安防天下2：智能高清視頻監控原理精解與最佳實踐（簡體書）

《安防天下2：智能高清視頻監控原理精解與最佳實踐》是具有多年行業經驗的安防專業人士呈現的“誠意之作”，其目的在于和行業朋友分享、交流、探討“智能高清視頻監控系統”的原理、應用、產品、技術發展趨勢等。本書的內容涉及了模擬視頻監控系統、編碼壓縮、DVR、DVS、IPC、NVR、視頻分析、高清IP攝像機、視頻傳輸、CMS、視頻存儲、解碼顯示、大屏幕、PSIM、物聯網、云計算、大數據、數字高清攝像機、模擬高清攝像機、鏡頭等各個方面，并輔有大量的相關應用案例供讀者參考，以期讓讀者更好地理解和應用。
《安防天下2：智能高清視頻監控原理精解與最佳實踐》共分19章，第1章是概述部分，第2章簡單介紹了模擬電視監控系統，第3～7章分別介紹了編碼壓縮技術、DVR技術、DVS技術、NVR技術、IPC技術，第8章介紹了高清監控系統，第9章介紹了視頻內容分析技術，第10章介紹了網絡傳輸系統，第11章介紹了CMS技術，第12章介紹了存儲系統，第13章介紹了解碼顯示，第14章介紹了智能網絡視頻監控系統實戰應用，第15章是智能網絡視頻監控系統相關案例的介紹，第16章介紹了PSIM技術，第17章介紹了物聯網相關技術，第18章介紹了云計算相關技術，第19章介紹了大數據相關技術及其與視頻監控的結合應用。
《安防天下2：智能高清視頻監控原理精解與最佳實踐》適合初學者或者有一定行業經驗的讀者閱讀，特別適合“弱電、安全防范、視頻監控、物聯網”相關從業人員作為入門及深入學習的參考。

潘國輝，網名“西剎子”，現居北京，國家首批一級建造師，2000年畢業于沈陽建筑工程學院工業自動化專業，具有13年安全防范與視頻監控從業經驗。曾經服務于SIEMENS、TYCO、NICE等公司，具有大量的機場、鐵路、地鐵、平安城市、智能樓宇等安防項目的規劃/設計/實施/調試/服務經驗，目前在一家跨國公司任職高級安防經理，全面負責公司安防系統規劃、設計、運維、管理、應急響應、風險控制、培訓等。），口號是“安防天下、服務萬家”，旨在與業內朋友分享、交流、探討安防行業的新技術、新產品及應用。
　

隨著云計算/存儲、大數據、物聯網、移動互聯網等新技術的推進，安防領域也有了翻天覆地的變化，本書第一版創造了“安防領域第一書”的口碑，4年過去，仍然保持火熱銷售態勢，然而，如前所述，安防領域的技術有了很多革命性突破，為此，本書針對最前沿、最實用的新技術、新方案，并添加了作者最近4年積累的最新案例，同時刪除了一些過時的內容及案例，形成了這本《安防天下2》。無論從技術上、思維上還是高度上，都比本書上一版有了質的飛躍。希望能為本行業的讀者提供實實在在的參考。

第1章 視頻監控技術概述 1
1.1 引子 2
1.1.1 安全防范的雛形 2
1.1.2 網絡視頻監控 2
1.1.3 智能視頻識別 2
1.1.4 智能網絡視頻監控 3
1.1.5 高清視頻監控 3
1.1.6 云視頻監控 4
1.2 視頻監控技術發展過程 4
1.2.1 模擬視頻監控時代 5
1.2.2 數字視頻監控時代 7
1.2.3 智能網絡視頻監控時代 8
1.2.4 高清視頻監控時代 9
1.3 視頻監控的核心技術 9
1.3.1 光學成像器件 9
1.3.2 視頻編碼壓縮算法 10
1.3.3 視頻編碼壓縮芯片 10
1.3.4 視頻管理平臺 11
1.4 視頻監控的發展方向 11
