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基于无线网络技术的视频监控系统的方案应用研究

视频监控是直观方便、内容详实的信息记录方式，并可以为监控操作人员提供实时监控手段 。现在视频监控已经成为公共安全、企业安全、国土安全，甚至包括社区、家庭安全等领域的必要手段 。
视频监控具体应用行业和领域有：公共安全（城市性范围监控、区域性安全监控、特定安全控制区域），交通（含机场、火车站、汽车站、地铁、码头等人群聚集地，停车场、铁路调车场、铁路沿线），金融（银行、金融交易场所等），公营企业（尤其是水、电、煤气等系统），企业生产，商业（大型购物、消费场所），大型体育场、体育馆，海关，国防，边防，住宅社区等 。
数字化视频监控系统
目前的视频监控系统，正处于从模拟视频监控向数字化视频监控方式的转型过程中 。沿用模拟视频监控或由模拟视频监控升级为数字监控并采取有线连接的方式，是监控系统转型过程的初级阶段 。采用数字化视频监控和无线连接的方式，将加快视频监控方式的转型过程 。
数字化视频监控系统与模拟视频监控相比，有诸多优势：
（1）无线网络为视频监控提供了更为高效和灵活的网络承载方式 。相对于传统的有线网络，采用无线网络，可以在原来
不便或无法部署有线网络的区域实现无线监控 。在城市里出于环境美观考虑，采用无线方式来取代有线布线方式，愈发显得重要 。
（2）价格优势 。无线网络可节约大量的有线网络布设成本 。无线网状网（WiMesh）技术不同于普通的无线局域网；普通的无线局域网同样需要大量的网络布线，而无线网状网（WiMesh）仅需要少量的网络布线 。
（3）数字化视频监控设备可以将图像信息转换为基于IP的视频流，借助于先进的网络技术，可实现从局域网到广域网甚至全球通信 。从而监控管理人员可以在网络可达的任何地方进行各种监控操作，同时，可以实现双向的视频通信 。
无线网状网介绍
无线网状网（WirelessMeshNetwork）产品，基于IEEE的标准进行相应的网络设计，同时也避免了传统的无线局域网WLAN的弱点，从而可以实现无线区域网、无线城域网的覆盖 。
WirelessMeshNetwork（WMN），其中的M可以同时有三种含义，分别为M（mesh网状网）、M（metro城域网）、M（mobility移动网） 。相对于传统的WLAN技术，它有如下优点：
（1）可采用5.8G的IEEE802.11a的信道进行信号的回传 。
无线网状网可以采用5.8G的IEEE802.11a的信道进行信号的回传，而传统的WLAN只能通过以太网进行信号回传 。从而避免布线的困难，可以快速灵活地提供网络服务 。设备布线的位置不再受限于传统的100米以太网线的距离限制（如采用普通的无线局域网技术，需要为每一个接入节点AP进行网络布线），可以延伸到几百米的距离（采用定向天线，可以提供更远的传送距离） 。这样，可以将传统WLAN可以实现的热点覆盖，转化为热区域覆盖 。
（2）采用MobileIP设计方式，切换更加顺畅 。
普通的WLAN网，只能为移动节点提供热点内部无缝切换 。而无线网状网采用MobileIP设计方式 。在无线网状网覆盖范围内的移动节点，如笔记本电脑、PDA、WIFI终端等，均可以在认证鉴权后，一次获得IP地址，从而在无线网状网覆盖范围内，实现内部的无缝切换，避免用户不断重复的认证和切换，提升用户的使用体验 。
（3）比普通的WLAN拥有更好的安全机制 。
无线网状网采用不同的安全机制，在用户侧采用WPA的加密认证方式或门户网站的认证方式;在网络侧采用IPSec隧道的加密方式确保用户信息的安全 。
（4）无线网状网提供三层的无线路由器功能 。
无线网状网提供三层的无线路由器功能，而普通的WLAN为二层物理层设备 。无线网状网无线AP基站可以实现节点之间的自动发现、自动拓扑组成 。当AP基站发生故障时，还可以实现自动路由的寻找，从而避开故障节点，将普通WLAN网络的可靠性，从98％～99％提升到99.9%，使无线局域网从个人、单位网络，提升为稳定的、可运营、可商用的网络 。
无线视频监控典型部署方式
无线视频监控的典型布置方案如图1所示 。一般在无线网状网覆盖区域架设支持WLAN接入的无线视频前端设备（如支持WLAN的IP摄像机或IP视频服务器加模拟摄像机），然后通过无线网状网将采集的IP视频信号回传到网络中心的监控处理平台 。通常在网络中心配置支持多通道的网络视频录像机和大容量的存储系统，用于监控视频录像和存储，同时为一个或多个网络监控终端提供实时的监控图像，还可通过安全的网络连接（如VPN），从远端视频监控终端上实现远程监控和管理 。
基于无线网络技术的视频监控系统的方案应用研究
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图1无线视频
监控典型方案
以下是目前在无线监控网络中应用的典型IP视频系统单元 。
*IP摄像机
IP摄像机为集成模拟视频图像采集和视频图像数字化处理功能的一体化视频前端设备 。它可以将模拟的视频信号按照标准格式转换成数字信号，并直接提供IP网络接口 。通过WLAN无线桥接器可以很方便地将IP摄像机变成支持无线传输的无线视频前端设备 。
*IP视频服务器
IP视频服务器通常用于连接模拟摄像机，它可以将模拟的视频信号按照标准格式（普遍采用M-JPEG或MPEG4）转换成数字信号，并直接提供IP网络接口 。通过WLAN无线桥接器也可很方便地将IP视频服务器变成支持无线传输的无线视频前端设备 。
采用IP视频服务器方式，用户可以自由地选择模拟摄像机的类型 。可以根据自己的需要，购买价格和性能不同的模拟摄像机，从而满足个性化的要求 。
