高清网络摄像机图像延迟分析及解决方案

张宝富　王毅

摘要：自2010年以来，上海新建或旧项目改造中的安防视频监控系统项目已开始采用数字视频监控系统。在高清视频监控系统行业中，最流行的高清视频采集设备是高清网络摄像机，具有接线方便，清晰度高，节省成本的优点。但高清网络摄像也不可避免地存在图像延迟和卡顿现象，本文主要分析高清网络摄像机图像延迟产生的原因及如何避免图像延迟的方法和合理选用配置网络环境的一些建议。

关键词：视频监控;网络摄像机;码流;交换机;带宽

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）25-0031-03

1概述

随着安防行业的发展及科学技术的进步，数字安防系统目前国内已经普及，原来模拟视频监控清晰度和应用已不能满足目前人们对高清晰度视频监控及各种智能应用的需求，因为模拟视频监控像素最高只有40万，采用DVR进行录像，只有简单的图像实时查看、录像查询及报警联动，在关键调取图像时存在看得见看不清的现象。

目前数字安防高清视频监控系统的感知层设备行业内采用的最多的就是高清网络摄像机，它具有高清晰度、安装调试方便、多码流、智能应用、成熟配套的存储和管理平台及各种智能应用等优点。但缺陷就是时常会出现图像延迟卡顿画面不流畅等问题，本文就高清网络摄像机在实际工程应用时如何尽量避免此类问题进行分析研究供大家学习参考。

2高清网络摄像机在实际工程应用中存在的问题

2.1 高清网络数字视频安防监控系统

视频安防监控系统，包括数字设备，如前端采集，传输，控制和图像显示记录。数字高清视频监控系统的图像信号传输方式可分为网络型数字高清视频监控系统和非网络型数字高清视频监控系统。

本文主要分析了网络数字视频安防监控系统前端传感设备的高清网络摄像机，即图像在前端采集后进行压缩，封装和处理。具有TCP / IP功能的高清视频监控系统，用于传输数字视频信号。

2.2 网络高清摄像机图像延迟定义

高清视频网络摄像机在网络交换中通过网络TCP/IP特征协议进行音视频数据传输，若交换网络配置不当导致传输路由的数据信息量不断增大影响网络设备工作效率降低，进而造成传输的数音视频数据传输延迟，最终在监视器上显示看到的高清图像画面与前端摄像机采集的实时图像在时间上存在不同步，出现延迟、跳动、丢帧等现象，从而导致实时显示的图像不流畅，人们在观看及使用上体验很差，且网络数字录像设备记录的高清视频资料在回放时的视频图像资源亦不连续完整的。

2.3 高清网络摄像机在网络传输方面的问题

在实际工程应用中，数字安防项目會搭建一套安防专用网络将安防各子系统前端信号采集装置的数据传输到中央机房进行数据应用和存储。 高清晰网络摄像机在交换网络传输中占用带宽和网络资源最多，且分辨率要求越大、清晰度要求越高、传输的视频码流就会越大，增加了网络带宽压力就越大，也最容易对网络传输速率产生运行不稳定的影响。

目前对于网络视频摄像机各主流厂商已经对传输协议进行优化，且在网络摄像机的码流处理技术进行突破，采用更先进的处理芯片，目前可以做到在不降低高清视频图像质量情况下以最低2M码流就可以传输200万像素分辨率的高清晰质量视频图像。那么在安防视频监控项目是不是选用这样新款的网络摄像机就不会出现图像延迟呢，肯定不是这样的，因为网络摄像机图像延迟的问题是由整个传输链路来决定的，如网络摄像机传输线缆过长、线缆质量太差、交换机选用不当、交换策略配置不合理等都会出现解码上墙显示的图像延时、抖动等异常现象。

3 高清网络摄像机图像延迟分析

3.1 网络摄像机传输路径

高清网络摄像机的数据传输流向是高清图像采集后经超五类双绞线传入接入交换机的百兆电口，接入交换机再通过千兆光口将数据传输至总控中心的核心交换机，总控中心的各类管理服务器、存储磁盘阵列及解码设备均通过六类双绞线传至核心交换机的千兆电口。

