关于大型电视监控系统解决方案的分析
图像监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。图像监控系统的技术水平，直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况。在大型CCTV监控系统的建设中需要监视的图像数量多、传输距离较远、分控用户数量多、操作功能强大，因此对于整个系统的传输和控制方式以及系统可以实现的操作功能提出了非常严格的要求。
•大型监控系统的定义
以前对于大型监控系统来说没有一个严格的定义，各种监控系统建设的目的和需要实现的功能不同，因此整体结构和器材设备的选择也有所不同。以前对于大型监控项目的理解一般都是以视频图像的总容量来衡量系统的规模而不是十分重视监控系统的结构以及其它诸如声音复合、报警联动以及分控用户数量等辅助设备和功能，因此像智能大厦中超过百路图像的监控系统一般就归入大型监控系统。
在大型CCTV监控系统建设的初期，控制方式比较统一，一般都是使用大容量单矩阵集中式管理的控制方式，除了中心控制室外其他的用户都作为分控用户以不同操作级别来限制各用户的操作权限。当时系统建设的技术重点是在传输介质上的选择，尤其是在监控点距离中心控制室比较远的时候，常用的同轴电缆基带传输方式已经不能满足要求，因此微波传输、光纤传输、高频载波传输等方式应用到各种要求不同的监控系统之中。但无论是使用何种传输介质，此时的监控系统从图像信号上来说还是属于模拟图像传输的方式，随着光纤传输的发展与普及，图像信号传输已经不再是监控系统关注的焦点。同时数字化视频技术的飞速发展不仅使图像监控网络化变成可能，同时在图像记录、索引、控制等方面都出现了质的飞跃，在不久的将来我们完全可以获得一个以数字化视频信号为基础的网络化综合性视频监控管理系统。
模拟视频监控系统在面对数字化视频产品的不断冲击下在也在不断地进行完善和发展，尤其是在大容量、分布式组网方面有了长足的进步，并凭借模拟系统技术的成熟性、设备的可靠性、功能的完整性在监控系统尤其是大型远程监控系统中与数字视频产品分庭抗礼。
因此，系统控制方式和构架的多样化使得当前对于大型监控系统的定义已经不仅仅局限于视频图像的数量，而使从整个系统构架上来进行定义，凡是在整个系统可以、需要或能够构建多个分控站点或成为控制节点的系统可以称为大型监控系统。
二、大型监控系统的特点
当前的大型监控系统一般多应用在城市交通、高速公路、机场、港口、码头等重点项目中，与一般的中小型系统相比具有如下特点：
⒈控制站点多，系统视频容量大。
大型监控系统最大的特点就是可以实现多站点（节点）、多级别的联网控制，无论是以模拟图像信号传输还是以数字化视频信号传输，整个系统最终可以实现网络化的监控，在任意站点上都可以调用、控制网络中授权访问的图像资源。每个站点本地监控的图像容量不一定很大，但是一旦形成一个综合性网络监控后总体的视频数量将会大增。
⒉控制用户多，对分级、授权要求高。
传统的监控系统中分控用户受到中心控制器的限制，并且分控用户所需的视频信号和通讯信号同样需要传输链路的支持。控制用户越多，对于用户的管理要求就越高，以避免控制上的冲突造成系统管理的混乱。
⒊图像切换控制的功能强大。
由于图像的数量增多，监控中心对人力资源及显示设备的配置也受到场地、资金等多个条件的限制，因此实现图像一对一的监视是不经济的，也是不现实的，因此需要控制系统提供强大的图像切换与控制功能，能够最大限度地满足用户对实时图像监视的要求。
⒋需要链路资源多。
在大型监控系统中，无论是前端设备到本地监控中心还是各个控制中心之间的连接都要使用链路，同时传输的距离比较远，因此需要更多的链路路由和传输设备，而不像中小系统只是增加同轴电缆的数量即可增加系统的容量。
⒌对系统可靠性要求更高。
