1 概述

    1.1 “平安城市”系统建设背景

    近年来，我国整体经济实力显著增强，但社会治安状况也日趋复杂，公共安全问题不断凸显，城市*突出，手段不断更新、升级。这些都迫切要求加快发展以主动预防为主的视频监控系统。而且自美国“9·11事件”和伦敦地铁爆炸案之后，应对突发事件的城市应急防范系统成为新的安防建设热点。

    2005年9月中国*部正式启动城市联网报警与监控系统建设（3111工程），将在全国范围内，在省、市、县三级开展报警与监控系统建设试点工程，推动“平安城市”的建设步伐。目前各主要城市如北京、广州、深圳、杭州已经开始加快建设城市的视频监控系统。城市视频监控管理系统是衡量一个城市现代化管理水平的重要体现，是实现一个城市乃至整个国家安全和稳定的重要措施。建立合理，有效的城市视频监控管理系统，才能够使政府管理部门在*时间发现问题，提出应对措施及应急预案。

    1.2技术发展现状

    视频监控系统是城市安全防范系统的核心组成部分，是一种防范能力较强的综合系统。视频监控系统经历了模拟信号监控系统、数模结合方式的视频监控系统、全数字化的远程联网视频监控系统三个发展阶段。

    在20世纪90年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为*代模拟监控系统。它以视频矩阵、分割器、磁带录像机为核心，采用视频切换矩阵连网，多路数视频光端机上传视频图像，技术成熟，实时性好，但缺少远程功能。

    20世纪90年代中后期，出现了数模结合监控系统，硬盘录像机（DVR）应用到模拟监控系统中。它主要通过计算机网络来传输，使用智能化的计算机软件来处理。这种混合模式的监控方案，虽然已可以实现远程传输，但前端视频到监控中心采用模拟传输，距离和布点都有所限制。

    到本世纪初，全数字化的视频监控系统开始得到广泛应用。视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，并通过设在网上的网络虚拟（数字）矩阵控制主机（IPM）来实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、*控制等功能。

    全数字化的视频监控系统发展到今天，衍生出了许多前沿的应用模式，比如智能视频监控系统，这种系统运用计算机视觉技术，在图像及图像描述之间建立映射关系，从而使计算机能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容。智能视频监控系统可以及时发现异常情况，提供zui快和*的报警及其它实时信息，能够为城市安防系统的管理智能化起到重要作用。还有移动视频监控系统，采用无线信道传输视频信号，使监控系统不受复杂地形的影响，从而扩大系统的覆盖范围。同时这项技术的应用也促使监控终端向便携化，小型化发展。

    由于第三代数字化监控系统存在诸多不可比拟的优点，符合信息化、智能化、网络化的发展方向，在未来城市安防建设的过程当中，全数字化监控系统取代模拟监控系统和半数字监控系统成为必然。

1.3 当前社会的需求热点及未来发展趋势

    当前的城市安防系统的发展趋势从行业，建设，技术的角度来看主要体现为以下几个点：

    行业发展趋势：

    1）传输数字化

    数字化的视频监控技术将在社会面治安监控的建设中越来越普及，数字化处理将贯穿于系统的传输、控制、存储等所有环节。基于数字化的“编解码器 + 监控平台”的方式在组网灵活性以及对*部门未来移动、手持等智能应用上的可扩展性方面均存在*的*性，而且随着编解码技术的进一步发展以及*网络带宽资源的不断拓宽，其图像和声音的清晰度将不再是问题。因此可以预计模拟监控时代向全数字化监控时代的全面迈进是未来监控行业的方向。

    2）标准统一化

    目前安防产业品牌、技术混杂，城市安防系统的发展需要进行长期的标准化过程，先建设兼容性的平台，再逐步转向统一。而且目前安防行业核心视音频编解码技术标准的都为日本、美国等跨国公司制定的MPEG系列标准（3C，6C）所垄断。因此制定开发核心的视频编码技术标准也是城市安防系统可持续发展的重点。