3.2 线缆对视频信号传输的影响

高清视频网络摄像机的延迟最少在传输线缆及接插件、接入交换机及光模块、光纤、核心交换机、解码器等视频信号显示途经的路由任何一个环节都会对摄像机延迟产生影响。

首先高清网络摄像机的传输线缆的质量一定要保证，如果采用劣质品牌超五类双绞线会降低视频信号传输速率，还有摄像机至交换机的双绞线缆长度也不能太长，网络传输线缆太长也会影响高清视频信号的传输速度，比如某些工程项目高清摄像机至接入交换机的传输线缆采用的是六类双绞线，但高清视频还是存在着延时问题，因为摄像机至接入交换机的传输速率最多也就8M，用五类传输线缆和六类传输线缆并没有本质上的区别，所以从摄像机的网络接口开始到接入交换机电接口的传输路径要保证质量。

3.3 交换机及光纤链路对视频信号传输速度的影响

接下来高清视频信号传输至交换机，交换机的选型很重要，因为传输视频的交换机要达到线速要求，交换机的背板带宽和包转发率一定要符合要求，而且每台交换机接入高清视频摄像机的路数也要控制，不能全部插满。接入交换机到核心交换机的传输光纤也要确保光纤传输信号衰减值在合理范围之内。还有核心交换机要进行相应的配置策略，有好多集成商搭建的视频网络交换机没有进行任何的配置直接当傻瓜交换机来用，虽然刚开始有可能不会出现问题，但经过长时间的运行肯定会出现各种各样的网络传输问题。再就是解码器及各类服务器至核心交换机的传输线缆也要选用保证质量的网络跳线才会尽量地避免图像延迟的产生。

4 高清网络摄像机图像延迟解决方案

上一节分析了造成图像延迟可能出现的几种因素，本节主要研究如何通过技术手段尽量避免此类现象的发生。

4.1 合理布置传输线缆

视频信号传输线缆的好坏是直接影响视频图像的质量，一个有经验的现场施工负责人会对线缆的质量严格把关，视频图像信号传输线缆最少也要选择国内主流品牌超五类双绞线缆，线规符合24AWG标准， 线缆长度从摄像机开始至接入交换机要控制在70米以内，超过70米的要通过其他途径（光纤）进行传输，且线缆两端的端接头子要接解牢固。在线缆敷设及端接全部完成后整个安防专用网络布线要达到TIA/EIA 568B标准中D级布线标准要求，采用专业FLUKE测线仪对所有线路逐根测试显示结果通过为合格。

光纤链路也是传输线缆的一部分，光纤链路敷设完毕后需要进行熔接，在光纤配线架上用光纤跳线连接至接入交换机和核心交换机，光纤的熔接和跳线都会存在一定的衰减，但需在合理范转之内，所以在光纤正式投入使用前也要使用专业光功率计测试所有光纤链路信号的衰减值，要通过测试。

所以在光纤正式投入使用前也要用专业的光功率计对所有光纤链路信号衰减值进行测试指标要合格。

在保证了传输线缆的通讯质量，视频信号传输在这个环节才不会出现问题，就算在调试的时候出现图像延时，那么在排除故障时也会提高调试人员提供解决问题的效率。

4.2 合理配置摄像机供电电源

摄像机的开机正常工作离不开电源，目前网络摄像机大部分都支持DC12V直流电源和AC24V交流电源，因为网络摄像机内置多个处理芯片，在正常工作状态下功率达到15W左右，另外网络摄像机多数支持POE供电，有很目项目在实施时为了方便施工采用POE供电，由于POE供电对线缆的长度和质量都有一定要求，且在网络线缆松脱情况下摄像机就停止了工作，内置存储卡不会继续进行录像，所以建议单独采用AC24V交流电源为摄像机供电才能保证摄像机的稳定工作，只有高清视频网络摄像机稳定的工作了，才不会出现其他的故障问题 。

