视频监控技术简介与未来发展趋势

视频监控业务具有悠久的历史，在传统上广泛应用于安防领域，是协助公共安全部门打击犯罪、维持社会安定的重要手段。近年来，随着宽带的普及，计算机技术的发展，图像处理技术的提高，视频监控正越来越广泛地渗透到教育、政府、娱乐、医疗、酒店、运动等其他各种领域。   
业务简介   
视频监控的基本业务功能是提供实时监视的手段，并对被监视的画面进行录像存储，以便事后回放。在此基础上，的视频监控系统可以对监控装置进行远程控制，并能接收报警信号，进行报警触发与联动。业务功能如图1所示。  

图1 视频监控业务功能示意图
早的视频监控系统是全模拟的视频监控系统，也称闭路电视监控系统（CCTV）。图像信息采用视频电缆，以模拟方式传输，一般传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。全模拟视频监控系统以模拟视频矩阵和磁带式录像设备VCR为。   
随着数字技术的发展，数字视频监控系统从20世纪90年代中期开始出现，以数字控制的视频矩阵替代原来的模拟视频矩阵，以数字硬盘录像机DVR替代原来的长延时模拟录像机，将原来的磁带存储模式转变成数字存储录像，实现了将模拟视频转为数字录像。DVR集合了录像机、画面分割器等功能，跨出数字监控的步。在此基础上产生了全数字的视频监控系统，可以基于PC机或嵌入式设备构成监控系统，并进行多媒体管理。这类系统是目前视频监控市场的主流。   
随着宽带网络的普及，视频监控逐渐从本地监控向远程监控发展，出现了以网络视频服务器为代表的远程网络视频监控系统。网络视频服务器解决了视频流在网络上的传输问题，从图像采集开始进行数字化处理、传输，这样使得传输线路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能。整个系统趋向平台化、智能化。很多互联网企业已开始涉足此类视频监控系统的开发，目前尚属市场起步阶段。
图2给出了一种目前比较常用的网络远程视频监控系统的示意图。   

图2  目前比较常用的网络远程视频监控系统  
图中管理中心和监控前端、监控中心是视频监控系统的组成部分，无线网络部分则是视频监控和其他系统互通的一个示例。当然视频监控系统和其他业务网络共同使用时，也可能会融为一体。   
各组成部分的说明如下：   
（1）监控前端：用于采集被监控点的监控信息，并可以配备报警设备。监控前端可分为两类：   
1、普通摄像头+视频服务器。普通摄像头可以是模拟摄像头，也可以是数字摄像头。原始视频信号传到视频服务器，经视频服务器编码后，以TCP/IP协议通过网络传至其他设备。   
2、网络摄像头。网络摄像头是融摄像、视频编码、Web服务于一体的摄像设备，内嵌了TCP/IP协议栈。可以直接连接到网络。   
（2）管理中心：承担所有前端设备的管理、控制、报警处理、录像、录像回放、用户管理等工作。各部分功能分别由专门的服务器各司其职。   
（3）监控中心：用于集中对所辖区域进行监控，包括电视墙、监控客户终端群组成。系统中可以有一个或多个监控中心。   
（4）PC客户端：在监控中心之外，也可以由PC机接到网络上进行远程监控。   
（5）无线网桥：无线网桥用于接入无线数据网络，并访问互联网。通过无线网桥，可以将IP网上的监控信息传至无线终端，也可以将无线终端的控制指令传给IP网上的视频监控管理系统。目前常用的无线网络为CDMA网络。   
业务需求的转变   
当前，对于监控系统而言，用户对其功能的需求已经体现出多元化与系统化。主要表现在以下几个方面的要求：   
远程访问。传统的视频监控一般是在小范围内进行，而目前用户普遍要求访问地点不受地域限制，能随时随地访问被监控地点。   
多人同时访问同一个监控点。传统上，一个监控点一般是被一个监控中心（用户）所访问。而目前，同一个监控点很可能会同时被多个用户所访问，并且这些用户之间可能毫无关系。用户访问的复杂化将要求系统强化对访问权限的管理。   
监控点趋向分散，同时监控趋向集中。属于同一用户的监控点越来越分散，不受地域所限。而对这些分散的监控点，需要集中的管理与控制。   
要求监控系统具有开放性和扩展性。同一系统应当支持多种不同类型的监控设备，用户数、被监控点的数量可以方便地增减。   
海量数据存储。网络化使得传统的本地录像功能可以转移到远程服务器上来实现，使得海量数据存储成为可能。同时，也要求系统具备更强的存储、检索和备份等功能。   
信息安全。系统复杂化，用户的多元化，加上视频监控本身的业务特点必然要求对系统对信息安全提供有力的保证。   

