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安防监控系统 1 第一章概述 2 安防监控是一门应用技术 它是把其它学科的技术拿来 实现自己安全的目的 从这个意义上讲 安防监控的范围很广 涉及的领域很多 只要能用来实现安全的技术都可能视为安防技术 早期的安防系统就是这样 把泊来 拿来的各种技术和设备去构成安防系统 大家知道 一个完整的安防系统应具有如下三个基本要素 1 探测 2 环境监控 3 周界管理和出入控制 3 二 传统模拟监控系统 定义 闭路电视监控系统是基于民用闭路电视为标准 产品的一门技术 传输的信号是模拟视频信号 特点 早期的监控主要以摄像机与监视器 电视 一对一监视系统为主 保安人员进行实时监看 弊病 造价高 施工复杂 资源浪费及安装场所需空间大等 4 分配器作用 将一路视频信号分为多路 一般常见的有1分1分4 1分8等 如一路图像需要同时在办室和门卫室显示这样就需要将信号分成两路到两个不同地理位置的地方显示 1 视频分配器 5 作用 将多个摄像机在一台监视器 电视 上显示 也可设定一个时间 让多个摄像机图像在一台监视器 电视 上轮流显示 优点 降低成本 监视器 电视 价格较高 节约空间 点对点显示 需要相当大的房间摆设大数量的显示设备 2 视频切换器 6 3 视频分割器 作用 将多个视频信号以4 9 16的分格形式显示在一起 也可以单独显示某一路视频信号 而不需要轮流显示多个画面 7 4 视频模拟矩阵 作用 整合了视频分配器和视频切换器的功能 通过内部调度在有限的显示设备上 对前端监控点图像进行有序的调度 实现在一个监控环境内更好的显示出该区域内的所有监控点图像 功能举例 前端64路摄像机输入 后端4个监视器输出 8 实现 后端监视器上可以任意选择前端图像显示 前端任意一路图像可同时显示在后端4台监视上 前端64路图像可同时在4台监视器上实现轮巡 可以将前端64路图像任意分4组 每组图像在一台监视器上进行轮巡 9 5 总结 传统模拟监控系统存在一下不足 传输部分 传统的视频信号线传输距离受限 使得监控系统的铺设范围受限 在分布较广的区域 需要建立多个监控点 无法统一调度 管理 录象存储 传统的监控系统是采用磁带录像机进行录像 存储系统相当庞大 只有在安防要求相当高的地方才能消费如此高的产品 10 三 数字化监控系统 数字化监控系统是在计算机 计算机网络技术的飞速发展下孕育而生的 将视频信号转化为数字信号进行传输 储存 在降低了成本的同时 使得监控系统能适应更多更大的使用环境 1 硬盘录像机 视频服务器 作用 将前端的各个视频信号转化为数字信号 在录像机内进行存储 可灵活的将这些画面显示在录像机的显示设备上 另外 录像机具备了网络特性 用户可以通过网络对分布在广大区域的录像机进行访问 随时随地监看到前端录像机的画面 11 整体结构图 12 13 第二章摄像机基础及目前主流产品 14 一 摄像机结构及原理 1 摄像机的基本结构 注 图中的每个部分就是一个零器件 组合起来就是一个整体 一个可用的 机器 也就是一个 方案 15 各零器件功能定义 CCD ChargeCoupledDevices 电荷耦合器件 CCD就相当与人的眼睛 通过其肝光点把光影像转成电子信号 V Driver 能产生不同的脉波 将CCD感光点上的电子信号转换出来 即通常说的CCD的驱动 CDS AGC CCD出来的讯号 在这颗晶片内做处理后 送进DSP 数字信号处理器 DSP DigitalSignalProcessor 也就是数字信号处理器 主要针对算法运算而产生的一种MCU 在摄像机中是进行颜色 亮度 白平衡等运算 运算后又把信号转换成模拟信号输出 也就是视频输出 16 2 主流方案 方案主要是针对DSP来说的 把DSP和CCD搭配起来就是我们所说的方案 目前摄像机市场上应用比较多占主流地位的是SONY和SHARP生产的DSP SONY主要有以下几种方案 1 SS 1 CXD2163BR SS 1可接高解CCD ICX408AK 超低照度ICX258AK NTSC 和ICX409AK 超低照度ICX259AK PAL 还可以接低解CCD ICX404AK NTSC 和ICX405AK PAL 17 2 SS 11 CXD3141或CXD3142 这款DSP只能接低解的CCD 3142比3141多了镜像功能 3 SS HQ1 CXD3172AR 是520线机子用的DSP 能接高低解的CCD 18 3 CCD介绍 CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件 由于CCD器件具有诸多优点 灵敏度高 光谱响应宽 动态范围大 