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  • 高清视频监控设备在体育场馆中的应用


        体育馆监控系统结构
        行业背景
        随着2008北京奥运、2010上海世博会、广州亚运会和2011深圳大运会等国际盛会在我国的成功举办,体育场馆的规格、档次得以进一步提高。与之相对应的体育场馆安全防范需求得以进一步加强。视频监控作为安防系统重要的组成部分,在体育场馆安防系统建设中起到了不可取代的重要作用。
        在可参考的一些大型的体育场馆视频监控项目中,大部分仍是基于数、模混合的标清视频监控方案,如北京奥运“鸟巢”视频监控项目800多个监控点采用的方案是DVR、编码器作为主要前端负责视频编码、存储、热备,后台采用平台管理软件统一管理控制、视频分发、数字矩阵输出电视墙,但系统整体录像分辨率仍为D1。在2010上海世博会后,广州亚运会和深圳大运会等新建的大型体育场馆,使用全高清视频监控技术搭建视频监控系统越来越多。
        随着视频监控技术的发展,高清已经成为不可逆转的趋势。本文根据体育场馆的特点及需求,结合整体高清的理念,浅谈高清视频监控技术在体育场馆的应用。
        系统整体架构
        体育场馆监控一般包括体育馆、体育局办公楼、体育场、健身广场及其他分散的场馆,其面临着监控点灵活分散、监控环境复杂多变的问题。整套安保系统除视频监控外还包括如出入口控制、安检系统、报警系统等其它子系统,需通过后台管理平台统一管理、实现融合。同时大型场馆安保存在移动监控的需求,因此采用无线传输的方式解决移动应急指挥及盲点覆盖。武警、消防、公安、其它政府部门通过建设分控中心的方式实现监控资源共享。
        场馆总监控中心作为系统的“核心大脑”,分别部署了视监控平台核心组件VSMC(Video stream management center),以及数据存储管理组件VSMC-IM(Information management)流媒体分发组件VSMC-MD(Video On Demand),以及第三方异构平台接入组件VSMC-DG,组成功能强大的监控管理平台,具有系统的最高功能和权限。整个系统采用集中存储与分布存储相结合,在场馆总监控中心采用数据直存的IP-SAN集中存储,保证存储数据的可靠性和安全性。在其他相关管理部门如公安、消防等单位设立分控中心或者客户端,保证数据本地实时监看/实时存储外,还能提供给相关职能部门做安全保障以及应急使用。在前端接入上,除场馆内采用有线接入外,还可以设置外场的无线接入,极好补充动态视频数据源的接入。达到静态监控图像和动态监控图像的有机结合,形成真正的无缝监控系统。
        前端监控摄像机与IP传输
        前端:1080P高清网络摄像机
        在体育场馆举办大型比赛、开幕、闭幕以及其他大型活动时,需监控的点位包括了场馆的训练、比赛场地、各种休息室以及来宾、运动员出入口、通道,还有重要设备、停车场等场所。
        传统标清视频监控系统压缩分辨率为D1(720×576),约41万像素,而全高清1080P分辨率可达1920×1080,约207万像素,1080P清晰度约是D1的5倍。同时高清视频符合HDTV标准,横纵比为16∶9,可以不显示不重要的细节(通常位于传统尺寸图像的上部和下部)。在系统的安装、调试、维护方面,基于IP的高清摄像机较传统标清摄像机具有不可比拟的优势。
        在体育场选择高清网络摄像机时,一般其应具有如下基础特性:
        · 输出图像应该有200万及其以上有效像素,逐行扫描;达到1920×1080@30帧/秒实时编码;
        · 前端摄像机应该支持1080P或者D1实时双码流;平时采用D1采集图像,便于节省存储空间;如果发生报警时候,自动转为高清1080P;
        · 摄像机应该提供SD卡接口,支持SD/SDHC卡本地存储功能;
        · 支持音、视频同步编码并支持双向语音对讲功能;
        · 支持多路报警输入、输出,串口支持透明通道。
        传输:IP网络及光纤自愈环网
        针对体育场馆监控的特点,视频监控传输将以IP网络为主,以无线覆盖为辅助。在视频监控系统中,广泛使用的组网形式是星形组网形式,也有部分场合采用的是基于交换机来构建以太网环形网络进行组网和基于PON分光技术进行组网。
        星形组网形式简单方便,但是不能提供可靠性保护;交换机以太网环形网络组网形式则是把交换机连接成环,通过在交换机上使能EAPS协议来实现环网功能,但其不能有效保护到终端设备。光纤自愈环网既能实现对视频传输的可靠保护,又可节省光纤资源的新型组网方式。
        光纤自愈环网基于环网协议。环网协议是一个专门应用于编码器、IPC网络摄像机终端的链路层协议,可以防止环路上产生广播风暴,链路故障时,具有快速收敛的特点,能够快速切换数据传输链路,从而提供高可靠性的保护,保证视频数据业务流量能够正常传输(图2为基于TCP/IP网络及SFP光纤自愈环网的典型组网模式;图3则为光纤自愈环网)。这种采用前端设备组环网、挂接的方式,方便扩展前端高清网络摄像机接入。对于网线、光缆部署不方便的地方,可引入WLAN作为无线延伸。既可扩大监控覆盖面,又可实现应急监控点位置的灵活调整与部署。
        编解码与存储
        解码:1080P、标清混合视频解码
