视频监控系统的发展阶段

本文依据视频监控系统发展的二个阶段．即模拟闭路电视监控(CCTV)系统、数字化监控系统、网络视频监控系统，详细介绍了每个系统的组成、结构框架和特点，并结合数字社区中视频监控系统的建设工作，从技术角度阐述了监控必然经历模拟监控——数字监控——网络监控——智能监控的发展趋势。

1 概述

从监控技术的发展历史来看，大致经历三代系统的发展历程，第—一代是模拟闭路电视监控(CCTV)系统，第二代是数字化监控系统，第三代是网络视频监控系统。

2 视频监控系统的发展历程

2．1 模拟视频监控系统

2．1．1 模拟视频监控系统的组成

第一代模拟闭路电视(CCTV)监控系统可视为多种单列模拟设备的组合，系统由“前端设备”、“监控中心”二个部分组成，前端设备包括：摄像机、球机、云台、解码器等；监控中心设备包括：监视器(电视墙)、视频分割器、切换矩阵、控制键盘、录像机等等。这两部分的设备由视频线、控制线缆等连接。

2．1．2 模拟视频监控系统的特点

1）通常适合于小范围的区域监控众所周知，传统的音视频信号是模拟量信

号，通常采用同轴电缆的方式传输。在较短距离内，如200-300米，信号的衰减很小；如果超过一定距离，视频信号就需要增加放大器，通常加一级放大器可延长传输距离200米左右。但是，在工程中如果对视频信号进行两级以上放大，图像就会明显失真，严重时图像扭曲变形，甚至出现黑色横纹。因此，模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。常规系统在一根同轴电缆上只能传送一路视频信号，如果需要传输数据信号、控制信号或音频信号等就必须另外铺设电缆。同样，若监控点的位置和数量发生变化，也必须另外铺设电缆，工程复杂，造价昂贵，敷设大量的传输电缆还不得不承担对建筑物、道路和基础设施等的破坏。

2)模拟监控系统在进行长延时录像时的图像质量也不够理想，信息不易检索，录像带的存储和更换也是令人烦恼的事。

3)系统的扩展能力差

对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中；

4)无法形成有效的报警联动

在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行，与现有计算机和网络系统无法集成。

2．1．3 模拟闭路电视监控原理图(见图1)

2．2 数字视频监控系统

2．2．1 数字视频监控系统的发展历程

回顾国内监控系统的数字化发展过程，期间划分下述几个阶段：

第一阶段为九十年代前期：当时的监控系统一般采用国外的进口矩阵控制主机，为了适应当时计算机普及化的需求，监控公司纷纷开发利用计算机对矩阵主机进行系统控制的软件，实现电脑对监控系统图像切换、音频切换、报警处理、图像抓拍等多媒体控制。此时的计算机多媒体监控实际上仅仅作为监控系统的一个辅助控制键盘使用，可以说是数字化监控开始的雏形。

第二阶段是九十年代中、后期：在这一时期是图像处理技术、计算机技术、网络技术飞速发展的时期。国内公司在完成矩阵主机、解码器、多媒体控制系统、云台等外部设备产业化生产后，发现台湾地区和国外监控公司开始将他们基于传统电子制造业的监控生产线转移到我国进行生产，这些产品包括摄像机、监视器、图像处理器、磁带录像机、报警探测器、报警主机等监控产品，上述发展过程只是九十年代国外电子产品制造商大规模进入我国市场的一个普遍现象，它完成了大多数监控产品国产化过程，促进了监控系统在国内的普及应用。

这一阶段，国外已经开始数字化监控进程，最先被引进国内的数字监控产品是美国和以色列生产的电话线传输和网络传输产品，图像压缩标准采用 MJPEG，系统具有简单的数字化监控与网络监控的许多功能，并且还有一项令整个监控业感到新奇的功能——数字录像功能。由于数字监控设备刚刚引人监控行业，其极高的高科技附加值立刻吸引了众多监控公司投入其中，纷纷开发出基于计算机结构的数字化监控主机，该系统将矩阵切换器，图像分割器、硬盘录像机集成在一台计算机平台上，形成了具有中国特色的监控主机产品，并发展成产业趋势。但由于受到价格的影响以及硬盘容量的限制，这一时期发展的数字监控系统和数字录像系统还不能够在与模拟设备的竞争中取得优势。

