（环境工程专业论文）数字视频监控系统的研究与实现.pdf

摘要 随着计算机网络和通信技术、多媒体技术的快速发展，视频监控系统也从模拟 视频监控向数字视频监控发展。数字视频监控系统是融合了数字电视技术，计算机网 络技术和通信技术的全新的视频监控系统。数字监控系统具有传统模拟监控系统无法 比拟的优点，它可以实现在互联网上的传输，方便系统的构成和联网。而且符合当前 信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势。 本论文首先对视频监控系统进行了简单的介绍，内容主要包括视频监控系统的 概念、视频监控系统的发展历程、视频监控系统的应用并对视频监控系统的发展趋势 进行了预测；其次，通过阐述视频监控系统的系统组成结构、系统主要设备的性能特 点、技术指标的参数，说明数字视频监控系统的功能、优点，并结合视频监控的发展 状况对目前广泛使用的四种数字视频监控系统进行了研究，同时给出了视频监控系统 的设计方法和步骤；最后，结合自己对数字视频监控系统的研究和工程实践经验，设 计了一个实际大楼的数字视频监控系统，目前已经成功的应用于该大楼的日常安全防 范和保卫工作中。 关键字：视频监控、数字视频监控系统、数字硬盘录像机、视频服务器 a b s t r a c t 、7 1 7 i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , t h ev i d e om o n i t o rs y s t e mi sd e v e l o p i n gf r o ma n a l o g yv i d e om o n i t o rs y s t e mt o t h ed i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m t h ed i 【g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mi san e wv i d e om o n i t o r s y s t e mt h a tw h om e 唱e dd i g i t a lt vt e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o g e t h e r t h ed i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mh a sm o r ea d v a n t a g e t h a nt r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o rs y s t e m f o re x a m p l e ，t h ev i d e oc a l lb et r a n s m i t t e do nt h e i n t e m e t ，a n dt h es y s t e mc a nb ee a s i l yb u i l ta n dn e t w o r k e d a n dd i g i t a lv i d e om o n i t o r s y s t e mi sa c c o r dw i t hd i g i t i z a t i o n ，n e t w o r k e da n di n t e l l i g e n td e v e l o p m e n tt r e n di n t h i s i n f o r m a t i o n i n t e n s i v es o c i e t ya tp r e s e n t t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ev i d e om o n i t o rs y s t e ms i m p l ya tf i r s t ，m a i n l yi n c l u d e s t h ec o n c e p to ft h ev i d e om o n i t o rs y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e om o n i t o r s y s t e m ，t h e a p p l i c a t i o no fv i d e om o n i t o rs y s t e ma n dp r e d i c t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ev i d e o m o n i t o r s y s t e m ；s e c o n d l y , e x p l a i n i n gt h es t r u c t u r eo ft h ev i d e om o n i t o rs y s t e m ， c h a r a c t e r i s t i co ft h ee q u i p m e n to fv i d e om o n i t o r , p a r a m e t e ro ft h