网络视频监控系统设计

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信息技术的深入发展推动视频监控系统在各领域的广泛应用,不同的需求应运而生。针对不同的应用,需要从哪些角度去分析设计监控系统?
主要内容:

A.视频监控系统业务需求分析
B.视频监控系统分析设计
1.前端采集系统选型
2.传输网络分析及设计
3.存储设备选型及设计
4.系统规模分析及方案选型

视频监控系统需求分析

监控需求总览
实时监控观看
事后调阅取证
远程对讲指挥
联网监控
告警联动
监控系统业务需求分析——看
视频监控系统的首要目标是要看清,哪些因素决定了看的效果呢?
图像清晰、视频流畅
1.视频采集、编码。图像采集清晰度,图像编码分辨率
2.视频传输
3.解码显示,显示分辨率
监控系统业务需求分析——控、管
灵活、迅速的反应控制,方便的管理维护是监控系统当前的重要需求,如何实现?
1.管理平台
2.终端控制台
图像切换控制灵活、延时低;告警和联动反应迅速;配置和运行操作方便,维护自动化程度高
监控系统业务需求分析——存、查
可靠存储体现了监控系统的重要价值,如何去保障?
1.视频采集、编码
2.存储系统
3.传输带宽
录像存储可靠;查询方便、快速;回放清晰

视频监控系统设计

监控系统设计要素
前端:摄像机、编码器
传输:传输设备、线缆
显示:监视器、大屏
控制:DVR、NVR、管理服务器
存储:硬盘、磁盘阵列

A.前端采集系统选型

前端设备选型设计

前端设备选型设计

视频采集设备基本分类
 模拟摄像机
经济、安装使用方便、对网络要求低,适合小型、中小型应用场所或电梯等特殊监控应用。
 网络摄像机
清晰度选择范围更广,能提供更高质量的视频图像;远程管理访问方便;布线成本低;扩展性强;软件平台兼容性强。适合于中小型、大中型及大型监控系统中的部署应用。
 球型摄像机
大厅、广场等360度大范围、变化的监控场景
 枪式摄像机
出入口、柜台等固定监控场景,可灵活搭配镜头
 半球摄像机
走廊、会议室等短距离监控,室内部署要求隐蔽美观
 一体化摄像机
石油石化、高速公路等高环境要求应用场景

摄像机分辨率选择
监控关注点的不同
一个范围内的事物的整体状态:人或物体的轮廓、一个范围内人员的活动情况等。
一定距离事物细节的特征:人脸部特写、物体纹路、图案等细节。

摄像机选择——高反差场景
光线明暗反差强烈场景,宽动态,强光抑制,背光补偿
摄像机选择——低照度场景
摄像机选择——日夜监控场景
摄像机选择——不同应用需求
不同应用接口需求
• 告警输入输出
• 语音对讲音频输入输出
• 网口、光口、EPON接口、WIFI
不同供电方式需求
• 交流供电:AC 220V / 24V
• 直流供电:DC 12V
• 远距离信号线供电:POE
特殊环境需求
• 防暴、防爆摄像机
• IP防护等级选择:防尘、防水

摄像机镜头选择
目标的距离
 镜头距离目标的直线距离,决定了镜头的焦距。
 目标的成像大小
 成像目标在画面中占的比例,决定了视角、场景的宽度和高度三要素。

摄像机镜头选择

摄像机镜头选择

场景是否变换
场景是否要拉远拉近,说明是否需要定焦还是变焦镜头。
 固定焦距:适合于可以直接确定监视区域的固定监控点;
 手动变焦:适合于暂时无法确定监视区域的固定监视点;
 电动变焦:适合于大范围远距离监视的全方位监视点。
光线情况
 自动光圈:适合于绝大多数环境,尤其是室外光线变化较大的环境;
 手动光圈:适合于室内光线变化不大的固定监控点;
 电动光圈:适合于室内外光线变化不大的全方位监视点。
镜头解像力(分辨力)
镜头接口形式、镜头孔径等

