淺談高校視頻監控系統的數字化建設

馬靜靜

（北京信息科技大學安全穩定處，北京 100192）

淺談高校視頻監控系統的數字化建設

馬靜靜

（北京信息科技大學安全穩定處，北京 100192）

信息技術對視頻監控系統的注入，使得視頻監控系統的數字化、網絡化建設成為必然趨勢。目前高校正處于視頻監控系統更新換代的轉折期。文章以北京信息科技大學的視頻監控系統建設為例，介紹了視頻監控系統數字化的改造過程，分析了如何借鑒信息技術的分層架構和標準化，進而逐步改造現有視頻監控系統，并闡述了視頻監控系統數字化改造中遇到的問題及解決途徑。

數字化；標準化；視頻監控系統；大數據

隨著經濟的增長，高等教育事業快速發展，規模不斷擴大，跨區域、多校區辦學模式不斷增加，高校呈現出人員多、面積廣、建筑多的特點，且流動人員不斷增加[1-3]，很多高校出現物品、財務被竊等問題。另外，校園暴力事件不斷上演，對于學生安全而言，也是一大隱患。通過視頻監控的手段，可以及時了解學校各區的實際情況，對學校進行安全管理，并且可以節約大量人力物力資源[4]。因此，視頻監控系統在高校安全保衛中發揮著越來越重要的作用[5]，對于預防和控制校園犯罪、保護師生人身財產安全、提高院校處理突發事件的能力而言，是必不可少的[6]。

視頻監控系統的發展經歷了3個階段：模擬視頻監控、模擬+數字混合監控和基于IP攝像機、視頻服務器基礎上的完全數字化監控[7-8]。數字化技術是計算機技術、多媒體技術以及互聯網技術的基礎，是實現信息數字化的技術手段，將文字、圖形、圖像、視頻、音頻等信息轉化成計算機能夠識別和處理的二進制編碼，使應用對象更清晰、更高品質、更易于把握和傳播[9-11]。伴隨著數字技術和IP技術的成熟，視頻監控向以計算機為核心的數字化、網絡化發展已經成為不爭的事實。

文章以北京信息科技大學（以下簡稱本校）的視頻監控系統建設為例，結合工作實際，就高校視頻監控系統該如何進行數字化建設進行初步的探討。

1 數字化是視頻監控系統建設的方向

視頻監控是高校安全防范系統的重要組成部分，是一種技術防范能力較強的綜合系統。校園人員密集性高、流量大、活動范圍廣，決定了安防工作的重要性、復雜性和艱巨性，而視頻監控系統為預防、控制和快速處置違法犯罪案件及突發事件，切實保護師生的人身財產安全，凈化教學、生活環境，提供了及時、準確、高效的信息和手段服務。

視頻監控系統的數字化，就是運用計算機處理視頻信息，即視頻信息流數字化，將模擬視頻信號經模數轉換和彩色空間變換轉為計算機可處理的數字信號。數字化能夠大幅度增強、完善視頻監控系統功能，提高工作效率，節約人力物力，從而強化校園的安全管理。近些年來，計算機網絡技術、圖像處理技術、通信技術以及傳感技術等信息技術迅猛發展，并且以強大的科技優勢、便捷的服務功能以及嶄新的價值理念，給校園視頻監控系統帶來了巨大而深刻的影響。實踐證明，其產生的效益較為顯著并逐步被廣泛采用。因此，數字化是校園視頻監控系統建設與時俱進的必然趨勢。2015年，本校清河校區進行了全面的視頻監控系統數字化改造，利用監控系統破案率比改造前提高25%，失物找回率提高60%，協助處理車輛剮蹭率提高50%。