es y s t e m ，t h e nt os h o wy o u t h ea d v a n t a g ea n df u n c t i o no ft h ed i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m ，a n dr e s e a r c h e dt ot h et h r e e k i n d so fd i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e mt h a tu s e de x t e n s i v e l ya tp r e s e n t ，a tt h es a m et i m e p r o v i d et h ed e s i g nm e t h o da n ds t e p so ft h ev i d e om o n i t o rs y s t e m ；f i n a l l y , c o m b i n e dw i t h m yr e s e a r c ha n dp r a c t i c a le x p e r i e n c eo ft h ep r o j e c tt ot h ed i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m ，i d e s i g n e dar e a ld i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m ，a n dh a sa l r e a d yu s e ds u c c e s s f u l l ya tp r e s e n t k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r , d i g i t a lv i d e om o n i t o rs y s t e m ，d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) ， v i d e os e r v e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歹茏r z b 娜年厂口月，z 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：棚7 剽年r 口月，z 日 导师签名： 为p 扩年，o 月2 日 长安大学硕士研究生论文 1 i 视频监控系统简介 第一章绪论 经济的飞速发展促使人们不断的提高安防意识，特别是恐怖事件的发生也要求着 人们对安全环境的建设提出了更高的要求。安全防范技术简称“安防”是指以维护社会 公共安全和预防、制止重大治安事故为目的，综合运用安全防范产品和其它产品组成 的电子系统或网络。安全防范具广泛的社会性，涉及到全社会的各个领域和部门。所 以提高全社会各行业、各种场所的安全防范自动化水平具有深远的意义，加强安防措 施势在必行，尤其提高技防手段、实现安全防范自动化是现代社会的需求。 作为安全防范系统的组成部分，视频监控是一种防范能力较强的综合技术，因其 直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用。视频安防监控系统是利用视频探测技术、 监视设防区域并实时显示、记录现场图像的电子系统或网络。它分为模拟视频监控和 数字视频监控。模拟视频监控系统是除显示设备外的视频设备之间以端对端模拟视频 信号传输方式的监控系统；数字视频监控系统是除显示设备外的视频设备之间以数字 视频信号方式进行传输的监控系统。由于使用数字网络传输，所以又称网络视频监控 系统。 技术的进步也促使着视频监控的发展，随着i n t o n e r 的发展，视频监控也从模拟 视频监控向数字视频监控发展。这是因为在有的行业或领域需要大范围的进行监控， 而传统的监控技术不能满足其需求。同时由于网络的大范围普及，远程监控通过互联 网则能实现。现在的互联网在要求高的地方则实现了光缆的连接，则其传输图像的速 率和质量将是优于普通的视频线的。再者，凡是有网络的地方就能构建数字视频监控 系统。由于省去了传统的布线和线路维护费用，使得数字视频监控系统的安装成本大 大降低。对于使用者来说，数字视频监控还不受时间、地点限制，即插即用，方便快 捷。 因此，研究数字视频监控系统将有着非常重要的意义。 第一$ 绪论 1 2 视频监控系统的发展历程 视频监控系统，以往也被称作闭路电视监控系统。顾名思义，它是与闭路有线电 视技术密切相关的。因此，早期的视频监控技术可以说是闭路有线电视的微缩版。随 着计算机网络技术、数字电视技术和通信技术的融合，数字视频监控技术无论从技术 的先进性、可靠性、实用性和简便性上都大大超过以往的监控系统。视频监控系统的 发展经历了三个不同阶段：模拟视频监控、多媒体微机平台( 嵌入式系统) 的数字 视频监控、基于嵌入式网络视频服务器技术的数字化视频监控。“嘣1 121 模拟视频监控 模拟视频监控系统发展较早，目前常称为第一代视频监控系统，其系统特点为： 1 1 视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式，质量最高。 