大型监控系统对前端设备、终端设备的可靠性要求较中小系统更高。大型系统的前端设备往往安装在条件更为恶劣的环境，同时与控制中心的距离又十分远，有的设置安装在无人区域，因此一旦设备出现故障，不能像普通的中小系统可以及时进行维修更换。因此在大型系统中所有使用的设备无论是中心控制设备还是前端设备，都要选择质量更为可靠、效果更好的产品，另外从整个系统结构上来说，尽量能够做到不会因某个前端设备或控制设备的故障使得整个系统瘫痪。
•大型监控系统的实际解决方案
在当前的大型监控系统建设中，最为常见及应用较为广泛的使模拟分布式网络监控系统和数字化网络监控系统。这两种系统各有特点，同时又各有缺憾。
由于当前的光纤传输技术的发展以及光传输设备的普及，光通讯已经不再是遥不可及的空想，因此对于视频信号传输方面的诸如干扰、衰减、匹配等问题都能得到很好的解决。系统结构固有的优劣和实现使用功能的是否强大成了系统解决方案评判的准则。
一、模拟分布式网络监控系统
模拟分布式监控系统是在原有的单矩阵集中控制系统的基础发展起来的，其目的就是满足当前大型系统中越来越多的联网需求。根据前端设备的安装的位置划分不同的控制区域，建立控制分中心或者称为远端站点。有时项目建设的需要也决定了在整个系统中会同时建设若干个远端站点。各监控分中心建设一个以视频矩阵控制器为核心的相对独立的模拟监控系统。然后将各个远端站点通过视频干线和通讯线连接起来形成一个分布式联网的综合性视频管理控制系统。可以单独建设一个站点作为监控中心的中心站点使用，也可以使用所有站点中的其中一个作为监控中心站点使用。这些站点的级别可以通过软件进行设置，站点之间可以进行图像及控制权的共享。
这种实现方案之所以称为模拟方案是因为传输的视频信号始终是模拟的基带视频信号，图像信号从前端设备的输出通过传输、切换、处理一直到显示都是对模拟视频信号的处理与控制。与传统的模拟监控系统相比，大型分布式模拟监控系统的优点主要表现在：
1.节省传输链路，费用降低。
由于各个远端站点辖区的现场摄像机机就近传送到监控分中心，因此整个链路的长度下降，同时各站点之间的视频干线数量与所有前端设备的数量相比成倍下降，使得在链路上的投资大大减小。
2.结构灵活。
分布式组网的监控系统最大的特点就是结构灵活。各个站点的设置可以是任意地点、任意容量（当然会比系统总容量小得多）、任意时间的，站点之间包括监控分中心之间以及各监控分中心与监控中心之间的互连也是任意的，站点的级别也是任意设置的。因此这种结构灵活的监控系统更多地受用户控制，用户可以根据实际情况进行设置，而不像传统的模拟系统一旦选定设备型号，系统所能完成的任务更多地依赖矩阵本身的性能。
3.各监控分中心辖区内的摄像机为逻辑编号，操作简单。
各站点辖区内摄像机的编号都是以1开始顺序递增的逻辑编号，在操作方面更为简单。例如一号站点监控系统辖区的摄像机为1、2、3……；二号站点监控辖区的摄像机同样是1、2、3……；依次类推，在作为控制总中心调用图像时先选择其它监控中心的节点编号，后直接选择摄像机号码即可。避免了传统监控系统中不同分控辖区图像编号不连续而造成的操作混乱。
4.可靠性增强。
任意一个矩阵故障只影响其本站功能及本站辖区的摄像机图像被其它相关站点的调用，其它站点及控制中心自身不受任何影响。
5. 单矩阵容量减小，价格降低，扩容更容易。
可以理解分布式机构将原先容量庞大的矩阵分解为若干个容量更小的矩阵，从矩阵系统的价格特点来看，多个小容量矩阵价格总和往往会小于到容量矩阵的价格。另外对各监控分中心来讲，将来的扩展是各个辖区前端设备，而不是所有扩展设备的总合，相对集中式结构，容量的扩展更为容易。
6.机房设备、线缆大大减少，对机房要求降低。
与集中式机构相比，监控中心的设备大幅度减少，对中心机房的要求和压力减小。
分布式矩阵联网结构当然也存在一些缺点，主要表现在：
