（交通信息工程及控制专业论文）高校校园视频监控系统设计与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 高校校园的安全管理不仅涉及自身区域环境，而且是影响社会稳定的重要问 题，受到各方面的关注，而视频监控系统是保障安全，预防事故的一种有效手段。 本论文以西南交通大学峨眉校区视频监控系统为应用背景，对数字化视频监 控系统进行了研究。论文首先论述了视频监控系统的发展历程及发展方向，指出 数字化和网络化是视频监控系统的发展趋势；然后对数字视频监控的现状及优势 进行了分析，对数字视频监控系统所用关键技术进行了研究；接着通过对数字视 频监控系统原理的分析，根据视频监控系统的工程设计原则和数字视频监控系统 的传输要求，给出了摄像部分、传输部分、控制部分和显示记录部分的工程设计 方法，论述了其系统结构、组成、功能、设备及其选型，设计了一硬盘录像机网 络型视频系统，并提出了该系统的可靠性保障措施；论文在监控方案设计时重点 考虑了三种应用场景，安全监控应用、多媒体教学管理应用、与校园闭路电视系 统的对接，并针对这三种场景设计出完善的解决方案：最后对系统的运行情况进 行了总结。 关键字：高校校园；安全管理；数字化；视频监控；h 2 6 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t u n i v e r s i t i e s s e c u r i t yi sam a j o rc o n c e r ns i n c ei ti sa s s o c i a t e d 、析n lb o t h u n i v e r s i t ys u r r o u n d i n g sa n dt h es o c i a ls t a b i l i t y v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi so n eo f t h ee f f e c t i v em e a n st oe n s u r es a f e t ya n dp r e v e n ta c c i d e n t si nt h eu n i v e r s i t y d i g i t a l c a m p u sw i l ld e f i n i t e l yb ef o r m e d 、航t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ec a m p u sc u l t u r e 。 a c c o r d i n g l y , t h ec o n n e c t e dm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e m a n d e dw h i c hi sc h a r a c t e r i z e d b yi n t e r n e ta n dt e a c h i n gm a n a g e m e n tt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o nb e t w e e ns e c u r i t y m a n a g e m e n ta n dt e a c h i n gm a n a g e m e n t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d o nt h e a p p l i c a t i o np r o j e c ti ne m e ic a m p u so fs o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y f i r s t l y , i tg i v e s a na c c o u n to ft h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fd i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma n d t h et r e n do fd i g i t a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n go nv e d e om o n i t o r i n gs y s t e m a n dt h e ni t a n a l y z e si t sc u r r e n ts t a t u sa n da d v a n t a g e sa sw e l la si t sk e yt e c h n o l o g y , p a r t i c u l a r l y , d i g i t a lv i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft h e p r i n c i p l eo fd i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ep r i n c i p l eo fd e s i g no fv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n to ft r a n