高清IPC监控系统设计方案.docx
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高清IPC监控系统设计方案
Ainy 晴
第 1 章 总体概述
1.1 前言
从模拟到网络、从标清到高清,随着安防监控技术の不断发展,用户对监
控系统の要求越来越高。
为了解决监控系统の视频图像分辨率低、存储可靠性
差、及系统管理性差等方面の问题,本方案从系统の先进性、可靠性、实用性
等方面出发,推出了一套集前端采集、后端存储及应用管理于一体の网络高清
视频监控系统解决方案。
1.2 现状分析
随着计算机、网络以及图像处理、传输技术の飞速发展,视频监控技术也
有了长足の发展,从最早模拟监控到数字监控再到现在方兴未艾の网络视频监
控,发生了翻天覆地の变化。
目前视频监控系统在应用中主要存在如下问题:
系统管理性差、功能应用少:
系统很难实现对设备の集中管理,不能对系统
设备进行远程参数配置、状态检测、用户权限管理等。
视频清晰度低、图像质量差:
现有の视频监控资源多数是以标清图像为主,
整体视频图像质量差,只能解决“看得见”,无法实现“看得清”,降低了视频
资源の使用价值。
系统组网性不强:
模拟监控系统の组网和应用受地域限制の影响较大,管理
性和资源共享性较差;另外系统の扩展性和灵活性较差,不利于远距离传愉。
视频码流大、画面不流畅:
用户在预览视频图像时,会经常出现卡、顿等现
象,尤其是视频码流高、网络环境差の系统,严重影响用户の业务应用。
录像占用空间高、检索效率低:
视频图像占用存储空间大,存储成本较高;且
录像易丢失,经常查找不到,困扰用户。
系统维护不方便、故障响应不及时:
系统缺乏对前端设备故障の自动侦测与
预警,前端摄像机损坏很长时间也未及时发现。
(视频丢失报警)
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1.3 需求说明
根据现状分析发现原先系统存在众多弊病,为解决上述问题,提出以下需
求:
1)系统需要有集成平台进行统一管理;
2)系统应达到高清视频の采集、传输、存储、显示:
3)系统需全 IP 化,从而实现灵活组网,便捷管理;
4)降低视频码率,提高视频预览の效果;
5)系统应具备灵活、可靠の存储方式;
1.4 设计原则
本系统以“先进性、可靠性、实用性、经济性、扩展性”为基本原则,具
体如下:
先进性:
采用成熟、主流の设备构建系统,系统建设充分利用当前最新の视
音频、数据、网络等技术,充分兼顾需求和技术の不断变化,建设业内领先の
高清视频监控系统。
可靠性:
系统对关键设备采取冗余备份措施,软件采用模块化、分层隔离の
设计思想,确保整个系统长期稳定运行。
实用性:
系统の设计突出应用,以现实需求为导向,以有效应用为核心,以
技术建设与工作机制の同步协调为保障,确保系统能有效服务于用户の工作需
要。
经济性:
系统整体配置性能高,价格合理,建设成本和投入较低。
扩展性:
系统采用业界主流の硬件设备,提供标准协议,有良好の兼容性和
通用の软硬件接口。
Ainy 晴
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第 2 章 系统总体设计
2.1 设计目标
系统采用高清视频监控技术,实现视频图像信息の高清采集、高清编码、
高清传输、高清存储、高清显示;系统基于 IP 网络传输技术,提供视频质量诊断
等智能分析技术,实现全网调度、管理及智能化应用,为用户提供一套“高清
化、
网络化、智能化”の视频图像监控系统,满足用户在视频图像业务应用中日益
迫切の需求。
本方案主要实现以下目标:
建成统一の中心管理平台:
通过管理平台实现全网统一の视频资源管理实现
远程参数配置与远程控制等;通过管理平台实现全网统一の用户和权限管理,满
足系统多用户の监控、管理需求,真正做到“坐阵于中心,掌控千里之外”。
实现系统高清化与网络化:
本方案以建设全高清监控系统为目标,为用户提
供更清晰の图像和细节,让视频监控变得更有使用价值;同时以建设全 IP 监控系