2 信息技術的分層架構理念在視頻監控系統中的應用

視頻監控的數字化，將徹底打破以監視器為中心的閉路電視監控系統結構，從根本上改變視頻監控系統在數據采集、傳輸、存儲、處理等方面的方式和結構形式。

2.1 充分認識視頻監控系統建設的必要性

高校視頻監控系統建設具有共性，也存在各自的差異。本校第一代模擬視頻監控系統采用矩陣主機控制，攝像機輸出的視頻信號直接傳輸到中心機房，離中心機房較遠的區域會受到同軸電纜傳輸距離的限制，比如操場、新建實驗樓和圖書館都沒有設置監控點位，因為隨著傳輸距離的增長，途中視頻信號的衰減會越來越嚴重。同軸電纜的鋪設全部采用挖溝填埋的方式，視頻信號出現故障時，則無法準確定位故障點。系統采用長延時模擬錄像機進行錄像和回放，當錄像資料需長時間備份時，要使用大量錄像帶，并且在錄像回放、檢索時操作極為不便。整個監控系統的狀態最終體現在監視器的屏幕上，監視器的優劣直接影響著整個系統的最終效果。雖然這種閉路電視監控系統能在人們無法直接觀察的場合，實時、形象、真實地反映被監視控制對象的畫面，但是只能提供近距離的監視，而監視的數據如何高效傳輸、集中存儲、智能管理無法得到有效解決。顯然，這一視頻監控系統的現狀與安全防范任務的總體要求和形勢發展不適應、不匹配，因此需要克服短板，漸進有序地實施升級改造。

2.2 現有模擬視頻監控系統的數字化改造

二十世紀初，基于數字存儲技術的硬盤錄像系統應運而生，不僅存儲費用低、效率高，而且具有網絡傳輸和循環存儲的優點。與此同時，硬盤錄像系統的數字化和傳輸網絡化的先進技術還可以實現有限的IP網絡訪問。數字硬盤錄像機的基本功能是將模擬的音視頻信號轉變為 MPEG（Moving Pictures Experts Group，動態圖像專家組）數字信號存儲在硬盤上，并提供與錄制、播放和管理節目相對應的功能，是磁帶式錄像機的換代產品。

2010年，本校視頻監控系統引入了數字硬盤錄像機，從此拉開了模擬視頻監控系統數字化改造的序幕。首先，以中心機房為圓心，向第一教學樓、第二教學樓、圖書館、辦公樓、實驗樓、第一公寓、第二公寓、第四公寓、第五公寓和第六學生公寓鋪設了光纖，完成數字化骨干網的建設；其次，對離中心機房較遠的辦公樓采用了數模結合“軟組網”的數字化改造方案，硬盤錄像機放置在辦公樓內的設備間，樓內14處監控點位的模擬視頻信號先進入硬盤錄像機，在其中完成模數轉換和錄像文件保存，錄像機與接入交換機連接，把壓縮的視頻數據上傳，由中心機房配置的計算機來完成遠程監控，錄像遠程回放；然后，對其他樓宇的數字化改造采用了數模結合的“集中監控”方案，此方案中各樓宇內的模擬攝像機的視頻信號集中到數字光端機里，再利用光纖傳輸進入到中心機房的錄像機內；最后，對于室外比較分散的監控點位仍采用同軸視頻線直接連接模擬攝像機和硬盤錄像機，在中心機房配備了計算機，與硬盤錄像機通過網絡連接，在計算機上安裝數字硬盤錄像機的客戶端，可以執行視頻實時瀏覽、錄像回放，文件備份等功能。

這種以數字硬盤錄像機為核心的半模擬半數字的視頻監控方案、“模擬攝像機+光端機+模擬矩陣+硬盤錄像機”的監控方式，很好地解決了模擬視頻信號數字化的存儲，大大節省了存儲空間，在某種意義上也已經開始走向信息技術的分層架構建設。信息技術的分層架構就是將網絡節點所要完成的數據的發送或轉發、打包或拆包，控制信息的加載或拆出等工作，分別由不同的硬件和軟件模塊去完成，這樣可以將往來通信和網絡互連這一復雜的問題變得較為簡單。但就早期的模擬視頻監控系統而言，系統組成并沒有得到明確劃分。

2011年，本校視頻監控系統增加了48個720P（P：progressive，意思是逐行掃描，720P是一種在逐行掃描下達到1280×720的分辨率的顯示格式）的網絡數字高清攝像機監控點位，后端使用了IP SAN（Internet protocol storage area network，因特網協議存儲區域網絡）存儲系統，并引入第三方視頻管理平臺軟件（平臺分為兩大類：一類是編碼設備廠家的平臺，另外一類是第三方平臺）。平臺與數字硬盤錄像機對接，管理模擬攝像機；與服務器對接，管理網絡數字攝像機；并完成監控點位視頻的實時瀏覽、回放、下載、設備管理等功能，成為模數混合視頻綜合監控系統的核心。這種系統架構完全基于IP網絡技術，視頻數據的傳輸、存儲、調度、處理，均使用二進制。這種架構建設很清晰，在網絡層面上，根據不同的業務和應用要求將整個網絡層分為設備接入層、核心層、服務器層、網絡存儲層等4個部分。這種模塊化的劃分，基本實現了信息技術的分層架構建設，可以適應網絡平臺的擴展，也可以滿足日后校園監控點位的擴容要求。