s m i s s i o no fd i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g s y s t e m ，t h ep a p e rg i v e sa na c c o u n to fh o w t od e s i g nt h ed i f f e r e n tp a r t sf o rc a m e r a , t r a n s m i s s i o n ，c o n t r o la n dd e m o n s t r a t i o ns ot h a tn e t w o r k i n gm o n i t o r i n gs y s t e mo fh a r d d i s kv i d e or e c o r d e rm i g h tb ep r o g r a m m e d w i mt h er e a l i z a t i o no fh a r dw a r ea n ds o f t w a r ea n di t ss e c u r i t y a d d i t i o n a l l y , o nt h ed e s i g no fm o n i t o r i n g ，t h r e ep r a c t i c a l s u r r o u n d i n g sa n dd i s c u s s e df a r t h e rt h a ti n c l u d ea p p l i c a t i o no fs e c u r i t ym o n i t o r i n g ，t h e a p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i at e a c h i n gm a n a g e m e n ta n di t sc o n n e c t i o n w i t hc a m p u s c c t vs y s t e m h e n c e ，ar e a s o n a b l ep r o g r a ma b o u tt h e s es u r r o u n d i n g si s d e s i g n e d e v e n t u a l l y , t h ep a p e rc o n c l u d e sw i t has u m m a r yo ft h eo p e r a t i o no ft h es y s t e ma sw e l l a si t sp r o s p e c t k e y w o r d s ： u n i v e r s i t i e s ，s e c u r i t ym a n a g e m e n t ，t e a c h i n gm a n a g e m e n t ， d i g i t a l i z a t i o n , d i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ，d i g i t a lv i d e or e c o r d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本7 f - v 沦义作并。亢个j _ ，解学校仃天俅霄f 、f , ej j f t 沦义的规定，叫意学校保帮并 她 q 家，f r 火邢fj 或机卡勾送交论义的复印件车1 1 1 uf 版，允许沦义被食测幂1 1 f 测。本人授 权州南交通人学叮以将本沦义的令部或部分内容编入彳j 天数捌库进 r 榆索，町以采用 影印、缩印或手i 捕等复印丁段保仃和 1 ：编小。z 化论义。 本。化论义属 f ： 1 你密口。种：年解晰肝适川i 本授权f 5 ： 2 小保密阢使川奉授卡义f s 。 ( 请杓：以 ：办枢内打“扩) 学化论文作者签名：砧乐夺指导老师掺名： i - t 划：2 0 l o f 2 孑j l i j ：a 。扫2 3 涉 ，1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人和! 学位 八义，t i 所做的i i 婪1 ：作或，硝犬女| i 卜： 1 结合校1 ) 1 0 0 0 0 小时。对监控系统来说，内外部的安全性也是很 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 重要的，应该具有密码、多级控制级别、撤设防级别；操作人员权限可分为系统 设置、超级用户、一般用户等，各种系统控制、报警时间应该具有记录和共享功 能。 3 系统应具有可扩展性。可扩展性包括两方面的含义，一是监控系统必须 从硬件上进行规模扩充和软件升级，如增加前端摄像头，则尽量不需要大规模的 重新布线，中心系统硬件模块式，不必淘汰主要设备，软件平滑升级等；第二是 指在该监控系统上叠加其他的子系统，如对讲系统、视听教学系统、可视会议、 双向报警控制系统等。采用先进合理的技术来构架系统，使整个系统安全平稳运 行。适应科技发展的方向，具有一定的超前性和可扩展性。随着校园安防系统应 用时间的增长，以后对安防系统的要求会跟高。可扩展性保证当用户有更多的要 求时，引入的新设备可以顺利与本次配备的设备共同工作，进一步扩展和提高系 统的性能，使该系统在相当长的时间内与科技发展相适应，具有相当的发展潜力。 