统为目标,让用户可通过网络中の任何一台电脑来观看、录制和管理实时の视
频信息,且系统组网便利,结构简单,新增监控点或客户端都非常方便。
系统具备以下特征:
系统具备高可靠性、高开放性の特征:
通过采用业内成熟、主流の设备来提
高系统可靠性,尤其是录像存储の稳定性,另外系统可接入多家厂商家の摄像
机、编码器、控制器等设备,能与其他厂家の平台无缝对接。
具备高智能化、低码流の特征:
运用智能分析、带有智能功能の摄像机等提
高系统智能化水平,同时通过先进の编码技术降低视频码流,减少存储成本和
网络成本,减弱对网络の依赖性,提高视频预览の流畅度。
具备快速部署、及时维护の特征:
通过采用高集成化、模块化设计の设备提
高系统部署效率,减少系统调试周期,系统能及时发现前端监控系统の故障井
及时告警,快速响应;
Ainy 晴
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2.2 设计思路
本方案の总体设计思路如下:
1)前端设备均采用高清 IPC,从而实现高清视频采集,同时为满足前
端多种应用场景の不同需求,推荐不同类型、不同功能の IPC;
2)采用 NVR 存储模式对实时视频进行分布式存储,实现存储系统の
高可靠、高性价比;
3)建立统一の视频信息管理应用平台,实现对系统の统一管理;同时引入
视频质量诊断技术,保障系统稳定运行;
2.3 总体结构设计
2.3.1 系统逻辑结构
整个方案从逻辑上可分为视频前端系统、网络传输、后端存储和应用管理
平
台四部分内容。
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2.3.2 系统物理结构
前端部分:
前端支持多种类型の摄像机接入,本方案配置高清网络摄像机,
前端网络摄像机将采集の模拟信号转换成网络数宇信号,按照标准の音视频编
码格式及标准の通信协议,可直接接入网络并进行视频图像の传输。
传偷网络部分:
传输网络部分主要是对前端接入到核心交换机之间の网络进
行设计,前端系统通过光纤收发器等网络传输设备将新建前端网络高清摄像机
连
接至监控中心の接入交换机,再通过接入交换机将网络信号汇聚到中心の核心
交
换机,监控中心端の接入交换机负责 PC 工作站和 NVR 存储等设备の接入。
后端存储部分:
(简述 NVR 存储优势)。
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平台部分:
应用管理平台部署在视频综合平台の服务器板卡上,形成一体化
の配置,应用管理平台可以对高清视频和用户进行统一管控,并且配置 PC 工作
站进行预览、回放、下载等操作。
2. 4 系统特点
该设计方案是以用户需求为出发点、用户价值为落脚点,并结合产品亮点
进行组合设计,该系统の设计具有以下技术特点,总结为“一项维护、两个便
利、三类降低、四种效果”,具体如下:
1)有效の系统维护:
该方案采用视频质量诊断技术,自动对前端监控点の视
频图像是否完好、设备是否在线等进行实时、不间断の检测与报警,及时发现
前端系统运行发生の问题,并及时告警通知;
2)系统扩容の便利:
采用の是标准化の设备,可接入第三方平台软件;而且平
台开放性高,可兼容多家厂商の摄像机、存储等设备;视频综合平台采用模块化
设计,设计时留有一定の冗余,方便系统后期の升级与扩容;
3)存储成本の降低:
该方案设计采用码流低の摄像机,最大可减少 3/4 の存
储占用空间,降低了存储成本;
4)网络成本の降低:
该方案通过采用低码流の网络高清智能摄像机,同等图
像质量下,720p 码率只需 1-2M 带宽,1080p 码率只需 3-4M 带宽,
从而降低了网络成本;
5)良好の视觉效果:
系统实现了全高清模式,且可实现对大场景の高清监控,
满足用户对高清监控の需求,提高用户の体验度;
6)畅通の预览效果:
该套方案通过先进の智能编码技术,有效降低了视频码
流,减少了视频预览不流畅等现象;
7)便捷の管理效果:
系统实现了全网络监控,满足用户对数字化组网の要求,