第三个阶段是2000年以后：随着图像压缩技术的进步，特别是MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4图像压缩芯片的大量推广应用，2000年至今，数字监控产品进入了一个快速发展时期，产品也由原来的数字监控录像主机发展到网络摄像机、网络传输设备、电话传输设备、专业数字硬盘录像机等多种产品，典型代表是基于嵌入式Web服务器技术的远程网络视频监控系统。

2．2．2 数字硬盘录像机的分类

数字监控系统是以硬盘录像机(DVR)为核心的

视频监控系统，DVR是以计算机硬盘为载体，可记录、回放音视频信号的设

备，其工作原理是将传统意义上的视频和音频信号，通过压缩编码芯片，转换成为MPEC格式的文件，并存储在电脑硬盘亡。目前，国内硬盘录像机大致分为以下几种类型：

1)按系统结构分两大类：基于PC架构和脱离PC架构

基于PC结构：这种架构的硬件基础为PC(个人电脑)结构或IC(工业电脑)

结构。这种视频监控录像系统的组成结构为：兼容／工控PC机+视频采集卡十普通／较可靠的操作平台+应用软件；软件操作平台主要有：WINDOWS、LINUX。除压缩卡以外，硬件不需要专门开发，使用目前通用的计算机配件，如主板、 CPU、内存、显示卡、网卡、机箱等设备，通用性好。

基于PC结构的硬盘录像机的优点在于：录像清晰度较高，存储空间较大(容

易扩展存储硬盘)，适宜长时间录像，能适用于各种场合，克全面取代传统的多画面分割器、录像机、矩阵等模拟产品。

缺点是：操作系统和应用软件均在计算机的硬盘上，启动速度较慢，且需要在内存和硬盘之间交换数据，一旦有操作不当、临时断电等情况发生，就会损坏操作系统和应用软件，使用WINDOWS和LINUX均会发生这种情况，稳定性差。

脱离PC结构：这种结构基于嵌入式电脑技术，大大提高了系统的稳定性，现在市场上占有一定的份额。这种硬盘录像机因为技术的限制，现在功能较为简单，压缩算法通常采用MPEG-1压缩算法，适用于一些需求较为简单的场合，市场L：大规模应用还有待时日。

脱离PC结构的硬盘录像机的特点：操作简单，功能单一，硬件需专门开发，开发周期较长，配件需原生产厂提供，自行修理较困难，价格较贵，几乎不能升级，而且没有VGA输出，仅有视频输出。

2)按核心技术分：MPEG-1，MJPEG,MPEG—2和MPEG-4

所有硬盘录像机的核心技术均为数字多媒体压缩算法，目前市面上常见的压缩算法有：MPEG—1，MJPEG,MPEG-2和MPEG-4。MPEG-2算法图像清晰度很高，但数据量太大，不大适用于国内保安系统长时间录像的要求；MJPEG压缩技术源于JPEG图片压缩技术，压缩后图像清晰度较好，但数据量较高，不大适用于告诉移动物体的摄像，也不大适用于国内长时间保安录像的需求；MPEG-1压缩技术目前在国内应用最为广泛，这种算法技术发展成熟，数据压缩率相比MJPEG

要高，图像清晰度略高于模拟录像机，容易做到多路实时录像，但数据量还是较大，若用于银行长时间实时录像，占用硬盘空间太大，网络传输占用带宽较大，不大实用于视频图像远程传输，MPEG-4压缩算法目前在国内应用还不多，这种压缩算法较为先进，图像压缩比较高，图像清晰度也较高，网络传输占用带宽较小，能通过各种传输方式进行远程视频图像传输。基于这种压缩算法的硬盘录像机前景较好，适应当前国内安防行业需求和国内网络建设现状，特别适合于国内银行长时间实时录像的要求。