B.传输网络分析及设计
视频监控的高带宽及流量突发需求
单路视频的分辨率和码率在不断提高,对接入交换机的背板总线转发能力提出高要求
 标清SD(H.264/MPEG4,25帧/秒,D1分辨率,带宽需求2~4Mbps)
 高清HD( H.264,1080p/720p分辨率,带宽需求4~8Mbps )
视频监控的流量具有突发性

视频监控对交换机要求

视频监控对交换机要求

视频监控的可靠性需求
监控系统对IP网络的传输质量要求较高。
GB/T669要求,联网系统IP网络的传输质量(如传输时延、包丢失率、包误差率、虚假包率等)应符合如下要求:
 网络时延上限值为400ms;
 时延抖动上限值为50ms;
 丢包率上限值为1×10-3;
 包误差率上限值为1×10-4。
传输网络避免单点故障,网络故障恢复时间要求低。

监控承载网络的局部流量热点
局部流量热点:
 海量视频接入以及中心存储的流量汇聚,造成了流量的局部热点,整体网络流量分布不均衡。
 实时视频查看业务和历史视频点播业务受关联因素更多,存在一定的随机因素。

承载网络对视频质量的影响
对于网络传输对视频质量的影响,主要有四个方面:
 停帧/跳帧:由于关键视频数据报文(I帧报文)丢失而造成的损伤,表现为图像停滞或跳跃;
 噪音:由于传输和随机噪声造成的损伤,表现为图像有雪花状;
 丢包:由于严重的持续数据包丢失而造成视频质量的下降,表现为图像出现马赛克,画面帧出现整列的扯动;
 抖动:由于数据包发送和接收顺序不一致而引起错序或错误而造成的损伤,表现为画面帧不完整,出现马赛克现象,并且前后画面有叠加/重合现象。

视频图像损伤示例

视频图像损伤示例

局域网接入方式

局域网接入方式

局域网接入方式


层次化网络设计模型
应用和需求推动网络层次的变化,下图给出了一个层次化的网络模型,由三个层次表示:
 核心层
 汇聚层
 接入层
层次化网络设计模型

层次化网络设计模型


简单网络拓扑
简单网络拓扑

简单网络拓扑


标准大中型网络拓扑

标准大中型网络拓扑

网络设备选型设计
汇聚或核心设备的选择
选型原则:支持丰富的特性,支持丰富的线路类型(LAN、EPON等),高性能和高稳定性。
 在中大型视频监控网络中为L3设备(一般为三层交换机);
 在以组播组网时,必须支持组播路由协议: PIM SM和IGMP v2;
 在以组播组网时,汇聚设备的型号必须满足组播组数量的要求。
接入设备的选择
选型原则:支持传输的线路类型,能满足环境对设备的要求(尤其在室外的时候)。
 形态丰富,可以是L2/L3交换机、路由器、ONU设备、WLAN设备;
 在以组播模式组网时,支持IGMP Snooping。
解码器/视频客户端接入
 单播组网时,网络只需要考虑视频码流带宽要求即可;
 组播组网时, 考虑带宽的同时,需要选择支持组播的接入交换机。
存储NVR接入
 通过千兆链路与网络相连以满足实时存储和点播对带宽的需求。
服务器接入
 需要转发流量、对带宽要求较高的服务器,需千兆即接入;对带宽要求较低的服务器,可以百兆接入。

局域网接入技术—— EPON接入
EPON采用点到多点结构,无源光纤传输方式,成为解决最后一公里的最佳方案。相对成本低,维护简单,容易扩展,易于升级。
提供上下行对称的1Gbps的带宽,并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。

EPON接入

EPON接入


局域网接入技术—— IP组播
 利用组播特性,把路由、复制、分发的工作完全由3层设备实现,减少监控源、转发服务器和网络带宽的瓶颈。
 每一个数据流形成一个组播树,加入这个组播组的客户端均可接收到这个源的视频数据。
 简单高效,没有系统瓶颈,适合网络内大量用户的大量点播业务。
多域系统