2.3 現有模擬視頻監控系統的平滑升級

以目前校園視頻監控系統發展來看，從“模擬”到“數字”的系統轉換，特別是全數字系統建設，已取得可喜成效，大大提升了安防系統的實力和水平。然而，簡單地根據監控系統發展的趨勢勾畫出系統建設的方向，容易忽略更適合實際運行的新產品。

2014年底，本校小營校區教四樓需要新增3處點位，按照數字化建設的方向規劃后，如果3處點位安裝高清數字攝像機，則需要增加的配套設備大約在一萬元左右。如果按照“系統利舊”的原則，采用某主流品牌新出的700線模擬攝像機，利用模擬監控系統原有的視頻光端機和錄像機的閑置接口，整個項目的造價不過千元。該款攝像機采用了新一代的CCD技術，是基于傳統模擬技術的又一次提升，可獲取比傳統模擬視頻更佳的圖像質量，將原有的模擬視頻圖像清晰度從540線升級到700線，所呈現的畫質和低照效果也有大幅度的提升，幾乎可以與數字高清相媲美。在此次視頻監控項目建設中，模擬攝像機（CA）+數字硬盤錄像機（DVR）系統的成熟、穩定、廉價等特點被很好地保留下來，從而大大降低了系統高清化、數字化所帶來的安裝或升級成本問題。對校園舊有模擬監控系統的數字化升級改造，要解決兼容利舊問題，系統本身的整體數字化規劃應該盡可能地不影響舊有系統的應用范圍和使用習慣，更需要把實際運行的系統與新產品應用緊密地結合起來。

3 信息技術的標準化在視頻監控系統中的應用

視頻監控系統的硬件包括視頻數據采集設備（攝像機）、傳輸設備（交換機）、存儲設備（硬盤錄像機）等，這些設備都是可以想的到、實實在在看的到和摸的到的，它們的價值可以在政府采購網上進行查詢。但是對于這些監控設備以及在這些設備中跑動的看不見的視頻數據要如何進行管理，我們往往缺乏足夠的認識。視頻監控系統發展到現在，我們也逐漸發現，模擬視頻監控系統數字化改造的重中之重并不是監控設備的更新換代，而是視頻監控管理平臺在決定著數字化監控系統的業務格局。

3.1 視頻監控管理平臺軟件的建設

視頻信息流數字化后的數據適合于計算機進行處理和運算,使得對視頻數據的各種編碼、解碼等處理變成了軟件的操作。視頻監控管理平臺是軟件，可以實現對視頻監控系統全網的設備管理、用戶的權限管理、視頻數據流的管理、錄像存儲的管理、設備的擴容、增加新業務或改變業務種類、讓視頻監控系統與其它系統進行對接等各種功能。

本校舊有的平臺管理軟件不能與新增的監控設備進行對接。新設備只能依靠各式各樣的本地人機分別進行管理，導致平臺管理軟件和各種自帶管理設備的對接問題，無法涵蓋更多的應用。實際上，如果能充分地吸納和借鑒IT行業的標準化，這些問題就可以得到解決。隨著GB28181（安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求）標準和國際標準協議ONVIF（Open Network Video Interface Forum，開放型網絡視頻接口論壇）協議在視頻監控系統的廣泛應用，視頻監控數據的標準化也正在逐步走上正軌。

良好的校園視頻監控系統，使用設備應多樣化，管理平臺應具備較好的兼容性和可擴展性。本校的視頻監控系統經過十多年的建設，系統呈現出規模大、監控設備品牌眾多、模數混合、產品技術含量參差不齊等狀況。視頻監控系統的數字化改造要從實際情況出發，既要最大限度地保護國有資產，又要整合現有視頻監控資源，并逐步接入數字化項目的視頻監控資源，以構建統一的視頻監控資源管理機制。2015年，本校對視頻監控管理軟件進行了升級改造。新平臺與監控設備的兼容方式有三種：對本校第一批安裝的臺灣某品牌網絡數字攝像機使用公開的數據協議進行接入；平臺與監控設備均支持GB28181標準和ONVIF協議；針對不同廠家的SDK（Software DevelopmentKit，軟件開發工具包）進行二次開發。新平臺的建設實現了對視頻監控系統全網的設備管理和視頻數據流的管理，做到了設備與數據的統一。

