摘 要：首先简介了视频监控业务，给出视频监控系统的组成结构，接着回顾了视频监控业务的发展历史及其现状，然后就视频监控中的几个关键技术，分析其技术现状，并预测其技术走向，指出今后视频监控系统的发展趋势。
关键词：视频监控 P2P 视频编码 H.323 SIP
视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着互联网的大范围普及，以及计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。视频监控已经渗透到教育、政府、娱乐场所、医院、酒店、运动场馆、城市治安等多种领域。
一、视频监控系统组成简介
典型的视频监控系统的总体组成如下图1所示。
摄像机（或称摄像头，监控终端）负责图像/声音等信号的采集。这是所指的摄像机是广义的摄像机，它除了采集视频/音频信号外，也可以收集温度、烟雾浓度等信号，以便为系统增加报警功能。比较高级的摄像机还应具备角度旋转等功能，以便进行远程控制。
监控点为用户提供图像显示、监控控制等功能。监控点可以是电视机、电视墙、PC机或工业机箱等设备。
录像服务是视频监控业务的一个重要特征。在许多场合都需要对监控的图像进行一定时期内的录像处理。模拟时代一般采用磁带录像机，而如今数字时代则多采用DVR（Digital Video Recorder）来完成。
比较完善的监控系统应具有报警联动功能。当摄像机收集到“异常”信号（比如探测到了高温信号，认为发生了火灾）后，将通过监控系统传至报警联动装置，再由报警联动装置通过某种通信手段（比如手机短信、E-mail等）向监控人员发出报警信号。
业务管理设备负责完成权限管理、计费管理等各种管理功能。完善的业务管理是体现视频监控系统是否走向成熟的重要标志。
二、视频监控发展历程
视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统、基于PC的多媒体监控系统、基于Web服务器的远程视频监控系统等三个发展阶段。
1．本地模拟视频监控
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，称为第一代模拟监控系统。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。
本地模拟信号监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，利用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机；远距离图像传输采用模拟光纤，利用光端机进行视频的传输。
传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性：（1）有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感；（2）有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大；（3）有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质（如录像带），查询取证时十分烦琐。
2．基于PC的多媒体监控
20世纪90年代中期，基于PC的多媒体监控随着数字视频压缩编码技术的发展而产生。系统在远端有若干个摄像机、各种检测和报警探头与数据设备，获取图像信息，通过各自的传输线路汇接到多媒体监控终端上，然后再通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。监控终端机可以是一台PC机，也可以是专用的工业机箱。
这类监控系统功能较强，便于现场操作；但稳定性不够好，结构复杂，视频前端（如CCD等视频信号的采集、压缩、通信）较为复杂，可靠性不高；功耗高，费用高；需要有多人值守；同时，软件的开放性也不好,传输距离明显受限。PC机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。
3．基于Web服务器的远程视频监控
20世纪90年代末，随着网络技术的发展，基于嵌入式Web服务器技术的远程网络视频监控，而产生网络视频监控技术。其主要原理是：视频服务器内置一个嵌入式Web服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄像机等传感器传送来的视频信息，由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的Web服务器。网络上用户可以直接用浏览器，观看Web服务器上的图像信息，授权用户还可以控制传感器的图像获取方式。这类系统可以直接连入以太网，省掉了各种复杂的电缆，具有方便灵活、即插即看等特点，同时，用户也无需使用专用软件，仅用浏览器即可。
基于嵌入式技术的网络数字监控系统不需处理模拟视频信号的PC，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成IP数字信号。嵌入式视频编码器具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。除了编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像服务器等独立的硬件模块，它们可单独安装，不同厂家设备可实现互连。