1.对矩阵要求高，可选择的品牌、型号少。
2.控制中心不能同时对所有图像进行处理、切换，尤其是视频干线较少的情况。
3.相对于集中控制结构来说，管理相对复杂。
下图是一个典型的三个站点组成的分布式模拟监控系统示意图。单独从每个站点的结构上看与传统的单矩阵控制系统相同，唯一不同的就是矩阵控制器必须具有联网功能。每个站点内部都有若干个辖区内的摄像机和分控用户，在控制室可以实现对图像的多种切换功能，如手动定点切换、序列切换、分组切换等，可以对前端云台镜头控制，可以实现前端图像切换与预置点调用组合，可以实现预置点巡游等等。
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各站点之间将矩阵联网通讯进行连接，同时根据需要确定互相传输的视频干线数量。例如站点1和站点2连接联网通讯信号，同时确定站点2向站点1上传视频干线以及站点1向站点2上传的视频干线数量。这样站点1的用户就可以在站点2向站点1上传的视频干线上切换站点2的图像进行显示，同时实现对云台/镜头的控制；站点2的用户也同样可以在站点1向站点2上传的视频干线上切换站点2的图像进行显示，同时实现对云台/镜头的控制。当然用户对图像的切换调用与控制受到用户本身级别和对各前端设备访问权限的限制，对于某个用户不能访问的摄像机，无论该摄像机位于本地站点还是远端站点，都不能被该用户调用。由此可见，在某个站点上同时显示的远端站点的图像数量是由远端站点上传到该站点的视频干线数量所决定的。
而传统单矩阵集中式结构中，所有的前端摄像机图象及控制信号将通过传输链路集中到控制中心的矩阵控制器上，在控制中心设有一个或几个不同级别的控制键盘可以对图像进行切换及前端设备的控制。其他地点和使用部门等作为矩阵系统的不同级别分控用户，配置分控键盘和若干个矩阵的视频输出。
优点：
1.便于集中管理，控制中心可以同时对所有的前端图像进行处理、监视。
2.对矩阵系统联网性能要求不高，可以选择的品牌、型号较多。
缺点：
1.使用的链路过多、费用大。
2.机房设备多、线缆多，对机房要求较高。
3.一旦矩阵设备故障，系统将瘫痪。
4.分控用户图像切换不便。
5.大幅度扩展困难，或者与矩阵价格产生矛盾。
综上所述，在使用模拟矩阵控制器为核心的监控结构中，越来越多地倾向于分布式联网结构。
二、数字化网络视频监控系统
随着科学技术的飞速发展，特别是计算机和通信手段的不断发展进步，高科技手段已深入了各个领域：工业控制自动化、办公自动化、楼宇自控、智能建筑等已遍地开花，数字化技术已***到社会生活的每一个角落，传统的模拟监控系统也面临着数字化的发展，应该说数字化是视频监控的发展方向。
数字化网络视频监控系统的原理是充分利用了当前的数字视频压缩技术将模拟视频信号经数字压缩转换成为一种可以在基于TCP/IP网络上传输的特殊数据流，利用当前发达的网络技术实现远程的图像监控。因此其核心是视频图像的压缩和网络传输。
由于数字化视频技术是一种发展中的全新技术，因此从技术上不仅仅受到图像压缩方式的影响，同时还要受到计算机信息处理方式、网络传输设备等多方面的影响。在当前的监控系统中，数字化的解决方案多种多样，有以基于DVR数字化控制器的解决方案，以视频网络服务器和综合视频管理平台为核心的解决方案。通常以DVR为核心的数字化解决方案局限于DVR容量以及当前计算机硬件及软件的信息处理能力，多使用于中小型系统。而对于前端设备分布广、控制用户多的大型监控系统，多以视频网络服务器和视频管理平台为核心的数字化解决方案。