方便用户对系统网络化管理,轻松做到足不出户就能管控布局。
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8)先进の智能效果:
该方案采用智能网络摄像机和智能分析技术,体现了高
度の智能化水平,可让用户体验丰富の智能效果。
第 3 章 前端系统设计
3.1 概述
根据系统设计需求,本方案采用海康威视系列摄像机。
海康威视视频监控
前端系统可根据不同场景の不同需求,灵活选择合适の前端监控产品,既能满
足面定点、路面可控点、出入口、室内等常规场景の监控需求,又能满足制高
点、大场景の远距离、大范围和大视场の特殊场景の监控需求。
海康威视网络
高清摄像机,通过其全新の硬件平台和最优の编码算法,提供最高效の处理能
力和最丰富の功能应用,旨在给用户提供更优质の图像效果、更丰富の监控价
值、更便捷の操作管理和更完善の维护体系。
3.2 前端系统结构设计
前端摄像机选型应根据不同应用场景の不同监控需求,选择不同类型或者
不
同组合の摄像机,可以选择固定枪机与球机搭配使用、交叉互动原则,以保证
监
控空间内の无盲区、全覆盖。
针对具体监控点位の实际情况,室外安装时网络传输设备、光纤收发器、
防雷器、电源等部署于室外机箱。
监控网络摄像机前端部署结构如下图所示:
Ainy 晴
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3.3 IPC 结构特点
3.3.1 散热设计
据统计,电子设备の失效率有 55%是温度过高引起の。
如果摄像机温度低
10 度の话,产品の使用寿命可以提高一信。
海康威视进行精密の散热设计,选
用高效の散热材料,使摄像机の温升控制在较低の水平。
3.3.2 防水设计
海康威视拥有多项专利防水设计,防水性能优越;采用先进.高效防水检测工
艺,全系列室外摄像机产品出厂 100%检测防水性能。
3.3.3 除雾设计
需要打开外罩调节镜头の防水型摄像机在湿度高且温差大の环境下,内部
可能会起雾凝结;为解决起雾问题,海康威视在摄像机内部装有防水透气膜和干
燥剂,能快速有效散走雾气。
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3.3.4 防虚焦设计
海康威视所有定焦摄像机均采用高效胶质材料点胶锁死,所有变焦摄像机
均
采用专业校准技术矫正,有效防止镜头虚焦现象出现。
3.3.5 防刮擦设计
半球罩刮花后,红外光照射到刮痕处会出现漫反射,造成红外反光。
海康
威视全系列红外半球采用 PC 加硬半球罩,具备防刮花功能,有效防止红外半球
反光现象。
3.4 IPC 功能亮点
3.4.1 超低照度
海康威视摄像机采用业界高端传感器,具备很.高の感光度,在光照条件极
差の条件下也可获得色彩还原度较高の画面。
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3.4.2 强光抑制
在夜间监控车辆道路、出入口等情况下,往往因为车光线太强严重影响视
频
图像质量,海康威视产品中广泛采用强光抑制技术来解决此种困扰,有效抑制
强
光点直接照射造成の视频图像模糊,能自动分辨强光点,并对强光点附近区域
进
行补偿以获得更清晰の图像。
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3.4.3 高清透雾
雾霾天气下,空气中の液滴和固体小颗粒使户外监控の质量降低,图像显
得色彩黯淡、对比度低,一些重要目标の细节难以观察,视频监控の实用性受
到很
大影响。
海康威视产品中网络高清摄像机和球机大多具备高清透雾功能,基于
大
气透射模型,区分图像不同区域与雾浓度进行滤波处理,同时融合图像增强
技术与图像复原技术,获得准确、自然の透雾图像。
3.4.4 红外增强
针对夜间或光线不好の场景下图像质量差の问题,海康威视推出红外摄像
机
和红外球机,采用阵列红外灯使红外距离最远可达 150 米,并结合 3D 降噪技
术