1.5 智能網絡視頻監控概念 13
1.5.1 本書內容、范圍說明 13
1.5.2 本書術語、縮寫說明 13
1.5.3 本書內容拓撲結構圖 15
第2章 模擬視頻監控系統 17
2.1 模擬監控系統的構成 18
2.2 視頻采集設備 19
2.2.1 攝像機相關技術 19
2.2.2 鏡頭相關介紹 24
2.2.3 防護罩 28
2.2.4 云臺及解碼器 29
2.2.5 一體球型攝像機 30
2.3 信號傳輸設備 33
2.3.1 視頻信號的傳輸 33
2.3.2 視頻分配器 35
2.3.3 控制信號的傳輸 35
2.3.4 系統供電 35
2.4 矩陣控制設備 36
2.4.1 矩陣工作原理 36
2.4.2 矩陣的主要功能 37
2.4.3 PTZ控制原理 38
2.4.4 控制鍵盤介紹 38
2.5 顯示與錄像設備 39
2.5.1 多畫面處理器 39
2.5.2 圖像顯示設備 41
2.5.3 長延時錄像機 42
2.6 夜視技術及應用 42
2.6.1 主動紅外攝像機 42
2.6.2 激光夜視技術 44
2.6.3 被動紅外夜視 45
2.6.4 透霧攝像機 46
2.7 閉路電視監控系統設計 47
2.7.1 系統需求分析 47
2.7.2 攝像機的選型 49
2.7.3 鏡頭的選型 51
2.7.4 矩陣的選型 51
2.8 本章小結 52
第3章 視頻編碼壓縮技術 53
3.1 多媒體技術基礎 54
3.1.1 圖像的色彩模型 54
3.1.2 圖像的色彩空間變換 57
3.1.3 圖像的基本屬性 58
3.1.4 圖像的格式與質量 59
3.1.5 數據壓縮方法 60
3.2 靜態圖像壓縮技術 64
3.2.1 色相變換過程 65
3.2.2 區塊切割與采樣 66
3.2.3 離散余弦(DCT)變換 68
3.2.4 量化過程介紹 69
3.2.5 Z字形編碼過程 71
3.2.6 DC系數及AC系數編碼 72
3.2.7 熵編碼介紹 73
3.2.8 JPEG數據流介紹 73
3.2.9 JPEG解壓縮過程 73
3.3 視頻(動態圖像)編碼壓縮 74
3.3.1 視頻壓縮的必要性 74
3.3.2 視頻壓縮的可行性 75
3.3.3 圖像格式說明 75
3.3.4 逐行掃描與隔行掃描 79
3.3.5 幀率、碼流與分辨率 80
3.3.6 視頻編碼模型 81
3.3.7 運動補償技術介紹 82
3.4 主流視頻編碼技術 83
3.4.1 MJPEG編碼壓縮 84
3.4.2 MPEG-1技術介紹 85
3.4.3 MPEG-2技術介紹 90
3.4.4 MPEG-4技術介紹 91
3.4.5 H.264技術說明 96
3.4.6 H.265編碼技術 98
3.4.7 視頻編解碼技術應用 103
3.5 本章小結 105
第4章 硬盤錄像機(DVR)技術 107
4.1 DVR產品介紹 108
4.1.1 DVR發展歷史 108
4.1.2 DVR工作原理 109
4.1.3 軟壓縮與硬壓縮 110
4.1.4 DVR芯片介紹 111
4.1.5 DVR的錄像文件管理 113
4.1.6 DVR配置及接口 114
4.1.7 DVR的關鍵技術 117
4.1.8 DVR術語介紹 118
4.2 DVR軟硬件構成 119
4.2.1 嵌入式DVR 119
4.2.2 PC式DVR 122
4.2.3 嵌入式對比PC式DVR 123
