圖資源等進行分類。同時可以在基本資源的基礎上組合出進行高級監控業務的組合資源(比如輪切、組切、各類計劃等)。

(5)IMS-IP多媒體系統

IMS是3GPP R5中對IP多媒體業務進行控制的網絡核心層邏輯功能實體的總稱，是目前移動通信網絡領域的最具發展潛力的熱門應用，其核心信令是SIP，其架構的特點是業務、控制、承載三分離。

二 IMOS在校園lP網絡視頻監控系統的設計

1 基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控的基本架構

隨著高校前幾年的不斷合并升格和規模擴張，多校區辦學已經成為當前高校必須面對的現實，這也使得高校的安全管理面臨著嚴峻的挑戰。而一套低成本、操作簡便、能夠分區管理、海量存儲和擴展性強的IP數字監控系統則是解決這個難題的最佳途徑。2009年7月，隨著徐州工程學院一期工程的主體封頂，作為數字化校園建設重要組成部分的IP網絡視頻監控系統開始正式建設，該項工程歷經一期和二期的建設，目前基于IMOS技術的校園IP視頻監控系統已全部建設完畢并運行良好。本套系統，結合校區分散的實際情況適時采用了分區管理模式，其覆蓋范圍達到了每個校區的任何部位，實現了技防設施在各校區的全覆蓋，業務應用也實現了支持多種綜合應用的數字化圖像平臺。其系統構架如圖2所示。在這套校園監控方案中，所有視頻業務的控制管理、信令轉發都是由VM完成，但是VM不參與任何媒體層面的處理，視頻編碼、傳輸、轉發、復制分發等都是由編碼器和IP網絡完成，其中復制分發也可由流媒體服務器完成。這樣，實現圖像一次編碼全程使用，徹底解決了數模結合方案中的圖像衰減問題，也不會因為系統擴展，轉發環節的增加而導致圖像實時性變差。借鑒IMOS的分層實現模型，我校的校園IP視頻監控系統由接入層、媒體交換層、控制管理層和業務支撐層構成。每層之間通過標準的信令協議進行通信，如VM對編解碼器的控制采用了SIP(Session Initiation Protocol，會話初始化協議，是IP語音、視頻通信、IM等的通信控制信令)，層與層之間具備相對獨立性，每層的實現技術可獨立演進。這樣，系統的升級、擴展、新業務引入都變得更簡單。

2 基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統四大主題的解釋與說明

(1)前端接入部分

本套系統的前端接入設備包括：IP攝像機、IP半球、IP快球、無線IP攝像機、報警I／O等等。采用IP前端作為圖像采集、編碼壓縮設備，保障了IP前端具備先天穩定性，種類多樣化，全面覆蓋槍式、半球、快球、無線(WiFi)等。IP前端彌補了模擬前端受同軸電纜傳輸距離影響的缺陷，可覆蓋全球(IP網可達之處)。所有音視頻數據、控制信令均以TCP／IP包方式進行傳輸，錄像數據存儲在后臺磁盤存儲柜內。后端采用硬解碼上墻顯示，借助軟件系統平臺完成IP矩陣功能，實現了從前端到后端的全IP監控系統構架。

(2)傳輸部分

視頻監控業務的承載載體是網絡，根據我校校園的內部地理位置、管理方式的不同，選用靈活多變的組網方式以滿足學校持續需求。網絡采用四層架構模式，即：接入層、媒體交換層、控制管理層和業務支撐層，將媒體交換層與控制管理層構成的網絡稱為骨干網。把相對集中的接入層交換機通過會聚交換機匯集起來連接到核心交換機，分散的節點直接連接到核心交換機。核心交換機支持千兆交換技術，具有大容量交換背板，支持多種連接速率和傳輸介質，端口密度高且擴展靈活。會聚交換機則通過堆疊或增加模塊來提高接入端口密度，支持SNMP網管協議，便于對所有網絡設備狀況進行監控和管理。

(3)存儲部分

系統采用]P SAN／NAS網絡存儲方式，由存儲服務器管理下屬監控點的錄像策略。該套系統采用IP SAN／NAS實現分布式集中存儲，即將存儲服務器、磁盤陣列部署在各會聚點，保存轄區內IP前端的錄像數據。根據數據量需求大小，存儲服務器可掛接多臺磁盤陣列，磁盤陣列支持多種RAID級別，具備磁盤損壞恢復功能，同時也避免了因磁盤損壞而導致的文件丟失。

(4)顯示部分

顯示部分包含解碼器(或解碼服務器)、DLP大屏、監視器等。解碼服務器(或解碼器)的以太網電口(RJ45)接至核心交換機獲取編碼視頻流，經內部DSP芯片解碼以后，通過SYV75-5輸出視頻至監視器或DLP大屏，輸出音頻至音箱。解碼數據源包括IP前端實時編碼流，IP SAN磁盤陣列內錄像回放流。

三 基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統投入使用后的主要成效

隨著視頻監控進入IP網絡時代，流媒體技術在視頻監控系統中的應用給安防監控領域注入了鮮活的生命力。徐州工程學院IP視頻監控系統的建設和應用，給我校的師生提供了一個平安、有序的生活、學習環境，為學校的安全管理水平和安全服務能力有效提升提供了強大的安防技術支撐，為徐州工程學院數字化校園建設增添了絢麗的一筆，為平安、和諧校園的構建提供了堅實的技防保障。