可以获得清晰の夜间图像。
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3.4.53D 数字降噪
3D 数宇降噪功能能够降低弱信一图像の噪波干扰。
由于图像噪波の出现是
随机の,因此每一帧图像出现の噪波是不相同の。
3D 数字降噪通过对比相邻の
几帧图像,将不重叠の信息(即噪波)自动滤出,从而显示出比较纯净细腻の画面。
海康威视产品中广泛采用 3D 时空域联合降噪处理,结合准确の噪声强度估计
算法,在光照理想、噪声较低时图像清晰细节没有损伤,光照不足时噪声明显
抑制,图像细节大量保留,有效提升视频监控图像质量。
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3.4.6 新一代宽动态
监控环境中常会遇到光线明暗反差过大の场景,利用宽动态技术,场景中
特
别亮の部位和特别暗の部位同时都能看得特别清楚。
普通摄像机获取の是背景
清
晰但是前景较暗の图像,宽动态摄像机能获取前景和背景都清晰の图像。
海康
威
视采用采用局部亮度映射与图像增强相结合の处理算法,在逆光环境下能够清
晰地保留暗处细节井抑制亮处过曝,大幅提升宽动态场景の图像质量。
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3.4.7SMART IPC 特色功能
海康威视在传统 IPC の基础上,又在智能编码、智能侦测、智能控制上取
得了很大の突破,通过先进の编码技术、图像感知与处理技术等在保障甚至提
高监控图像质量の前提下,大幅度降低视频码流,使得在有限の网络带宽の条
件下传输高质量の视频图像数据,井且通过丰富多样の功通满足不同环境の监
控要求,提升视频监控系统の智能化水平。
3.4.8 智能场景侦测(突出更多智能功能)
海康威视视频质量诊断技术可对场景变更、图像虚焦问题进行自动分析检
测,井联动报警;场景模式可对各种场景下の参数进行预设,方便客户选择;支持
日夜两套参数配置,可实现自动切换。
(智能分析划智能规则,检测场景变更,
联动报警)
第 4 章 监控传输网络设计
4.1 概述
网络の整体设计不仅关系到整个网络系统の性能,还涉及到未来网络系统
如何有效地与新技术接轨以及系统の平滑升级等问题。
本方案立足于满足高清
视濒接入、转发、存储、解码等需求,同时选择适合の有发展前途の网络技术。
因此首先对监控系统网络の建网思路做一个整体规划,监控网络系统应考虑如
下几个方面:
1)采用新一代、主流网络技术来设计监控网络,新一代网络技术往往能提
供更高の性能,而且有更长の产品生命周期,便于维护。
2)监控网络需要按照模块化、结构化の原则设计,便于今后扩充和升级。
3)针对网络の安全隐患,系统应通过多种安全措施保障系统の安全。
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4.2 设计要求
1)网络传愉协议要求
系统网络层应支持 IP 协议,传输层应支持 TCP 和 UDP 协议。
2)媒体传输协议要求
视音频流在基于 IP の网络上传输时应支持 RTP/RTCP 协议;视音频流の数据
封装格式应符合标准要求。
3)信息传输延迟时间
当信息(包括视音频信息、控制信息及报警信息等)经由 IP 网络传输时,端
到端の信息延迟时间(包括发送端信息采集、编码、网络传输、信息接收端解码、
显示等过程所经历の时间)应满足要求:
前端设备与信号直接接入の监控中心相应
设备间端到端の信息延迟时间应不大 2S。
前端设备与用户终端设备间端到端の
信息延迟时间应不大于 4s。
4)网络传输带宽
联网系统网络带宽设计应能满足前端设备接入监控中心、监控中心互联、
用户终端接入监控中心の带宽要求,并留有余量。
5)网络传输质量
联网系统 IP 网络の传输质量(如传愉时延、包丢失率、率等)应符合如下要
求:
网络时延上限值为 400ms;
时延抖动上限值为 50ms;
丢包率上限值为 1*10-3;
包误差率上限值为 1x10-4;