2 1 经过几十年的发展，技术成熟系统功能强大、完善。 如图l1 为一典型的模拟视频监控系统，通常由模拟摄像机、视频矩阵、控制键 盘、磁带式录像机、电视培等设备构成，系统视频信号传输采用同轴电缆传输并由控 制主机进行模拟信号处理。 n ：lj 女j l 图1 1 模拟监控系统构成图 系统存在以下缺点： ( 1 ) 监控范围小，通常适合于小的区域 电觇墙 带式像i ，【 粪 长安大学硕士研究生论文 监控模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的 距离不大于1 0 0 0 m ，距离大于1 0 0 0 m 时，信号容易产生衰减、畸变，并且易被干扰， 导致图像质量下降，即使增加相应视频放大设备也不能很好地保证视频质量，这就决 定了模拟监控只适用于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所； ( 2 ) 布线工程量大，系统的扩展能力差 对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备 也很难添加到原有的系统之中； ( 3 ) 信息存储不方便 系统用长时间录像机( 时滞录像机) 作为存储工具，磁带为存储介质，这种方法不 仅记录信息量有限，数据的存储会耗费大量的存储介质，而且磁带易变形，磁头、磁 带间磨损大，加上采用模拟信号方式记录读取，图像往往会严重失真。 1 2 2 基于微机平台的数字视频监控 d v r 即是d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ，数字视频录像机或数字硬盘录像机，我们习惯 上称为硬盘录像机。采用d v r 的视频监控系统是近几年迅速发展的第二代监控系统， 采用微机和w i n d o w s 平台，在计算机中安装视频压缩卡和相应的d v r 软件，不同型 号视频卡可连接1 2 4 等路视频，支持实时视频和音频，是第一代模拟监控系统升级 实现数字化的可选方案，实现远程视频传输( 超过1 2 公里) 的系统。采用d v r 的 视频监控系统特点为：n 们 a 视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式，质量较高 b 系统功能较为强大、完善 c 与信息系统可以交换数据 d 应用的灵活性较好 采用d v r 的视频监控系统从监控点到监控中心为模拟方式传输，与第一代系统 相似存在许多缺陷，要实现远距离视频传输需铺设( 租用) 光缆、在光缆两端安装视 频光端机设备，系统建设成本高，不易维护、且维护费用较大。 随着信息处理技术的不断发展，嵌入式d v r 系统近几年异军突起，由于其可靠 性高、使用安装方便在银行系统应用特别广泛，我们通常称嵌入式d v r 为2 5 代监 3 第一章绪论 控系统。 1 2 3 基于视频服务器的网络化数字视频监控系统 网络数字视频监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号，通过计算机网络 来传输，通过智能化的计算机软件来处理。系统将传统的视频、音频及控制信号数字 化，以i p 包的形式在网络上传输，实现了视频音频的数字化、系统的网络化、应用 的多媒体化以及管理的智能化。实现网络数字视频监控的设备就是视频服务器。 视频服务器对音视频数据进行编码处理并完成网络传输，从而实现远程监控的功 能。具有独立完成网络传输功能，不需要另外设置计算机，故其能实现简单的i p 方 式组网，是传统的模拟监控所无法实现的。每部网络视频服务器具有网段内唯一l p 地址，通过网络连接方便方便对该设备( i p 地址) 进行控制管理，也即通过i p 地址 识别、管理、控制该网络视频服务器所连接的视频源，故其组网只是简单的i p 网络 连接，新增一个设备只需要增加一个i p 地址，极大的方便了原由模拟系统的网络升 级改造和其他网络需求情况。 网络视频服务器具有传统设备所不具备的诸多特点，具体表现如下： ( 1 ) 将多通道、网络传输、录像与播放等功能简单集成网络，这点对目前的h 2 6 4 网络型硬盘录像机而言也很容易实现，但是两种产品的基本功能不同也导致了其应用 场合不同，目前对于模拟阶段及第一代的网络性能不好的设备而言，网络视频服务器 可以提供较低成本的解决方案。 ( 2 ) 网络视频服务器通过网络技术，可以在实现只要能上网的地方就可以浏览 画面，采用配套的解码器则可以不需要计算机设备直接传输到电视墙等方式浏览，极 大的节约了远程监控的成本。 ( 3 ) 网络视频服务器的多协议支持，与计算机设备进行完美的结合，形成更大 的系统集成网络，完成数字化进程。 1 2 4 全数字化网络视频监控系统 随着电子技术功能的不断强大和集成水平不断提高，以及网络的普及和网络技术 的不断发展，出现了应用网络技术开发的远程监控系统。这种系统采用的网络监控产 品包括：网络摄像机、网络高速球、网络视频接入器等，它们的输出即为全数字信号 4 长安大学硕士研究生论文 并可直接上网传输与控制。