视频监控系统基础知识

1、 视频监控系统的发展简史 监控中的相关技术基础 视频监控系统的诞生 视频监控中的三个发展阶段 视频监控系统各发展阶段的特点 宽视界业务介绍视频监控系统的发展简史当黑白摄像机、黑白电视机出现时，初期的黑白图像电视监控系统也诞生了。当时的监控系统大多采用模拟方式传输，最简单的是将图像基带信息直接送入视频传输电缆进行传送。每一监控点的视频信息都通过一条电缆线直接连接到中心控制室的多路切换控制台上，通过手动切换的方式选择控制点图像使之显示在电视上。视频监控系统是一套以摄像机和电视的出现为起点，逐渐发展到集图像、声音、信息采集、智能告警于一体的综合系统。从其诞生之初，就以其直观、准确、及时和信息内容丰富

2、而广泛应用于各种场合。 视频监控系统的发展简史视频监控系统的诞生 视频监控系统的诞生 视频监控中的三个发展阶段 视频监控系统各发展阶段的特点 宽视界业务介绍视频监控系统的发展简史视频监控系统的发展简史视频监控中的三个发展阶段 模拟视频监控数字视频监控网络视频监控视频监控系统的三个发展阶段 模拟视频监控报警探头报警喇叭摄像机及云台采集点1矩阵控制主机主控副控电视墙长延时录像机采集点n监视器视频线控制线报警信号线音频线图例视频监控系统的三个发展阶段数字视频监控报警探头报警喇叭摄像机及云台采集点1电视墙采集点n硬盘录像机视频分配器网络监控用户视频线控制线报警信号线音频线图例网络线视频监控系统的三个发

3、展阶段网络视频监控视频监控发展模拟视频监控视频数字化多视频数字化监控网络化 视频监控系统的诞生 视频监控中的三个发展阶段 视频监控系统各发展阶段的特点 宽视界业务介绍视频监控系统各发展阶段的特点模拟视频监控特点视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式，质量较高经过几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、完善缺陷只适用于较小的地理范围与信息系统无法交换数据监控范围仅限于监控中心，应用灵活性差不易扩展数字视频监控特点信息实地数字化，简化线路，信号无衰减先进的分布式并发监控模型高质量的音视频编解码和播放强大的网络适应能力，适应海量流量负载灵活方便的远程系统管理维护手段和技术支持完善先进的监控功能缺

4、陷非完全意义上的数字化视频监控系统各发展阶段的特点网络视频监控特点系统数字化系统网络化系统智能化数码相机级画质系统间的无缝连接智能化技术的方便融合视频监控系统各发展阶段的特点 视频监控系统的诞生 视频监控中的三个发展阶段 视频监控系统各发展阶段的特点 宽视界业务介绍宽视界业务介绍数据库服务平台管理平台图像监控站河北网通中心管理平台分发/存储平台公网/专网数字显示终端企业主控台显示墙 （电视墙）客户监控中心报警探头报警喇叭摄像机多媒体接入单元（视频服务器）客户远程副控台Web服务器分发平台存储平台报警探头报警喇叭摄像机多媒体接入单元监控点N维护业务台AAA服务器监控点1宽视界总体部署 CUPU宽

5、视界业务架构PU客户侧CU业务管理系统客户管理系统客户控制软件前端接入设备网管模块通道告告警分析系统数据库管理系统连接管理系统监控管理系统告警分析系统统计分析系统智能分析服务引擎集接入服务器系统多媒体服务系统宽视界平台服务器管理系统CU云台控制信息音频编码器前端存储基础智能模块DVR/S通信模块BOSS系统APIBOSS系统CU接入系统存储服务系统客户业务系统统计分析系统告警分析系统概念中国网通宽视界业务是基于款待IP网络，采用流媒体技术和视频服务器系统为行业或公众用户提供图像、声音和各种报警信号远程采集、传输、存储、处理与转播等方面的视频监控服务，是中国网通宽带业务体系的重要组成部分。特点统