    建设发展趋势：

    1）大规模组网, 存储网络化

    未来的城市安防系统的普及范围将从城市延伸到全省、整个国家等更广泛的区域，大规模运营的安防联网系统将是未来建设的重点。海量用户、设备的接入管理、区域联网，分级联网，服务质量体系构建等技术都是关键的研究课题。这种大型安防系统的出现也将使大容量视频数据网络化存储成为可能，未来的存储模式将是集中、分布式、集中+分布式的多元存储模式，可基于网格、P2P、中间件、集群等分布式并行处理技术实现海量数据的存储、检索与分发。

    2）应急联动，管理智能化

    建立统一指挥、机动、协同联动、管理智能的应急联动系统已成为城市安防建设的必然趋势。未来的安防平台建设的重点不单单放在监控业务的发展上，而更重要的是能够通过监控发现警情，预防警情，处理警情。可采用人脸识别、车牌识别等智能化视频处理实现警情预判，同时综合应用通信技术、地理信息技术、卫星定位技术，实现统一接警、迅速定位、快速反应、业务联动的智能化管理。

    技术发展趋势：

    1）视频质量清晰化

    随着数字图像采集性能的大大提高，终端显示的能力也相应有了进步，HDTV的视频已经达到1280X720、1920X1080，因此今后视频监控的图像质量主流将会达到高清晰电视的水平。这极大的保证了城市视频监控联网中图像的清晰度。

    2）监控系统无线网络化

    随着各种无线网络的日趋普遍，第三、四代移动通信在技术上已经成熟。高清晰、全嵌入式、支持各种无线、有线接入方式的移动无线视频监控成为新一代的视频监控系统的发展方向。

    3）终端小型化，移动化，便携化

    监控终端的移动化、小型化一直是视频监控用户的追求。手机、PDA、便携电脑等均往智能型终端方向发展，成为重要的监控终端载体。

2 “平安城市”视频监控系统的构建

    2.1“平安城市”系统构建原则、总体架构及关键问题

    2.1.1 构建原则

    “平安城市”的建设目标是要在城市范围内实现由不同设备构成的系统之间的联网和互操作，综合利用各种监控和报警资源，逐步实现全国联网。其建设应该遵从以下原则：互通性，实用性，扩展性，规范性，易操作性，安全性，可靠性，可维护性，可管理性，经济性。

    2.1.2 总体架构

    联网系统由七个层次组成：视频监控点、社会监控资源、一级监控中心、二级监控中心、三级监控中心、用户分控终端、省部级监控中心。系统以*专网为基础网络平台，实现城域范围内基于不同网络平台构成的视频安防监控系统之间的互联，向省部级*机关提供统一格式的图像传输。
 
    2.1.3 建设中的关键问题

    1）数字化进程准备不足，模拟系统的应用占据主导地位，需尽快完成更新换代。

    已建成的监控系统技术含量不高，传统的模拟系统应用占据主导地位。不仅用户不熟悉新的技术、新的环境、新的需求，安防企业也面临着升级换代。面对大容量城市联网监控系统的需要，很难提供符合要求的数字化技术服务。

    2）城市安防系统的建设，缺乏统一标准。

    视频监控设备种类繁多，采用的视频压缩传输标准以及传输协议不统一，行业用户采用了不同开发商的产品而只能构成一个个信息孤岛，难以互连成更大规模的网络。目前城市安防建设缺乏一套统一的建设标准，一旦制定了完善的标准体系，将可以实现多种设备，系统以及监控资源的无缝接入。

    3）城市治安面向大众化运营，覆盖范围广，需要进行大规模分布式组网技术的研究。

    一个中等城市视频监控联网初期监控点会在1000个左右，分散在各个派出所管辖范围内，用已有的各种网络实现系统接入，未来随着系统运营覆盖范围的扩大，以及城域间联网的实施，监控点在几万路以上的，面向大众的电信级视频监控系统将会出现，如何实现这种大规模组网，保证系统安全性、可靠性，是未来网络建设需要解决的重点问题。

   4）城市应急系统是解决治安，防灾问题的关键，须建立完善可靠的智能联动指挥系统。

    随着城市应急需求越来越强烈，新一代应急联动系统应具有统一指挥、机动、协同联动、智能管理的特点。如何将基于*业务的智能化指挥管理与基于监控业务的安防业务紧密结合是目前城市安防系统的难点。同时灵活运用人脸识别、车牌识别，轨迹跟踪，行为分析，图像检索等智能化视频处理技术，有效扩展系统的防治能力也是寻求智能化管理的关键。