4 本系统是一个严格的综合性系统，在系统的设计与施工过程中应参考各 方面的标准和规范，严格遵守各项技术规范，做好系统的标准化设计与施工。 5 该监控系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合监控，时时 动态掌握监视及报警情况。监控系统能大大减小劳动强度，减少设备运行维护人 员，系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，在最佳情况下运行，既可节 能，又可大大减少设备损耗，减少设备维修费用，从而提高监管力度与综合管理 水平。 6 充分利用现有网络，采用开放式架构及标准网络通信协议( t c p i p ) 设 计，通过局域网络、互联网络联机，可随时监看远程摄像机影像，还可通过网络 作远程监视及控制，完全支持跨网段、跨路由的远程网络视频监控环境，避免了 重复建设，节省投入资金。 7 监管安全是人防、物防紧密结合的结果，所有技术手段都是通过监管人 员实施，因此，系统的设计、规划及仪器的配套、选型还需要考虑人体功能学的 要求，所有的设备和软件的功能操作方法要求简便、友好，坚持“以人为本 的 原则，注重保护监管人员的身体健康。 3 1 3 视频监控系统设计标准 本方案设计涉及的所有设备和材料，除专门规定外，均依照下列标准规范进 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 行设计、制造和检验。 ( 1 ) 民用建筑电气设计规范( j g j t 1 6 9 2 ) ( 2 ) 接地装置安装( 8 6 d 5 6 3 ) ( 3 ) 电气装置安装工程施工及验收规范( g b j 2 3 1 8 2 ) ( 4 ) 全国住宅居住区智能化系统示范工程建设要点与技术导则 ( 5 ) 全国住宅小区智能小区功能配置试点大纲 ( 6 )数字化社区智能化系统总体设计方案 ( 7 ) 防雷及接地安装工艺标准( 3 2 2 1 9 9 8 ) ( 8 ) 建筑智能化系统工程实施及验收规范 ( 9 ) 安全防范系统统用图形符号( g a i t 7 4 9 4 ) ( 1 0 )智能建筑设计标准( d b j 0 8 - 4 7 9 5 ) ( 1 1 ) 中华人民共和国公共安全行业标准( g a t7 4 9 4 ) ( 1 2 ) 民用闭路电视监控系统工程技术规范( g b 5 0 1 9 8 9 4 ) ( 1 3 )国际综合布线标准( e i t 队5 6 8 ( 5 7 0 ) ) 3 2 视频监控系统基本结构 视频监控系统由摄像部分、传输部分、控制部分、显示部分等组成，可分为 前端设备和后端设备这两大结构，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分 控制设备。前、后端设备有多种构成方式，它们之间的联系( 也可称作传输系统) 可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现，如图3 1 所示。 图3 1 监控系统结构图 监控中心主要实现信令控制、媒体交换、业务管理、用户管理、设备管理、 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 网络管理、认证鉴权、统计分析等方面的功能。监控中心由中心管理单元( c m u ) 、 媒体分发单元( m d u ) 、媒体存储单元( m s u ) 、业务管理单元( s m u ) 等构成， 一个监控中心的管理范围称为一个域。c m u 、m d u 、m s u 共同完成媒体信令控 制、协议转换、媒体调度、存储、分发等功能，s m u 主要完成业务管理、用户 管理、设备管理、网络管理、认证鉴权等方面的功能，并通过相应接口与b s s 交互相应的信息。 前端设备( p u ) 负责在监控中心的控制下使用摄像机采集视频流、使用麦 克风采集音频流、使用其他监测设备采集报警信息，并对摄像机云台镜头等进行 操作。 监控客户端( c u ) 负责将采集到的视频流、音频流、报警信息提交给监控 用户，并接受监控用户提出的指令，实现对p u 设备，如云台、镜头等的操控。 c u 可细分为集中式监控客户端( 如电视墙) 、单监控客户端( 如计算机的i e 终 端) 。 监控报警系统是指在校园的校门处、主要路段、主要公共场所和宿舍区安装 监控、监听设备，通过计算机网络向监控中心提供现场实时信息。同时，监控系 统还可以进行录像、录音、报警信号采集、系统联动控制等。目前，一般校园所 采用的监控系统大多是传统的模拟监控，并结合使用长延时录像机，这种系统的 缺点是图像质量差，不便于保存，不能在计算机网络上传输和调用。而现在采用 先进的数字压缩式监控系统，实现音频和视频信号在计算机网络中的传递和系统 联动控制，在总控制室和网络平台上可以通过电子地图对报警方位快速显示，从 而提高处理突发事件的快速反应能力和校园安防水平。 校园区监控系统前端摄像机按1 6 台设计，对校区东南西三个大门，主要路 段：收发室路段、四号桥路段、保卫处路段、中山梁茅以升路段、五阶路段、明 诚堂路段、图书馆路段、电机馆教学区路段、旅游学院路段，主要公共场所：主 楼门厅、方达超市进行统一的监控。宿舍区监控系统依照不同的宿舍楼安装1 4 8 台摄像机，以每幢宿舍为监控单元，实施分布式监控，集中统一管理的安防模型。 在保卫处设置主控监控中心，其它相关单位在受权后可在局域网内浏览。 