高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延遲分析及解決方案

張寶富　王毅

摘要：自2010年以來，上海新建或舊項(xiàng)目改造中的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目已開始采用數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)行業(yè)中，最流行的高清視頻采集設(shè)備是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，具有接線方便，清晰度高，節(jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)。但高清網(wǎng)絡(luò)攝像也不可避免地存在圖像延遲和卡頓現(xiàn)象，本文主要分析高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延遲產(chǎn)生的原因及如何避免圖像延遲的方法和合理選用配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一些建議。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控;網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);碼流;交換機(jī);帶寬

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0031-03

1概述

隨著安防行業(yè)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字安防系統(tǒng)目前國內(nèi)已經(jīng)普及，原來模擬視頻監(jiān)控清晰度和應(yīng)用已不能滿足目前人們對高清晰度視頻監(jiān)控及各種智能應(yīng)用的需求，因?yàn)槟M視頻監(jiān)控像素最高只有40萬，采用DVR進(jìn)行錄像，只有簡單的圖像實(shí)時(shí)查看、錄像查詢及報(bào)警聯(lián)動(dòng)，在關(guān)鍵調(diào)取圖像時(shí)存在看得見看不清的現(xiàn)象。

目前數(shù)字安防高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的感知層設(shè)備行業(yè)內(nèi)采用的最多的就是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，它具有高清晰度、安裝調(diào)試方便、多碼流、智能應(yīng)用、成熟配套的存儲(chǔ)和管理平臺(tái)及各種智能應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。但缺陷就是時(shí)常會(huì)出現(xiàn)圖像延遲卡頓畫面不流暢等問題，本文就高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)如何盡量避免此類問題進(jìn)行分析研究供大家學(xué)習(xí)參考。

2高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的問題

2.1 高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)

視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)字設(shè)備，如前端采集，傳輸，控制和圖像顯示記錄。數(shù)字高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像信號(hào)傳輸方式可分為網(wǎng)絡(luò)型數(shù)字高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)和非網(wǎng)絡(luò)型數(shù)字高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

本文主要分析了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)前端傳感設(shè)備的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，即圖像在前端采集后進(jìn)行壓縮，封裝和處理。具有TCP / IP功能的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用于傳輸數(shù)字視頻信號(hào)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)圖像延遲定義

高清視頻網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在網(wǎng)絡(luò)交換中通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP特征協(xié)議進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)傳輸，若交換網(wǎng)絡(luò)配置不當(dāng)導(dǎo)致傳輸路由的數(shù)據(jù)信息量不斷增大影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作效率降低，進(jìn)而造成傳輸?shù)臄?shù)音視頻數(shù)據(jù)傳輸延遲，最終在監(jiān)視器上顯示看到的高清圖像畫面與前端攝像機(jī)采集的實(shí)時(shí)圖像在時(shí)間上存在不同步，出現(xiàn)延遲、跳動(dòng)、丟幀等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)顯示的圖像不流暢，人們在觀看及使用上體驗(yàn)很差，且網(wǎng)絡(luò)數(shù)字錄像設(shè)備記錄的高清視頻資料在回放時(shí)的視頻圖像資源亦不連續(xù)完整的。

2.3 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的問題

在實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)字安防項(xiàng)目會(huì)搭建一套安防專用網(wǎng)絡(luò)將安防各子系統(tǒng)前端信號(hào)采集裝置的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霗C(jī)房進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用和存儲(chǔ)。 高清晰網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在交換網(wǎng)絡(luò)傳輸中占用帶寬和網(wǎng)絡(luò)資源最多，且分辨率要求越大、清晰度要求越高、傳輸?shù)囊曨l碼流就會(huì)越大，增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力就越大，也最容易對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率產(chǎn)生運(yùn)行不穩(wěn)定的影響。

目前對于網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機(jī)各主流廠商已經(jīng)對傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，且在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的碼流處理技術(shù)進(jìn)行突破，采用更先進(jìn)的處理芯片，目前可以做到在不降低高清視頻圖像質(zhì)量情況下以最低2M碼流就可以傳輸200萬像素分辨率的高清晰質(zhì)量視頻圖像。那么在安防視頻監(jiān)控項(xiàng)目是不是選用這樣新款的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)就不會(huì)出現(xiàn)圖像延遲呢，肯定不是這樣的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延遲的問題是由整個(gè)傳輸鏈路來決定的，如網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳輸線纜過長、線纜質(zhì)量太差、交換機(jī)選用不當(dāng)、交換策略配置不合理等都會(huì)出現(xiàn)解碼上墻顯示的圖像延時(shí)、抖動(dòng)等異常現(xiàn)象。

3 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延遲分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳輸路徑

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸流向是高清圖像采集后經(jīng)超五類雙絞線傳入接入交換機(jī)的百兆電口，接入交換機(jī)再通過千兆光口將數(shù)據(jù)傳輸至總控中心的核心交換機(jī)，總控中心的各類管理服務(wù)器、存儲(chǔ)磁盤陣列及解碼設(shè)備均通過六類雙絞線傳至核心交換機(jī)的千兆電口。