数字化视频监控的优点是克服了模拟闭路电视监控的局限性：（1）数字化视频可以在计算机网络（局域网或广域网）上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性；（2）数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；（3）数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。
三、视频监控技术现状与趋势
目前，数字控制的模拟视频监控技术发展已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。新近崛起的以计算机通信技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，解决了模拟系统部分弊端，更适合企业的远程智能数字视频监控管理。
1. 体系架构
数字视频监控系统在目前处于小规模发展阶段，典型的网络架构如图2所示。
基本上，这些监控系统都是采用B/S结构、基于Web的应用。系统的核心是监控服务器。在一些小规模的应用中，监控服务器同时还充当着监控终端的角色。整个系统主要采用HTTP协议，视频通过HTTP协议以流媒体方式传输。大部分监控系统都没有考虑用户权限、安全性、收费模式等方面的问题。
当系统规模扩大时，这种集中式的结构很容易造成流量瓶颈。上图所示的系统中，所有摄像头采集的视频信号实际上都是经过监控服务器中转而到达监控点的。随着业务扩大，摄像头与监控点数目的增多，监控服务器必将成为流量瓶颈。
解决这一问题的关键是引入P2P（Peer to Peer）的观念：让摄像头采集的视频信号直接通过网络传至监控点，监控服务器处理终端的连接控制及其他各种信令的调度管理。新的网络架构如图3所示。
此外，在目前的监控系统中，媒体数据与控制信令并没有得到明显的区分，都共用一条HTTP通道。这对于视频监控朝着可控、可管理、大规模运营方向发展是极不为利的。所以，未来的视频监控系统，特别是将来可能出现的电信级的视频监控系统必将是数据与信令分层的系统。其分层模型如图4所示。
2. 编码
视频监控的实时性决定了必须以流媒体技术实现视频传输服务，关键是解决压缩和传输技术问题。视频编码的目标是实现高压缩比、适应从窄带到宽带任意的网络带宽、低延迟和高质量、以及具有高可靠性的内容加密保护机制等视频服务。目前视频监控业务中主要采用MJPEG与MPEG-1，以及处于市场起步阶段的MPEG-4与H.264。
MJPEG（Motion JPEG）压缩技术主要是基于静态视频压缩发展起来的技术。它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。其清晰度比较高，但录像存储量很大。该编码方式目前主要被韩国、台湾产品采用。
MPEG-1实时视频压缩技术标准制定于1992年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备。较MJPEG技术，MPEG-1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。其清晰度与VHS相当，存储容量仍过大。MPEG-1主要被国内厂家所采用，是目前DVR产品的主流。
MPEG-4与MPEG-1、MPEG-2不同。它不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4标准的传输速率要求较低，在4800~64000bits/s之间。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量，更适于交互AV服务以及远程监控。
H.264是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式，它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点，代表了当前业界最先进的视频压缩技术。它具有低码流（MPEG-2的1/3，MPEG-4的1/2）、高质量、容错能力强、网络适应性强等特点。
视频监控对视频编码的总体要求是压缩率高、实时性强。综合各种编码方式的特点，可以看出将来的编码方式将以MPEG-4与H.264为主。同时，由于监控录像在很多场合要作为法律证据，所以，在编码中加强防修改技术，也将是视频编码所要考虑的重点之一。
3. 信令协议
现有的视频监控系统都各自为政，没有遵照一定的标准，也没有采用任何协议来支持互通。为视频监控制定一个专门的协议标准是不太现实的。目前，可以借用的协议最主要的是广泛用于VoIP的H.323体系与SIP。
H.323是一个复杂而庞大的协议族，现阶段是视频应用的主流技术。然而由于其过于复杂，现在正受到基于SIP协议视频应用的挑战。SIP简单灵活、分布式控制等优点，有望使其广泛应用于视频监控领域。
五、结束语
以上简单介绍了视频监控业务，回顾了视频监控业务的发展历史，针对视频监控的现状，就几个关键技术进行分析并预测其技术走向。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，目前仍存在着不少问题，比如图像质量问题、安全问题、服务质量等都是需要进一步探讨的课题。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领导者。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。