新平臺對攝像機的接入建立在公開的協議處理之上，有效地降低了平臺處理前端攝像機產生的數據流時間消耗，提高了平臺的穩定性和健壯性。但平臺與存儲設備的對接仍然建立在基于設備級的SDK基礎上進行二次開發，用以實現監控點位視頻錄像的回放和下載功能。存儲設備提供的諸如遠程操控攝像機、錄像設置、錄像時長查看、添加攝像機等功能未對平臺開放接口，“所見即所得”的程度為零。視頻監控行業中有些前端設備商的標準協議和接口不一致，平臺開發商需要與這些設備商長期溝通滾動升級才能保證設備接入的順利，這無形中增加了平臺開發的技術難度與開發成本，造成平臺軟件應用普及的難度加大。視頻監控市場競爭激烈，為了控制市場占有率，一些硬件廠商不愿提供接口協議或者改為定制，增加了兼容難度。

3.2 運用大數據的相關性思維方式推進視頻監控系統平臺建設

大數據是蘊含巨大價值的海量、高增長率、多樣化和復雜關聯的信息數據集，此意義上也可稱之為“海量數據”[12]。相比傳統數據，大數據特征可總結為5個V：體量大（volume）、速度快（velocity）、模態多 （variety）、難辨識 （veracity）和價值大密度低（value）[13]。大數據是一種認識世界、解決問題的技術，通過對海量數據進行分析，可以更好地理解研究問題的所在。

2014年7月，本校建設了車輛出入口管理系統，校門出入口加裝了網絡數字全高清攝像機，對進出學校的機動車輛進行實時管理。2015年9月，對系統運行一年多產生的停車收費大數據進行了分析和整理，發現夏、秋兩季收費為0元的車輛明顯比春、冬兩季多。進一步分析收費數據后發現，夏秋兩季車輛入口車牌識別率大幅度下降，造成車輛出口時找不到對應的入口信息，系統只能產生0元的收費數據。為探究車輛入口識別率在夏秋兩季降低的原因，帶在9月底進行了為期一周的收費工作，發現本校小營校區車輛入口處是正南方向，夏秋兩季太陽從上午11點到下午3點光線非常強烈，使得駛入車輛的車牌金屬邊框反光，干擾了攝像機的正常拍攝，系統軟件不能識別駛入車輛車牌號碼，造成了這個時間段90%的車牌不識別率。通過向車輛管理系統的集成商反映這一情況，集成商為入口攝像機加裝了遮光罩，并對系統圖像識別功能進行了升級，使駛入車輛車牌不識別率降低到5%。這次大數據分析與處理的成功運用，說明大數據分析的重點是如何運用數據真正解決實際問題。

然而，車輛管理系統視頻監控數據的展示結果是以表的結構為基礎的結構化數據，通過描述統計法、相關性分析等數理統計方法對數據進行挖掘，可以反映出設備及系統運行的變化趨勢和好壞。但是，視頻監控數據本身則屬于多媒體數據，是非結構化的，對非結構化的數據如何進行采集、傳輸、存儲和管理是目前視頻監控系統急需解決的最大問題。從信息技術的角度分析，則涉及到視頻數據的編解碼、數據與網絡的適配、多媒體數據庫、多媒體數據智能分析等諸多領域，而這些領域大部分至今還處于發展過程中，不夠成熟[14]。

4 結束語

視頻監控的數字化建設優化了校園視頻監控系統，有力地推動了信息技術領域的成熟理念、層次化和標準化在視頻監控領域的應用。目前在視頻監控數字化建設中還存在許多問題，比如，設備之間的兼容性已成為實際工程中迫切需要解決的問題。學校視頻監控系統新增的監控設備雖然都具備通用協議接口，但仍有廠商人為設置控制參數，造成視頻管理平臺與監控設備之間的互不兼容，難于發揮視頻監控系統的整體效益。如果學校采用一家公司的產品，容易受制于廠家，不利于學校監控系統的長遠發展。類似的問題值得深入探討。

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[14]再談“安防IT化”.

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