3.2 線纜對視頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

高清視頻網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的延遲最少在傳輸線纜及接插件、接入交換機(jī)及光模塊、光纖、核心交換機(jī)、解碼器等視頻信號(hào)顯示途經(jīng)的路由任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對攝像機(jī)延遲產(chǎn)生影響。

首先高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的傳輸線纜的質(zhì)量一定要保證，如果采用劣質(zhì)品牌超五類雙絞線會(huì)降低視頻信號(hào)傳輸速率，還有攝像機(jī)至交換機(jī)的雙絞線纜長度也不能太長，網(wǎng)絡(luò)傳輸線纜太長也會(huì)影響高清視頻信號(hào)的傳輸速度，比如某些工程項(xiàng)目高清攝像機(jī)至接入交換機(jī)的傳輸線纜采用的是六類雙絞線，但高清視頻還是存在著延時(shí)問題，因?yàn)閿z像機(jī)至接入交換機(jī)的傳輸速率最多也就8M，用五類傳輸線纜和六類傳輸線纜并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所以從攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口開始到接入交換機(jī)電接口的傳輸路徑要保證質(zhì)量。

3.3 交換機(jī)及光纖鏈路對視頻信號(hào)傳輸速度的影響

接下來高清視頻信號(hào)傳輸至交換機(jī)，交換機(jī)的選型很重要，因?yàn)閭鬏斠曨l的交換機(jī)要達(dá)到線速要求，交換機(jī)的背板帶寬和包轉(zhuǎn)發(fā)率一定要符合要求，而且每臺(tái)交換機(jī)接入高清視頻攝像機(jī)的路數(shù)也要控制，不能全部插滿。接入交換機(jī)到核心交換機(jī)的傳輸光纖也要確保光纖傳輸信號(hào)衰減值在合理范圍之內(nèi)。還有核心交換機(jī)要進(jìn)行相應(yīng)的配置策略，有好多集成商搭建的視頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)沒有進(jìn)行任何的配置直接當(dāng)傻瓜交換機(jī)來用，雖然剛開始有可能不會(huì)出現(xiàn)問題，但經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行肯定會(huì)出現(xiàn)各種各樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題。再就是解碼器及各類服務(wù)器至核心交換機(jī)的傳輸線纜也要選用保證質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)跳線才會(huì)盡量地避免圖像延遲的產(chǎn)生。

4 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延遲解決方案

上一節(jié)分析了造成圖像延遲可能出現(xiàn)的幾種因素，本節(jié)主要研究如何通過技術(shù)手段盡量避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

4.1 合理布置傳輸線纜

視頻信號(hào)傳輸線纜的好壞是直接影響視頻圖像的質(zhì)量，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人會(huì)對線纜的質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，視頻圖像信號(hào)傳輸線纜最少也要選擇國內(nèi)主流品牌超五類雙絞線纜，線規(guī)符合24AWG標(biāo)準(zhǔn)， 線纜長度從攝像機(jī)開始至接入交換機(jī)要控制在70米以內(nèi)，超過70米的要通過其他途徑（光纖）進(jìn)行傳輸，且線纜兩端的端接頭子要接解牢固。在線纜敷設(shè)及端接全部完成后整個(gè)安防專用網(wǎng)絡(luò)布線要達(dá)到TIA/EIA 568B標(biāo)準(zhǔn)中D級(jí)布線標(biāo)準(zhǔn)要求，采用專業(yè)FLUKE測線儀對所有線路逐根測試顯示結(jié)果通過為合格。

光纖鏈路也是傳輸線纜的一部分，光纖鏈路敷設(shè)完畢后需要進(jìn)行熔接，在光纖配線架上用光纖跳線連接至接入交換機(jī)和核心交換機(jī)，光纖的熔接和跳線都會(huì)存在一定的衰減，但需在合理范轉(zhuǎn)之內(nèi)，所以在光纖正式投入使用前也要使用專業(yè)光功率計(jì)測試所有光纖鏈路信號(hào)的衰減值，要通過測試。

所以在光纖正式投入使用前也要用專業(yè)的光功率計(jì)對所有光纖鏈路信號(hào)衰減值進(jìn)行測試指標(biāo)要合格。

在保證了傳輸線纜的通訊質(zhì)量，視頻信號(hào)傳輸在這個(gè)環(huán)節(jié)才不會(huì)出現(xiàn)問題，就算在調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)圖像延時(shí)，那么在排除故障時(shí)也會(huì)提高調(diào)試人員提供解決問題的效率。

4.2 合理配置攝像機(jī)供電電源

攝像機(jī)的開機(jī)正常工作離不開電源，目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)大部分都支持DC12V直流電源和AC24V交流電源，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)置多個(gè)處理芯片，在正常工作狀態(tài)下功率達(dá)到15W左右，另外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)多數(shù)支持POE供電，有很目項(xiàng)目在實(shí)施時(shí)為了方便施工采用POE供電，由于POE供電對線纜的長度和質(zhì)量都有一定要求，且在網(wǎng)絡(luò)線纜松脫情況下攝像機(jī)就停止了工作，內(nèi)置存儲(chǔ)卡不會(huì)繼續(xù)進(jìn)行錄像，所以建議單獨(dú)采用AC24V交流電源為攝像機(jī)供電才能保證攝像機(jī)的穩(wěn)定工作，只有高清視頻網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)穩(wěn)定的工作了，才不會(huì)出現(xiàn)其他的故障問題 。