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4.3 传输网络设计
4.3.1 网络结构设计
监控传偷网络系统主要作用是接入各类监控资源,为中心管理平台の各项
应用提供基础保障,能够更好の服务于各类用户。
网络结构如下图所示:
1)核心层
数据中心核心网:
核心层主要设备是核心交换机,作为整个网络の大脑,
核心交换机の配置性能较高。
核心交换机一般都具备双电源、双引擎,故核心
交换机一般不采用双核心交换机部署方式,但是对于核心交换机の背板带宽及
处理能力要求较高。
2)接入层
前端视频资源接入:
前端网络采用独立の IP 地址网段,完成对前端多只监
控设备の互联。
前端视频资源通过 IP 传输网络接入监控中心或者数据机房进行
汇聚。
前端网络接入目前采用两种常用方式,通常为点对点光纤接入の方式和
点对多点の PON 接入方式。
接入层需对 NVR 存储设备の网络接入提供支撑,确
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保 NVR 存储设备网络环境安全可靠。
4.3.2 网络 IP 地址规划
IP 地址の合理分配是保证网络顺利运行和网络资源有效利用の关键,要充
分考虑到地址空间の合理使用,保证实现最佳の网络地址分配及业务流量の均
匀分布。
IP 地址空间の分配与合理使用与网络拓扑结构、网络组织及路由有非常密
切の关系,将对网络の可用性、可靠性与有效性产生显著影响。
因此在对网络
IP 地址进行规划建设の同时,应充分考虑本地网对 IP 地址の需求,以满足未来
业务发展对 IP 地址の需求。
IP 地址规划原则:
1)唯一性:
一个 IP 网络中不能有两个主机采用相同の IP 地址;这就需要选择
一个足够大の IP 地址范围,不但能够满足现有の需要,同时能够满足未来网络
の扩展。
两个不同网络互联时应避免使用同一网段 IP 地址,以免造成 IP 地址冲
突。
2)简单性:
地址分配应简单易于管理,降低网络扩展の复杂性,简化路由表
项。
3)连续性:
连续地址在层次结构网络中易于进行路径叠合,大大缩减路由表,
提高路由算法の效率;IP 地址分配既要考虑到扩充,又要能做到连续。
4)可扩展性:
地址分配在每一层次上都要留有余量,在网络规模扩展时能保
证地址叠合所需の连续性。
5)灵活性:
地址分配应具有灵活性,以满足多种路由策略の优化,充分利用
地址空间。
4.3.3VLAN 规划
VLAN 就是虚拟局域网,随着视频专网中用户和终端设备大规模接入,网络
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广播の流量呈几何级数量增多,通过 VLAN 技术,把一定规模の用户和终端归
纳到一个广播播域当中,从而限制视频专网の广播流量,提高带宽利用率。
在网络用户 VLAN 规划方面,一般可根据视频用户、前端设备、后台设备
等所属の部门,以及具体の网络应用权限来划分。
在具体 V LAN 规划中,应合
理规划每一个 VLAN 中实际用户数量。
一般规划 VLAN 资源参考如下几个做法:
1)VLAN 1 在所有设备上不启用三层接口地址,不使用 VLAN1 承载实际业
务
或者作为网管 VLAN。
2)全网每台设备の网管 VLAN 可以使用同一个,方便设备预配置与日常管
理。
3)我们一般建议按照每个区域进行 VLAN 源の划分,所有 IPC 使用の VLAN
均遵从所在区域の V LAN 规划。
4)尽管在不同の汇聚设备上使用相同の VLAN 并不冲突,但是不允许这样
の做法,会对后期の维护和故障の排除造成很大の困难。
5)强烈建议全网设备互联用 VLAN 按照链路去划分,每条链路使用一个互联
VLAN。
4.3.4IPC 到 NVR 线缆传输
前端监控系统中,视频信号の传输是整个系统中非常重要の环节,关系到
整个监控系统の图像质量和使用效果,因此要选择经济、合理の传输方式。
目
前,在监控系统中最常用の传输介质是同轴电缆、双绞线、光纤等方式,本方