6、一的平台：河北网通建立一个统一的视频监控平台，这个平台是基于互联网的，客户只要能够接入宽带互联网（除去拨号等窄带方式），就能使用；统一的管理：客户需要监控的地方是在各个不同的地方，能够实现了跨不同地方的统一管理和视频资源的共同使用；互联网连接：为客户提供图像和各种报警信号远程采集、传输、储存和处理；现场直播：能够把最直观的现场视频、语音实时异地提供给相关的人员，辅助决策。 多种终端：被监控的地点可以使用计算机、电视墙或目前具有相应功能的PDA、手机等设备，即可通过互联网实现视频监控的业务。宽视界业务介绍宽视界概念和特点 视频监控系统的发展简史 监控中的相关技术基础 监控中的视频压缩技术 嵌入式

7、系统基于智能化模式识别与行为分析的智能监控技术 网络传输协议串行接口标准监控中的相关技术基础监控中的相关技术基础 视频编码的基本原理 视频编码的基本框架 国际音视频标准发展历程 监控中的视频编码技术 监控中视频编码分辨率的选择 监控中实现视频编码的最佳方式监控中的视频压缩技术 视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉（去除数据之间的相关性），压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。 去时域冗余信息使用帧间编码技术可去除时域冗余信息。去空域冗余信息主要使用帧间编码技术和熵

8、编码技术。 监控中的视频压缩技术视频编码的基本原理 监控中的视频压缩技术视频编码的基本框架 监控中的视频压缩技术国际音视频标准发展历程 监控中的视频压缩技术H.261 H.261标准是为ISDN设计，主要针对实时编码和解码设计，压缩和解压缩的信号延时不超过150ms，码率px64kbps(p=130)。 H.261标准主要采用运动补偿的帧间预测、DCT变换、自适应量化、熵编码等压缩技术。 只有I帧和P帧，没有B帧，运动估计精度只精确到像素级。支持两种图像扫描格式：QCIF和CIF。H.263 H.263标准是甚低码率的图像编码国际标准，它一方面以H.261为基础，以混合编码为核心，其基本原理框

9、图和H.261十分相似，原始数据和码流组织也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些国际标准中有效、合理的部分，如：半像素精度的运动估计、PB帧预测等，使它性能优于H.261。 H.263使用的位率可小于64Kb/s,且传输比特率可不固定（变码率）。H.263支持多种分辨率： SQCIF(128x96)、 QCIF、CIF、4CIF、16CIF。监控中的视频压缩技术JPEG 国际标准化组织于1986年成立了JPEG(Joint Photographic Expert Group)联合图片专家小组，主要致力于制定连续色调、多级灰度、静态图像的数字图像压缩编码标准。常用的基于离散余弦变

10、换(DCT)的编码方法，是JPEG算法的核心内容。MPEG-1/2 MPEG-1标准用于数字存储体上活动图像及其伴音的编码，其数码率为1.5Mb/s。 MPEG-1的视频原理框图和H.261的相似。 MPEG-1视频压缩技术的特点：1. 随机存取；2. 快速正向/逆向搜索；3 .逆向重播；4. 视听同步；5. 容错性；6. 编/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，帧内/帧间图像数据压缩技术必须同时使用。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，用以减少空域冗余信息。帧间压缩算法，采用预测法和插补法。预测误差可在通过DCT变换编码处理，进一步压缩。帧间

11、编码技术可减少时间轴方向的冗余信息。 MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”，它在MPEG-1的基础上作了许多重要的扩展和改进，但基本算法和MPEG-1相同。国际音视频标准发展历程监控中的视频压缩技术MPEG-4 MPEG-4标准并非是MPEG-2的替代品，它着眼于不同的应用领域。MPEG-4的制定初衷主要针对视频会议、可视电话超低比特率压缩（小于64Kb/s）的需求。在制定过程中，MPEG组织深深感受到人们对媒体信息，特别是对视频信息的需求由播放型转向基于内容的访问、检索和操作。 MPEG-4与前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它为多媒体数据压缩编码提供了更为广阔的平台，它