校园区监控设备功能应达到对前端射像机进行万能切换，控制云台上、下、 左、右全方位调整、控制、变焦、和缩放；录像系统采用数字式硬盘录像机全天 候图像记录，手动、定时、报警三种录像触发模式，录像资料保留7 天以上，在 需要提取证据的时候，可回放图像来浏览；系统具有较强的容错能力，不会因为 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 用户操作错误而导致系统出错、退出或死机。 因此，该视频监控系统工程建设包括前端摄像部分、视频信号传输部分、系 统记录部分、系统显示部分等组成。同时在此方案中涉及到其他的一些系统整体 的准备、供电、接地、防雷、调试等环节。基本构成图如图3 2 所示。 摄像机 云台、镜头 报警联 动设备 视频信号 矩阵切换 l 视频信号i 电视墙 主机卜一- 叫 打印机 刻录机 网络交换机l i j 视频服务器 图3 2 系统基本构成图 3 3 视频监控系统设计和设备选型原则 在系统设计和设备选型方面，遵循以下原则： 1 先进性，选用设备注重其技术领先，采用实时性强、压缩比高的音视频 服务器，彩色高清晰低照度摄像机，既可以保证网上传输占用较小的带宽，又可 以保证较高的图像传输质量。 2 稳定性，采用成熟稳定的产品，视频采集和编解码设备采用嵌入式产品， 应能保证系统7 2 4 小时不间断运行。 3 可靠性，具有设计独到的视频流量管理功能，保证网络通畅，可实行多 级操作权限管理，保证统一、规范管理，系统具有自诊断功能。 4 ，标准化，应遵循国内和国际的通用标准。系统采用的产品均要遵循t c p i p 协议和传输标准的要求。 5 兼容性，应具有很好的兼容性，能与已建成的监控点监控系统很好的融 厶 口o 6 易用性，可远程调节视频图像质量与带宽占用，可以根据需要调节帧数、 分辨率、图像质量等，支持6 4 k 2 0 4 8 k b p s 的传输码率，支持多种图像浏览方式。 软件系统应基于b s 和c s 架构的组网技术，可以方便灵活的使用。 7 实时性，视频延时小于0 5 s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 8 经济性，在确保完成系统功能的前提下，尽可能选择性价比高的产品， 降低系统总体造价。 3 4 数字视频监控系统的设计和选型 3 4 1 数字视频监控系统的摄像部分 摄像部分通常由摄像机、手动或电动镜头、云台、防护罩、监听器、报警探 测器和多功能解码器等部件组成，它们通过有线、无线或光纤传输媒介与控制中 心系统的各种设备建立相应的联系( 传输视音频信号及控制、报警信号) 。在实 际的视频监控系统中，上述所说的设备不一定同时使用，但摄像机和镜头是必需 设备。 1 摄像机 摄像机是获取监测现场图像的前端设备，它以c c d 图像传感器为核心部件， 但还需配备同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等。近年来，新型的低 成本c m o s 图像传感器有了较快的发展，但由于c m o s 图像传感器的分辨率和 低照度等主要技术指标还比不上c c d 图像传感器，因此在视频监控系统中使用 摄像机仍为c c d 摄像机。目前数字输出的摄像机使用已经很普遍了，摄像机有 黑白摄像机和彩色摄像机。黑白摄像机与彩色摄像机的性能差别比较大，如表 3 1 所示，同档次的黑白摄像机很多性能都高于彩色摄像机。若选用彩色摄像机， 由于其灵敏度较低，必须具备较好的照明条件，且后面的所有设备( 矩阵、画面 分割器、显示器等) 都必须用彩色机，整个系统的价格会更高。黑白摄像机分辨 率高，具有低照度等特点，可在红外光照下成像，因此，在视频监控系统中，黑 白摄像机仍被广泛使用。摄像机的选择，主要看分辨率、最低照度和信噪比等几 个重要的参数，当然还要考虑摄像机的附带功能、价格和售后服务等因素。分辨 率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白 相间条纹时，在监视器上能够看到的最多线数。低照度指的是当被摄景物的光亮 度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到规定值时的景物光亮度值。 信噪比指的是信号电压对于噪声电压的比值，用s n 表示，实际计算摄像机信噪 比的大小见式( 3 1 ) 。 丙s = 2 0 l g 糍 t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 一般摄像机会给出信噪比值都是在a g c ( 自动增益控制) 关闭时的值，当 a g c 接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。c c d 摄像机的 信噪比的典型值一般为4 , - 5 5 d b l 4 1 。 表3 1 黑白摄像机和彩色摄像机对比 摄像机 、 、 黑白摄像机彩色摄像机 项目 灵敏度 i m j约低1 0 倍以上 分解力同约低2 0 尺寸、重量 小大 图像观察感觉 黑白 有色彩、真实 价格低高的多 2 镜头 镜头是视频监控系统中不可缺少的部件，镜头与c c d 摄像机配合，可以将 远距离目标成像在摄像机的c c d 靶面上。 镜头种类繁多，按视场的大小可分为广角、标准化、远射镜头；按焦距可分 为短焦距、中焦距和变焦距镜头；按结构上可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈 定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三 可变镜头( 光圈、焦距、聚焦均可变) 等类型。