    5）IP网络不稳定，不可靠，缺乏服务质量保障体系。

    IP网络所提供的是一种“尽力而为”的服务，还无法保障实时多媒体业务的服务质量（QoS）。而目前建设的城市监控联网系统，主要以IP网络为承载网络，缺乏有效的QoS保障机制。因此针对安防系统可靠性、实时性高的业务特点，建立完善的服务质量保障体系是非常重要的。

2.2“平安城市”视频监控系统的建设要点     2）异构网络下自适应网络传输机制

    2.2.1 联网建设要点

    网络互联方面的建设主要考虑以下两点：

    1）异构网络和系统的互联、互通、互控

    联网系统覆盖了大量异构网络（无线、有线，宽带、窄带），如何解决处于异构网络中系统间的互联互通是一个必须考虑的问题。3111通用技术标准、广东省社会治安视频监控系统与数据传输技术规范中提出采用或制定标准的应用层通信协议进行系统间的会话控制、管理以及区域网络的连接（如3111工程采用的SIP协议）。在*专网内部提供支持标准协议的各类服务器以构建标准化安防业务平台。所有监控资源\设备，监控终端（*监控中心）需以标准通信协议及标准视音频编码协议接入或通过网关代理服务器进行协议转换后接入标准*监控系统。通信协议的统一能够屏蔽底层网络和设备的物理细节，有利于实现多种异构系统的融合。

    2）考虑网络流量和业务内容层次化的联网结构

    大型视频监控系统具有海量数据传输、网络带宽近似恒定以及前端视频监控点向各级监控中心的汇聚型传输方式等特点，围绕这几个特性需考虑层次化拓扑的联网监控系统，该设计在一定程度上可解决异构网络中传输不可靠、数据传输延迟和无QoS保障等难点问题。如图1所示，系统在各级监控中心实现视频流的汇聚，采用流媒体服务器技术解耦资源接入模块与业务处理模块来分离视频压缩和分发业务，各级用户可根据网络流量分布和业务优先等级从所属监控中心的流媒体服务器上动态获取视频资源。基于这种树状组播结构的应用层架构，视频数据传输就变成统一汇聚－离散分发的过程，基本没有冗余的数据交换。

    2.2.2 区域监控系统建设要点

    区域监控系统主要包括各级的监控中心、分控中心。各类监控系统根据规模和职能的不同，涵盖不同的建设内容。其建设组成总体可分为前端设备接入、网络传输控制、终端/用户控制管理、视频浏览/存储四个基本部分。

    1）基于统一转码网关的接入模式

    由于视频标准的发展、视频压缩格式呈现多样化且互不兼容的特点，原本简单的资源共享问题变得十分复杂。不同的压缩算法、压缩比、压缩质量，将给城市视频监控联网系统的资源协同共享造成严重障碍。同时由于目前前端设备（DVR/DVS）的厂家不同，其设备的通信协议、控制方法各有千秋，且短期内难以统一，这就要求完整的联网系统必须能提供视频数据格式转换和通信协议转换的功能。*方案是采用接入网关，统一视频压缩格式、矩阵切换和云台控制的命令，实现视频格式和通信模式的吻合。

    各种异构网络接入条件存在差异性，表现在带宽、时延、误码率等方面。为保证视频流在传输的过程中的实时性、连续性和平稳性，需根据网络的当前状况自适应调节视频的码率、质量，以适应当前的网络环境。视频监控的城域和广域互联都必须采用这种自适应视频传输机制以适应目前*专网或公网的实际网络环境。目前的自适应网络传输可以分为基于发送方的、基于接收方的以及混合控制的速率调整方式。也可以采用动态多码率技术，使视频流的码率能够根据带宽的不同而相应变化。

3）基于纵深管理的终端控制机制

    城市安防系统要求能够实现在监控中心对监控资源的集中控制、管理和监视等功能，通过*方式实现用户终端的权限控制。系统中所有注册用户根据权限、所在机构的不同组成树状的管理结构，用户根据级别访问不同内容的视频资源。其中别权限用户可以随时掌控其权限范围内用户的客户端使用情况，并对可疑用户进行远程*管理。用户之间根据业务需求，也可提供临时的*，使低级别或其余机构的用户跨级访问非权限范围内的视频资源。这种基于权限的纵深式管理机制使平台的管理更加灵活、方便。