4.3 DVR應用軟件功能 125
4.3.1 設備配置及管理 126
4.3.2 錄像管理 126
4.3.3 報警管理 127
4.3.4 視頻存儲與備份 127
4.3.5 視頻瀏覽與回放 128
4.3.6 設備網管維護 129
4.3.7 用戶的管理 129
4.3.8 用戶操作日志審計 130
4.4 DVR的應用架構 130
4.4.1 單機工作模式 130
4.4.2 模數混合架構 131
4.4.3 多機聯網模式 132
4.5 DVR的亮點功能 136
4.5.1 DVR的多碼流技術 136
4.5.2 視頻分析技術應用 138
4.5.3 混合DVR技術 139
4.5.4 智能檢索與回放 140
4.5.5 場景重組技術 141
4.5.6 視頻加密技術 142
4.6 DVR產品選型 142
4.7 DVR的常見故障 145
4.7.1 PC式DVR的常見故障 145
4.7.2 嵌入式DVR的常見故障 145
4.8 DVR應用案例 146
4.8.1 DVR帶寬設計 146
4.8.2 DVR存儲設計 148
4.9 DVR設置與操作 148
4.9.1 DVR的系統設置 149
4.9.2 DVR的應用操作 153
4.10 DVR的遠程訪問 155
4.10.1 流媒體服務 156
4.10.2 DVR的公網配置 158
4.10.3 DVR的轉碼應用 161
4.11 本章小結 162
第5章 視頻編碼器技術 163
5.1 DVS產品介紹 164
5.1.1 DVS發展歷程 164
5.1.2 DVS對比DVR 165
5.1.3 DVS的工作原理 166
5.2 DVS產品軟硬件構成 168
5.2.1 DVS硬件構成 168
5.2.2 DVS軟件構成 169
5.3 DVS系統應用架構 172
5.3.1 矩陣+DVS混合架構 172
5.3.2 DVS+NVR架構 173
5.4 DVS的亮點功能 174
5.4.1 DVS的ANR技術 174
5.4.2 DVS冗余技術 176
5.4.3 DVS的多碼流技術 177
5.4.4 DVS的PoE技術 178
5.4.5 DVS的音頻功能 179
5.4.6 DVS組播應用 180
5.4.7 帶視頻分析功能的DVS 181
5.5 DVS產品選型 182
5.5.1 DVS的主要參數 182
5.5.2 DVS產品的架構 182
5.5.3 編碼壓縮方式 182
5.5.4 視頻分析功能 183
5.5.5 各類接口資源 183
5.5.6 標準化與開放性 184
5.5.7 設備的穩定性 184
5.6 DVS的集成整合 185
5.6.1 DVS的SDK集成 185
5.6.2 DVS的SDK功能 186
5.7 DVS設置與應用 187
5.7.1 DVS工作流程 187
5.7.2 DVS碼流分析 188
5.7.3 DVS主要參數說明 189
5.7.4 DVS配置過程 190
5.8 SDI-DVS產品介紹 192
5.9 DVS常見故障及公網接入 193
5.10 本章小結 194
第6章 網絡錄像機(NVR)技術 195
6.1 NVR產品介紹 196
6.1.1 NVR的功能角色 196
6.1.2 NVR的功能模塊 197
6.1.3 NVR對比DVR 198
6.1.4 PC式與嵌入式NVR 200