12、定义的是一种格式、一种框架，而不是具体算法，它希望建立一种更自由的通信与开发环境。于是MPEG-4新的目标就是定义为：支持多种多媒体的应用，特别是多媒体信息基于内容的检索和访问，可根据不同的应用需求，现场配置解码器。编码系统也是开放的，可随时加入新的有效的算法模块。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等。JVT：新一代的视频压缩标准 JVT是由ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG成立的联合视频工作组（Joint Video Team），致力于新一代数字视频压缩标准的制定。 JVT标准在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC(part

13、10)标准；在ITU-T中的名称:H.264（早期被称为H.26L） 国际音视频标准发展历程监控中的视频压缩技术H264/AVC(Advanced Video Coding) H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验, 采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广。H.264创造性了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8)和新一代的环路滤波器，使得压缩性能大大提高，系统更加完善。 H.264主要有以下几大优点： 高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，减小50%比特率 延时约束方面有很好的柔韧性 容错能力 编

14、/解码的复杂性可伸缩性 解码全部细节：没有不匹配 高质量应用 网络友善国际音视频标准发展历程目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术。对于最终客户来言最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。监控中的视频压缩技术监控中的视频编码技术 监控中的视频压缩技术MJPEG MJPEG（Motion JPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频

15、图像，可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要820K！H.264/AVC H.264集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多整体性能： 和H.263+和MPEG-4 SP (Simple Profile,简单类)相比最多可节省50的码率，使存储容量大大降低； H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量； 采用“网络友善”的结构和语法，使其更有利于网络传输。 H.264采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广，更容易在

16、视频会议、视频电话中实现，更容易实现互连互通，可以简便地和G.729等低比特率语音压缩组成一个完整的系统。 MPEG LA吸收MPEG-4的高昂专利费而使它难以推广的教训，MPEG LA制定了以下低廉的H.264收费标准：H.264广播时基本不收费；产品中嵌入H.264编/解码器时，年产量10万台以下不收取费，超过10万台每台收取0.2美元，超过500万台每台收取0.1美元。监控中的视频编码技术监控中的视频压缩技术MPEG-4 MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是

17、从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。 MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题，目前规定： 每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元 编码/解码设备还需要按时间交费（4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年）MPEG-1/2 MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制为352X240；PAL制为352X288)的图像进行压缩. 压缩位率主要目标为1.5

18、Mb/s.较MJPEG技术，MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。但MPEG1也有较多不利地方:存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。 MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：低(352x288)，中(720 x480)，次高(1440 x1080)，高(1920 x1080)。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适和网络传输。监控中的视频编码技术目前监控行业中主要使用以下分辨率：QCIF、

19、CIF、4CIF和D1。QCIF分辨率为176x144。CIF分辨率为352x288，相当于VCD的清晰度水平。4CIF分辨率为704x576，相当于DVD的清晰度水平。D1分辨率为720 x576。CIF是目前监控行业的主流分辨率之一，它的优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉，它的图像质量较好，被大部分用户所接受。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。4CIF和D1是目前和将来的主流分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，网络传输带宽要求很高，价格也较高。随着计算机处理能力的提高、存储设备的发展和网络带宽的扩大，高清晰度分辨率将称为主流选则。 2CIF（704x288）

20、已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和4CIF存储量高、价格高昂的缺点。但由于704x288只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显。另外一种2CIF分辨率528x384，比704x288能更好解决CIF、4CIF的问题。特别是在512Kbps1Mbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户较高图像质量的要求。目前这一分辨率已被许多网络多媒体广播所采用。 监控中的视频压缩技术监控中视频编码分辨率的选择监控中的视频压缩技术 分辨率图示不同的NTSC分辨率 不同的PAL分辨率 MPEG压缩格式中所使用的分辨率 监控中的视频压缩技术视频压缩各标准的比较比较项目H.261/H.263

