數字高清監控系統設計要點

■朱月紅

數字高清監控作為新興技術，成為監控行業目前的技術發展熱點。憑借相對于傳統模擬標清監控，其能更清晰地呈現細節的技術優勢，贏得市場的青睞。未來，基于數字高清的監控系統，需求市場巨大。

體系架構設計

目前數字高清道路監控系統架構存在分非壓縮和壓縮兩大類。

非壓縮架構由非壓縮高清攝像機、高清光端機、高清矩陣、高清SDI-DVR等設備組成，從前端至大屏顯示均不經過壓縮，因此其優勢在于可控攝像機的圖像與控制信號的傳輸無延遲間隔，其后端圖像存儲依然采用數字壓縮。

壓縮架構由前端IP高清數字攝像機，IP網絡交換機、高清NVR、解碼器等設備組成，依托于通用IP網絡，結構簡單，通用性強。

通過部分試點項目的綜合比較，非壓縮架構在性能功能上僅在延遲上略勝一籌，但存在造價昂貴、所需設備眾多（高清光端機、高清矩陣）、通用性差等大問題。IP壓縮架構正成為目前高清監控系統建設的主流，相應的產品如IP高清攝像機、高清鏡頭、高清NVR、高清解碼器也將成為高清監控市場的產品主流。下文就IP壓縮架構的各相關設備選型做詳細分析闡述。

前端采集

固定/可控

早期試點項目有可控和固定兩種高清前端并存，經過多年的試點比較，可控高清攝像機造價昂貴、延遲大、實用性差等缺陷越發明顯，結合視頻后期處理應用，筆者建議現階段的高清監控應以實用的固定攝像機為重點基礎建設。

IP高清攝像機

高清IP攝像機的優劣與檔次主要由感光器件尺寸、有效像素、處理器性能、靈敏度、制作工藝、色彩還原性等硬指標決定，攝像機內部處理器自帶數字壓縮及后期應用，因此壓縮算法、碼流、幀率、本地存儲等特性指標也成為高清IP攝像機技術指標的重要部分。下表就目前市場眾多高清攝像機的測試分析各項指標和實際效果：

指標項 分析結果感光器件 存在CCD和CMOS兩種，國內以CCD為主，國外以CMOS居多，主流尺寸有1/3、1/2.8、1/1.8、1/2、2/3等。分辨率國內用戶對圖像流暢度要求較高，200萬像素攝像機均已達到25幀/秒，因此國內主流為720p和1080p，逐行掃描,畫面寬高比為16:9。壓縮格式常規有H.264MPEG4M-JPEG三種,國內H.264以其高壓縮比、低碼流、高性能的絕對優勢成為高清監控的主流壓縮格式。靈敏度 普遍不如傳統模擬攝像機，建議夜間光照嚴重不足區域配置補光燈補充光照強度。色彩還原性高清色彩普遍有不同程度的失真，而色彩還原性是衡量高清攝像機圖像質量和檔次的重要指標，須對比觀察實物與圖像顯示效果。720p和1080p兩檔均能達到25幀或30幀的流暢度，但要驗證其穩定性，須測試觀察在畫面信息變化較大時是否有馬賽克、卡住、丟包等現象。圖像處理 具有背光補償、寬動態、強光抑制等多種處理方式。碼流 單路視頻平均碼流一般在10Mbps以下，瞬時碼流高峰值可達50Mbps。本地存儲 是數字攝像機的衍生產物，每路10Mbps以下的平均碼流使本地存儲成為了可能。流暢度

鏡頭

高清鏡頭作為高清攝像機的配件，其MTF值、焦距、光圈范圍等關鍵指標影響高清圖像的最終呈現。

MTF：是不同于傳統標清鏡頭的新指標，用來反映鏡頭的透光性、反差對比度、分辨率以及邊緣及中心的一致性。MTF曲線圖是衡量鏡頭品質和工藝的重要依據。MTF值一般在F（光圈值）=8時測得最好，由4條曲線組成，分別反映鏡頭的透光性/反差對比度、分辨率、相散和一致性。

焦距：決定視場中哪一部分最清晰，用f表示，高清鏡頭以焦距分類可分為定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、電動變焦鏡頭。手動變焦鏡頭目前廣泛應用于道路監控固定高清攝像機中，可適用于不同的目標和場景。道路監控攝像部件安裝于室外立桿挑臂上，攝像部件容易晃動，因此在鏡頭選型時還應注意相應的焦距固定措施，齒輪固定、螺釘固定等，防止鏡頭脫焦。

光圈：決定鏡頭的通光量，用F值表示，F=焦距/光圈孔徑，F值影響夜間圖像效果。道路監控固定攝像機一般選用自動光圈鏡頭，由于焦距固定，場景變化不大，光圈驅動方式選擇DC驅動即可，電動變焦鏡頭選用視頻驅動效果較好（用于可控高清攝像機）。

與攝像機的匹配：1/2"的鏡頭可以用于1/3"的攝像機，但分辨率必須大于攝像機分辨率，300萬像素的鏡頭才能與200萬像素的攝像機匹配，主要原因體現在兩方面：一是攝像機與鏡頭的像素密度應相等，即鏡頭的分辨率/鏡頭的感光器件尺寸 = 攝像機的分辨率/攝像機的感光器件尺寸，以此倒推，得出適應攝像機的鏡頭分辨率需求；二是鏡頭由多組凹/凸的鏡片組成，邊緣與中心的一致性較好的鏡頭在80%左右，邊緣分辨率多少會下降，因此鏡頭分辨率大于攝像機分辨率為宜。