6.2 NVR的技術指標 202
6.2.1 NVR的平臺需求 202
6.2.2 NVR的瓶頸分析 203
6.2.3 NVR的軟件功能 205
6.2.4 NVR的兼容性 212
6.3 NVR產品亮點功能 212
6.3.1 視頻中間件技術應用 212
6.3.2 ANR技術 214
6.3.3 NVR冗余技術 215
6.3.4 視頻標簽功能 216
6.3.5 帶視頻分析功能的NVR 216
6.3.6 軟件的進程隔離技術 216
6.3.7 軟件定制化設計 217
6.4 NVR產品選型要點 217
6.4.1 NVR典型參數 217
6.4.2 NVR產品選型 217
6.5 NVR應用案例分析 219
6.5.1 需求分析 219
6.5.2 網絡帶寬設計 221
6.5.3 NVR存儲設計 222
6.6 NVR的ONVIF接入 223
6.7 本章小結 225
第7章 網絡攝像機(IPC)技術 227
7.1 IPC產品介紹 228
7.1.1 IPC的定義 228
7.1.2 IPC的主要功能 229
7.1.3 IPC的分類 230
7.1.4 IPC的優勢 231
7.1.5 IPC的常用術語介紹 234
7.2 IPC的組成及工作原理 235
7.2.1 IPC的硬件構成 235
7.2.2 IPC的軟件構成 238
7.2.3 IPC的工作原理 239
7.3 IPC數據的網絡傳輸 239
7.3.1 網絡傳輸協議介紹 240
7.3.2 視音頻流的傳輸 241
7.3.3 控制信號的傳輸 242
7.4 IPC的核心技術 242
7.4.1 光學成像技術 243
7.4.2 視頻編碼算法 243
7.4.3 編碼壓縮芯片 244
7.4.4 視頻分析技術 244
7.5 IPC的亮點功能 246
7.5.1 IPC的3G/4G功能 246
7.5.2 PoE技術 247
7.5.3 本地緩存功能 248
7.5.4 DDNS支持 248
7.5.5 IPC的安全通信 249
7.5.6 報警改變幀率技術 250
7.5.7 IPC的多碼流技術 251
7.5.8 視頻質量控制QoS 252
7.5.9 視頻移動探測 253
7.6 IPC的選型要點 253
7.6.1 IPC的主要參數 253
7.6.2 圖像質量 253
7.6.3 網絡適應性 254
7.6.4 編碼壓縮算法 254
7.6.5 系統安裝與升級 254
7.6.6 產品許可授權方式 255
7.6.7 二次開發與集成 255
7.6.8 廠商產品線考察 255
7.7 IPC的應用設計 256
7.7.1 需求分析 256
7.7.2 系統架構 258
7.7.3 帶寬與存儲設計 258
7.7.4 系統的主要功能 259
7.8 IPC的參數設置 260
7.8.1 設置前的準備工作 260
7.8.2 IP地址設置 261
7.8.3 視頻流參數 262
7.8.4 攝像機圖像參數設置 263
7.8.5 事件參數設置 264
7.8.6 系統設備維護功能 265
7.9 本章小結 266
第8章 高清視頻監控技術 267
8.1 高清監控概述 268
8.1.1 高清監控目前格局 268
8.1.2 IP高清與HD-SDI對比 269
8.2 960H高清技術 271
8.2.1 EFFIO方案介紹 272
......