DVR，上运行的软件分为操作系统和应用软件(即控制纪录、回放功能的软件)。按操作系统来分有三种，第一种大都采取是自主开发的操作系统，第：二种是基于微软公司的WINDOWS操作系统，第三种是LINUX操作系统。嵌入式结构使用第——种操作系统，PC机结构使用第二、三种操作系统。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展．在实际工程使用过程中，也暴露出——些不足，主要是系统工作的不稳定性，掉电后不能自动恢复录像，于是出现了嵌入式硬盘录像

机 (Digital Vidc。Recorder)，嵌人式系统—一般指非PC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，将内部的操作系统和应用程序写人到诸如FLASH、DISK ON CHIP或单片机等存储器芯片上，

面向某种特定应用的系统和设备。嵌入式硬盘录像机就是一个专用的存储设备，可移动载体例如硬盘只负责存储图像文件，从而具有上电速度快无需等待、防篡改能力强等优点。嵌入式可细分为专业级的嵌人式DVR和PC结构嵌入式DVR，专业级嵌入式 DVR使用专用的嵌入式CPU和专用的嵌入式操作系统，开发周期较长，结构简单紧凑，去掉不必要的冗余，所以更专业、实用和稳定。PC结构嵌入式DVR则用来解决大路数存储，采用便于移植的操作系统和应用程序一起写到存储器芯片，开发周期短，而且解决了掉电、死机、软硬件冲突等遗留问题，实现了稳定的大路数视频传输，更灵活、更容易网络化。

2．2．3 数字视频监控系统的系统框图(见图2)

2．2．4 数字视频监控系统的特点

1)是"PC(工控机)+视频卡+监控软件”的数字硬盘录像系统，简称

DVR(Digital Video Recorder)。

2)现有DVR监控软件分为基于Windows95／98／ 2000和Linux操作系统两种，满足不同场合的需求，特别是基于Linux操作系统的DVR稳定性有较大提高。

3)近2年非PC的DVR(嵌入式DVR)发展势头迅猛，主要原因是安装使用简单、系统可靠性高、

4)数据存储

采用Motion JPEG、H．263、MPEG等多媒体数字压缩技术，将视频图像完全

数字化，存储在计算机的硬盘、光盘等数字化存储媒介上，可连续存储—个月或更长的时间，从而避免了经常更换磁带的麻烦。数字化资料存储可以做到保存时间长、数据更稳定且不宜损坏。

5)数据处理

由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。通过视频分析，可及时发现异常情况并进行联动报警，从而实现无人值守。

6)数据查询

在传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花大量时间观看录像带才能找到现场汜录；而在数字视频监控系统中，利用计算机建立的索引，在几分钟内就能找到相应的现场汜录，节省了时间和精力，大大提高了工作效率。

7)远程访问能力

数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实时监控现场。用户通过一个网络连接到他们的数字视频服务器，在他们选择的PC计算机上观看到所需的视频图像，连接的网络既可是局域网也可是广域网，也可以是一个通过电话线的拨号网络(一个Modem连接到单台计算机或连接到Inter—net)。而模拟系统则是不可能远程观看视频图像的。

8)图像的质量与监控效率

数字图像的画面是以逐行扫描的方式进行显示的，采用数字化录像，可以使录像画面的质量提高，做到画面信息度高、画面清晰和不失真。利用计算机可以对不清晰的图像进行去噪、锐化等处理，通过调整图像大小，借助显示器的高分辨率，可以观看到清晰的高质量图像。此外，可以在一台显示器上同时观看16路甚~5532路视频图像。

9)系统的管理和维护

数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度高，视频传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。采用数字视频监控系统，故障率大大降低。而视频录像带则易遭破坏或磨损。此外，数字视频监控系统的运行是完全自动的，不需要人去介入。即使发生电源故障，数字视频监控系统具有的自举(reboots)功能将能继续电源中断时所做的事情。