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上图就是一个以视频网络服务器和视频综合管理平台为核心的数字化网络视频监控系统的简单框图。从图中可以看出所有的前端摄像机图像输出后直接连入视频网络服务器转换成视频压缩信号，各个视频网络服务器都有独立的IP地址，将数字化的视频压缩信号直接连接到LAN/WAN中作为整个网络的视频共享资源。综合管理平台作为主服务器，安装有监控系统服务器端的软件，包括数据库系统。服务器将所有前端网络视频服务器及前端监控设备管理起来，并维护同它们的网络连接；同时，对所有网络中的用户实现授权管理，所有用户可通过网络上上任一台计算机登录到服务器系统，根据不同权限对图像进行监视、查询、录像回放等。服务器软件安装完成后，系统自动配置录像资料的存储路径，根据需要我们使用服务器端的管理软件修改配置。在监控中心可设置一台电脑作为客户端，同时作为系统管理员用户，对系统中的设备和用户进行管理，包括录像数据维护和管理。
在数字化视频监控系统中可以添加称为数字视频矩阵的设备以及显示设备，实现多路图像的切换和显示。
三、模拟解决方案与数字解决方案的比较
无论说模拟监控系统的解决方案还是数字监控系统的解决方案可以根据建设方对图像监控、显示、录像的不同要求进行选择，理论上说都可以满足实际需要。但由于处理的视频信号源不同、使用的设备不同、系统的结构不同，因此在当前的技术条件和光纤传输的前提下都具有各自优势与缺点。
·图像质量的比较
由于当前使用的工业摄像机即使是引入了DSP（数字信号处理）技术，也只是将光电转换后的模拟电信号数字化处理增强摄像机的整体性能，如背光补偿、电子快门等，以扩展摄像机的应用范围，输出的还是经过数/模转换后的模拟视频信号。在忽略信号传输恶化前提下，如果直接连接到模拟切换器或监视器将不会有更多的损失，例如一般常用的CCD靶面像素752×582的彩色摄像机对应水平460至480线清晰度，无论是监视静止图像还是运动图像，在高于450线清晰度的专业监视器基本上可以反映现场图像的原貌。
而在数字监控系统中，摄像机的模拟视频信号输出后要输入到视频网络服务器上，从技术上将，信号经过一级变换就会存在不同程度的损伤，况且视频网络服务器为了实现网络的传输所采用的压缩方式无论是JPEG还是MPEG2或MPEG4都属于有损压缩，尤其是非运动图像部分的信息会大幅度减少甚至丢弃，因此在图像还原时得到的已经不是能够真正反映现场情况的图像。
另外，常见的视频网络服务器压缩后再还原的信号一般都只能达到CIF格式（352×288），对应的清晰度也就是250线左右，是不能满足实际监控需要的。即使有的产品号称能够做到D1格式（704×576）时对于运动的图像也会产生细节分辨率不够甚至拖尾现象。在数字视频压缩技术中一般来讲，图像发分辨率越高、图像的连续性越强、图像内容的差异越大，压缩比也越小，图像记录和传输时占用的磁盘空间和带宽也越大。因此如何提高数字图像的分辨率，解决分辨率与高压缩比之间的矛盾是数字化视频技术推广的最大障碍。
·图像切换功能的比较
在大型监控系统中，摄像机的数量一般都很多，无论是远端站点上传的图像还是本地辖区的图像，在模拟分布式结构中其总数虽然比单矩阵集中式控制结构要减少很多，但还是要多于中小系统的摄像机数量，因此在实际使用中往往需要有多台图像显示设备与控制系统一起组成图像输入—输出的各种切换显示关系，矩阵切换器最强大的功能就是这种对于多通道图像输入—输出的任意组合显示能力。而反观数字化系统，一般显示设备都是以各站点为单位或者是按照一定的规则在主显示器上显示多画面分割的图像，不能获得更多的输出通道以连接其它的显示设备。当前数字化投影显示设备的发展的确促进了数字化视频技术的推广，但投影设备提供的图像容量又很有限，而普通的数字视频转换卡只能基于有损的数字视频信号进行简单的数/模转换，其显示效果远远达不到模拟监控的显示效果。因此在图像切换显示功能方面数字化监控系统还没有达到取代模拟矩阵的程度。
·可靠性的比较