    4）基于流媒体分发技术的视频浏览和存储回放

    前端设备的媒体发布是城市联网监控系统的瓶颈之一。前端设备带宽有限，一般只有1Mb-10Mb，多路用户（5至10路）并发访问就会发生网络拥塞.而传统的流媒体系统能够支持1000路以上并发视频播放，并且可通过消除抖动和图像后处理保证客户端的视频质量，将流媒体技术应用到视频监控系统中将极大提高系统的媒体发布能力。通常是将网络摄像机作为流媒体的前端，流媒体系统作为视频传输的载体，充分利用流媒体系统的传输优势，扩展系统的容量，容纳上千、上万用户的并发访问。同时平台的存储系统也可以通过流媒体服务器的点播能力实现。诸如存储网络的读写，视频文件的检索和发布等功能都可以借助流媒体服务器强大的转发能力完成。

    2.2.3 平台软件建设要点

    监控报警管理平台是安防联网系统的核心系统软件，涵盖所有服务控制和业务处理程序。整个软件模型从宏观上看分为三层结构，自底向上分别为网络承载层、内容层和执行层。
 
    网络承载层主要负责物理设备联网接入、网络数据传输以及系统间通信会话建立。具体划分为三个功能模块：网络接入，通信协议，会话传输。网络接入模块负责异构网络设备、系统的接入；通信协议模块约束通信规范，统一信令协议，建立传输信道；会话传输模块基于已建立的信道建立会话传输数据流。网络承载层为所有上层模块执行的基础，是所有数据接入的基本层。可基于标准的通信协议封装为通信中间件，与上层安防业务功能模块*分离，提高系统的处理效率。

    内容汇聚层，主要负责所有业务、服务内容的汇聚管理，分为业务处理和服务应用两个模块。业务处理模块负责数据信息存储查询、视频存储分发、视频搜索、报警信息处理、指挥调度和*综合研判等业务功能；服务应用负责实时图像点播、历史图像检索和回放、设备控制、存储和备份、报警联动等基本监控功能。该层采用开放式架构，提供标准服务接口，并可通过插件式的业务模块集成，丰富服务内容，扩展系统功能。

    执行控制层，为系统管理者提供主观能动的开放式控制接口。管理者可执行用户权限管理、设备管理和安全认证机制等功能，定制符合个性化需求的客户端管理软件。

    3 系统建设关键技术

    3.1基于流媒体分发的大规模联网监控技术

    流媒体服务器还可采用负载均衡技术以实现大规模的视频转发。图5中的负载均衡器负责控制用户访问请求，可以将并发压力均衡地分配到不同的流媒体服务器上，平衡网络流量。

    在大规模联网监控系统中采用流媒体服务器作为转发节点，由负载均衡器控制网络流量，使视频数据分层汇聚，从而构建组播模式的树状网络架构。这种流媒体分发技术可解决网络拥塞问题，并极大地提高系统效率。

3.2基于统一视频转码的接入网关技术

    由于通过异构网络接入的各种视频前端设备编码格式、压缩比、压缩质量以及传输协议不一，造成城市安防系统需要整合大量的异构视频资源，引起设备兼容的问题。为了解决这个问题，需要采用视频转码网关对非标准的视频流进行转码处理，统一视频压缩格式及传输模式。

    视频转码技术主要是对压缩的视频码流进行端到端的处理，使得转码后的压缩码流更能适应传输信道带宽以及接收端的要求。比如预先把压缩的视频比特流的码率降低，可不用在解码端加上额外的操作实现数据接收；或者压缩的固定比特率视频流可根据网络带宽动态调整码率等。其基本原则是在环境和处理能力受限的情况下，在码流转换的质量和复杂性之间取得*折衷，实现异构网络间的视频自由交换。实现的关键是对压缩视频码流中的压缩数据进行复用，避免重新编码中的复杂运算。转码可采用的技术主要包括码率转换，分辨率转换，帧率转换等。

