高清IPC监控系统设计方案
第1章总体概述
1.1前言
从模拟到网络、从标清到高清，随着安防监控技术的不断发展，用户对监控系统的要求越来越高。为了解决监控系统的视频图像分辨率低、存储可靠性差、及系统管理性差等方面的问题，本方案从系统的先进性、可靠性、实用性等方面出发，推出了一套集前端采集、后端存储及应用管理于一体的网络高清视频监控系统解决方案。
1.2现状分析
随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长足的发展，从最早模拟监控到数字监控再到现在方兴未艾的网络视频监控，发生了翻天覆地的变化。目前视频监控系统在应用中主要存在如下问题:系统管理性差、功能应用少:系统很难实现对设备的集中管理，不能对系统设备进行远程参数配置、状态检测、用户权限管理等。
视频清晰度低、图像质量差:现有的视频监控资源多数是以标清图像为主，整体视频图像质量差，只能解决“看得见”，无法实现“看得清”，降低了视频资源的使用价值。
系统组网性不强:模拟监控系统的组网和应用受地域限制的影响较大，管理性和资源共享性较差;另外系统的扩展性和灵活性较差，不利于远距离传愉。
视频码流大、画面不流畅:用户在预览视频图像时，会经常出现卡、顿等现象，尤其是视频码流高、网络环境差的系统，严重影响用户的业务应用。
录像占用空间高、检索效率低:视频图像占用存储空间大，存储成本较高;
且录像易丢失，经常查找不到，困扰用户。
系统维护不方便、故障响应不及时:系统缺乏对前端设备故障的自动侦测与预警，前端摄像机损坏很长时间也未及时发现。（视频丢失报警）
1.3需求说明
根据现状分析发现原先系统存在众多弊病，为解决上述问题，提出以下需求:
1)系统需要有集成平台进行统一管理;
2)系统应达到高清视频的采集、传输、存储、显示:
3)系统需全IP化，从而实现灵活组网，便捷管理;
4)降低视频码率，提高视频预览的效果;
5)系统应具备灵活、可靠的存储方式;
1.4设计原则
本系统以“先进性、可靠性、实用性、经济性、扩展性”为基本原则，具体如下:
先进性:采用成熟、主流的设备构建系统，系统建设充分利用当前最新的视音频、数据、网络等技术，充分兼顾需求和技术的不断变化，建设业内领先的高清视频监控系统。
可靠性:系统对关键设备采取冗余备份措施，软件采用模块化、分层隔离的设计思想，确保整个系统长期稳定运行。
实用性:系统的设计突出应用，以现实需求为导向，以有效应用为核心，以
技术建设与工作机制的同步协调为保障，确保系统能有效服务于用户的工作需要。
经济性:系统整体配置性能高，价格合理，建设成本和投入较低。
扩展性:系统采用业界主流的硬件设备，提供标准协议，有良好的兼容性和通用的软硬件接口。
第2章系统总体设计
2.1 设计目标
系统采用高清视频监控技术，实现视频图像信息的高清采集、高清编码、高清传输、高清存储、高清显示;系统基于IP网络传输技术，提供视频质量诊断等智能分析技术，实现全网调度、管理及智能化应用，为用户提供一套“高清化、
网络化、智能化”的视频图像监控系统，满足用户在视频图像业务应用中日益迫切的需求。本方案主要实现以下目标：
建成统一的中心管理平台:通过管理平台实现全网统一的视频资源管理实现远程参数配置与远程控制等;通过管理平台实现全网统一的用户和权限管理，满足系统多用户的监控、管理需求，真正做到“坐阵于中心，掌控千里之外”。
实现系统高清化与网络化:本方案以建设全高清监控系统为目标，为用户提供更清晰的图像和细节，让视频监控变得更有使用价值;同时以建设全IP监控系统为目标，让用户可通过网络中的任何一台电脑来观看、录制和管理实时的视频信息，且系统组网便利，结构简单，新增监控点或客户端都非常方便。
系统具备以下特征:
系统具备高可靠性、高开放性的特征:通过采用业内成熟、主流的设备来提高系统可靠性，尤其是录像存储的稳定性，另外系统可接入多家厂商家的摄像机、