*WLAN无线桥接器
WLAN无线桥接器可以为具有有线网络接口的IP视频设备提供无线局域网接口的转换，为其扩展无线网络传输的能力 。WLAN无线桥接器通常应支持以太网接口到802.11b/g无线局域网接口的转换，可满足长时间的无故障工作（其平均无故障工作时间应不小于10000小时）;同时应提供外接天线接口，以满足不同安装条件下，外接扩展天线的需求 。例如北电网络公司（Nortel）的无线网状网可支持基于802.11b/g无线局域网标准的无线视频终端设备 。
图2为典型的无线IP视频前端与无线网状网的互联示意 。
*网络视频录像机
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图2无线IP视频前端与无线网网状的互联
网络录像机基于专用的高速视频图像处理硬件和大容量的数字存储系统（如硬盘阵列或磁带机），用于高速处理和存储多路IP视频前端设备回传的视频流信息 。网络监控终端可以与网络视频录像机位于同一地点（如网络监控中心），也可在远端通过安全的网络连接（如VPN）远程登录到网络视频录像机，实现远程监控管理 。网络视频录像机可根据应用和容量需求的不同，拥有众多不同型号的选择，通常有支持4、8、12、16、32甚至50路视频录像的不同规格 。
*DVR软件管理和监控终端
DVR软件管理和监控终端为基于PC平台的监控管理终端和软件视频录像机，适于小型视频监控网络的视频录像 。同时，DVR软件管理和监控终端可以作为网络监控终端使用，用于实时监控浏览和相关的监控处理 。
无线视频监控中对于IP视频图像编码格式的考虑
基于WLAN技术的WiMesh网可提供比传统无线方式（如GPRS和CDMA1X）高数倍的网络接入带宽，速率可达1Mbit/s甚至数Mbit/s 。但在视频图像格式选择时，仍然需要考虑使用高效率、低带宽需求的IP视频图像编码格式 。目前业界常用的格式有M-JEPG和MPEG4 。
M-JEPG格式采用快速拍摄完整图像帧的记录方式，通过M-JPEG压缩算法进行编码处理，图像质量高，但需要的带宽大 。故M-JEPG适合帧数低（2f/s～4f/s），一般用于需要细节识别的视频监控，如人像面部识别 。
MPEG4格式采用动态预测和高压缩比算法处理视频图像，并可在较小的带宽需求下，提供高质量的全动态视频流 。比如，在ACTi公司提供的基于MEPG4ASP硬件图像处理的IP摄像机和IP视频服务器中，仅用500bit/s带宽即可获得高质量的CIF格式（相当于TV分辨率）全动态视频流;1Mbit/s～1.2Mbit/s带宽即可获得高质量的D1格式（相当于DVD分辨率）全动态视频流 。MPEG4格式适合于大空间和开阔环境的实时监控，如建筑物、路口、广场等 。
在基于无线网状网的无线视频监控方案中，通常建议在需要细节识别的视频监控时，采用低帧率（2f/s～4f/s）、高分辨率（VGA）的M-JPEG视频监控前端设备;对于社区，城市环境的实时监控可采用MPEG4视频监控前端设备，通常可采用CIF格式（约500kbit/s带宽）即可满足监控需求;对于一些重要场所可采用高分辨率的D1格式（带宽约1Mbit/s～1.2Mbit/s） 。
无线视频监控无线网状网的规划
在北电公司（Nortel）提供的无线网状网架构中，接入点（AP）到有线网络的带宽将被与接入点（AP）无线互联的独立AP所共享，同时经过多跳无线连接，其有效带宽将降低 。为了满足为视频传输提供稳定的带宽，无线网状网需要根据视频的需求进行细致的规划 。
在视频监控应用下，一般需要遵循的规划原则为：每个连接有线网络接入点（AP）最多连接不超过2个无线互联的独立AP;每个独立AP到有线接入点（AP）间不超过2个无线中继（Hop）;接入点（AP）到有线网络的接入带宽建议不小于10Mbit/s 。
在视频监控应用下，每个接入点（AP）下面建议最多支持4个无线互连的独立AP 。当监控视频流所需带宽达到1Mbit/s～1.5Mbit/s时，每个AP下面建议连接一套无线IP视频监控设备 。通常建议采用一套支持P/T/Z的全方位监控摄像机，可替代5～6个固定摄像机的功能，同时，大大减少回传的视频流量 。其典型网络架构如图3所示 。
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图3采用全方位监控摄像的典型网络构架
当然，如果每路视频图像需要的带宽不高（如500kbit/s）时，也可以根据实际需求，在AP下增加无线IP视频前端设备 。
无线视频监控系统中对流媒体/手持终端设备的支持
随着移动的手持终端或车载无线终端（如适应工程用的笔记本电脑等）的大量出现，且性价比的逐渐提高，越来越多的用户开始采用移动终端设备 。
无线视频监控流媒体系统采用的解决方案，为利用视频采集卡设备/视频流媒体服务器设备，将从远端无线摄像头获取的图像信息转化为流媒体 。这样，移动手持、车载无线终端就可以获取流媒体视频流（如图4所示） 。
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图4无线视频监控流媒体系统
专网用户对于网络的安全性更加注重，建议用户将网络划分为专网用户（图4中的绿色区域） 。采集到的视频流由网络视频录像机记录，并通过解码器传送到相应的模拟显示的大屏幕上 。
专网用户采集到的图像，可以通过模拟信号传送的方式，传送到流媒体服务器的视频采集卡上（上图的红色区域），该网络同专网物理上截然分开 。这样，可以确保专网用户的网络安全要求 。该网络也可以添加相应的防火墙来满足相应的网络安全要求 。
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