4.3 合理選用及配置網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻信號(hào)傳輸?shù)目炻按笃溜@示視頻圖像質(zhì)量和交換機(jī)的選型和配置有著直接關(guān)系。安防專用網(wǎng)絡(luò)交換架構(gòu)一般不要超過三級(jí)。

一級(jí)交換機(jī)（接入交換機(jī)）每個(gè)接入端口帶寬必須大于等于100M，選型為不超過24個(gè)接入端口為宜，并具有2個(gè)1000M以太網(wǎng)光電復(fù)用端口。若選擇8個(gè)或16個(gè)接入端口的交換機(jī)，不得少于1個(gè)1000M以太網(wǎng)光電復(fù)用端口。

二級(jí)及三級(jí)交換機(jī)每個(gè)接入端口帶寬必須大于或等于1000M。選型核心交換機(jī)端口數(shù)量以接入前端所有接入產(chǎn)換機(jī)和總控中心所有管理服務(wù)及存儲(chǔ)管理設(shè)備并留有一定余量為準(zhǔn)，并且要有網(wǎng)絡(luò)管理功能、具備網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制能力、支持虛擬VLAN劃分。

交換機(jī)的選型還要根據(jù)系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的碼流、數(shù)量及系統(tǒng)規(guī)模詳細(xì)計(jì)算后得到的技術(shù)指標(biāo)來正確的選擇交換機(jī)類型，下面以1080P前端攝像機(jī)1000路為例，每路按最高8M帶寬碼流計(jì)算，中心配置18塊拼接大屏同時(shí)顯示60路圖像，另有10臺(tái)工作站，每臺(tái)工作站顯示8路圖像。交換機(jī)配置選型如下描述。

假設(shè)1000路高清攝像機(jī)安裝在兩棟樓內(nèi)不周區(qū)域，每棟樓安裝500臺(tái)攝像機(jī)。 某區(qū)域32臺(tái)攝像機(jī)接入至同一匯集處，按交換機(jī)預(yù)留三分之一端口的原則，這里配置了兩個(gè)24端口接入交換機(jī)。兩個(gè)匯聚交換機(jī)配置在兩棟樓內(nèi)底層弱電間。一個(gè)核心交換機(jī)配置在主控中心。 各類交換機(jī)所需帶寬及包轉(zhuǎn)發(fā)率等性能如下。

接入交換機(jī)

l 需要交換容量：16x8=108Mbps

l 需要包轉(zhuǎn)發(fā)率：（108Mbps/1000+2）x1.488=3.14Mpps/s

匯聚交換機(jī)

l 需要交換容量：按500路視頻計(jì)算需32臺(tái)接入交換機(jī)，108Mbps x32= 3456Mbps

l 需要包轉(zhuǎn)發(fā)率：（3456Mbps/1000+2）x1.488=8.12Mpps/s

核心交換機(jī)

l 圖像存儲(chǔ)：1000*8=8000Mbps、

l 電視墻圖像顯示：60*8=480Mbps

l 客戶端圖像顯示：10*8*8=640Mbps

l 實(shí)際業(yè)務(wù)需要帶寬總計(jì)：8000+480+640=9120Mbps、

l 實(shí)際業(yè)務(wù)需要包轉(zhuǎn)發(fā)率總計(jì)：（9120Mbps/1000+2）x1.488=16.54Mpps

[交換機(jī)類型 計(jì)算需要交換容量 計(jì)算需要包轉(zhuǎn)發(fā)率 接入交換機(jī) 108Mbps 3.14Mpps 匯聚交換機(jī) 2592 Mbps 6.83Mpps 核心交換機(jī) 9120Mbps 16.54Mpps ]

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇24口接入交換機(jī)64臺(tái)、具備接入32路接入交換機(jī)能力的匯聚交換機(jī)2套、符合接入?yún)R聚交換機(jī)及存儲(chǔ)和工作站能力的核心產(chǎn)換機(jī)1套，且各類型交換機(jī)的交換容量及包轉(zhuǎn)發(fā)率必須大于計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)束語

高清視頻網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像延遲經(jīng)常發(fā)生在實(shí)際工程應(yīng)用中。如何避免此類現(xiàn)象，安防系統(tǒng)集成商在深化設(shè)計(jì)階段要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)清晰度、系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用功能并經(jīng)過計(jì)算等現(xiàn)場實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，正確選擇交換機(jī)的型號(hào)，在系統(tǒng)調(diào)試階段，安防集成商需安排對網(wǎng)絡(luò)性能熟悉的網(wǎng)絡(luò)工程師對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化配置，以確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備充分發(fā)揮其性能，保證高清視頻業(yè)務(wù)的流暢運(yùn)行。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】