编码器、控制器等设备，能与其他厂家的平台无缝对接。
具备高智能化、低码流的特征:运用智能分析、带有智能功能的摄像机等提高系统智能化水平，同时通过先进的编码技术降低视频码流，减少存储成本和网络成本，减弱对网络的依赖性，提高视频预览的流畅度。
具备快速部署、及时维护的特征:通过采用高集成化、模块化设计的设备提高系统部署效率，减少系统调试周期，系统能及时发现前端监控系统的故障井及时告警，快速响应;
2.2 设计思路
本方案的总体设计思路如下:
1）前端设备均采用高清IPC，从而实现高清视频采集，同时为满足前
端多种应用场景的不同需求，推荐不同类型、不同功能的IPC;
2）采用NVR存储模式对实时视频进行分布式存储，实现存储系统的
高可靠、高性价比;
3）建立统一的视频信息管理应用平台，实现对系统的统一管理;同时引入视频质量诊断技术，保障系统稳定运行;
2.3总体结构设计
2.3.1 系统逻辑结构
整个方案从逻辑上可分为视频前端系统、网络传输、后端存储和应用管理平
台四部分内容。
2.3.2 系统物理结构
前端部分:前端支持多种类型的摄像机接入，本方案配置高清网络摄像机，前端网络摄像机将采集的模拟信号转换成网络数宇信号，按照标准的音视频编码格式及标准的通信协议，可直接接入网络并进行视频图像的传输。
传偷网络部分:传输网络部分主要是对前端接入到核心交换机之间的网络进
行设计，前端系统通过光纤收发器等网络传输设备将新建前端网络高清摄像机连接至监控中心的接入交换机，再通过接入交换机将网络信号汇聚到中心的核心交换机，监控中心端的接入交换机负责PC工作站和NVR存储等设备的接入。
后端存储部分：（简述NVR存储优势）。
平台部分:应用管理平台部署在视频综合平台的服务器板卡上，形成一体化的配置，应用管理平台可以对高清视频和用户进行统一管控，并且配置PC工作站进行预览、回放、下载等操作。
2. 4 系统特点
该设计方案是以用户需求为出发点、用户价值为落脚点，并结合产品亮点进行组合设计，该系统的设计具有以下技术特点，总结为“一项维护、两个便利、三类降低、四种效果”，具体如下：
1)有效的系统维护:该方案采用视频质量诊断技术，自动对前端监控点的视频图像是否完好、设备是否在线等进行实时、不间断的检测与报警，及时发现前端系统运行发生的问题，并及时告警通知;
2)系统扩容的便利:采用的是标准化的设备，可接入第三方平台软件;而且平台开放性高，可兼容多家厂商的摄像机、存储等设备;视频综合平台采用模块化设计，设计时留有一定的冗余，方便系统后期的升级与扩容;
3)存储成本的降低:该方案设计采用码流低的摄像机，最大可减少3/4的存储占用空间，降低了存储成本;
4)网络成本的降低:该方案通过采用低码流的网络高清智能摄像机，同等图像质量下，720p码率只需1-2M带宽, 1080p码率只需3-4M带宽，从而降低了网络成本;
5)良好的视觉效果:系统实现了全高清模式，且可实现对大场景的高清监控，满足用户对高清监控的需求，提高用户的体验度;
6)畅通的预览效果:该套方案通过先进的智能编码技术，有效降低了视频码流，减少了视频预览不流畅等现象;
7)便捷的管理效果:系统实现了全网络监控，满足用户对数字化组网的要求，方便用户对系统网络化管理，轻松做到足不出户就能管控布局。
8)先进的智能效果:该方案采用智能网络摄像机和智能分析技术，体现了高度的智能化水平，可让用户体验丰富的智能效果。
第3章前端系统设计
3.1 概述
根据系统设计需求，本方案采用海康威视系列摄像机。海康威视视频监控前端系统可根据不同场景的不同需求，灵活选择合适的前端监控产品，既能满足面定点、路面可控点、出入口、室内等常规场景的监控需求，又能满足制高点、大场景的远距离、大范围和大视场的特殊场景的监控需求。海康威视网络高清摄像机，通过其全新的硬件平台和最优的编码算法，提供最高效的处理能力和最丰富的功能应用，旨在给用户提供更优质的图像效果、更丰富的监控价值、更便捷的操作管理和更完善的维护体系。