多域系统


局域网流控技术
监控终端支持IEEE 802.3流控帧,避免多个监控终端瞬间流量引起的交换机端口Buffer溢出,解决因上行端口速率有限和端口缓存有限而导致
的瞬间丢包问题,使交换机端口速率利用率达到95%以上,提高接入交换机的监控终端接入数量。
局域网流控技术

局域网流控技术


局域网接入链路可靠性技术
服务器支持负载分担和链路高可靠性技术,结合交换机的SmartLink技术或者链路聚合技术,完成网络故障迅速恢复
终端支持链路高可靠特性,结合交换机的SmartLink技术或者链路聚合技术,将网线故障引起的事故切换时间降至1秒以下,规避接入网络引入的单点故障风险。
广域网接入方式
广域网接入

广域网接入


广域网接入典型应用
 社会资源接入
 普教视频联网
 建筑工地监管
 加盟店/连锁店/专卖店/直营店铺统一监管
……
广域网接入典型应用

广域网接入典型应用


广域网传输——无处不在的NAT
 NAT是在目前IP地址日益短缺的情况下提出的,提供了一种地址重用的手段,是需求催生的产物;
 通过改变IP报文中的源或目的IP/端口来实现;
 使一个局域网中的多台主机使用少数的合法地址访问外部资源,也可以按照要求设定内部的WWW、FTP、TELNET服务提供给外部网络使用;
 有效的隐藏了内部局域网的主机IP地址,起到了安全保护的作用。

广域网传输—— NAT的影响
NAT破坏了端到端通信模型,所有数据面与控制面分离的通信协议都会面临这个问题:FTP、SIP、RTSP等

广域网传输—— NAT的影响

广域网传输—— NAT的影响


广域网接入方案——NAT端口映射
 因特网访问和OA办公需求单独广域网接入
 场所的视频前端单独的广域网接入
 通过端口映射解决NAT穿越问题
NAT端口映射

NAT端口映射


广域网接入方案——引流技术
在跨越NAT设备的组网中,公网设备无法主动向私网设备发起访问,该特性对很多监控业务都存在影响,譬如公网的媒体流无法发送给私网用户。监控引流解决方案,旨在为用户提供一个简单的方法来解决这些问题。
广域网接入方案——DDNS技术
DDNS技术

DDNS技术

C.存储设备选型及设计
监控业务特点对存储的要求
视频存储系统需求:高性能、高可靠性、易用性、可扩展性

视频存储系统需求

视频存储系统需求


存储模式选择
存储模式选择

存储模式选择


阵列选择——JBOD与RAID

阵列选择——JBOD与RAID


有效存储硬盘数量计算
1T硬盘个数=A*B*T *1.1 *3600*24/8/1024/930
2T硬盘块数=A*B*T*1.1 *3600*24/8/1024/1860
3T硬盘块数=A*B*T*1.1 *3600*24/8/1024/2790
说明:
A=前端接入路数
B=单路码流大小(以M为单位)
T=前端存储时间(以“天”为单位)
1.1表示码率波动系数
1T SATA硬盘有效容量930G,2T硬盘有效容量1860G,3T硬盘有效容量2790G
以70路7M码流存一个月为例:
硬盘个数= 70路*7M *30天*1.1(码流波动正负10%)*3600秒*24小时/8(换算成Byte)/1024(换算成G)/2790G
即硬盘个数=62块

存储设备选型
小型组网存储
 (混合式)DVR产品/经济型NVR产品
中小规模存储
 中、高端一体式NVR产品
大规模存储
 分体式NVR或IP SAN产品

集中式存储

集中式存储


分布式存储

分布式存储


存储系统可靠性分析
 NVR设备供电异常、IPC到NVR的网络中断,均可能导致本地录像中断
 如何最大限度的保障重要点位的录像?
存储可靠性——异地备份
 IPC 存储到本地NVR,同时存储到远端备份存储。
 双保险,再也不用担心录像丢失!

D.系统规模分析及方案选型
单机
多机堆叠A(集中)
多机堆叠B(分布)
集中控制
广域商业场所联网
广域专业场所联网
via uniview

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