空间自扫描 抗震动 抗磁场 体积小 无残影等 CCD能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移 也可将储存之电荷取出使电压发生变化 因此是理想的摄像元件 是代替摄像管传感器的新型器件 1 CCD尺寸 CCD尺寸指CCD上的感光面积的大小 目前采用的芯片大多数为1 3 和1 4 在对摄像角度有比较严格要求的时候 CCD靶面的大小 CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度 在相同的光学镜头下 成像尺寸越大 视场角越大 19 1英寸 尺寸为宽12 7mm 高9 6mm 对角线16mm 2 3英寸 尺寸为宽8 8mm 高6 6mm 对角线11mm 1 2英寸 尺寸为宽6 4mm 高4 8mm 对角线8mm 1 3英寸 尺寸为宽4 8mm 高3 6mm 对角线6mm 1 4英寸 尺寸为宽3 2mm 高2 4mm 对角线4mm 20 镜头是摄像机的第一道关口 他的作用是光信号 可见光与非可见光 成像在摄像机的CCD上 4 镜头 1 镜头主要的参数 焦距 从焦点到透镜中心的距离 即焦距长度 焦距长短与成像大小成正比 与视角大小成反比 焦距长短与景深成反比 与透视感的强弱成反比 光圈 用来调整摄像机的进光量 F表示镜头的孔径 较小的F值表示较大的光圈 景深 当某一物体聚焦清晰时 从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的 焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深 21 镜头的分类 根据民用建筑的应用场合镜头的种类大致可分为 1 广角镜头 视角在90度以上 一般用于电梯轿箱内 大厅等小视距大视角场所 2 标准镜头 视角在30度左右 一般用于走道及小区周界等场所 3 长焦镜头 视角在20度以内 焦距的范围从几十毫米到上百毫米 用于远距离监视 4 变焦镜头 镜头的焦距范围可变 可从广角变到长焦 用于景深大 视角范围广的区域 5 针孔镜头 用于隐蔽监控 22 5 滤光片 定义 是安装在CCD前的一个滤镜 滤除光线中的无用光 保证接收的图像不会受到影响 分类 滤光片的材质根据优劣分为水晶和玻璃两种 水晶内部结构紧密 均匀 较好的避免光传播过程中的折射 反射现象 因此被做为高档产品使用 23 二 摄像机发展 摄像机在整个发展过程中 根据实际使用的需求 技术在不断的进步 总体说来应该分为以下几个方面的提高 从黑白摄像机到彩色摄像机 彩色摄像机的清晰度从420 480至540线不断的提高 彩转黑摄像机的产生 宽动态摄像机的出现 超低照度摄像机的诞生 红外一体化摄像机 一体化摄像机 24 1 最低照度 2 白平衡 3 背光补偿 4 自动增益 AGC 5 信噪比 S NRatio 1 摄像机重要参数 25 1 最低照度 最低照度也称为灵敏度 是CCD对环境光线的敏感程度 或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线 照度的单位是勒克斯 LUX 数值越小 表示需要的光线越少 摄像头也越灵敏 黑白摄像机的灵敏度大约是0 02 0 5Lux 勒克斯 彩色摄像机多在1Lux以上 0 1Lux的摄像机用于普通的监视场合 在夜间使用或环境光线较弱时 推荐使用0 02Lux的摄像机 与近红外灯配合使用时 也必须使用低照度的摄像机 26 2 白平衡物体颜色会因投射光线颜色产生改变 在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温 例如以钨丝灯 电灯泡 照明的环境拍出的照片可能偏黄 一般来说 CCD没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变 所以通过白平衡的修正 它会按目前画像中图像特质 立即调整整个图像红绿蓝三色的强度 以修正外部光线所造成的误差 有些摄像机除了设计自动白平衡或特定色温白平衡功能外 也提供手动白平衡调整 27 3 背光补偿BlackLightCompensation不可见光补偿 逆光补偿通常 摄像机的AGC工作点是通过对整个视场的内容做平均来确定的 但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标 则此时确定的AGC工作点有可能对于前景目标是不够合适的 背景光补偿有可能改善前景目标显示状况 当背景光补偿为开启时 摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其AGC工作点 