    转码网关同时也能够对接入设备的控制命令和传输协议进行统一转换，如矩阵切换和云台控制等命令，使用户可以透明的操作前端设备。目前由于视频编码转码计算复杂度较高，系统内还不能统一所有的视频信息，采用标准化通信协议使客户端能够通过插件实现对不同视频压缩协议的支持，所以可以在不改动流媒体服务器和传输方式的情况下，实现系统向后兼容。

    3.3面向安防监控的视频编码技术

    为了满足安防视频监控业务各种特殊要求，面向安防监控业务的视频编码应具有容错性、可伸缩性、智能化的特性。

    1） 容错性。监控业务中的视频传输必须实时、可靠。因此视频编码器必须具备抗误码能力，使压缩视频流在传输过程中对信道误码敏感，即使单个突发性错误也可能严重干扰接收端的正常解码，造成恢复视频质量的急剧下降。这种技术能够将发生错误的视频恢复到初始视频流或接近初始视频流的质量，保证监控视频传输的服务质量。

    2） 可伸缩性。由于监控业务中应用需求的多样化和网络传输的异构特性，要求面向安防监控的视频编码需要具有时域和空域上的伸缩性，以适应不同的应用环境。可伸缩性视频编码是一种具有动态可调整性码率的编码技术，即视频数据只压缩一次，却能以多个帧率、空间分辨率或视频质量进行解码，从而可支持多种类型用户的各种不同应用要求。

    3） 智能化。针对*，公交业务的需求，要求能够实现人脸识别、车牌识别等智能化视频业务。面向安防监控业务的视频编码可以在压缩过程中增加场景变化的实时监控检测以及为入侵报警功能提供接口，使编码器具有移动侦测，智能报警的能力。

    我国拥有自主知识产权的AVS（数字音视频编解码技术标准）标准已经成为国家标准，目前正在制定面向安防监控的音视频编码标准AVS-S的视频编码部分。AVS－S总体目标是为迅速发展的公共安全与监控领域设备提供音视频解码、系统、版权保护和文件格式等方面的规范和标准，需求为：能适应多种网络情况，支持通过专网、互联网、无线网络等传输，支持实时的码率可调，支持感兴趣区域的高质量编码，支持变化环境的优化编码，支持位置信息等辅助信息叠加，面向存储的优化编码。

3.4异构网络下视频自适应网络传输机制
    前端系统采用点位设计。信号传输系统设计内容主要分传输方式、传输管道两部分。*控制显示部分的设计采用数字化监控中心管理系统＋大容量模块化矩阵切换设备作为核心设备，以数模结合方式，实现对快球的远程的控制、权限的管理。采用外置存储方式进行集中式数据存储。

    视频流媒体的实时性、连续性、平滑性特性要求监控视频在网络传输过程中必须有自适应能力。基于传输速率调节和基于动态多码率调节机制均能灵活适应安防联网监控系统中多种异构网络带宽要求。

    3.5基于网格的海量存储技术

    基于网格的海量存储技术是以节点之间的备份为基础，可以在多重节点上进行内容管理与储存；也可以在存储环境上的多重节点进行资料转移与传输。正因为这样，它可以将网络连接存储（NAS）、存储局域网（SAN）等多种不同的技术、不同的管理工具、不同的存储应用融合在一起。网格存储使存储简单化，兼容不同的网络协议，支持不同的系统平台，在各个分布系统上运行而且同步。这种技术使安防系统的大规模视频网络化存储成为可能。

    3.6基于普适计算环境的智能报警监控技术

    城市安防系统向着管理智能化的方向发展，需要更加灵活、智能的报警系统。可研究基于普适计算环境的报警监控技术，通过上下文感知的交互模型、智能服务发现和管理技术、无线传感技术实现物理层和信息层的对象互相关联，构成人机合一的融合空间。这些技术可以使用户能够随时感知环境的变化，基于无处不在的监控系统透明地获得视频，报警和其它相关信息。

    4 应用实例

    4.1大规模数字化监控系统－东莞市城市治安视频监控解决方案

    东莞市城市社会治安视频监控系统主要对一些治安重点监控区域，如居民小区、城区路面、商业中心、车站广场等人流集中的场所实施远程实时监控，进行远程录像备份。目前该市的数字监控系统试点项目已通过验收。

