背景材料: 手机、数码相机与摄像机都早已进入百万像素数字高清时代，有的甚至已达到千万像素级别, 并且得到大量应用与普及，而安防视频监控却依然处于半数字半模拟监控阶段，严重滞后现代电子与计算机科技发展步伐。数字监控是安防视频监控技术发展的必然趋势，2013年1月1日起，上海等地要求新建安防视频监控系统均应采用数字系统，可以预见就在最近一至二年里，模拟监控将被数字监控技术大范围取代。
2014年8月由全国安全防范报警系统标准化技术委员会(SAC/TC100)归口并组织起草的国家标准GB/T30147-2013《安防监控视频实时智能分析设备技术要求》和GB/T30148-2013《安全防范报警设备电磁兼容抗扰要求和实验方法》。这是经过国家标准管理委员会发布，已经开始实施，这是我国第一个视频智能分析方面的国家标准。
笔者由于工作关系近三年参与了宜昌市政府部门、企事业单位、新建居民小区等三十余个安全技术防范系统的项目设计、招标项目评审与项目验收，有近50%的项目仍然使用的是传统的模拟解决方案。这些模拟系统中建设整体质量不高，存在着选用产品档次不高、子系统建设不全、防范布点不合理、系统产品之间搭配不恰当等问题，个别系统建成运行不久就处于瘫痪状态，同时这些模拟系统在接入宜昌市电子政务网刚刚建设的视频云平台时也遇到了许多障碍，所以以提案的形式建议宜昌市政府组织专家和学者研讨论证，制定出台《宜昌市数字视频安防监控系统基本技术要求》，学习上海等外地省市的先进经验，从2015年开始凡是新申报的安全技术防范系统方案均应采用数字系统，并应符合《宜昌市数字视频安防监控系统基本技术要求》。同时对现有模拟视频安防监控系统改造建议如下：①、摄像机等核心设备更换率超过总数的50%(含)，应对系统按《宜昌市数字视频安防监控系统基本技术要求》进行整体改造;②、其他情况可按模拟视频安防监控系统进行改造，不作硬性要求。
安防视频监控技术自二十世纪八十年代在我国兴起发展至今，先后经历了模拟监控技术、模数结合监控技术、数字监控技术三个阶段。
第一阶段：七十年代末到九十年代中期，这个阶段以闭路电视监控系统为主，也就是第一代模拟电视监控系统，其传输媒介为视频线缆(同轴电缆)。由控制主机进行模拟处理，主要应用于银行等金融行业等重点安全防范单位。
第二阶段：九十年代中期至九十年代末，以基于PC机插卡式的视频监控系统为主，此阶段也被业内人士称为半数字时代，其传输媒介依然是视频线缆(同轴电缆)。由多媒体控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字处理与存贮，此阶段的应用多限于对安全程度要求较高的场所。
第三阶段：九十年代末至今，以嵌入式技术为依托，以网络、通信技术为平台，其传输媒介是双绞线或光纤，以智能图像分析为特色的网络视频监控系统为主，又称为IP监控系统，自此视频监控的发展进入了数字时代。网络视频监控的应用不再局限于安全防护，逐渐也被用于远程办公、远程医疗、远程教学等领域。
安防视频监控系统主要涉及两大类产品，前端摄像机和后端录像机，我们通过模拟与数字摄像机的技术对比来看看它们的优缺点：
一、模拟与数字摄像机技术对比
1.1 扫描方式
模拟摄像机采用隔行扫描，由不同时刻的奇场与偶场画面合成一个画面时，画面中的运动物体容易产生锯齿、闪烁等不良反应，为了消除锯齿，必须做软件反交错图像处理，同时也会导致画质损伤，画面清晰度降低。而数字摄像机采用逐行扫描，不需要反交错处理。假如开车的就是盗车贼，那么快速运动的状况下，隔行扫描根本无法录下盗贼的任何特征。
图1 隔行扫描与逐行扫描图质比较
1.2 分辨率与解析度
模拟摄像机早期受制于PAL/NTSC技术本身的限制，分辨率一般为4CIF或D1(即PAL制下的720×576或NTSC制下的720×480像素)，最高像素仅仅为40万像素的水平。“后模拟时代”960H技术是由Techwell和Sony共同定义和开发的一套准高清解决方案，虽说分辨率为PAL制下960×576或NTSC制下960×480，相对传统的D1整体画面清晰度提升了30%，但其要求的带宽是36M，在传输的问题上会遇到瓶颈，效果会打折扣，性价比并不高。模拟高清有着众多的解决方案，例如HDCVI、HDTVI、AHD、ccHDtv等，分辨率等同于720P或1080P，对于可以继续沿用原有模拟系统的同轴电缆用户来说，有着较大的吸引力，但同时其存储的码流也会提升，后端存储压力不断上涨，硬盘容量需求增大，旧的模拟传输系统可能无法完全承载。