15.1 高鐵智能網絡視頻監控系統
15.1.1 高鐵項目簡介
首先看看關于“高鐵”的定義。國際通常將高速鐵路定義在時速200公里以上，我國的高鐵，即CRH（China Railway High-speed），時速也定義在200公里以上。另外，我國又增加了“客運專線”的等級，客運專線是以客運為主的快速鐵路，時速為200~350km/h。
高速鐵路不同于一般的鐵路系統，是一個系統化、集成化的大型工程，僅通信部門就涉及到10多個子系統，包括有線、數據、傳輸、調度、應急通信、視頻監控等。高鐵與普通鐵路或地鐵區別很大，例如地鐵通常時速在60公里左右，列車間隔在3分鐘左右，而高鐵時速可能達到300公里，但時間間隔可能與地鐵差不多，這就對高鐵的通信指揮系統提出了更高的要求，同時，作為一個重要的輔助設施，對視頻監控系統的相關要求也非常高。
15.1.2 高鐵視頻監控系統的特點
高鐵的視頻監控系統，要求采用先進的視頻監控技術，基于鐵路系統的IP網絡，構建數字化、智能化、分布式的網絡視頻監控系統，滿足公安、安監、客運、調度、車務、機務、工務、電務、車輛、供電等業務部門及防災監控、救援搶險和應急管理等多種需求，實現視頻網絡資源和信息資源共享。
高鐵的視頻監控系統通常采用先進的視頻編碼及視頻分析技術，實現低碼流下高清晰視頻圖像采集、編碼、傳輸、錄像、轉發及自動報警功能。指揮人員和警務人員通過自己工作區域內的大屏幕或電腦工作站可清楚地了解轄區和全線車站、區間、橋梁、路基、機房等重點區段和設備的情況，并迅速、準確地處置突發事件。
1. 高鐵視頻監控主要需求
路基、路口、橋梁、隧道、公跨鐵、咽喉區的視頻監視，保證車輛安全運行。
車站廣場、站臺、候車大廳、旅客通道等人流密集區域視頻監視，了解旅客情況。
無人值守變電站等重要配電設備集中監控，及時了解設備運行情況。
對出現的緊急狀況，如暴風雪、泥石流、洪水、交通意外等遠程了解并及時反應。
應急指揮監控，將突發緊急事件的視頻通過無線傳輸到控制中心。
高鐵視頻監控應用的具體設備包括攝像機（多數是室外PTZ云臺攝像機及室內外快球一體攝像機）、編碼器、硬盤錄像機（DVR）、網絡錄像機（NVR）、中央管理平臺（CMS）、視頻分析設備（VCA）、解碼顯示及存儲設備。
對高鐵視頻監控系統的總體要求是：安全、可靠、開放、可擴充等。做到技術先進、經濟合理、實用可靠。
2. 高鐵視頻監控系統的建設難點
視頻監控點位通常比較分散、跨度比較大，一般幾百甚至上千公里。
視頻監控攝像機需要戶外工作，環境通常比較惡劣。
監控點多為室外高桿或鋼架上安裝，施工難度比較大。
視頻采集、編解碼及部分存儲設備分散分布在無人值守機房，安裝調試成本高。
用戶數量眾多，系統需要有良好的權限管理、視頻流并發訪問及轉發能力支持。
視頻分析環境復雜，風、霜、雨、雪、霧、攝像機抖動、燈光等干擾因素可能導致誤報警。
3. 高鐵綜合視頻監控系統的應用
綜合視頻監控系統應用主要包括：運營調度視頻監控、公安視頻監控、通信/信號視頻監控、牽引供電視頻監控、電力供電視頻監控等。并預留客運服務視頻監控和防災安全視頻監控系統接入，具體業務和功能包括如下幾個方面。
運營調度視頻監控
實現對全線“公跨鐵”立交橋的全天候遠程實時監控，對落物發現、人員入侵、設備遺失等異常情況實施全天候監控，防止影響安全事故的發生；對各車站咽喉區實施視頻監控，全天候監視列車進出站情況，對咽喉區的異物入侵、設備丟失等情況進行主動警示；對各車站行車情況實施視頻監控。
通信/信號視頻監控部分
對各車站通信/信號室、各信號中繼站、GSM-R基站、維修工區的通信室等無人值守機房進行視頻監控，通過與相關系統的配合，實現告警后觸發相關視頻的動作及聯動。
變配電站視頻監控
對全線開閉所、牽引變電所、AT所/分區所等無人值守場所進行視頻遠程監控；對10kV配電所無人值守設備工作狀態及場所進行遠程視頻監控。