    4.1.1 系统架构

    整个社会治安视频监控系统结构主要有五个部分组成，分别为前端部分、信号传输部分、*控制显示部分，数字图像检索回放部分及数据存储、IP承载网。    

4.1.2 系统特点

    该系统是大规模联网监控系统的实例。该项目数字部分建设采用流媒体分发技术，构建分层汇聚的视频传输架构，将各镇区*分局的监控点连接起来。同时通过集中存储的模式，在市*局的大型存储中心将汇聚的视频流以文件格式保存下来，提供远程的录像检索和回访。

    4.2 跨越无线异构网络的城市公交联网监控系统

    深圳市公交车视频监控系统在全市的所有公交车上都安装3～4个摄像头，所有这些摄像机视频信号除了能被市*局公交分局、车辆所处辖区派出所的监控中心共享使用外，还需要满足为市应急指挥中心、市交管局、市公交BUS集团提供视频信号联网。当发生紧急事件时，可利用应急指挥无线视频传输系统，随时随地为现场指挥提供视频指挥图像。

    4.2.1系统结构

    本系统采用数字视频监控技术，以市*局公交分局监控中心作为整个系统的中心，整个系统分为车载信息系统、监控调度管理平台等部分。车载信息系统实现音视频信号的采集、压缩、存储和传输，以及车辆行驶信息、GPS信号和报警信号的采集和发送。车辆的这些相关信息通过无线传输网络发送到监控调度管理平台。监控调度管理平台管理车载设备，保存和转发音视频码流、存储和处理相关车辆行驶信息，处理车辆报警，并提供GIS服务。客户端接受和显示视频信号，在GIS地图上实时监控策划的行驶轨迹、车辆工况、以及车辆的实时图像。
 

    4.2.2系统特点

    系统跨越CDMA、EDGE等多种无线异构网络，可以适应公交业务的移动监控需求；该系统前端采用自适应的视频编码策略，使视频传输可以适应窄带的无线网络。同时采用接入网关技术、VPN技术，可兼容多种无线网络信道。

    4.3基于多级联网架构的武汉城市治安监控系统

    2005年武汉市完成500平米以上商业经营场所、100个新建居民住宅小区、33所高等院校以及13所校外学生公寓的报警与监控系统建设。但是由于监控报警信息分散，大多数单位的监控、报警信息只限于内部使用，不能以较快速度将警情传递到*机关，因此，需要将社会各种有用监控资源整合，建设全市统一的多级联网防控系统就显得至关重要。

    4.3.1系统联网方案

    针对武汉市*业务需求，视频监控系统建设按派出所、分局、市局三级架构进行设计。三级区域（派出所）：监控点图像采用模拟或数字方式接入到所辖派出所，派出所可通过DVR或监控终端实施数字监控。

4.3.2 系统特点

    采用多级联网方式，有效整合现有监控资源的同时，实现了监控信息的zui大范围共享；通过基于网关转码技术的流媒体接入模式，解决不同厂家设备接入平台的能力，即保护原有的监控投资，又统一了平台和客户端音视频流的格式和控制信令格式，提高平台的大规模扩展的能力和效率；全系统录像资源实行统一编号、统一调度和统一管理，支持用户通过时间、地点、事件等多种方式检索录像文件；提供B/S，C/S两种访问方式，系统部署更加灵活、实现与市局GIS系统的无缝集成。

    4.4机场数字化视频联网监控报警系统

    机场应急防范系统已成为新的安防建设热点。但对于机场的围界、跑道和机坪这些重点防范区域来说，地域宽阔不利于挖沟布线，因此必须采用无线接入方式，实现机场的联网视频监控。本系统为HH集团公司为某省机场防范系统项目提出的无线监控技术方案。 
 
    4.4.1系统架构

    整个视频监控系统主要分前端监控点和监控中心两个部分。前端监控点是实时监控系统的前端图像采集部分，通过摄像机直接监控机场围界、跑道、机坪的情况。通过嵌入式视频服务器进行视频压缩后，通过无线网络发送到监控中心。监控中心是机场实时监控系统的二级监控单位，负责监控前端监控点传输的图像，包括前端传来的图像信号解压、显示、控制、录像与存储等。

    4.4.2技术特点

    该系统采用Wi-Fi组网, 支持移动接入,是无线监控技术方案应用的典型案例。同时该系统建立了智能化的报警系统，支持多种报警联动模式。