智能视频监控。未来的视频监控系统将不仅仅局限于被动地提供视频画面，更要求系统本身有足够的智能，能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，以快和的方式发出警报和提供有用信息，从而更加有效地协助安全人员处理危机，并限度地降低误报和漏报现象，成为应对袭击和处理突发事件的有力辅助工具。智能视频监控还可以应用在交通管理、客户行为分析、客户服务等多种非安全相关的场景，以提高用户的投资回报。 相关技术进展    1、CMOS图像传感器技术的成熟    监控摄像机的图像传感器正逐渐从传统的CCD向CMOS转变。这两种传感器各有长短，但一直以来，CMOS传感器的缺点渐渐减少。CMOS图像传感器低成本、高集成度为其主要特点，图像质量已不输于CCD。与基于CCD的探头相比，CMOS探头的集成度更高，因为CMOS传感器集成了许多外围处理功能，所需器件比CCD探头少，且CMOS探头的功耗要低得多。从整个系统来看，CMOS传感器可将成本大大降低。    2、智能分析技术的发展    IEEE在图像的智能分析等方面有比较大的成果，比如运动检测、人脸识别、目标跟踪等。    运动检测是指在指定区域能识别图像的变化，检测运动物体的存在并避免由光线变化带来的干扰。由于背景图像的动态变化，如天气、光照、影子及混乱干扰等的影响，使得运动检测成为一项相当困难的工作。早期的运动检测是对编码后产生的I帧进行比较分析，通过视频帧的比较来检测图像变化。目前常用的方法有背景减除（Background Subtraction）、时间差分（Temporal Difference）、光流（OpticalFlow）、运动向量检测法等。    3、芯片技术为视频监视产品提供新方案    IP摄像机通常集成了视频捕获、视频编码/处理和网络接口功能。在视频监控市场，能够支持这些功能的各种视频信号处理器芯片性能差异很大，但也是能突显优势的产品。从功能需求少的低端产品到高性能的采用多核数字信号处理器（DSP）芯片的高端产品，针对不同的市场，对视频信号处理器的要求差别很大。高性能的DSP芯片使视频处理器性能得到极大提升。这些DSP是催生智能摄像机的关键要素。正因为这些DSP，IP视频服务器才具备同时对多视频流进行智能管理的能力。    4、视频压缩格式越来越先进    以前的数字视频监控的图像格式主要以MJPEG与MPEG2为主。随着图像压缩技术的提高，出现了越来越先进的视频压缩格式，如MPEG-4，H.264，国内正在大力发展具有自主产权的AVS编码格式。视频压缩技术的发展为视频监控在图像传输、录像存储等方面带来极大的好处。 面临的主要问题与技术发展趋势    目前，大规模的网络视频监控业务尚处于起步探索阶段，网络化、数字化、智能化是视频监控的必然趋势。面对这个大趋势，目前的视频监控在一些关键技术方面，存在着不少不足之处，主要表现在以下几个方面。    1、媒体分发    目前的视频监控系统在视频媒体的分发方面普遍处理得比较简单，一般采用用户直接对网络摄像机进行访问，或通过视频服务器进行简单的媒体转发处理，而面对越来越庞大的用户群，这种媒体传送方式将会成为图像传输的瓶颈。是否具备高效的媒体分发机制将成为判断视频监控系统优劣的一项重要指标。    实际上，媒体分发是任何一个视频业务在发展到一定规模后必将面临的问题，视频监控可以与其他视频业务——比如IPTV——来共同研究视频分发的问题。未来的视频监控系统将会基于一个比较完善的媒体分发平台来传输实时视频信息与录像视频信息。    2、录像存储    目前，基于网络的视频监控系统基本上采用中心录像服务器来存储录像。中央录像服务器管理方便，安全可靠，但因为录像随时进行，数据流量大，对承载网带来很大压力。如果将录像存储边缘化，虽然可以减少视频流的数量，缓减承载网压力，但分散的录像数据将给录像的管理带来很大的麻烦，录像数据的安全性也将大大降低。由此可见，未来大量的存储需求发生的位置不可能由中心统一存储来承担，而大量的分布式、差异性存储却没有可用的技术方案。未来的视频监控系统要在录像存储方面进行合理的结构设计，才能满足实际的录像要求。    3、并发调度    目前的视频监控系统的用户在一个视频监控点上一般不存在并发需求，即便批量用户可能对同一视频监控点的信息有同时调用要求，这种调用也没有差异。在未来，系统服务的使用者来源多样化并且不可控，其使用目的存在同样的情况，监控系统对于同一监控点存在着并发的冲突调用问题，因此必须考虑优先权限和分配机制。    4、计费    目前的视频监控计费模式非常单一，通常以租用为主，或者只需考虑用户接入后使用的单一视频监控点的上传信息的时长或流量即可，其业务计费点和计费尺度无需太复杂，一般考虑简单的RADIUS协议即可。未来视频监控系统考虑的计费问题包括单用户对单资源的使用、单用户对多资源的使用、多用户对多资源的使用，这是单计费点和计费尺度、仅仅依靠目前的简明扼要单的计费协议所无法支持的。未来的系统应支持可灵活改变、可批量同时实施的多业务策略，支持上述各种业务策略的实时计费功能。    5、分级    目前的一些远程视频监控系统可以支持分级，但这种分级仅仅涉及内容分发的分级，对网络中其它子功能系统还是作为来考虑。    未来视频监控系统需要考虑的分级决不仅仅是内容分配上的分级，因为全网中不同地区的服务提供商对于用户控制、业务管理、内容分配、运营支撑这四个层次分级要求是存在差异的，这一点上用户控制和业务管理上分级的需求更接近会议电视系统而不是简单的点到点会话系统，需要全部重新设计。    6、业务融合    目前的远程监控不考虑和其它业务系统之间的互相调用。未来的视频监控系统将和多个其它业务系统交叉调用，不同系统之间的多层互通和资源共享是必须考虑的问题。    结束语    从以前的模拟监控到现在的数字监控；从落后的现场监控到先进的远程监控；从有人值守监控到现在的无人值守监控，视频监控正朝着数字化、网络化、规模化方向蓬勃发展。当然，目前仍存在着不少需要进一步探讨的问题。相对于其他通信业务，视频监控业务显得比较年轻，视频监控市场目前也尚未出现能够控制整个市场的。对于各通信设备厂商以及电信运营商而言，视频监控将会是很好的发展机会。