3.2 前端系统结构设计
前端摄像机选型应根据不同应用场景的不同监控需求，选择不同类型或者不
同组合的摄像机，可以选择固定枪机与球机搭配使用、交叉互动原则，以保证监控空间内的无盲区、全覆盖。
针对具体监控点位的实际情况，室外安装时网络传输设备、光纤收发器、防雷器、电源等部署于室外机箱。监控网络摄像机前端部署结构如下图所示:
3.3 IPC结构特点
3.3.1 散热设计
据统计，电子设备的失效率有55%是温度过高引起的。如果摄像机温度低10度的话，产品的使用寿命可以提高一信。海康威视进行精密的散热设计，选用高效的散热材料，使摄像机的温升控制在较低的水平。
3.3.2 防水设计
海康威视拥有多项专利防水设计，防水性能优越;采用先进.高效防水检测工艺，全系列室外摄像机产品出厂100%检测防水性能。
3.3.3 除雾设计
需要打开外罩调节镜头的防水型摄像机在湿度高且温差大的环境下，内部可能会起雾凝结;为解决起雾问题，海康威视在摄像机内部装有防水透气膜和干燥剂，能快速有效散走雾气。
3.3.4 防虚焦设计
海康威视所有定焦摄像机均采用高效胶质材料点胶锁死，所有变焦摄像机均
采用专业校准技术矫正，有效防止镜头虚焦现象出现。
3.3.5 防刮擦设计
半球罩刮花后，红外光照射到刮痕处会出现漫反射，造成红外反光。海康威视全系列红外半球采用PC加硬半球罩，具备防刮花功能，有效防止红外半球反光现象。
3.4 IPC功能亮点
3.4.1 超低照度
海康威视摄像机采用业界高端传感器，具备很.高的感光度，在光照条件极差的条件下也可获得色彩还原度较高的画面。
3.4.2 强光抑制
在夜间监控车辆道路、出入口等情况下，往往因为车光线太强严重影响视频
图像质量，海康威视产品中广泛采用强光抑制技术来解决此种困扰，有效抑制强光点直接照射造成的视频图像模糊，能自动分辨强光点，并对强光点附近区域进行补偿以获得更清晰的图像。
3.4.3 高清透雾
雾霾天气下，空气中的液滴和固体小颗粒使户外监控的质量降低，图像显得色彩黯淡、对比度低，一些重要目标的细节难以观察，视频监控的实用性受到很大影响。海康威视产品中网络高清摄像机和球机大多具备高清透雾功能，基于大气透射模型，区分图像不同区域与雾浓度进行滤波处理，同时融合图像增强
技术与图像复原技术，获得准确、自然的透雾图像。
3.4.4 红外增强
针对夜间或光线不好的场景下图像质量差的问题，海康威视推出红外摄像机
和红外球机，采用阵列红外灯使红外距离最远可达150米，并结合3D降噪技术
可以获得清晰的夜间图像。
3.4.5 3D数字降噪
3D数宇降噪功能能够降低弱信一图像的噪波干扰。由于图像噪波的出现是随机的，因此每一帧图像出现的噪波是不相同的。3D数字降噪通过对比相邻的几帧图像，将不重叠的信息(即噪波)自动滤出，从而显示出比较纯净细腻的画面。海康威视产品中广泛采用3D时空域联合降噪处理，结合准确的噪声强度估计算法，在光照理想、噪声较低时图像清晰细节没有损伤，光照不足时噪声明显抑制，图像细节大量保留，有效提升视频监控图像质量。
3.4.6 新一代宽动态
监控环境中常会遇到光线明暗反差过大的场景，利用宽动态技术，场景中特
别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚。普通摄像机获取的是背景清晰但是前景较暗的图像，宽动态摄像机能获取前景和背景都清晰的图像。海康威视采用采用局部亮度映射与图像增强相结合的处理算法，在逆光环境下能够清晰地保留暗处细节井抑制亮处过曝，大幅提升宽动态场景的图像质量。
3.4.7 SMART IPC特色功能
海康威视在传统IPC的基础上，又在智能编码、智能侦测、智能控制上取