21、/H.263+MPEG-2MPEG4H.264(MPEG4 Part10)分辨率QCIF/CIF介于2CIF和4CIF之间4CIFD1码率范围Nx64k1.5M15M64k8M64k4M运动特性半动态全动态全动态全动态编码效率低较高高高时延较小较大较小小处理复杂度较小较小较大大常用的音频编解码技术PCM编解码ADPCM(自适应差分PCM)G.711、G.721、G.722G.723(低码率语音编码算法)G.723.1(双速率语音编码算法)G.728、 G.729、G.729A、MP3(MPEG-1 audio layer 3)监控中的视频压缩技术音频编解码技术监控中的视频压缩技术音频编解码技术

22、比较比较项目PCMG.711G.723G.729MP3码率1411.2 Kbps64 Kbps5.3Kbps/6.3Kbps8 Kbps128112kbps压缩PCM编码，无压缩PCM编码，无压缩有损压缩有损压缩高保真频响范围2020kHz3003400Hz3003400Hz3003400Hz2020kHz延时大小小小较大声音质量很好一般一般良好好 G.723和G.729编解码技术占用的带宽小，音质一般，适于在对带宽要求严格的网络比如internet广域网。MP3技术的音质好，但占用带宽较大，时延稍大，适于宽度局域网使用。 目前视频编码正处于一个技术日新月异的时期，视频编码的压缩性能在不断得到

23、提升。 在监控中主要使用ASCI和DSP两种方案。由于ASIC芯片的设计、生产周期过长，使它已跟不上视频编码的发展速度。而DSP芯片，由于它的通用设计，使它能实现各种视频编码算法，并且可以及时更新视频编码器，紧跟视频编码的发展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更灵活的配置编码器，使编码器达到最佳性能。 监控中的视频压缩技术监控中实现视频编码的最佳方式 监控中的视频压缩技术 嵌入式系统基于智能化模式识别与行为分析的智能监控技术 网络传输协议串行接口标准监控中的相关技术基础监控中的相关技术基础嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可

24、裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪

25、表与医疗仪器等。嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件 ( 要求实时和多任务操作 ) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 监控中的视频压缩技术 嵌入式系统基于智能化模式识别与行为分析的智能监控技术 网络传输协议串行接口标准监控中的相关技术基础基于智能化模式识别与行为分析的智能监控技术 在视频监

26、控系统中，采用基于图像的算法自动的分析和抽取视频源中的关键信息，就是智能视频技术。通过智能监控技术可实现丰富的监控使用功能，实现在不同监控点可选择配置的图像分析能力，例如： 敏感区域的活动目标进入； 活动目标的异常行为；新出现的可疑静止目标；火情预警； 特定地点的人员流量统计； 交通流量统计与车号识别等。如果结合传感器技术，则实际应用范围会更广，方案会更灵活。 监控中的视频压缩技术 嵌入式系统基于智能化模式识别与行为分析的智能监控技术 网络传输协议串行接口标准监控中的相关技术基础网络传输协议TCP协议TCP通过序列确认以及包重发机制，提供可靠的数据流发送和到应用程序的虚拟连接服务。与 IP 协

27、议相结合， TCP 组成了因特网协议的核心 UDP协议UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上流媒体技术流媒体技术能够按照特定的顺序将文件发送出去，而播放程序则可以边接收数据边播放他们。流媒体应用可以根据传输模式、实时性、交互性粗略地分为多种类型，如： 视频点播(VOD)、视频广播、INTERNET TV 、视频监视、视频会议、远程教学、交互游戏等。 流媒体的技术特征流式传输顺序流式传输可在传输期间根据用户连接的速度做调整.顺序流式传输比较适合高质量的短片段；能保证电影播放的最终质量。这意味着用户在观看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此 。顺序流式文件是放在标准HTTP 或 FTP服务器上的，所以