傳輸與交換

數字高清監控系統的每個環節都依托IP網絡傳輸，包括前端攝像機、高清NVR、管理服務器、客戶端PC等設備。

接入層

前端攝像機至中心機房的傳輸為接入層，傳輸媒介為光纖，傳輸設備分為光纖收發器/以太網光端機/工業以太網交換機和PON設備（EPON和GPON）兩大類。

光纖收發器/以太網光端機/工業以太網交換機：適用于光纖資源充足的情況，前端至中心機房的光纜鏈路為點對點連接方式，每個點位占用1芯光纜。光纖收發器和以太網光端機都為網絡透傳設備，不帶交換。光纖收發器僅傳輸網絡信號，以太網光端機為傳統模擬監控體系的衍生物，可傳輸模擬標清視頻信號。工業以太網交換機一般為8口以上，至少具備二層交換和簡單網絡管理功能，適用于高清攝像機布設較為密集的點位。

PON設備：通過光纖復用能有效節省鏈路光纜資源，EPON與GPON的區別主要是帶寬容量。在實際設計鏈路和鏈路節點數的時候不能完全按照這類產品宣傳資料中的描述將這類產品用到極限，如最遠60KM傳輸距離、1.25G單口帶寬。在實際設計中需結合鏈路衰減、收斂、網絡開銷、余量等綜合因素設計。鏈路衰減由光纖衰減、節點設備衰減等組成，與光纜本身質量、分光器衰減指數、分光級數密不可分，一般建議單根光纖的總體傳輸距離不超過20KM為宜。網絡帶寬設計應考慮所接設備產生的最大帶寬，高清監控按照10M/路計算帶寬為宜。

匯聚層

匯聚層采用交換機連接前端攝像機信號、機房NVR和各類服務器，根據前端接入規模、帶寬、設備類型、應用情況選擇相應的以太網交換機配置方案。攝像機接入端口根據前端接入的帶寬情況配置對應的100M/1000M/10G端口，NVR和攝像機接入端口盡量接在一臺交換機上或劃分在同一個VLAN中，以最小化故障影響。對于一些大型系統，一般建議網絡交換機采用三層交換機，以支持VLAN和路由交換應用。

匯聚層網絡交換還需完成VLAN劃分和網絡安全等至少兩部分的網絡設計。VLAN劃分通過劃分不同網絡邏輯分組限制廣播范圍并控制用戶訪問權限，一般將前端攝像機、對應的NVR以及對應的用戶終端PC劃分在一個VLAN。

網絡安全包括接入安全、驗證授權和數據加密。當未經授權的用戶或前端設備接入網絡時，應報警并生成日志。數據傳輸中加密會降低通信速度，但取決于具體的加密技術。

存儲

高清存儲一般采用高清NVR設備，通過網絡接入前端攝像機信號。目前主流市場主要有DSP和X86兩大架構體系NVR，主要功能性能由接入能力，并發能力、最大磁盤數，協議兼容性等決定。

DSP型 NVR功耗小，但處理能力和并發能力均有限，一般不超過8路1080p，磁盤驅動器數量不超過8個，無法做硬盤RAID冗余。X86型 NVR采用計算機處理器，其性能功能有很大的發展空間，可以輕松接入16路、32路或以上的1080p錄像流，磁盤驅動器數量至少16個，且可做硬盤RAID冗余。

很明顯，X86架構NVR有更廣闊的發展前景，但是考慮穩定性、可靠性以及故障影響，一般不建議將NVR用到其極限能力。在設備配置計算數量時應同時結合接入數與硬盤容量兩方面分配單臺NVR的接入數，硬盤配置除考慮數據存儲裸容量，還應考慮操作系統盤和RAID冗余備份盤。 如需要長時間備份，可增加NVR磁盤擴展柜或添加大容量磁盤陣列。

顯示

高清圖像的顯示分為PC顯示和監視器顯示兩類。PC顯示依賴于軟解碼，監視器顯示需要硬解碼。將解碼程序調入內存中用CPU解碼，就是軟解碼，軟解碼會極大消耗CPU的運算能力，畫面易卡頓，解碼能力在1-4路之間，但圖像可以通過后期優化處理。通過硬件實現的解碼成為硬解碼，將解碼程序寫入或固化在芯片上（專用DSP或ARM處理器），專注于圖像解碼運算，不占用系統開銷，圖像較流暢，能解1-8路，圖像不經過加工真實再現。目前軟解碼產品居多，真正實現硬解碼的鳳毛菱角，各家解碼效果更是參差不齊。

圖2：高標清監控融合架構建議

圖3：視頻監控未來趨勢走向

與標清的融合

大部分地區都已建設了標清監控，投資的規模較大，原先的標清監控無法丟棄，老系統的操作界面和鍵盤經過了多年的磨合改進已十分成熟穩定簡便，不少用戶仍然習慣用鍵盤操作。

分析系統現狀，新建的高清監控須考慮與已有的標清監控系統融合，建議使用統一的攝像機列表、統一的操作權限管理和統一的軟硬件操作終端，這部分工作需要高集成度的大型平臺軟硬件支持，建議選擇技術實力強且有成功應用案例的專業監控系統集成公司配合完成。

結束語

作為監控系統集成商，想要在數字高清監控的技術領域中脫穎而出，就必須在體系架構設計、產品選型和組合上領先一步。數字高清監控技術發展迅速，產品升級換代迅猛，因此建設方在初期規劃時應考慮技術的前瞻性，避免設備淘汰過快，后期維護困難等問題。