10)网络传输功能

由于数字监控系统是安防行业和IT行业完美结合的产物，所以它具有计算机网络上相当一部分的功能。数字监控系统中的数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，而且能够进行加密传输，因而可在数千公里之外实时监控现场。特别是在现场环境恶劣或不便于直接深入现场的情况下，数字视频监

控能达到亲临现场的效果。可以完美的解决跨地域的监控需求。

2．3 网络视频监控系统

2．3．1 网络视频监控系统的原理

基于嵌入式Web服务器技术的远程网络视频监控主要的原理是：视频服务器

内置一个嵌入式Web服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄像机传送来的视频信号数字化后经过压缩，通过内部总线传送到Web服务器。网络上用户可以直接用浏览器(如IE或Netscape Navigator等)观看Web服务器上的摄像机图象，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频压缩和Web功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连人以太网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆，安装方便(仅需设置一个IP地址)，通过DDN、ISDN、PSTN或ADSL路由器，在局域网、广域网或者国际互联网上播，用户也无需使用专用软件，仅用浏览器即可观看。

2．3．2 网络视频监控系统的结构框图系统联网图见图3。

2．3．3 网络视频监控系统的特点

嵌入式网络视频Web服务器监控系统与其它监控系统的比较具有一下特点：

1)是基于局域网／城域网／互联网(Internet)的新一代远程网络视频监控系统。

2)系统由“前端设备”、“服务器”、“客户端”三个部份组成。

前端主要设备由网络视频服务器+摄像机组成，或是“网络摄像机(WebCam ／NetCam)”、“网络球机(WebDome)”等。服务器就是嵌入式web服务器，安装了“服务器端软件”的服务器及相应的存储设备(磁盘阵列)等组成“网络视频的监控中心”。连接在网络中的任何一台电脑，只需安装了客户端软件，并授予合法身份和权限就可成为监控系统的终端。从监控点、监控中心(服务器)、监控终端(客户端)实现真正全程数字化，与业务系统、管理系统实现无缝联接、共享资源。

3)布控区域广阔

嵌入式网络视频Web服务器监控系统的Web服务器直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制．同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布控区域。

4)系统具有几乎无限的无缝扩展能力

所有设备都以IP地址进行标识，增加设备只是意味着IP地址的扩充。

5)可组成非常复杂的监控网络

采用基于嵌入式Web服务器为核心的监控系统，在组网方式上：与传统的模

拟监控和基于PC平台的监控方式有极大的不同，由于Web服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。只要有网络连接的地方就可实现异地监控，不受任何环境、地理等条件的限制。多个人可同时观看一个镜头的图像，一个人也可同时观看多个镜头。

6)性能稳定可靠，无需专人管理

嵌入式Web服务器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作

系统，又由于视频压缩和Web功能集中到一个体积很小的设备内，直接连人局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。

7)多系统整合

监控系统发展到第三代，视频监控系统已经将门禁系统、报警系统整合在一起。视频数据、门禁数据和报警数据的数字化，利用计算机进行数字化数据的运算、处理，做到数据间的交互。三个系统的完美整合，几乎可以解决所有用户的需求。

8)扩充简易

数字视频监控系统的前端设备主要采用网络摄像机和视频服务器，它们扩充非常方便，只需一个电源和一个网络借口就能接人系统扩展监控范围。监控点可随时增加，不再需要为增加一个监控点重新施工布线。

3 视频监控系统的发展方向

监控中的“监”是指视频，“控”是指通讯控制，两者虽然发展主线不同，但最后将会越来越接近。透视数据流的形态变化和发展，人们可以清楚地认知到视频监控发展的过去和未来。未来的数据不仅仅只是通讯控制的数据，而应该是现在意义上的数据加视频和音频数据，是一个数据流或信息流。在不久的将来，尤其是在未来网络时代必将会产生一个协议和标准的统一，这就是未来智能数字监控系统。所以，从技术角度来说，监控必然经历模拟监控—数字监控—网络监控—智能监控的发展过程，也就是大家经常所讲的监控要向数字化、网络化和智能化方向发展。而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大特点就是数字化、网络化、智能化。