镜头的选择直接关系到摄像质量 的优劣，因此必须合理选择镜头。 ( 1 ) 镜头参数：镜头的光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角 等参数。选择镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸相吻合。焦距决 定获得图像的大小，不用焦距的镜头对同一位置的相同物体摄像时，用长焦距镜 头获得的图像尺寸大，用短焦距镜头获得的图像尺寸小。受c c d 单元( 像素) 物理尺寸的限制，当成像小到小于c c d 传感器的一个像素大小时，就不能获得 被摄物体的图像，即使成像有几个像素大小，从图像也难分辨出相应的物体。若 已知被摄物体的尺寸和该物体到镜头的距离，则可根据公式( 3 2 ) 和公式( 3 3 ) 估算应选取镜头的焦距。 厂：丝(3-2) = 一 h 厂：丝( 3 3 5 ) ，= 【j j v 式中p 一镜头中心到被摄物体距离； h 被摄物体水平尺寸； v 一被摄物体垂直尺寸； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 u 靶面成像高度； h 靶面成像水平宽度。 ( 2 ) 相对孔径：为控制通过镜头的光通量大小，在镜头的后部都设置了光 阑( 光圈) 。若光阑有效孔径为d ，由于光的折射，镜头实际的有效孔径为d ，d 与焦距f 2 _ 比就是相对孔径a 。 彳：旦(3-4) 镜头的相对孔径由被摄像的照度决定，像的照度e 与镜头的相对孔径平方成 正比，习惯用相对孔径的倒数表示镜头光阑的大小。 ，：( 3 5 ) d 公式( 3 5 ) 中，f 称为光阑( 光圈) f 数，标注在镜头光阑调整圈上，其标 值为1 4 、2 、2 、4 、5 6 、8 、1 1 、1 6 、2 2 等序列值，每相邻两个数值中，后一 个数是前一个数的2 倍。像面照度与光阑的平方成正比，因此光阑每变化一档， 像面亮度就变化一倍，f 值越小，光阑越大，到达摄像机靶面的光通量就越大。 ( 3 ) 视场角：镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张 角称为视场角。视场角与镜头的焦距f 及摄像机靶面尺寸( 水平尺寸h 和垂直尺 寸v ) 的大小有关，镜头的水平视场角qh 和垂直视场角q 。可分别由公式( 3 6 ) 和公式( 3 - 7 ) 计算。 口 = 2 a r c t a n ( h 2 f ) ( 3 - 6 ) 口。= 2 a r e t a n ( v 2 f ) ( 3 7 ) 由公式( 3 6 ) 和公式( 3 7 ) 可知，镜头的焦距f 越短，视场角越大；摄像机 靶面尺寸h 或v 越大，视场角越大。若选择的镜头视场角太小，则可能会由于出 现监视死角；而如果镜头的视场角太大，又可能会出现被监视的主体画面尺寸太 小，很难辨认，而且画面边缘会出现畸变。因此，必须要根据具体的应用环境选 择合适视场角的镜头，才能保证既不出现监视死角，又能使被监视的主体画面尽 可能大且清晰1 5 1 。 3 云台与防护罩 云台是监控系统中不可缺少的配套设备之一，承载摄像机进行水平和垂直两 个方向转动。云台按用途可分为通用型云台和特殊型云台两大类。通用型云台又 可分为遥控电动云台和手动固定云台两类，而遥控电动云台由于其操作方便可 靠，得到了广泛的使用。特殊云台可分为防爆型云台、耐高温云台和水下云台等。 电动云台由微型电动机驱动，通过减速装置使输出轴获得所要求的转矩和速 度，带动摄像机进行各方向转动跟踪监视。电动云台的工作角度可调节微动开关 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 进行限位。由于采用了自锁能力的蜗轮蜗杆减速机构，因此当电动机停止工作时， 摄像机能立即悬停在任意工作位置，以达到使摄像机能够在设定范围内跟踪监视 对象的技术要求，借助于遥控装置还可对摄像机进行遥控。 选择云台还要考虑移动云台所承受的重量，计算出摄像机和镜头组合的总重 量加上防护罩和任何附加部件的重量，室外使用时还要考虑可能增加云台负重的 各种因素，如强风、冰雪等。室内用云台承重小，不需要防雨装置，室外用云台 承重大，有防雨装置，有些高档的室外云台还有防冻加温装置。 防护罩也叫防尘罩，其作用是保护摄像机及镜头不受有害气体、天气、灰尘 及人为有意破坏等环境条件的影响。防护罩分为室内型、室外型、空调型、防爆 型、防尘型及高度安全型、装饰型、隐蔽型等。 根据实际使用环境和具体的用途选择合适的防护罩是很必要的。室内型防护 罩的要求较低，主要起保护摄像机，能防尘，能通风，有防盗、防破坏功能。有 时也考虑隐蔽作用，不易觉察。带有装饰性的隐蔽防护罩应用也比较普遍，如带 有半球形玻璃防护罩的c c d 摄像机，外形类似照明灯具，安装在室内天花板或 墙上。室外防护罩要求较高，要能防尘、防晒、防雨、防冻、防结露和防雪，能 通风。室外防护罩一般配有温度继电器，在温度高时自动打开风扇冷却，在温度 低时能自动加热。下雨时能控制雨刷器刷雨。目前较好的全天候防护罩是采用半 导体器件加温和降温的防护罩，这种防护罩内装有半导体元件，可以自动加温和 降温，且功耗较小。 4 解码器 解码器也属于前端设备，它一般安装在配有云台和电动镜头的摄像机附近， 有多芯控制电缆直接与云台和电动镜头相联，有通信线缆( 通常为两芯护套线或 两芯屏蔽线) 与监控室内的系统主机相联，完成对摄像机镜头和全方位云台的总 线控制。 