        高清视频解码器主要功能是从网络上获取视音频数据流,将数字信号转换还原为模拟信号,输出到监视器、接拼大屏等监控显示设备。作为高清视频监控的后端解码设备,其应该具备以下基本特性:
        · 支持1080P/720P/D1/4CIF/ CIF/QCIF等不同分辨率、码率的自适应解码输出;
        · 同时提供HDMI及BNC输出口;
        · 支持4路D1标清码流合成1路1080P高清输出;
        · 支持H.264/MPEG4/MPEG2/MJPEG码流自适应解码;
        · 支持随路音频解码并支持双向语音对讲功能;
        · 丰富的串行接口及DIDO接口,支持透明通道;
        · 设备稳定可靠适合长时间运行。
        存储:iSCSI裸块直存写入IPSAN网络存储
        高清视频监控技术应用带来的另一大压力在于后台的存储。既存在多路高清视频存储的并发写入问题,也存在长时间、大容量存储的空间问题。
        从监控存储发展来看,传统模、数混合方案,存储核心设备主要是DVR,后期发展到存储服务器加磁盘阵列的DAS结构。这两种存储模式虽然简单实用,方便部署,但都存在一些技术上的弊端。DVR一般不提供RAID保护,不支持热插拔,录像安全性不足,录像资源分散于各DVR,统一管理机制不健全;DAS存储方式因磁盘阵列加载在存储服务器后端,存在视频流转发的瓶颈,存在转发效率、稳定性不足及成本偏高等问题。
        因此新一代的高清视频监控后台存储均在搭建在IPSAN网络存储架构下的。IPSAN存储系统支持1080P、720P高清视频的大容量并发写入,具备多种级别RAID,支持双主控、双冗余电源,可纳入管理平台统一管理。支持管理平台直接对IPSAN组建RAID、划卷等管理工作。同时采用iSCSI裸块数据直接存储到IPSAN,大幅提高了并发写入效率。基于IPSAN的高清视频监控存储一般应具有如下特性:
        · 支持网络摄像机通过iSCSI协议将裸块直存到IPSAN;
        · 支持对IPSAN资源的管理、状态维护;
        · 封装IPSAN管理虚拟接口,可集成异构IPSAN;
        · 提供录像秒计检索、录像标签检索、事件模糊检索;
        · 支持针对视频监控业务的裸盘存储技术,硬盘存储去除了文件系统的开销,存储性能更高,避免了复杂的文件系统处理机制,稳定性更高,同时完全避免文件系统的碎片问题;
        · IPSAN支持分布式部署,集中管理。
        平台:管理平台软件
        监控管理平台是整套监控系统的核心。支持对辖域内的所有设备进行统一集中的管理、配置以及状态维护。支持域间干线资源管理、数据面服务器负载均衡和集群管理、电视墙管理。支持资源虚拟化,可按用户的使用习惯定义资源,方便进行单资源、组资源的操作。
        基于体育场馆安防存在报警、门禁、消防等多子系统的情况,视频监控管理平台同时支持与其它子系统进行对接,实现多用户跨平台调用。同时其它安保相关单位,如武警、消防、公安、上级指挥中心、政府部门等需要实时了解场馆信息均可通过授权远程访问相关视频资料。
        在高标准场馆应用中,系统平台还支持应急预案功能。当发生突发事件时安保人员可依据预案及时、准确地进行相关处理。
        高清视频监控管理平台应该具备先进的系统架构,其应符合相关标准规范,支持互联互通,同时应具有柔性的较强的扩展性。典型的管理平台应该具备如下特性:
        先进的系统架构
        · 管理平台采用GSSP全局监控服务协议,充分整合IP网络、视频、存储、信令等领域的技术;
        · 平台完全遵循SIP规范,符合DB33标准,支持域间资源共享;
        · 平台基于Linux操作系统,并且提供细致的权限控制、全面的角色定义以及完善的用户与角色归属关系;
        · 支持多级多域;
        · 单域最大支持10000路摄像机,系统最大支持200000路摄像机;
        · 支持全网设备统一批量配置、升级;
        · 支持NTP时间同步协议。
        控制面、数据面分离
        · 系统应该采用集中管理、分布控制、分布集群数据面的设计思想,控制面故障不影响数据面的状态,数据面设备故障可提供业务保护;
        · VSMC管理中心只处理信令流,媒体流通过网络或VSMC-MD流媒体服务器分发,避免了由于媒体流处理的性能压力而造成的核心管理服务器瓶颈问题,从而实现监控规模的无限制扩展;
        · 平台控制面服务器故障切换时间小于30s,同时具备完善的故障恢复机制;
        · VSMC实时监测系统所有设备和VSMC设备内部关键组件模块的健康状况;
        · 设备故障进行实时告警提示,如果是关键组件故障VSMC尝试主动修复业务自愈,中心服务器如果发生重启,重启后VSMC将会自动将业务恢复到重启前的状态。
        高清视频监控管理平台有数据量大、全网络化、多子系统融合等特点(典型的体育场管高清视频监控管理平台融合如图6所示)。
        结语
        高清视频监控不仅可为体育场馆提供监看、录像的高清体验,同时可以为智能视频分析、视频数据挖掘提供绝佳的视频素材。需要强调的是高清视频监控不能局限于某一部分的高清实现,而应将其作为整体解决方案统一规划、统一设计,应考虑到系统的前端、传输、存储、解码、管理平台、显示等全线的无瓶颈高清整体方案,以此方能应对体育场馆复杂多变的应用需求。