4 数字社区中视频监控系统的建设实践

在“数字上地”的建设项目中，因为存在许多基于局域网建成的子系统，如

报警系统、门禁系统和视频监控系统，这些系统都是独立运行的，形成一个个所谓的“信息孤岛”，难以做到统一管理、统一调度．不能对同一事件进行及时的协调处理，带来的是复杂的管理制度、人力资源的浪费及各种相关信息的重复建设等相关问题，所以将这些独立的系统接人基于TCP／IP协议的IP网，实现信息共享已经迫在眉睫。

本文以数字视频监控系统为例，着重讲述了将基于局域网传输的数字视频监控系统接人Internet网络的工程案例，实现在Internet上的实时视频信息传输。目前在建设“数字上地”的进程中，在已有的模拟闭路电视监控系统的基础上增加了基于光纤+平同轴电缆传输的数字视频控，实现了基于LAN的视频网络传输。本系统是基于CP／UDP协议开发的，可通过LAN、PSTN、ISDN、DDN、ADSL 等链路实现远程监视、语音传送、网络回放与控制功能。该系统分主控端和分控端，主控端采用的是数字硬盘录像机 XH-DVR2016，它是16路实时硬盘录像／回放和视频服务监控系统的主机，集成了多画面处理显示、视频运动检测、图像压缩编码／恢复解码、数字录像／即时回放、影像资料管理、资料备份／还原、云台／镜头控制、高速球型摄像机控制、视频服务等多种功能。内置四块Hikvision DS4000 MPEG4 Board视频采集卡，一卡四路，能同时采集16路的模拟视频信号，而后用MPEG4压缩编码格式转换为计算机能处理的数字信号，主机中安装播放控制软件(服务器版)，并町通过设置固定的IP地址和主控机的名称，使局域网内的任一台装有接收软件(客户端版)的计算机连接到主控机，完成相应参数的设置后实现远程监控的功能。我们在此网络结构的基础上将数字视频监控

系统接人了Internet，实现过程如下：

1．采用VC++开发视频播放器的ActiveX控件，将其打包为．cab文件存放在web服务器的根目录下；

2．改写服务端接收软件；

3．编写web浏览界面，内嵌视频播放器控件。

这样只要联网的客户端不用安装任何应用软件，只需通过浏览器下载安装该控件即可实时浏览视频画面，从而使传统的模拟视频监控和仪限于 LAN的数字视频监控向网络化迈进一步。具体的网络拓扑图见图4。

改进后的数字视频监控系统自投入运行确实起到了远程实时监控现场情况

的作用，与原来基于LAN的视频监控系统相比更加方便、灵活。不像原来要在监控中心的机房或者网络终端来监控现场，现在无论在什么地方，只要身边有一台接人Internet的计算机，并且取得一定的用户认证权限后，即可登录到远程数字视频监控系统，实时观看从前端摄像机捕捉到的视频画面，这样就能直观有效地监控各现场的情况，如通过安装在各个重要交通路口的摄像机，能及时发现交通事故，并在最短的时间内通知交管部门处理事故，这样就将事故带来的隐患降低到最小，如果出现重大的交通事故，还能在第一时间内通知医院医务人员进行抢救工作。还有将摄像机安装在各个单位的重要部门，就能及时发现并掌握犯罪线索，以便将犯罪扼杀于萌芽状态之中，从而达到预防犯罪发生的功效。

5 结束语

二十一世纪是监控系统全面进入到计算机网络的时代，早日选择以计算机网络为核心的第三代数字监控系统，为今后向更高、更远的发展奠定了基础，不断地将最新、最好的科技引进来，更好地与时代接轨。将目前监控仅用于安防的目的，向更高、更远的方面发展，融合自动化控制、网络通讯、智能管理等多方面，使之成为一个整体，势必创造出强大的生产力，促进企业与社会的不断发展。尽管目前，CCTV与DVR仍旧占领着市场的主流部分，但从产品自身的生命周期、市场的新陈代谢与用户要求的不断提升各个方面看，全数字网络视频监控在近期迅速占领市场将是必然的趋势。