它采用嵌入式结构，现场无需p c 机支持；可全天2 4 小时 运行、稳定可靠；内置w e b 服务器，使网上授权监控者均可对其进行访问；可充分利 用网络资源和功能，实现互联互通，构建大系统方便，并可实现远程监控等。 1 3 视频监控的应用及发展趋势 随着视频监控技术在各行业的应用不断深入，视频监控系统已广泛应用于房地 产、连锁系统、医疗行业、金融行业、环境监测、电力、民航、奥运及一些需要进行 图像远程监控、传输、存储和管理的行业。但是随着社会的发展视频监控也已经广泛 应用于建立平安城市、平安校园和构建和谐社会中。 在“平安城市工程、技术和成本的改善以及奥运会、世博会等的推动下，视频 监控市场快速发展，传统的模拟监控逐步萎缩，而数字监控逐步成为主流，网络监控 稳步增长。预测系统未来5 - 1 0 年的技术发展趋势包括：网络化监控、视频分析、大 容量存储、红外低照度成像技术、百万像素、全景监控、家庭远程监控和统一的网络 摄像机编解码技术。瞳田 ( 1 ) 网络化监控 网络化监控相对模拟监控系统而言，可以称之为数字化监控，一个纯粹的网络化 监控系统应该由网络摄像机( 支持p o e 供电) 、局域网( 或互联网) 、网络硬盘录像机、 视频管理软件、大容量存储设备、服务器、数字化大屏幕和虚拟矩阵控制主机组成。 ( 2 ) 视频分析 传统的监控系统采用人工的监视和回放，起到的作用主要是事后防范，毕竟人的 眼睛能够同时处理的图像信息太少，监视器和摄像机太多，一般情况下出现了问题， 由保安人员按照事件发生的时间一个一个的调阅录像资料，发现相关的图像资料后再 进行处理，起不到事先预警和及时处理的作用。故视频分析软件系统就是这种实现预 警的系统。 ( 3 ) 大容量存储 随着监控系统规模的不断扩大，摄像机的数量越来越多，出现了上百个、上千个 甚至上万个摄像机，模拟摄像机的分辨率也从3 8 0 线升级到5 4 0 线甚至更多，网络摄 5 第一章绪论 像机的分辨率从1 0 0 万像素发展到3 0 0 万像素，硬盘录像机的分辨率从c i f 升级到 d 1 分辨率，录像的时间也从从前的7 天升级到9 0 天甚至更多，而这些所有的因素都 需要大容量存储设备。 ( 4 ) 红外低照度成像技术 在光线照度有保障的区域，比如2 4 小时开照明灯的办公室、工厂可以实现2 4 小 时不间断的监控和录像，但如果是户外环境或者低照度环境一般只能够做到1 2 个小 时的监控和录像，这样的监控系统的效率可以被认为是5 0 ，而且很多警情就出现在 这些没能够实现监控和录像的时间段，怎么有效的解决这个问题昵? 两种方法：采用 低照度的摄像机和采用带红外灯的摄像机。 ( 5 ) 百万像素 采用传统的模拟摄像机一般能够达到的分辨率最高到5 4 0 线( 或者再高一些) ， 如果换算成像素值，大约在5 0 万像素左右，所以不论硬盘录像机本身的参数有多高， 能够实现的监控效果大约就是5 0 万像素，而且目前硬盘录像机录像和实现的最高效 果是d 1 ，分辨率为7 0 4 x 5 7 6 ，计算成像素约为4 0 万像素，而数码相机的像素动则5 、 6 百万像素，甚至千万像素，故监控系统在像素方面的发展余地很大，要实现高清监 控，一定需要百万像素级的摄像机。 ( 6 ) 全景监控 在一只摄像机采用一个摄像头的情况下，监控到的图像是有一定视角范围限制 的，广角摄像机能够达到的最大监控视角约为1 3 0 度，无法实现1 8 0 度的监控，更不 用说实现3 6 0 度的监控。在有些情况下，需要摄像机能够监控到连续范围内环境的情 况( 比如工厂的生产线、大型的停车场、边防站) ，这种应用就需要全景监控，需要 采用全景摄像机，全景摄像机有多种实现方法，其中一种方法是采用鱼眼镜头，另外 一种方法就是一台摄像机内置2 句个摄像头实现全景监控。 ( 7 ) 家庭远程监控 监控系统从工业及商业级应用扩大到民用是一个自然的过渡，随着人们生活质量 的不断提高和宽带技术的发展也使得家庭远程监控从技术上得以实现。在世界范围 内，应用最广的家庭系统就是家庭报警系统，而报警系统是一种静态的、基于信号的 系统，是无法看到视频信号的，而将监控系统和报警系统进行组合和集成，为家庭业 6 长安大学硕士研究生论文 主提供一整套的安防系统，大大的提高了“家”的安全性，一旦发生警情，接警中心 可以通过视频信号判断警情的类型，是否误报等等，提高了处理的效率，业主也可以 随时随地通过网络或者手机进行远程监控，能够实现多种的应用。 家庭远程监控为家庭安防系统带来深远的影响，必将成为家庭安防系统不可或缺 的一部分。 ( 8 ) 统一的网络摄像机编解码技术 “一流的企业制定标准 是我们所熟知的一条道理，在模拟监控系统中，不管是 哪个厂家生产的摄像机，它的视频信号接口一定是标准的b n c 接口，也就是说，构 建一个监控系统，你可以选择任意品牌、任意厂家的任何一款摄像机，都可以通过标 准的接口和线缆将图像传送至后端的监控中心，而后端的监控中心通过标准的b n c 接口可将图像信号还原，但是这种统一的视频传输标准并不适用于网络摄像机。 1 4 数字视频监控技术的特点 传统的模拟监控系统是在铜缆介质上传输基带视频信号，具有传输距离短、抗干 扰能力差、图像存储检索不方便等缺点。随着视频压缩技术以及计算机网络技术的不 断发展，特别是网络带宽的不断提高，使得数字视频监控系统应用的不断拓展变得顺 理成章。