客運服務視頻監控
對全線車站重點場所以及其他相關場所進行視頻監控。
15.1.3 高鐵視頻監控系統層次
高鐵視頻監控系統的特點決定了“數字網絡視頻監控系統”是最好的選擇。通常，高鐵視頻監控系統分成三級節點，核心節點在鐵道部（或路局），有視頻監控調用、匯總的需求；二級節點在各個路局/客專調度，主要為分散分布的網絡錄像機（NVR）、硬盤錄像機（DVR）、存儲轉發設備，同時也有大屏監控、網管、流媒體轉發等需求；三級節點為各個車段/站，負責視頻的前端采集、編碼等。
高鐵視頻監控系統層次結構如圖15.1所示。
圖15.1 高鐵視頻監控系統的層次結構
（1） 設備接入
視頻采集、接入設備主要是指各類攝像機，一般機房監控、客運監控等場所為室內環境，可根據具體情況選擇安裝一體球型攝像機或固定攝像機；而室外環境包括大橋、隧道、鐵路沿線等，通常環境非常惡劣，自然現象風、霜、雨、雪及高速列車帶來的巨大震動等因素，都對攝像機質量、工藝、安裝方式提出了嚴格的要求，遠距離信號一般采用光纖傳輸。
（2） 三級節點
在各個站點，車輛段，安裝部署編碼器、硬盤錄像機，實現視頻的編碼壓縮和部分本地存儲功能。由于前端設備分布廣，因此系統穩定性是第一要素，系統的不穩定將會給后期維護工作帶來巨大的壓力。另外，設備需要具有遠程維護能力，如遠程升級，遠程備份，遠程啟動等。對于變電機房、一般部署PTZ攝像機，可聯動溫感、煙感、水淹、門磁等探測器，對機房實施全面保護，因此，編碼器或DVR的輸入輸出節點數目、聯動功能都是需要考慮的。
（3） 二級節點
二級節點主要為鐵路局，不同于三級節點單獨的視頻采集和簡單視頻瀏覽功能需求，二級節點存在大量的用戶，對本區段的視頻資源進行調用、回放、PTZ控制等。通常，在路局節點，一般設置多個客戶端工作站、存儲陣列、存儲服務器、流媒體服務器、解碼器、電視墻等終端，是系統真正的主干，也是應用的核心。二級節點是視頻存儲和視頻流轉發的核心環節，通常采用大規模的集中存儲設備，如FC SAN和DAS等；而部署流媒體服務器實現對來自三級節點的視頻流向上轉發功能。
（4） 一級節點
一級節點是系統的數據核心節點，注意是“數據核心節點”，而不是應用核心節點。一級節點一般在鐵道部的數據中心（或路局中心），相當于平安城市的城市公安局指揮中心。一級節點會連接各個高鐵、鐵路的視頻系統，并根據需要，可有選擇地調用、控制、回放各個鐵路線的視頻資源，一般設置中心管理服務器、工作站、歸檔備份服務器等。
15.1.4 高鐵視頻監控系統拓撲
典型高鐵視頻監控系統拓撲結構如圖15.2所示，整個系統基于網絡，實現視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉發及虛擬矩陣的功能。攝像機采集到視頻信號，通過同軸電纜連接到DVR或編碼器，實現視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機的控制信號通過RS485進行傳輸；編碼器將視頻流通過網絡發送到NVR進行集中存儲備份；存儲服務器可以將DVR或NVR的視頻資料進行歸檔備份；流媒體服務器可以在多個用戶并發訪問時進行視頻轉發而減少網絡及前端設備的壓力；解碼器與電視墻連接，實現視頻的集中大屏幕顯示。
圖15.2 典型高鐵視頻監控系統架構拓撲
另外，視頻監控系統還需要與防災系統、動力、環境檢測等其他系統進行必要的聯動集成功能，其他系統可以以干接點或API接口的方式，實現與視頻監控系統的集成報警聯動。相關系統報警發生后，視頻監控系統接收到該告警信息，可按照預先設置好的聯動程序，完成自動啟動錄像、改變錄像幀率或分辨率、告警視頻畫面自動彈出、PTZ預置位調出、觸發繼電器輸出驅動燈光、警鈴設備等動作。
……