无论是大型监控系统还是小型监控系统，系统的建设除了为用户提供相关的监视、控制功能以外，必须重视的是要为用户提供一套可靠的系统。在使用相同的高质量前端设备后，控制系统的可靠性已经基本成为整个系统可靠性的衡量标准。
模拟监控系统中的各种设备都是经过了多年的发展、改进、完善，技术成熟、工艺严谨、维护容易，产品质量能够得到保障。尤其是国际、国内都具有相关的标准和法规，真正是有据可依。而数字视频技术毕竟是处于发展阶段的新技术，其产品的发展、完善还需要经历一段很长的时间，国内外也还没有真正出台一些对于产品的相关标准与规范；另外当前的数字化产品尤其时作为功能实现核心的综合管理平台多以INTEL芯片为内核的计算机和Windows操作系统为平台，对于长时间不间断运行并处理大量图像信息的能力与模拟系统相比还有很大的差距，产品的性能、质量一般都是以主观判断、产品销量、售后服务来衡量的，因此客观地说其数字化产品的可靠性远比模拟视频产品要差。
同样可以理解，既然数字化网络监控系统是依赖于原有的网络环境，因此网络的稳定性也会影响到监控的稳定性，一旦网络设备或链路出现故障也会使监控系统受到不同程度的影响甚至瘫痪。
·延迟的比较
这里提到的延迟包括控制信号的延迟和图像信号的延迟。对于模拟系统来讲，由控制设备产生的图像和控制延迟微乎其微，一般都是ms级，是用户通过主观基本无法察觉的，产生大的延迟一般都出现在传输介质和传输设备上，在充分改良传输链路后，一般的模拟系统不会出现较大的延迟。
数字化系统的延迟就不容易被忽略，从系统结构上看可能传输的方式与模拟系统选择的相同，但数字网络化控制系统需要依赖已经建设好的网络系统，无论是LAN，还是WAN，网络设备固有的延迟会累加到数字化监控系统中。另外压缩方式如果使用是数据包的方式，那么在接收端接收的数据包肯定是若干时间以前的现场图像信息，对于实时监控要求较高的场合是不适合的；如果使用的是类似校验的实时方式也同样存在误码后校验的时间差。因此数字系统中的25帧/秒只是说明了图像的连续性达到要求，并不是解决了实际的实时监控问题。如果说图像的延迟还可以接受的话，那么控制信号的延迟就不能容忍，因为对云台操作后从图像上看到前端设备要在若干时间后才获得响应时不可想象的。
·系统功能实现方法的比较
模拟监控系统的功能一般都是由硬件设备和内嵌的软件程序来实现的，可靠性强，而且已经按照功能模块化，一旦某项功能模块故障或损坏只影响其中的某项功能，而不会使整个系统瘫痪。而数字系统的功能绝大多数都是由管理平台的软件提供，一旦设备瘫痪或软件故障将使整个系统功能瘫痪，计算机系统固有的一些缺陷往往影响到软件的运行。
·操作界面的比较
模拟控制系统的操作界面一般是专用控制键盘，以各种功能键、热键或其组合来完成常规的操作和编程。数字化系统是建立在计算机技术之上的，因此操作界面更为直观、友好，操作更为简便。对使用者的专业素质要求大大降低，在计算机不断普及的今天，数字化产品对用户的使用来说更易接受。
·图像记录的比较
数字化视频技术最初的发展就是应用在图像记录上，当前已经达到的普及的程度，同时各国对于数字方式的图像记录成为佐证正在建立或已经建立一些相应的法规，数字视频记录也在防伪、防篡改等方面有了很大的提高，因此当前的监控系统中录像设备已经被各种数字硬盘录像设备所取代。与模拟视频磁带录像机相比，数字视频记录具有清晰度高、索引方便、磨损小、容量大等优点，在以前的佐证和可修改等方面的缺陷也正在逐步地得到克服。
·系统结构的灵活性比较
从上面的两个系统的结构示意图中就能清楚地看到数字化监控系统的结构更为灵活，扩展性更强。分布式模拟监控系统的灵活性只是相对于传统模拟系统来说的。如果系统需要扩展，无论是现场监视设备的增加还是控制用户的增加都必须与原有系统中的矩阵设备发生联系，当矩阵设备的容量达到一定极限时将使系统扩展产生困难，除非将矩阵彻底更换为容量更大的系统或是重新建立一个新的站点，相对投资较高。而数字网络化监控系统只需要在网络上增加相应的前端设备和客户端软硬件即可实现扩展，不仅方便而且经济。