这主要是因为它具有以下特点：潘1 1 ) 数字视频监控系统将画面分割、多画面混合、远程访问、视频图像的记录全 部集成在数字视频服务器中。有了它，视频摄像机只需要直接连到数字视频服务器的 接口即可，比模拟系统需要安装多个设备和通过电缆互连进行配置要容易许多。 2 ) 数字视频监控系统提供远程访问能力，这意味着从世界上任何有通信线路的 地方，用户能够通过一个网络连接到他们的数字视频服务器，从而能在他们选择的p c 计算机上观看到所需的视频图像，连接的网络既可是局域网也可是广域网，也可以是 一个通过电话线的拨号网络。而模拟系统则是不可能远程观看到视频图像的。 3 ) 数字视频监控系统的另一个优点是取消了视频录像带。与记录在视频录像带 上不同，数字视频监控系统是将视频图像记录在视频服务器中的计算机硬磁盘上，其 最大优点是既能够提高存储图像的清晰度，又能够快速检索到所存储的图像。模拟录 7 第一章绪论 像带的分辨率通常为2 4 0 线，最高也就3 0 0 线，这与前端摄像机具有4 8 0 线的图像 分辨率显得不相称，致使从录像带放出图像往往不够清晰，影响到使用的效果。相反， 记录在硬盘上图像的分辨率能够达到近5 0 0 线，图像的清晰度高。为了看到感兴趣的 视频图像，仅需键入需要的时间值和摄像机号，几秒钟后通过搜索硬盘即可将结果显 现在计算机的显示器屏幕上，根据需要，可以打印它、在网上以e m a i l 发送，也可 将其继续保存在硬盘，或者从硬盘中将其删除。 4 ) 可靠性是选择数字视频监控系统而不选择模拟视频监控系统的另一个关键因 素。采用数字视频监控系统，故障率大大降低。而视频录像带则易遭破坏或磨损。此 外，数字视频监控系统的运行是完全自动的，不需要人为介入。即使发生电源故障， 数字视频监控系统具有的自举( r e b o o t s ) 功能也可迅速恢复电源中断前系统正在进行 的工作。 5 ) 数字视频监控系统的潜在效益要比模拟视频监控系统大得多。 6 ) 从战略上考虑，模拟视频监控装置发展到今天已近极限，技术发展空间受到 较大的限制。若要满足未来更高的要求和更多的挑战，必须另辟新径。数字化设备由 于具有失真小、精度高、传输特性好、抗干扰性能强等特点和易于大规模生产的优势， 因此成为转型的必由之路和当然途径。 1 5 本论文主要的研究内容 视频监控系统在维护公共安全和社会稳定、保障人民群众生命财产安全、预防打 击各类违法犯罪行为，提高突发事件应急能力方面扮演着越来越重要的角色。作为一 名工程硕士，结合自己所在行业，主要研究的内容是如何设计及构建大楼、住宅小区 以及建筑工地的视频监控系统，从而保证大楼内科研工作人员、住宅小区内居民以及 建筑工地内参工人员的生命财产安全。 8 长安大学硕士研究生论文 第二章数字视频监控系统的研究 视频监控系统属于应用电视，作为一种有效的观测工具，通过在建筑的公众区( 如 大厅、停车场、商场、客房走廊等) 、设备间( 如电梯间、水电设备间) 及其他重要场所 ( 比如财务室、商品库、金库等) 设立监视区，对其情景状态进行监视，实时、形象、真 实的反映楼内各种设备的运行和人员活动，以便及时观察到该区域发生的紧急事件 ( 如盗窃、险情等) ，为保安、消防、楼宇自控等部门提供决策依据，从而达到维护治安、 保障安全的目的。视频监控系统与广播电视的相同之处是采用同轴电缆e 或光缆) 作为 电视信号的传输介质，并不向空间发射频率。视频监控系统与广播电视的不同之处在 于其信息来源于多台摄像机，多路信号要求同时传输、同时显示，除了向接收端传输 视频信号之外，还要向摄像机传送控制信号和电源，因而是一种双向的多路传输系统。 2 1视频监控系统的组成及原理 2 1 1 系统组成及结构 视频监控系统由摄像、传输、控制和显示与记录四部分组成，如图2 1 所示。n 钔 图2 1 视频监控系统的组成原理 摄像部分安装在现场，它包括摄像机、镜头、防护罩、支架和电动云台，它的任 务是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号；传输部分的任务是把摄像机发出的电 信号传送到控制中心，它_ 般包括线缆、调制解调设备、线路驱动设备等：控制中心 将信号有选择地送入显示与记录部分，显示部分把从控制中心送来的电信号转换成图 像在监视设备上显示，记录部分根据需要将监视区域的图像用录像机录制，所以显示 记录用的主要设备是监视器和录像机；控制部分则负责所有设备的控制，如控制摄像 机的焦距、光圈与图像信号的处理等。 9 第一章散字视频控系统的研究 下面逐介绍以上四部分的设备及其功能。 212 摄像部分 ( 1 ) 摄像机 摄像部分的核心是摄像机。摄像机的任务是观察、收集信息，将被摄物体的图像 转变为电信号。摄像机按摄像器材类型可分为电真空摄像器材( 即摄像管) 和固体摄像 器材( 如c c d 及m o s 器件) 两大类。由于c c d 电荷耦合式摄像机具有体积小，性能 好、寿命长等优点，在安全监视系统中应用较多。由c c d 电荷耦合器件构成的摄像 头，根据光线照射的强弱积累相应比例的电荷，在视频时序的控制下将各个像素 积累的微弱电荷变化逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号，税频信号 输出到连接的监视器或电视机的视频输入端，即可得到与摄像机原始场景图像相 同的图像信号。