数字摄像机可以实现百万像素甚至更高的分辨率，720P高清、1080P全高清已不再是热点，现已进入4K时代(3840×2160)，随着H.265等相关新技术的发展，在提高数字摄像机像素的同时，又增强了画面的垂直分辨率，使得画面的细节和层次更加精准，同时配合广角监控专用镜头，能够实现对更大监控范围的覆盖、显示更多画面细部特征，观看体验更好。
图2 同一路口4CIF格式图像
图3同一路口D1格式图像
图4同一路口720P格式图像
图5场景比较
1.3 AD(模数)转换
模拟摄像机前端感光器输出模拟信号，接着转化成数字信号，以便进行色彩与亮度处理，接着再将数字信号转化成模拟信号输出，当到达DVR等后端设备时，由视频采集芯片将模拟信号转成数字信号，模拟系统总共发生了3次AD/DA转换，每次转换都会导致画质受损。
现在数字摄像机较多使用CMOS感光器，该感光器内置了AD转换，光信号进入，数字信号输出，仅有这一次AD转换，之后再也没有反复的AD/DA转换，所以数字摄像机的画质受损小。
现阶段CMOS感光器技术再次取得突破性进展，光照灵敏度提升了5倍以上，已经达到或接近了CCD的照度性能，同时分辨率也高达500万像素以上，并且CMOS在其成本、集成度与功耗等方面的优势则比CCD更胜一筹，可以预见，CMOS感光器将取代CCD而成为市场主流。
1.4 色彩还原度
模拟摄像机输出的视频为复合模拟视频信号，其中包含了亮度信号与色彩信号，由于两种信号在同一个频段里，当复合视频传输给视频采集芯片时，视频采集芯片除了做AD/DA转换，还要做亮色分离(梳妆滤波)，由于难以完全分离亮度与色彩信号，导致传统模拟视频监控容易出现色彩渗透与杂色现象。数字摄像机没有亮色分离的烦恼，色彩可以做到更加逼真。
图6 色彩渗透
图7 色彩渗透源图
1.5 抗干扰与信噪比
模拟摄像机视频从CCD传感器一出来就是模拟信号，而模拟信号无论是在摄像机内部，还是输出后的传输过程中，都可能受到不同程度的干扰，从而产生波纹与噪点，同时模拟摄像机在可见光或红外光偏弱时，雪花噪点非常严重，不仅画质受影响，而且大大增加了码流。数字摄像机输出的是数字信号，不容易受到干扰，可以做到噪点小，画面更干净，同时也节省了码流与硬盘空间。
图8 噪点多
图9 噪点少
传统模拟市场因为CCTV标准核心技术被日本控制，导致日本相关的芯片公司基本上垄断了摄像机市场，他们既做芯片，又生产与销售高端市场摄像机，还利用其拥有的专利技术控制了中国大部分中低端市场。目前的标清模拟产品，除了芯片、传感器仍为外企掌控，而国内企业同质化竞争激烈，价格战爆发，利润越来越微薄。为了谋利，难免偷工减料降低成本，以应对价格战，质量进一步下降。而960H方案，已基本是国内企业的竞争;HDCVI、HDTVI高清模拟技术等更是海康威视、大华股份等国内企业的寡头垄断及自建联盟。
数字时代目前还没有形成统一的技术标准，日本公司虽然有能力做出数字高清摄像机成品方案，但是在高清NVR、混合DVR、高清解码器等一系列后端成品方案方面优势不明显;反观国内海康威视、大华股份、宇视科技等企业在这方面做的相当不错，已挤身世界安防名牌厂商前列。更重要的是，数字时代CMOS将取代CCD，而CMOS技术不是日本的强项，安防监控行业技术被日本垄断的局面将在数字时代被打破。
二、模拟与数字解决方案对比
现在安防监控行业内有少部分公司，以模拟摄像机的价格低于数字摄像机等理由，不愿意或是不积极给客户提供和推荐数字监控的解决方案，导致现在模拟监控产品仍占据了更多的市场份额。的确，现阶段数字摄像机的价格要高于模拟摄像机，但随着产业和技术不断的发展，根据摩尔定律，数字摄像机的价格一定会和模拟摄像机持平甚至更低，同时在项目总体成本上，数字监控整体解决方案比模拟监控整体解决方案具有较大的优势，其主要表现在以下几个方面：
2.1系统布线
模拟监控解决方案如果集成了云台控制与声音等，那么在布线方面就非常繁琐，视频线、音频线、电源线和控制线都是独立必需的，布线工作量大、布线复杂，所以布线成本高。