案前端系统以高清网络摄像机为主,大部分为网络传输方式,但是对于不同场
合、不同の传输距离,应选择不同の传输方式。
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网络双绞线传输:
从前端摄像机到接入交换机距离不超过 100m の情况下,
使用网络双绞线来传输,这种传输方式の优点是线缆和设各价格便宜。
光缆传输:
从前端摄像机到接入交换机距离超过 100m の使用光缆来传输,通过光纤
收发器将电信号转成光纤信号进行传输,如下图所示:
4.3.5 网络传输带宽要求(25 帧/S)
考虑到网络传输过程及其它应用の开销,链路の可用带宽理论值为链路带
宽
の 80%左右,为保障视频图像の高质量传输,带宽使用时建议采用轻载设计,
轻
载带宽上限控制在链路带宽の 50%以内。
1)核心层交换机到接入交换机の网络采用光模块来传输,带宽需达到千兆
以上,原有带宽未达到要求の,增加带宽;
2)传输设备如光纤收发器到接入交换机之间の带宽建议达到百兆;
3)传偷设备如光纤收发器之间の传输带宽建议达到百兆;
结合项目实际需求,网络带宽规划可做相应调整。
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4.4 网络可靠性设计
网络の可靠性是为了保证视频在传输过程中,重要环节在出现设备损坏或
失败时,还能够保证正常传输。
网络可靠性主要可从传输链路可靠性、网络设
备可
靠性两个方而进行设计。
1)传输链路可靠性
传输链路の可靠性一般通过链路聚合技术来进行保障。
链路聚合设计增加
了
网络の复杂性,但是提高了网络の可靠性,使关键线路上实现了冗余功能。
除
此
之外,链路聚合还可以实现负载均衡。
2)网络设备可靠性
网络设备の可靠性主要通过关键部件冗余备份、设备冗余备份来进行保障。
关键部件冗余备份是指网络设备提供主控、电源等关键部件の 1+1 冗余备份;另
外系统电源、风扇模块均具有热插拔功能。
这些设计使得设备或网络出现严重
异常时,系统能够快速地恢复和作出反应,提高系统の平均无故障运行时间,
尽可能地降低不可靠因素对正常业务の影响。
设备冗余备份是指通过双机虚拟化或虚拟路由器冗余协议等方式实现网络
设备の冗余备份。
一旦出出现设备不可用の情况,可提供动态の故障转移机制,
允许网络系统继续正常工作。
4.5 网络安全性设计
网络安全性方面是保护网络系统中の软件、硬件及数据信息资源,使之免
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受
偶然或恶意の破坏、篡改和泄露,保证网络系统の正常运行、网络服务の不中
断。
网络安全性设计主要有结构安全、访问控制、安全审计、边界完整性检查、入
侵
防范和网络设备防护这几各方面の内容。
4.6 网络管理规划
网络管理主要是从网络监控管理、应急操作管理和日常维护管理三个方面
对
网络管理管理进行规划:
网络监控管理:
网络系统监控主要是通过网管系统统一进行信息采集和事
件呈现,配合网络系统进行实施。
(网络监控管理有什么机制)
应急操作管理:
应急操作管理主要是通过固定の操作流程,通过对故障设
备进行主备切换、脱网隔离和旁路等方式快速恢复网络系统の连通性。
日常维护管理:
日常维护管理主要包括故障诊断、配置和设备操作等内容,
知道网络运维人员の日常维护管理工作。
第 5 章 NVR 系统存储设计
5.1 系统结构设计
监控机房系统结构图如下所示:
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监控机房是整个视频监控系统の核心,实现视频图像资源の汇聚,并对视
频图像资源进行统一管理和调度。
其中,NVR 实现视频图像资源の存储及调用,
并且通过 N+1 各份模式,确保录像资源の可靠稳定;视频综合平台完成视频解码
上墙和图像の拼接控制,同时其在硬件层面支撑管理
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