c c d 摄像机的灵敏度高，可靠性强能在较宽的温度环境中长期正 常工作。c c d 摄像机对红外光比较敏礴，这种光人虽然看不见， 日却能在c c d 摄像 机上呈现很清晰的图像，如果要在完全黑暗的地方进行监视，加上红外光源即可。摄 像机按颜色划分又可以划分为彩色和黑白两种类型。黑白摄像机比彩色撮像机的灵敏 度高，比较适合用于光线不足的地方，如果希望能比较清晰地反映出被观察物的细节 情况，或只监视景物的位置和移动、无识别颜色的要求，可采用黑白摄像机；如果是 一种宏观监视被监视场景色彩又比较丰富，或有分辨衣服和景物的颜色的需要，可 采用彩色摄像机。常见的摄像机如图22 所示。 ( 2 ) 镜头 件化摄像机r 球拦像# l 哦，： t 麟刈搔惮# l抢j t 摄像帆 琏焯帆 图2 2 各种类型的摄像机 带自外摄像机 上 叫络撮像机 长安大学硕士研究生论文 镜头是安装在摄像机前端的成像装置，其作用是把观察目标的光像聚焦于摄像管 的靶面或c c d 传感器件上。摄像机用的镜头有固定焦距镜头和变焦距镜头两种。所 谓定焦镜头是指该镜头的焦距在出厂时已确定，使用时焦距是不可变的。定焦距镜头 适合于摄取焦距相对固定的目标。而变焦镜头是在固定成像的情况下能够连续调整焦 距的镜头。嘲变焦距镜头可以手动变焦也可以电动变焦。 a 图2 3 透镜成像光路图 根据透镜成像光路图( 如图2 3 所示) 和几何关系推导出的物像公式可以看出，当 物距远大于像距，即l l t 时，l l = i f ，镜头的放大率m = a b a b = l l = f l ，即对 于变焦镜头来说，可根据监视需要，改变焦距将远景拉近( 视野减小) ，或将近景推 远( 视野变大) 。它与电动旋转云台组合可以对相当广阔的区域进行监视，而且还可 以对该范围内任意部分进行特写。 1 l + l l = i f 式( 2 1 ) 式中：l 一物距； l 一像距； f 一焦距。 光圈是衡量镜头通光量的参数，是镜头焦距与镜头通光孔径的比值，决定了镜头 的聚光质量。镜头光圈调节有手动和自动两种方式，应用中可根据所在环境亮度变化 大小决定是采用自动光圈镜头还是采用手动光圈镜头，具有自动可变光圈的镜头可依 据景物的亮度自动调节光圈。在一些环境照度变化不大、且监视范围固定的场合可以 选用手动调节光圈镜头，在安装时一次性整定光圈大小。在一些户外监视区域，因自 * m 颧究 然光照变化较大，常用白动光嘲，可由监视室内遥抟! ，或白动调节。 在需要改变监视区域或观察监视对象细部时，则配备电动变焦镜头调节焦距，以 便于监视室遥控。常用的电动变焦镜头有6 倍、8 倍、1 0 倍几种，其倍数指标一般表 日i 为焦距从多少毫米至多少毫米，如焦距为88 8 8 m m ，即表示l o 倍的变焦镜头。 常见的摄像机变焦镜头如图2 4 。 誊营雷 图2 4 常见的摄像机变焦镜头 ( 3 ) 五台 西台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定云台和电动石台两种。圃定i 台用于监视区范围不大的场合，使用时将摄像机同定于五台上，调整好摄像机水平、 俯仰的角度，达到最好的工作姿态，然后锁定调整机构即可。若需对大范围进行扫描 监视，则采用电动石台。电动石台的使用可咀扩大摄像机的监视范围，提高了摄像机 的使用价值。五台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水半旋转石台和既能走右 旋转又能t 下旋转的全方位云台。云台水平转动的角度为0 、3 5 0 度，俯仰角度为0 , - - 9 0 度。有的五台还有自动巡视功能。电动石台调整姿态通过两台执彳亍电动机束实现，电 动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，石台卜的摄像机 既可自动扫描监视区域，也可在监控l l 心值班人员的撵纵下跟踪临桃对象。从使用环 境上分，石台还可分为室内用云台和室外片j 0 台。选择石台的主要指标有回转范围、 承载能力和旋转速度。一般的五台均属于有线控制的电动厶台。 常用的云台如图2 5 所示。 * 安大学硕研究生论文 1 ， 高速璋式云台 a ，囊、 ( r 1 全方位云台室外重型云台 图2 5 云台 ( 4 ) 防护罩 摄像机作为电子设备，使用中需要采取一些保护措施，目的是要保证摄像机可靠 工作，同时也可延长摄像机使用寿命。防护罩就是专门为摄像机配置的具有多种特殊 保护措施的外罩。防护罩分为室内型和室外型两种，室内的防护罩主要是防尘，有的 也有隐蔽作用，使监视场合和对象不易察觉受监视。室外防护罩的功能有防晒、防雨、 防尘、防冻、防凝露等功能。一般室外防护罩还配有温度继电器，在温度高时自动打 开风扇冷却温度低时自动加热。下雨时可以人为控制雨刷器刷雨。有些室外防护罩 的玻璃可以加热，如果防护罩有结霜，可以加热除霜。 常见的防护罩和支架如图2 6 所示。 匿，璁 j f = ， 。l 。j 一 护罩 支架 图2 6 防护罩和支架 目前还有一种把云台、变焦镜头和摄像机封装在一起的一体化摄像机，如一体化 球形摄像机就是将摄像机机体、镜头、云台和解码器等组合在一起，置于一个球形或 半球形的透光外罩内，悬挂或固定在天花板上，可做到3 6 0 度旋转，并具有预置监视 点和预置巡视路径等功能，这样，平时可以按设定的路线进行自动巡视，一旦发生报 警，就能很快地对准报警点进行定点的监视和录像。 