同一视频监控系统中有若干个解码器，每个解码器上都有一个拨码开关，通 过它设置该解码器在该系统中的i d 号，在设置解码器的i d 号时，必须与系统中 对应的摄像机i d 号一致，否则会出现操作混乱。 c c d 摄像机现已处于成熟期，灵敏的、图像分辨率、图像还原性等都己达 到很高水平。由于彩色摄像机的分辨率和图像视觉效果上的优势，它在视频监控 系统中的使用率在不断的提高。 摄像部分是监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”，它把监视的内容 变为图像信号，传送到控制中心的监视器上，摄像部分的好坏及它产生的图像信 号质量将影响整个系统的质量，它安装在监视现场的某一位置，使其视场角覆盖 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 整个被监视的各个部位。若被监视场所面积较大，为节省摄像机的数量和简化传 输系统及控制与显示系统，在摄像机上加装电动的可变焦距镜头，使摄像机所能 观察的距离更大、更清楚，而且还把摄像机安装在电动云台上，通过控制器的控 制，让云台带动摄像机水平和垂直旋转，使摄像机能覆盖到的角度和面积更大。 摄像部分的主体是摄像机，其性能和安装方式是决定系统质量的重要因素。 在选择监控用摄像机时，要求监视目标的环境最低照度应高于摄像机要求最低照 度的1 0 倍以上。通常黑白监视器监视目标最低照度不应小于1 0 1 x ，彩色监视器 监视目标最低照度不应小于5 0 1 x ，零照度环境下宜采用红外光源或其他光源。摄 像机的安装方式有固定和带云台两种。 防护罩分为室内型和室外型，室内型主要是防尘，也有的起隐蔽作用，室外 型主要是防晒、防雨、防尘、防冻等。一般的室外防护罩都有温度继电器，在温 度高时自动打开风扇冷却，温度低时自动加热；下雨时可以人工控制雨刷器刷雨： 有的室外防护罩玻璃还可以加热，当上面有结霜时，可以加热除霜。 云台是安装、固定摄像机的支撑设备，分为水平和全方位云台。水平云台适 用于监视范围不大的情况，在水平云台上安装好摄像机后可调整摄像机俯仰的角 度，达到最好的监视角度后可遥控水平旋转。全方位云台适用于对大范围进行扫 描监视，可以增加摄像机的监视范围。 本系统通过在各个需要监控的地方设置的摄像机采集到清晰的图像信号，摄 像机的选用要遵循技术指标和美观相结合的原则，考虑到监控范围的大小和监控 对象的类型，室外采用高速旋转摄像机采用圣普力s a p 8 0 0 5 8 5 l c s p 2 6 c b 一体 化型高速球型摄像机，配置全球型高速云台，内置解码器，含多种协议；室内采 用e v s i s i o ne v - 7 3 0 v c 红外摄像机。所有摄像机的安装都按照美观、合理的原 则进行设计和施工。 1 圣普力s a p 8 0 0 5 8 5 l c s p 2 6 c b 一体化型高速球型摄像机 高强度双层铝合金精铸上罩，耐高温、抗腐蚀；进口亚克力球罩，透光率 高，图像无失真；o s d 英文屏幕菜单功能，可显示预置位标题、摄像机地址等； 可选择多区域屏蔽功能，6 条可编程巡航轨迹，具有自学习功能，1 2 8 个预置位； 集成多协议、波特率可选：采用a c 2 4 v 电源时可实现外同步。 2 e v s i s i o ne v - 7 3 0 v c 红外摄像机 集摄像机、防护罩、镜头、红外线灯于一体；抗干扰功能强大、图像显示效 果稳定；环境变化自动控制功能；真正的2 4 小时全天候监控；自带支架、镜头、 安装简易；全黑环境设计，自动感应红外线防水功能；高品质、高清晰度、低功 耗；采用世界最先进数字信号处理( d s p ) 提供更好的画面质量和更先进的功 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图3 - 3 圣普力s a p 9 0 0 5 8 5 l c s p 2 6 c b 一体化型高速球型摄像机 图3 4e v s i s i o ne v - 7 3 0 v c 红外摄像机 3 4 2 数宇视频监控系统的传输部分 由前端摄像机摄取的视频电视信号、监听探测器拾取的声音信号、报警探测 器发出的报警信号以及主控设各向前端设各传送的控制信号以及供电电源等，都 要通过一定的传输媒体进行传送。视频信号传输方式有两大类，一种是用电缆传 输的有线方式，有一般同轴电缆、平衡对电缆、光缆、电话线、网络线等；另一 种是用超高频、微波、毫米波等进行传输的无线方式【6 。在一些较复杂的闭路电 视监控系统中，可以同时使用多种传输系统。视频信号的各种传输方式的比较见 表3 - 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 表3 - 2 视频信号传输方式 传送距离 分类传送媒体方式名称特征 ( k m ) 一般同轴电缆 0 1 5 电缆补偿 比别的传输方式 视频基经济 i f 带a g c 报警， 平衡电缆对o 5 6 0平衡电缆对传输 不易受外界干扰 有 一般同轴电缆o 5 2 0 低载波f m 传输不易受外界干扰 线视频信c a t v 传输( a m 方 c a t v 同轴电缆 0 5 1 0 多路传输 传号调制 式) ( 2 7 路传输) 输( 模拟 多路传输，不易 c a t v 同轴电缆 o 。