·系统的保密性比较
从理论上说模拟监控系统使一个专线专用的封闭型系统，模拟视频信号在这个封闭的系统中运行是不太会遭到破坏或盗取的，因此安全性、保密性更强。数字监控系统是一个基于网络的开放性系统，使用功能基本都是由软件来实现，因此被侵入的可能性更大，这也是整个网络安全性课题。因此其保密性比模拟系统要差得多。
·与其它系统的集成
在当前的弱电系统建设中都希望建立一个集所有弱电子系统于一体的综合性弱电管理系统，因此如何实现系统集成是当前大型弱电项目建设的重点。模拟信号系统在集成方面远不如数字信号来得容易，原因就是当前的数字视频信号除了数字化压缩更利于传输外，更为重要的是已经转换为一种可以在TIP/IP网络传输的信号，如果所有的弱电子系统都按照基于TCP/IP网络传输实现了数字化控制，那么对各子系统的集成就变得十分简单。
综上所述，模拟监控和数字监控的解决方案应用在大型监控项目建设中各有千秋，同时又各有弊端，尤其是在当前数字设备还没有成为普及性成熟产品的阶段，如何找到一个更好的解决方案，为用户提供一个质量优良、功能强大、技术先进、可靠性高、具有前瞻性的解决方案是我们在当前阶段所面临的问题。
四、博采众长的模拟与数字相结合的监控系统
基于模拟监控系统和数字监控系统的特点，同时考虑到将来数字化视频产品的成熟与发展，建议在当前阶段建设的大型监控项目采用模拟与数字相结合的方式，充分发挥各自的优势，为用户提供全新的数字化视频发展所带来的新的功能与服务，而以模拟视频控制处理作为对图像的实时监视与控制。这样无论从图像质量还是使用功能都能满足监控的需要，具有传统模拟系统的稳定性，而且在将来数字产品真正成熟以后可以不需要很大的改动对系统进行扩展和升级。这种方案应该是当前对于大型监控项目中最为理想的解决办法，已经在很多像高速公路、城市交通等大型项目中得到应用实践。
下图是一个典型的模拟与数字相结合的网络化综合监控系统，各个站点仍然以模拟矩阵为核心，然后添加数字硬盘录像机（DVR）作为对本地录像使用，同时安装视频网络服务器。形成整个系统后可以根据需要进行联网建设。如果系统对远端图像监控要求高就以分布式矩阵进行联网实现各站点的通讯和视频图像的调用，网络视频服务器和综合数字化网络管理平台可以为用户提供全新的数字化网络浏览与控制功能，同时DVR作为数字视频产品在网络中具有与视频网络服务器相同的属性，因此在管理平台的管理下可以实现历史图像在网络上播放浏览的功能；如果系统建设对远端系统的功能要求较低可以不将各站点的矩阵联网，直接使用数字视频产品和管理平台实现视频图像的网络传输与控制。
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对于图像质量、实时性要求较高的各站点控制室，使用模拟系统可以提供优势优质的图像显示，强大的切换控制功能还能够提高控制室的工作效率。而对于一些对图像质量和实时性要求不高的用户就可以通过数字系统在网络上实现浏览与控制。模拟与数字相结合的系统整体的可靠性很高，大型监控系统中最为重要的用户也就是各站点控制室的用户，可以得到分布式结构模拟系统高可靠性的保障，而一般的用户对监控的需求远没有控制中心重要，因此无论是当前的数字产品的可靠性问题还是网络出现问题都不会影响到系统的主体，最多就是若干个网络浏览服务受到影响，而一旦将来数字视频产品的成熟带来的价格降低后完全可以将视频服务器与前端设备直接配置，到那时即使模拟系统出现问题，仍然可以使用网络浏览方式实现对现场情况的监视。在保密性方面，即使通过网络产生对系统的威胁也是只局限于网络内部或数字视频的综合管理平台而不能侵害模拟监控系统本身。