而数字监控解决方案则可以采用一根网线将视频线、音频线、电源线和控制线四合为一传输，布线简单，而且还可以通过交换机汇总，进一步减少线材用量，大大降低了布线成本与难度，同时数字监控解决方案可以采用无线交换机、无线路由器(带桥接功能)等设备实现不布线传输，无线与微波传输(典型应用：电梯无线监控)，使数字监控解决方案更加灵活方便，节省线材与施工。
模拟监控解决方案线材用量大，自然施工复杂，施工周期长，同时维护困难，要花费更多的施工人力成本和维护成本。数字监控解决方案线材用量小，布线简单，施工周期短，节省了施工成本，同时维护轻松，维护成本较低。
2.2 传输介质
模拟监控解决方案传输介质一般选用同轴电缆，在小范围的监控系统中，由于传输距离很近，使用同轴电缆直接传送监控图像对图像质量的损伤不大，能满足实际要求。当传输距离达到200米左右时，图像质量将会明显下降，特别是色彩变得暗淡，有失真感，同时同轴电缆本身受气候变化影响大，图像质量受到一定影响，同轴电缆较粗，在应用时布线不太方便。在工程实际中，为了延长传输距离，要使用同轴放大器，虽然对视频信号具有一定的放大，并且还能通过均衡调整对不同频率成分分别进行不同大小的补偿，但传输距离还是有限，还存在着调整困难的缺点。虽然现在市场上也出现了2000米的同轴视频传输设备，能解决个别远距离的图像传输问题，但是造价稍高，不适宜大型监控系统的普遍采用。 数字监控解决方案传输介质一般选用双绞线，是因为它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、可靠性高、价格低廉、取材方便等许多优点。
2.3节约设备成本
当远距离传输时，模拟监控解决方案通常采用昂贵的光端机，光端机将模拟信号转化为数字信号，然后再由数字信号转为模拟信号，不仅图像质量受到损伤，同时光端机的价格会随着接入的监控路数增加而不断提高。而采用数字监控解决方案，则可以用廉价的光纤收发器代替昂贵的光端机，光纤收发器不随路数增加而增加费用，传输成本较低。数字视频监控在监控中心无需安装视频分配器和矩阵类等设备，所有相关功能都由软件平台实现，相对来说简化了系统组成，再加上数字高清视频像素高、画质，在宽范围监控等应用中，一个数字高清摄像机常常可以顶替多个模拟摄像机，不仅节省摄像机数量及成本，而且还省去了与之配套的线材、传输设备、施工等费用。
2.4 抗干扰防护
传统模拟摄像机输出的信号为模拟信号，长距离传输容易衰减，并且易受到电磁干扰，图像质量受影响，容易出现视频模糊和波纹等现象。而数字高清摄像机则以数字信号方式传输，传输过程中抗电磁干扰强，视频传输损伤相对模拟系统要小许多，省去了抗干扰防护设备与措施费用。
2.5 远程监控与智能分析
在传统的模拟监控系统中，只能在有限的范围内在线实时观看，且一般只能有一个监控中心点，难以实现多监控点的远程监控等，当出现问题时需要花大量时间观看录像带才能找到现场记录。而在数字视频监控系统中，利用计算机建立的索引，在几分钟内就能找到相应的现场记录，同时轻松实现多监控点的远程监控，无论身处何处，只要能上网就能对即时查看前端视频。
由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示，通过视频的智能分析，发现监控画面中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而能够更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象。未来的监控市场发展在于智能分析，而且是在高清监控的基础上智能分析才能发挥得淋漓尽致。
近几年，视频监控技术伴随着计算机、网络、存储、芯片、物联网、云计算、大数据等技术的发展而迅速发展，从早期的模拟视频监控，到现在的数字视频网络监控，智能视频监控技术和高清视频监控技术，以及刚刚发展的云视频监控等，产品一直不断升级、系统结构不断变化、功能不断完善，应用领域也在一直不断扩展。可以预见的是，在经历了模拟手机、模拟电视之后，我们即将告别模拟监控时代，大跨步迈入高清数字监控时代!
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作者：刘本军