5 1 0 c a t v ( 4 路传输) 信号)受外界干扰 光缆o 5 1 0光传输不受电气干扰 数字调 电话线1 0 以上 静止图像传输远距离传输 制 微波传输( f m 方 空间1 2 g h z 1 1 0 0 高清晰图像传输 式) 无视频信 线号调制 无线i t v 传输( 窄 空间u h f o 1 0 带) ( 视频a m 音频经济的无线传输 传 f m ) 输 脉冲编不受电波管理的 空间光波0 - - - 3光传输 码限制 由于窄带传输方式在技术性能方面存在若干问题，而且受到无线电管理部门 的限制，因此几乎所有的闭路视频系统都用有线传输方式。有线传输方式的类型 有多种，在中短距离信号传输中常用的是同轴电缆对视频基带( 信号原来的基本 频带) 的传送方式【7 】【8 1 ，视频电缆传输是最简单的传输方式。 目前常用的控制信号的传输方式有如下几种。 1 控制中心直接把控制量送入被控设备的直接控制方式，这种方式简单、 直观、容易实现，在现场设备较少，主机是手动控制时适合选用，但在被控制的 云台、镜头数量多时，控制线缆数量多，线路复杂，因此在大系统中不采用。 2 控制中心把控制命令编成二进制或其他方式的并行码，由多线传送到现 场的控制设备，由它转换成控制量来对现场摄像设备进行控制的多线编码的间接 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 控制方式。这种方式比直接控制方式用线少，在近距离控制中常采用。 3 规模较大的电视监控系统大多采用串行编码的间接控制，它单根线路就 能传送多路控制信号，可节约线路费用，在没有中继的情况下通信距离可达l k m 以上，在有中继的情况下可达l o k m 以上。 4 控制信号和视频信号复用一条电缆的同轴视控传输方式，这种方式不需 要另铺设控制电缆。它可以通过频率分割( 把控制信号调制在与视频信号不同的 频率范围内，同视频信号_ 起传送，到现场后再把它们分解开) 或利用视频信号 场消隐期间传送控制信号。这种方法在短距离传送时明显比其他方法好，但设备 的价格较昂贵。 传输部分是系统图像的信号通道，其主要传输的内容是图像信号、声音和控 制信号。监控现场和控制中心是有一定距离的，前端设备到控制中心需要传输图 像信号，从控制中心要传送控制信号到前端设备，因此传输系统所承担的传输任 务包括视频信号和控制信号的传输，传输系统包括所用的线路介质和收发设备， 有时收发设备会集成在其他的一些设备中。对图像信号的传输重点要求在图像信 号经过传输系统后，不产生明显的噪声、失真，保证原始图像信号的清晰度和灰 度等级没有明显下降。从表面看，传输部分只是一些线路，但线路直接影响着信 号的传输距离和质量，在设计过程中应满足路由短截、安全可靠、施工维护方便； 要能避开恶劣环境条件或易使管线损伤的地段；与其他管线障碍物不宜交叉跨 越。 1 同轴电缆 一般在小范围的监控系统中，由于传输距离较近，使用同轴电缆直接传送监 控图象对图象质量的损伤不大，完全可以满足实际要求。但根据对同轴电缆自身 特性的分析，当信号在同轴电缆内传输时其受到的衰减与传输距离和信号本身的 频率有关，通常信号频率越高衰减越大。所以，同轴电缆只适合于0 - 2 0 0 米距 离传输图象信号，当传输距离超过2 0 0 米时，图象质量将会明显下降，特别是色 彩变得暗淡，有失真感。在工程实际中，为了延长传输距离，要使用同轴放大 器。同轴放大器对视频信号具有放大功能，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，使接收端输出的视频信号失真小，传输距离远。同 轴放大器也不能无限制级联，一般在一个点到点系统中同轴放大器最多只能级联 1 到2 个，否则无法保证视频传输质量，并且调整起来也很困难。因此，在监控 系统中使用同轴电缆时，为了保证有较好的图象质量，一般将传输距离范围限制 在二百米左右，即节约成本又不需要放大补偿。同轴电缆在监控系统中传输图象 信号存在着以下一些缺点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 ( 1 ) 同轴电缆本身受气候变化影响大，图象质量也会受到一定影响； ( 2 ) 同轴电缆较粗，在密集监控应用时布线不太方便； ( 3 ) 同轴电缆一般只能传视频信号，如果系统中需要同时传输控制数据、 音频等信号时，则需要另外布线； ( 4 ) 同轴电缆抗干扰能力有限，无法应用于强干扰环境； ( 5 ) 同轴造价比较高，同轴放大器也不便宜。 2 双绞线 双绞线的使用由来已久，在很多工业控制系统中和干扰较大的场所以及距离 较远的传输中都使用了双绞线，今天广泛使用的局域网也是使用双绞线对。双绞 线之所以使用如此广泛，是因为它具有抗干扰能力强、布线容易、价格低廉，而 且经过放大补偿传输距离远等许多优点。双绞线对信号也存在着较大的衰减，视 频信号如果直接在双绞线内传输，也会衰减很大，只能传输5 0 - 6 0 米。所以视 频信号在双绞线上要实现远距离传输，必须进行放大和补偿，全自动双绞线视频 传输设备就是完成这种功能。加上一对全自动双绞线视频收发设备后，可以将图 象传输到l m 1 8 k m 。双绞线和全自动双绞线视频传输设备价格都很便宜，不但 没有增加系统造价，反而在距离增加时其造价与同轴电缆相比下降了许多。所以， 监控系统中用双绞线进行较远距离传输具有以下明显的优势： ( 1 ) 传输距离远、传输质量高。由于在全自动双绞线收发器中采用了先进 的处理技术，极好地补偿了双绞线对视频信号幅度的衰减以及不同频率间的衰减 差，保持了原始图象的亮度和色彩以及实时性，在传输距离达到l k m 或更远时， 图象信号失真较小。 ( 2 ) 布线方便、线缆利用率高。一对普通电话线就可以用来传送视频信号。 另外，楼宇大厦内广泛铺设的5 类非屏蔽双绞线中任取一对就可以传送一路视频 信号，无须另外布线，即使是重新布线，5 类缆也比同轴缆和光纤容易。此外， 一根5 类缆内有4 对双绞线，如果使用一对线传送视频信号，另外的几对线还可 以用来传输音频信号、控制信号或其它信号，提高了线缆利用率，同时避免了各 种信号单独布线带来的麻烦，减少了工程造价。 ( 3 ) 抗干扰能力强。双绞线能有效抑制共模干扰，即使在强干扰环境下， 双绞线也能传送极好的图象信号。而且，使用根缆内的几对双绞线分别传送不 同的信号，相互之间不会发生干扰。 ( 4 ) 可靠性高、使用方便。利用双绞线传输视频信号，在前端要接入u t p 信号转换设备，在控制中心要接入全自动双绞线视频传输设备。这种双绞线传输 设备价格便宜，使用起来也很简单，即插即用，无需专业知识，也无需其他的操 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 作，一次安装，长期稳定工作。 ( 5 ) 价格便宜，取材方便。由于使用的是目前广泛使用的普通5 类非屏蔽 电缆，购买容易，而且价格也很便宜，给工程应用带来极大的方便。 3 光纤 光纤和光端机应用在监控领域里主要是为了解决两个问题：一是传输距离， 是环境干扰。双绞线和同轴电缆只能解决较短距离、小范围内的监控图象传输 问题，如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图象信号则需要采用光纤传输方 式。另外，对一些超强干扰场所，为了不受环境干扰影响，也要采用光纤传输方 式。因为光纤具有传输带宽宽、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响小等诸 多优点，一根光纤就可以传送监控系统中需要的所有信号，传输距离可以达到上 百公里。光端机为监控系统提供了灵活的传输和组网方式，信号质量好、稳定性 高。不过，使用光纤和光端机需要一定的专业知识和专用设备，这给工程施工和 用户使用带来了一定的困难。另外，对于短距离、小规模的监控系统来说，使用 光纤传输也显得不够经济。 4 无线传输 无线传输又称为开路传输方式，是将传输信号调制到高频载波上，通过发送 设备、发送天线将信号送至空间，而后由相应的接收机从天线接收到信号进行解 调、处理后在进行显示。当摄像机或检测点处于经常移动状态，有线连接很不方 便甚至不可能时，采用这种方式非常有效，但距离一般不要超过5 0 0 米，因为 开路传输时高频信号容易辐射干扰到周围临近地区，这是不允许的。因此发射机 功率要严格控制，在有金属屏蔽的建筑物或厂房内使用最好。当传输距离比较 远，达到几公里以上而架设电缆有不方便或不容许时，采用微波比较有利。其优 点是：不需要铺设电缆，施工工作量小；设备架设灵活，移动方便，图像质量高， 可以双工传输。其缺点是：维护技术的水平要求高；一路信号要一套微波手法设 备，系统维护费用增加很多；如果检测点需要遥控，则需要另里一套遥控信号系 统；当需要传送的信号路数比较多而传输的方位角又比较窄时，容易产生交叉干 扰从而产生限制了信号的路数；发送和接收两端一定要在可视直线范围内，中间 不能有物体阻挡；需经无线电管理委员会核准。距离比较近时可采用小功率无 线发送和接收设备，距离较远的传输则采用微波传输方式。 在本系统中，根据校区的环境和网络资源情况，前端的摄像机直接用同轴电 缆与控制主机连结，控制主机通过现有校园网的光纤链路及双绞线链路和监控中 心相连结；本系统的网络信号、视频信号、控制信号分别采用非屏蔽双绞线和 7 5q 同轴电缆进行传输，独立线槽或圆管敷设，避免电磁场干扰和外界破坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 3 4 3 数字视频监控系统的控制部分 主控系统设备包括对前端系统的控制设备和对安全防范现场前端设备传送 回来的视频电视信号、声音信号和报警信号进行处理、显示和传送的设备。通常 使用的主控系统设备有：多媒体计算机，视音频切换器、视频分配放大器、云台 镜头控制器、画面分割器或多画面处理器、数字视频场开关、字符发生器、视频 报警器、矩阵系统控制主机、控制键盘、录像机、显示器( 或电视机) 、视频打 印机、摄影仪、联动控制器、警灯、警号、直流稳压电源、u p s 交流净化稳压电 源或交流净化稳压电源、控制台和电视柜( 电视墙) 等设备组成。 微处理器、单片机的功能和性能的提高，各种专用l s i c 、a s i c 的出现和多 媒体技术的应用，使系统控制设备在功能、性能、可靠性和结构等方面都发生了 很大的变化。视频监控系统的构成更加方便、灵活，与报警和出入口控制系统的 接口趋于规范，人机交互界面更加友好。 视频矩阵最重要的功能是实现对输入视频图像的切换输出，也就是将视频图 像从任意一个输入通道切换到任意一个输出通道显示1 9 1 。一个m x n 矩阵表示它 可以同时支持m 路图像输入和n 路图像输出。一个矩阵系统的功能包括：字符 信号叠加、解码器接口、报警器接口以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘。 如果需要更大容量的矩阵系统，可通过多台矩阵系统级联实现。矩阵容量越大， 所需技术水平越高，实现难度越大，由于数字技术的高速发展，软硬件水平的提 高，使基于数字技术的视频矩阵方案能够得以实现，数字视频矩阵是视频矩阵的 发展趋势。 按实