此时如果前景目标位于该子区域内时 则前景目标的可视性有望改善 28 4 自动增益 AGC AutomaticGainControl自动增益控制自动增益控制摄像机输出的视频信号必须达到电视传输规定的标准电平0 7V 即 为了能在不同的景物照度条件下都能输出的标准视频信号 必须使放大器的增益能够在较大的范围内进行调节 这种增益调节通常都是通过检测视频信号的平均电平而自动完成的 实现此功能的电路称为自动增益控制电路 简称AGC电路 具有AGC功能的摄像机 在低照度时的灵敏度会有所提高 但此时的噪点也会比较明显 这是由于信号和噪声被同时放大的缘故 29 5 信噪比 S NRatio Signal to NoiseRatio信号杂讯比 信噪比是信号电压对于噪声电压的比值 通常用符号S N来表示 由于在一般情况下 信号电压远高于噪声电压 比值非常大 信噪比的单位用DB来表示 一般摄像机给出的信噪比值均是在AGC 自动增益控制 关闭时的值 因为当AGC接通时 会对小信号进行提升 使得噪声电平也相应提高 信噪比的典型值为45 55db 若为50db 则图像有少量噪声 但图像质量良好 若为60db 则图像质量优良 不出现噪声 30 三 摄像机产品类型 1 枪机 半球 31 32 2 云台摄像机 云台是根据需求 可以通过转动方向更有效的监视一片区域的情况 而其控制主要是由解码器和后端的控制设备通讯实现的 一台云台摄像机的连接结构如下 33 3 球形云台摄像机 由于云台摄像机占用空间大 外观美感差 球形云台诞生了 他将云台 解码器 护罩整合在了一起 在减少空间的同时 增加了美感 室外型 室内型 34 4 智能恒速球 高速球 转动速度明显的提升 恒速球一般为水平 垂直6 15 秒以上 高速球0 5 120 秒 最高巡航速度240 秒 64级变速 体积变小 一般为6寸或以下 智能球可以实现360度不限位旋转 增加了预置点 巡航线路 看守位等智能功能 并具有断电记忆不丢失 智能球比起云台控制更加的灵活 加入了部分智能化功能 比起云台只能单纯的控制方向 镜头具有以下优点 35 在必要场所 摄像机往往需要使用可变焦的镜头 通过远端控制来实现对现场细节方面的监控 而这样常常需要增加额外的控制设备 一体化摄像机正是为了满足这种需要实现的 他可以通过解码器或本身自带的控制接口来进行控制 一体化摄像机镜头具有大幅度变化的特点 另外还增加了菜单功能 可以远程控制调节菜单中的功能选项 一体机有两个特点需要记录 4 一体化摄像机 1 光学放大和电子放大 2 CCD尺寸 所有一体化摄像机的CCD都是使用1 4的 36 消耗功率 一般机子在12V时 大致都在90 130毫安之间电源 分12VDC 24VAC 220VAC三种 37 第三章硬盘录像机基础及目前主流产品 38 一 硬盘录像机发展 硬盘录像机DVR即是DigitalVideoRecorder 也叫 Personalvideorecorder即PVR 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 它是一套进行图像存储处理的计算机系统 具有对图像 语音进行长时间录像 录音 远程监视和控制的功能 DVR集合了录像机 画面分割器 云台镜头控制 报警控制 网络传输等五种功能于一身 用一台设备就能取代模拟监控系统一大堆设备的功能 而且在价格上也逐渐占有优势 DVR采用的是数字记录技术 在图像处理 图像储存 检索 备份 以及网络传递 远程控制等方面也远远优于模拟监控设备 39 1 视频压缩格式 主流的DVR采用的压缩技术有MPEG 2 MPEG 4 H 264 M JPEG 而MPEG 4 H 264是国内最常见的压缩方式 从压缩卡上分有软压缩和硬压缩两种 软压受到CPU的影响较大 多半做不到全实时显示和录像 故逐渐被应压缩淘汰 1 MJPEG MJPEG是指MotionJPEG 即动态JPEG 按照25帧 秒速度使用JPEG算法压缩视频信号 完成动态视频的压缩 优点 是画质还比较清晰 缺点 是压缩率低 占用带宽很大 一般单路占用带宽2M左右 40 2 H 263 H 263视频编码标准是专为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标准 H 263采用运动视频编码中常见的编码方法 将编码过程分为帧内编码和帧间编码两个部分 优点 压缩率较高 CIF格式全实时模式下单路占用带宽一般在几百左右 具体占用带宽视画面运动量多少而不同 缺点 画质相对差一些 占用带宽随画面运动的复杂度而大幅变化 3 MPEG 1 VCD标准 4 MPEG 2 DVD标准 41 5 MPEG 4 MPEG 4是超低码率运动图像和语言的压缩标准 