第_ 章数字视频监控系统的研究 视频监控系统中视频信号的传输方式有视频基带传送方式、射频有线传输、无线 传输、光纤传输和局域网因特网网络传输等方式。视频基带传输从摄像机至控制台 之间传输视频信号，因而传输系统简单，在定距离范围内，失真小，附加噪声低， 但传输距离不能太远，一般在几百米之内。当摄像机的安装位置离监控中心较近时， 多采用视频基带传送方式；射频传输方式是将视频图像信号经调制解调器调制到某一 射频频道上进行传送，该方式多用于传输距离远和同时传送多路信号的场合；无线传 输主要采用微波的形式通过发射台将信号发射出去，通过微波接收器将视频信号接 收，经处理后显示在监视器上；光缆传输方式是用光缆代替同轴电缆进行电视信号传 输，不仅传输距离长，传输容量大而且传输质量高，保密性好，适用于长距离的大系 统干线使用；随着网络技术和电子技术的发展，出现了网络视频服务器以及网络摄像 机，网络视频服务器或网络摄像机将前端监控点的模拟图像经数字化压缩处理后可以 基于宽带i p 网络传输，其地域范围非常广，远程监控的实施非常方便。当各摄像机 的位置距离监控中心较远时，可采用射频有线传输或光纤传输方式。旺1 图2 7 为视频信号的几种传输方式示意图。 1 4 长安大学硬目究生论女 瞳掣赢t 型卜乏卜二堕口 摄像机 t 线触踱* 愉，j l “米列n 女 目： * 悖机 目1 藏喾! 竺烹燮哟 * * m m 悸帆 l 一4 轴l u 垃忙输 h 线f i i i i i i i i l i i i ， 4 4 4 “ 奄幔机 圈2 7 撬频信号的几种传鞠方式示意图 ( 2 ) 控制信号传输 控制信号的传输方式有直接控制、多线编码间接控制、通信编码间接控制和同轴 视控等多种方式。 1 ) 直接控制 直接控制是将控制信息直接通过多路导线送至被控设备，它的特点是简单、直观、 容易实现，在现场设备比较少的情况下比较适用， 日在所控制的云台、镜头数量很多 时，需要大量的控制线缆，线路也复杂，所以目前较少采用。 2 ) 多线编码间接控制 多线编码间接控制方式是控制中心直接把控制的命令编成二进制或其它方式的 并行码，由多线传送到现场的控制设备，通过译码转换成控制量来对现场摄像设备进 行控制。这种方式比直接控制方式用线量少，在近距离控制时呵采用。 3 ) 通信编码间接控制 第。章数字视频控系统的研究 随着微处理器和各种集成电路芯片的普及，目前规模较大的视频监控系统大都采 用通信编码间接控制，这种方式可用单根线路传送多路控制信号，控制信号传送到前 端，通过终端解码器将传送来的串行数据解码还原为对摄像机和云台的具体控制信 号。通信编码间接控制节约线路费用，通信距离长，目前是一种用的较多的传输方式。 其原理图如图28 所示。 阿 摄像机 俘 摄像机 阿 摄像机 圈2 卫通信蝙码河接控制 4 ) 同轴视控 同轴视频传输方式是控制信号和视频信号复用一条电缆，不需另外铺设控制电 缆，一般是利用视频信号场消隐期间传送控制信号，或是通过频率分割，把控制信号 调制在与视频信号不同的频率范围内。然后同视频信号一起传送，到现场后再把它们 分解开。 214 显示与记录部分 显示与记录部分的主要任务是把从控制中心送来的电信号转换成图像在监视设 备上显示，并根据需要将监视区域的图像用录像机录制。所以显示记录用的主要设备 是监视器、录像机和一些视频处理设备，这些显示记录设备安装在控制室内。”1 ( 1 ) 图像监视器 i 人 砸l 究生论立 图像监视器丰要用于显不摄像机所摄的图像，在解幕上提供高分辨率、高对比度 的画谢。 图像监视器比普通电视机清晰度高，普通电视机的信号带宽约4 m h z 而图像监 视器视频信号的带宽在7 8 m h z 。另外因为视频监控系统的监视器往往需要根多个放 在一起，为了尽量减少相瓦之间的电磁干扰，图像监视器都有金属外壳，这也是与普 通电视机币的地方。监视器可分为通用型应用级和广播级随类。每娄叉有彩色和黑 白两种。在视频监视系统中丰要采用通用型监视器。在选择监视器时，应根据实际应 用需求做出选择： 屏幕的大小应根据监视的人数、要求画面的分辨程度和监视人员到j 拜幕间的眉i 离来确定。般采用1 卜2 l 英寸的监视嚣。也可以是4 0 英寸寿右的等离了体平板昂 示器、液晶显示器或上百英寸的投影显示。 在有特殊要求的情况下，可采用多画面、大屏幕投影或电视墙显示方式。在图 像显示质量方面，有用标准分辨率的监视器，也有追求商图像质量而采用的高分辨率 监视器。 常见的图像监视器如图2 9 所示。 习 监视器 皿l 墨墨田 口口圈囵口 口曰陌习囵口 口囵l 二j 团团 示嚣i n 觎螭 圄2 9 图像监视器 ( 2 ) 录像机 录像机是视频监控系统中的记录和重放装置，与般家用的录像机相比，有“ 特殊的要求。一是要求记录时问长，二是要有遥控功能，u j 对录像机进行远距离操作 或用控制信号自动操作录像机：三是要求录像机有间歇录像和实时录像两种方式，问 歇式视频录像只记录特定时问段内的图像，一般有多种时间间隔录像模式，在1 。盘 第二章数字视频监控系统的研究 1 8 0 r a i n 的录像带上，最长可以录制9 6 0 h 的录像。