1 監控數據實現了海量存儲

采用了高性能、高可靠性的IP SAN方式作為錄像數據存儲方式。單臺陣列最高可達24個盤位，每塊盤容量最大可支持2T，全面支持RAID0，1，3，5，6，10，50眾多級別，磁盤支持冗余熱各，滿足用戶對錄像數據不同重要性的要求，針對監控系統并發寫遠多于并發讀的特性，對存儲服務器進行了特別優化，CPU資源分配大部分用于寫操作，網IP也固定寫入帶寬為讀出帶寬約5倍，采取相對集中的方式存儲在會聚點，中心端集中管理，徹底解決了IP攝像機的存儲難題，目前我校的監控點共計761個，監控數據的存儲周期已達到2個月的時間，已遠遠超過了公安機關要求的資料留存不低于30天的標準。

2 監控畫質實現了高清晰度

IP前端采用了SONY高性能的CCD感光芯片，具備極高的解析度、色彩還原度和飽和度，最高支持720P高清畫質，保障前端視頻源的清晰度。確保了實時監控畫面、錄像回放畫面均可達D1畫質，而后端解碼服務器的輸出畫質支持D1，因此，在畫面采集、壓縮編碼(網傳、存儲)、解碼顯示整個過程中，既保障了部件D1清晰度，又保證了系統D1清晰度。

3 監控數據實現了流控分離

在業界首創的雙碼流技術(預覽流與存儲流分離技術)中，主碼流和子碼流的碼流類型、分辨率、幀率、位率上限、圖像質量、位率類型均獨立可調。在用戶網絡質量下降時，選用子碼流進行網傳，主碼流進行錄像，既滿足錄像文件的優秀畫質，又確保遠程預覽得以進行。視頻流與控制流分離技術，因視頻流數據量較大，并發訪問數量增加將增大IP前端CPU處理負荷及出口帶寬壓力，利用流媒體快速復制分發的特點，解除IP前端并發訪問路數限制。相反由于控制流數據量小，實時性要求高，直接采用TCP傳輸方式，不穿越流媒體服務器，在傳輸線路上減小延遲(小于300ms)。

4 監控系統的維護十分便捷

整個監控系統平臺采用全中文界面、智能化管理，以機器自動化方式取代操作員來完成枯燥的故障巡查工作，維護人員只需做故障確認和處理工作，大大簡化了維護人員的工作難度，有效提高了維護人員的工作效率。同時將視頻設備接入、服務器部署，編碼、存儲、解碼、上墻、轉發、網傳、報警、聯動等等一系列與監控系統緊密相關的事務統統整合進平臺系統，實現全面統一管理機制。而管理服務器則以樹狀結構清晰羅列分級監控系統，各級監控資源一目了然，設備參數設置、用戶管理、錄像、報警、網絡等常見配置頁面清晰可見，維護人員可對設備位置進行快速配置、修復故障。

5 監控系統的可擴展性大大增強

采用高品質的IP網絡替代模擬或數模矩陣，以IP網絡的分組交換代替矩陣的電路交換。實現了整套系統的無限擴展；通過IPSAN專業存儲，實現海量存儲的可擴展性。IP SAN是一種通過網絡方式連接存儲設備和應用服務器的存儲構架，它采用基于“數據塊級”的存儲方式，具備很高的性能和可擴展性，尤其適合于大容量存儲讀寫應用，采用這種方式，存儲設備可實現物理上分布式部署，邏輯上集中管理，存儲容量很容易根據監控圖像存儲的需求實現平滑擴展；基于IMOS技術的IP網絡視頻監控系統作為一個開放、標準的視頻監控基礎平臺，在設備層面提供了編程接口，同時在監控管理平臺層面也提供了API和SDK開放包，通過這些接口，可以有效兼容其他品牌，為我校安防系統的三臺合一提供更多智能化、個性化的增值業務。

四 結論

在構建社會主義和諧社會的大背景下，構建安全、穩定、有序的和諧校園勢在必行。而視頻監控系統的應用則是和諧校園構建的技防保障。傳統的模擬或數模結合監控系統，由于對圖像的處理和傳輸均采用模擬技術，不僅圖象質量低，系統資源浪費嚴重，而且存儲量小，可擴展性極差，視頻圖像效果與視頻傳輸的實時性矛盾十分突出，很難組成規模較大的系統結構，無法滿足現有校園安全管理的需求。伴隨著社會環境的不斷復雜，高校校園規模的不斷擴大，校區的不斷增多，高等學校對監控系統的監控范圍，信息量，存儲量、處理速度和可擴展性要求不斷提升，這就要求信息時代的監控系統必須具備存儲海量、操作便捷、畫質清晰、維護便捷和可擴展性等必備特性。所以徐州工程學院實施基于IMOS技術的校園IP網絡視頻監控系統的開發應用是一項具有高度前瞻性和創新性的工作，它必將對網絡視頻信息技術在當今高校技防領域中的全面應用起到一定的推動作用。