它不仅是针对一定比特率下的视频 音频编码 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性 MPEG 4标准主要应用于视像电话 VideoPhone 视像电子邮件 VideoEmail 和电子新闻 ElectronicNews 等 其传输速率要求较低 在4800 64Kbits sec之间 分辨率为176X144 6 H 264 H 264是一种高性能的视频编解码技术 H 264最大的优势是具有很高的数据压缩比率 在同等图像质量的条件下 H 264的压缩比是MPEG 2的2倍以上 是MPEG 4的1 5 2倍 H 264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费 尤其值得一提的是 H 264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像 42 2 硬盘录像机的分类 硬盘录像机按系统结构可以分为两大类 基于PC架构的PC式DVR和脱离PC架构的嵌入式DVR 1 PC式硬盘录像机 这种架构的DVR以传统的PC机为基本硬件 以Win98 Win2000 WinXP Vista Linux为基本软件 配备图像采集或图像采集压缩卡 编制软件成为一套完整的系统 PC机是一种通用的平台 PC机的硬件更新换代速度快 因而PC式DVR的产品性能提升较容易 同时软件修正 升级也比较方便 PCDVR各种功能的实现都依靠各种板卡来完成 比如视音频压缩卡 网卡 声卡 显卡等 这种插卡式的系统在系统装配 维修 运输中很容易出现不可靠的问题 不能用于工业控制领域 只适合于对可靠性要求不高的商用办公环境 43 2 嵌入式硬盘录像机 嵌入式系统一般指非PC系统 有计算机功能但又不称为计算机的设备或器材 它是以应用为中心 软硬件可裁减的 对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的微型专用计算机系统 简单地说 嵌入式系统集系统的应用软件与硬件融于一体 类似于PC中BIOS的工作方式 具有软件代码小 高度自动化 响应速度快等特点 特别适合于要求实时和多任务的应用 嵌入式DVR就是基于嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的嵌入式系统 它采用专用芯片对图像进行压缩及解压回放 嵌入式操作系统主要是完成整机的控制及管理 此类产品没有PCDVR那么多的模块和多余的软件功能 在设计制造时对软 硬件的稳定性进行了针对性的规划 因此此类产品品质稳定 不会有死机的问题产生 而且在视音频压缩码流的储存速度 分辨率及画质上都有较大的改善 就功能来说丝毫不比PCDVR逊色 44 3 硬盘录像机的功能 硬盘录像机的主要功能包括 监视功能 录像功能 回放功能 报警功能 控制功能 网络功能 密码授权功能和工作时间表功能等 A 监视 实时 清晰的监视 B 录像 录像效果是数字主机的核心和生命力所在 C 报警功能 主要指探测器的输入报警和图像视频帧测的报警 报警后系统会自动开启录像功能 并通过报警输出功能开启相应射灯 警号和联网输出信号 图像移动侦测是DVR的主要报警功能 D 控制功能 主要指通过主机对于全方位摄像机云台 镜头进行控制 这一般要通过专用解码器和键盘完成 45 E 网络功能 通过局域网或者广域网经过简单身份识别可以对主机进行各种监视录像控制的操作 相当于本地操作 F 密码授权功能 为减少系统的故障率 和非法进入 对于停止录像 布撤防系统及进入编程等程序需设密码口令 使未授权者不得操作 一般分为多级密码授权系统 G 工作时间表 可对某一摄像机的某一时间段进行工作时间编程 这也是数字主机独有的功能 它可以把节假日 作息时间表的变化全部预排到程序中 可以在一定意义上实现无人值守 46 47 第四章综合布线及其他相关产品 48 依传输部分的传输方式分类 安防监控系统主要分为如下几类 1 同轴电缆传输监控系统2 双绞线传输监控系统3 光缆传输监控系统4 微波传输监控系统 49 一 布线系统 1 同轴电缆 SYV75 这里的布线指的是前端模拟摄像机 通过视频信号传输介质到中心监控点 视频信号传送介质主要是同轴电缆 在电视监控系统中采用视频基带传输是最常用的传输方式 所谓基带传输是指不需经过频率变换等任何处理而直接传输全电视信号的方式 基带传输方式的优点是 传输系统简单 在一定距离范围内 失真小 50 附加噪声低 系统信噪比高 不必增加诸如调制器 解调器等附加设备 基带传输方式的缺点是 传输距离不能太远 很容易受到电力 电话 广播等低频干扰源的干扰 2 抗干扰解决办法