另外，录像机还应有自动录像周期 设定功能，可以对一星期内每一天的录像模式编程，无报警时，采用间歇录像模式， 如果收到报警信号，录像机便自动进入连续录像状态，并通过录像机内置的字符信号 发生器，在图像上打出年月日星期时，分秒及录像模式。 在新兴起的多媒体监控系统中，将音、视频信号数字化，并利用先进的数据处理 技术，将数字图像信号进行数据压缩和解压缩。这样不仅大大降低了数字图像传输所 需的带宽，而且大大减少了数字录像所需的存贮容量，可以用硬盘或光盘进行长时间 录像。由于数字图像的存贮介质为硬盘或光盘，所以其检索无延时，而且可以具有更 多的检索要素，例如可以根据时间、地点、编号等要素进行图像检索，方便快捷。另 外，对于数字化的图像数据可以进行诸如提取轮廓线、改变对比度、改变亮度等图像 处理，用以增加图像信息的信息量。 传统的录像机都是采用的卡带式，录像时间短，磁带介质存放不太方便。目前广 泛使用工控机+ 视频采集卡的系统或嵌入式d v r 硬盘录像机来代替。 ( 3 ) 视频切换器、视频矩阵 视频切换器是选择视频图像信号的设备。如果将几路视频信号加在它的输入端， 通过对它的控制，可以选择任何一路视频信号输出，而其它信号则不输出。在大型建 筑中，视频监控系统中摄像机的数量多达数百个，但监视器的数量受机房面积的限制 要远远小于监视器的数量，而且监视器数量太多也不利于值班人员全面巡视，为了用 少量的监视器监视多路视频信号，需要用视频切换器按一定的时序把摄像机的视频信 号分配给特定的监视器，轮流切换显示各个摄像机的图像，在接到某点报警信号后， 长时间监视该区域的情况，即只显示一台摄像机信号。切换的控制一般要求和云台、 镜头的控制同步，即切换到哪一路图像，就控制那一路的设备。如果系统规模比较大 时，比如要把1 1 台摄像机的视频信号送给m 台监视器，就需采用视频矩阵切换器。矩 阵切换器采用模块化机箱，内含视频输入模块、视频输出模块、报警模块、扩展模块、 电源模块、中央处理模块及键盘输入几部分。按输入路数i i 和输出路数m 的多少，矩 阵切换器可划分可分为小型( 1 6 = n ，m = 2 ，4 ，) 、中型( 6 4 = n 1 6 ，m = 4 ，8 ，1 6 ，2 4 ) 和大 型( n 6 4 ，m - - - 4 ，8 ，1 6 ，2 4 ，3 2 ，) 。视频切换器及矩阵切换器的应用见图2 1 0 和2 1 1 所 示。 1 8 k 安 学顽t 研究镕女 面 一 m m m 虬一 女镕m 面 m m 啦一 豳墨摩一 圈2 1 0 视频切换器的应用 届 砸阿切换器 监视器 圈2 i i 炬阵切换器的应用 ( 4 ) 多画面分割器 多画面分割嚣采用分割屏方式，把多路视频信号合成为一路输出，输入一台监视 器，即可在一台监视器屏幕上l 刊时显不多个画由，是用少萤的监视器监视多路视频信 号的另一种方式。与视频切换器比较，它可寅现全景监视，即让所有的摄像机信号都 能显不在监视器屏幕上克服了视频切换器可能漏过重要画面的弊端，对于要求较高 的系统应采用多画面分割器。多画面分割器分割方式常用的有4 画面、9 画而及1 6 画面。使用多面面分割器可在一台监视嚣上同时观看多路摄像机信号，而且用一台录 像机同时录制多路视频信号。多画面分割器还具有摄像机单蹄回放功能，即能选择同 时录f 的多路信号视频信号的任意路在监视器t 满屏放映。多画面分割器的应用见 网2 1 2 所_ i 。 口一 口一口丫口 第章数字频挣系统的研究 面 曲 面 魁翱线 电淝培 i 千r 忏= = i - t 一 遨。墼 fi 面丽1 阿 i 呲器 图2 1 2 多西面分割嚣的应用 215 控制部分 视频监控系统中的控制部分是视频龉挣系统中的核心部分，负责对系统内并设备 进 r 控制。控制部分由多种设备组合成控制台，控制台包括视频矩阵切换器、控制键 盘、时间地址发乍器、五台遥控器、监视器等设备。控制台接收摄像机、报警探头的 信号，将这大量的信号选送到显不部分，供值班人员参考，并对电源、石台、镜头、 切换、录像及防护罩等多个设备进行控制。辛要控制功能有：通过各种遥控电j ! f 实现 对摄像部分的控制，控制电动变焦镜头的变焦、聚焦和光圈；控制电动云台的左右上 下转动( 有自动巡视功能的石台可自动控制) 实现对相当广阔范围的监视，而且还可以 对该范围内任意部分进行特写：控制切换设备使切换控制与“台、镜头的控制同步， 即切换到哪一路圈像，就控制哪路的设备。 二u r 变镜头的控制 “一可变”是指变焦、聚焦和变光罔，这足近年来牛产的变焦镜头同时具有的特中丰。 一：可变”中分别有k 短( 变焦) 远近( 聚焦) 和，f = 闭( 变光圈) 两类摔制，总共有6 种控制。 石台的控制 长安大学硕士研究生论文 全方位云台有左右和上下4 种控制，再加自动巡视控制，共有6 种控制。 通信编码间接控制方式 镜头和云台如采用直接控制的方式，每一个监控点大约需要1 3 1 7 根控制线。由 于镜头和云台远离控制中心，长距离直接传输控制信号不仅不经济，而且系统的操作 可靠性降低。所以在建筑监控系统应用最多的是通信编码间接控制方式，采用r s 4 8 5 串行通信，用单根双绞线就可以传送多路编码控制信号，到现场后解码驱动控制。 解码器 解码器是监控系统中控制云台、镜头、电源、雨刷、灯光