4.3 合理選用及配置网络交换设备

高清网络摄像机视频信号传输的快慢及大屏显示视频图像质量和交换机的选型和配置有着直接关系。安防专用网络交换架构一般不要超过三级。

一级交换机（接入交换机）每个接入端口带宽必须大于等于100M，选型为不超过24个接入端口为宜，并具有2个1000M以太网光电复用端口。若选择8个或16个接入端口的交换机，不得少于1个1000M以太网光电复用端口。

二级及三级交换机每个接入端口带宽必须大于或等于1000M。选型核心交换机端口数量以接入前端所有接入产换机和总控中心所有管理服务及存储管理设备并留有一定余量为准，并且要有网络管理功能、具备网络风暴抑制能力、支持虚拟VLAN划分。

交换机的选型还要根据系统接入网络摄像机的码流、数量及系统规模详细计算后得到的技术指标来正确的选择交换机类型，下面以1080P前端摄像机1000路为例，每路按最高8M带宽码流计算，中心配置18块拼接大屏同时显示60路图像，另有10台工作站，每台工作站显示8路图像。交换机配置选型如下描述。

假设1000路高清摄像机安装在两栋楼内不周区域，每栋楼安装500台摄像机。 某区域32台摄像机接入至同一汇集处，按交换机预留三分之一端口的原则，这里配置了两个24端口接入交换机。两个汇聚交换机配置在两栋楼内底层弱电间。一个核心交换机配置在主控中心。 各类交换机所需带宽及包转发率等性能如下。

接入交换机

l 需要交换容量：16x8=108Mbps

l 需要包转发率：（108Mbps/1000+2）x1.488=3.14Mpps/s

汇聚交换机

l 需要交换容量：按500路视频计算需32台接入交换机，108Mbps x32= 3456Mbps

l 需要包转发率：（3456Mbps/1000+2）x1.488=8.12Mpps/s

核心交换机

l 图像存储：1000*8=8000Mbps、

l 电视墙图像显示：60*8=480Mbps

l 客户端图像显示：10*8*8=640Mbps

l 实际业务需要带宽总计：8000+480+640=9120Mbps、

l 实际业务需要包转发率总计：（9120Mbps/1000+2）x1.488=16.54Mpps

[交换机类型 计算需要交换容量 计算需要包转发率 接入交换机 108Mbps 3.14Mpps 汇聚交换机 2592 Mbps 6.83Mpps 核心交换机 9120Mbps 16.54Mpps ]

根据上述计算结果，选择24口接入交换机64台、具备接入32路接入交换机能力的汇聚交换机2套、符合接入汇聚交换机及存储和工作站能力的核心产换机1套，且各类型交换机的交换容量及包转发率必须大于计算结果。

5 结束语

高清视频网络视频监控系统中的图像延迟经常发生在实际工程应用中。如何避免此类现象，安防系统集成商在深化设计阶段要根据系统规模、系统清晰度、系统各项应用功能并经过计算等现场实际情况合理设计网络架构，正确选择交换机的型号，在系统调试阶段，安防集成商需安排对网络性能熟悉的网络工程师对网络进行优化配置，以确保网络设备充分发挥其性能，保证高清视频业务的流畅运行。

参考文献：

[1] 刘红彬.IP网络摄像机及其发展前景[J].煤矿现代业，2015（4）：44-46.

[2] 王晓龙.视频监控图像质量诊业的发展系统设计与实现[C].西安电子科技大学，2015（6）.

[3] 盛斌.网络摄像机浅析[J]. 电子产品世界， 2007（2）：74-78.

[4] 孟建威. 网络摄像机在安防领域中的应用[J]. 产品与应用，2003（11）：64-65.

[5] 陈乾定. 网络视频传输中图像延迟的处理技术[J]. 科技资讯，2008（14）：98.

[6] 呈映霞. 高清网络摄像机的发展应用与技术趋势[J]. 中国安防，2013（07）：68-72.

【通联编辑：光文玲】