得了很大的突破，通过先进的编码技术、图像感知与处理技术等在保障甚至提高监控图像质量的前提下，大幅度降低视频码流，使得在有限的网络带宽的条件下传输高质量的视频图像数据，井且通过丰富多样的功通满足不同环境的监控要求，提升视频监控系统的智能化水平。
3.4.8 智能场景侦测（突出更多智能功能）
海康威视视频质量诊断技术可对场景变更、图像虚焦问题进行自动分析检测，井联动报警;场景模式可对各种场景下的参数进行预设，方便客户选择;支持日夜两套参数配置，可实现自动切换。（智能分析划智能规则，检测场景变更，联动报警）
第4章监控传输网络设计
4.1 概述
网络的整体设计不仅关系到整个网络系统的性能，还涉及到未来网络系统如何有效地与新技术接轨以及系统的平滑升级等问题。本方案立足于满足高清视濒接入、转发、存储、解码等需求，同时选择适合的有发展前途的网络技术。因此首先对监控系统网络的建网思路做一个整体规划，监控网络系统应考虑如下几个方面:
1）采用新一代、主流网络技术来设计监控网络，新一代网络技术往往能提供更高的性能，而且有更长的产品生命周期，便于维护。
2）监控网络需要按照模块化、结构化的原则设计，便于今后扩充和升级。
3）针对网络的安全隐患，系统应通过多种安全措施保障系统的安全。
4.2 设计要求
1)网络传愉协议要求
系统网络层应支持IP协议，传输层应支持TCP和UDP协议。
2）媒体传输协议要求
视音频流在基于IP的网络上传输时应支持RTP/RTCP协议;视音频流的数据封装格式应符合标准要求。
3)信息传输延迟时间
当信息(包括视音频信息、控制信息及报警信息等)经由IP网络传输时，端到端的信息延迟时间(包括发送端信息采集、编码、网络传输、信息接收端解码、显示等过程所经历的时间)应满足要求:前端设备与信号直接接入的监控中心相应设备间端到端的信息延迟时间应不大2S。前端设备与用户终端设备间端到端的信息延迟时间应不大于4s。
4)网络传输带宽
联网系统网络带宽设计应能满足前端设备接入监控中心、监控中心互联、用户终端接入监控中心的带宽要求，并留有余量。
5)网络传输质量
联网系统IP网络的传输质量(如传愉时延、包丢失率、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1x10-4;
4.3 传输网络设计
4.3.1网络结构设计
监控传偷网络系统主要作用是接入各类监控资源，为中心管理平台的各项应用提供基础保障，能够更好的服务于各类用户。网络结构如下图所示：
1）核心层
数据中心核心网：核心层主要设备是核心交换机，作为整个网络的大脑，核心交换机的配置性能较高。核心交换机一般都具备双电源、双引擎，故核心交换机一般不采用双核心交换机部署方式，但是对于核心交换机的背板带宽及处理能力要求较高。
2)接入层
前端视频资源接入：前端网络采用独立的IP地址网段，完成对前端多只监控设备的互联。前端视频资源通过IP传输网络接入监控中心或者数据机房进行汇聚。前端网络接入目前采用两种常用方式，通常为点对点光纤接入的方式和
点对多点的PON接入方式。接入层需对NVR存储设备的网络接入提供支撑，确保NVR存储设备网络环境安全可靠。
4.3.2 网络IP地址规划
IP地址的合理分配是保证网络顺利运行和网络资源有效利用的关键，要充分考虑到地址空间的合理使用，保证实现最佳的网络地址分配及业务流量的均匀分布。
IP地址空间的分配与合理使用与网络拓扑结构、网络组织及路由有非常密切的关系，将对网络的可用性、可靠性与有效性产生显著影响。因此在对网络IP地址进行规划建设的同时，应充分考虑本地网对IP地址的需求，以满足未来业务发展对IP地址的需求。
IP地址规划原则:
1)唯一性:一个IP网络中不能有两个主机采用相同的IP地址;这就需要选择一个足够大的IP地址范围，不但能够满足现有的需要，同时能够满足未来网络的扩展。两个不同网络互联时应避免使用同一网段IP地址，以免造成IP 地址冲突。
2)简单性:地址分配应简单易于管理，降低网络扩展的复杂性，简化路由表项。
3)连续性:连续地址在层次结构网络中易于进行路径叠合，大大缩减路由表，提高路由算法的效率;IP地址分配既要考虑到扩充，又要能做到连续。
4)可扩展性:地址分配在每一层次上都要留有余量，在网络规模扩展时能保证地址叠合所需的连续性。
5)灵活性:地址分配应具有灵活性，以满足多种路由策略的优化，充分利用地址空间。
4.3.3 VLAN规划
VLAN就是虚拟局域网，随着视频专网中用户和终端设备大规模接入，网络
广播的流量呈几何级数量增多，通过VLAN技术，把一定规模的用户和终端归纳到一个广播播域当中，从而限制视频专网的广播流量，提高带宽利用率。
在网络用户VLAN规划方面，一般可根据视频用户、前端设备、后台设备等所属的部门，以及具体的网络应用权限来划分。在具体V LAN规划中，应合理规划每一个VLAN中实际用户数量。
一般规划VLAN资源参考如下几个做法:
1）VLAN 1在所有设备上不启用三层接口地址，不使用VLAN1承载实际业务
或者作为网管VLAN。
2)全网每台设备的网管VLAN可以使用同一个，方便设备预配置与日常管理。
3）我们一般建议按照每个区域进行VLAN源的划分，所有IPC使用的VLAN 均遵从所在区域的V LAN规划。
4）尽管在不同的汇聚设备上使用相同的VLAN并不冲突，但是不允许这样的做法，会对后期的维护和故障的排除造成很大的困难。
5)强烈建议全网设备互联用VLAN按照链路去划分，每条链路使用一个互联VLAN。
4.3.4 IPC到NVR线缆传输
前端监控系统中，视频信号的传输是整个系统中非常重要的环节，关系到整个监控系统的图像质量和使用效果，因此要选择经济、合理的传输方式。目前，在监控系统中最常用的传输介质是同轴电缆、双绞线、光纤等方式，本方案前端系统以高清网络摄像机为主，大部分为网络传输方式，但是对于不同场合、不同的传输距离，应选择不同的传输方式。
网络双绞线传输：从前端摄像机到接入交换机距离不超过100m的情况下，使用网络双绞线来传输，这种传输方式的优点是线缆和设各价格便宜。
光缆传输：从前端摄像机到接入交换机距离超过100m的使用光缆来传输，通过光纤收发器将电信号转成光纤信号进行传输，如下图所示:
4.3.5网络传输带宽要求（25帧/S）
考虑到网络传输过程及其它应用的开销，链路的可用带宽理论值为链路带宽
的80%左右，为保障视频图像的高质量传输，带宽使用时建议采用轻载设计，轻载带宽上限控制在链路带宽的50%以内。
1)核心层交换机到接入交换机的网络采用光模块来传输，带宽需达到千兆以上，原有带宽未达到要求的，增加带宽;
2)传输设备如光纤收发器到接入交换机之间的带宽建议达到百兆;
3)传偷设备如光纤收发器之间的传输带宽建议达到百兆;
结合项目实际需求，网络带宽规划可做相应调整。
4.4网络可靠性设计
网络的可靠性是为了保证视频在传输过程中，重要环节在出现设备损坏或失败时，还能够保证正常传输。网络可靠性主要可从传输链路可靠性、网络设备可
靠性两个方而进行设计。
1)传输链路可靠性
传输链路的可靠性一般通过链路聚合技术来进行保障。链路聚合设计增加了
网络的复杂性，但是提高了网络的可靠性，使关键线路上实现了冗余功能。除此之外，链路聚合还可以实现负载均衡。
2)网络设备可靠性
网络设备的可靠性主要通过关键部件冗余备份、设备冗余备份来进行保障。关键部件冗余备份是指网络设备提供主控、电源等关键部件的1+1冗余备份;另外系统电源、风扇模块均具有热插拔功能。这些设计使得设备或网络出现严重异常时，系统能够快速地恢复和作出反应，提高系统的平均无故障运行时间，尽可能地降低不可靠因素对正常业务的影响。