安防系统基础介绍——监控基础PPT学习课件

安防系统基础介绍 第一章 监控基础矩阵 摄像机 控制及传输的原理第二章 门禁基础控制模块 电锁的原理第三章 报警基础报警主机 探测器的原理第四章 相关知识传输方式和介质 法律法规 1 第一课 监控系统 目标 知道什么是监控系统 了解其基本原理结构知道什么是矩阵 了解矩阵的工作原理和用途 知道各种摄像机的用途和区别 能够正确的配置 了解摄像机的成像原理 能够正确配置选择相应的镜头 了解并知道各种视频传输途径的优缺点 及相应的使用环境 了解并知道快球摄像机和云台的控制原理 2 第一课 监控基础 视频监控原理 为什么叫闭路电视 我们是通过镜头和摄像机成像 由视频电缆把信号传输给监视器显示 相对于广播电视来说 这是个封闭的链路 所以我们称其为闭路电视 3 第一课 监控基础 矩阵 什么是矩阵 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 4 第一课 监控基础 矩阵 矩阵的核心功能 1 对多路音视频信号的选择切换 2 对前端摄像机 云台的控制 3 标题 日期 时间等信息字符的叠加 5 第一课 监控基础 矩阵 矩阵的作用 监控系统的核心 决定了以下方面 决定了电视监控系统的容量 可监控图像的数量 系统的模式 视频网络的拓朴结构 系统的控制方式 控制网络的结构 编码规则 和显示方式 直接观察图像的数量 时序的间隔与顺序 确定了电视监控系统与安防其它子系统的集成方式 6 第一课 监控基础 矩阵 模拟矩阵基本原理 7 第一课 监控基础 摄像机分类 为什么叫闭路电视 我们是通过镜头和摄像机成像 由视频电缆把信号传输给监视器显示 相对于广播电视来说 这是个封闭的链路 所以我们称其为闭路电视 8 第一课 监控基础 摄像机原理 为什么叫闭路电视 我们是通过镜头和摄像机成像 由视频电缆把信号传输给监视器显示 相对于广播电视来说 这是个封闭的链路 所以我们称其为闭路电视 9 第一课 监控基础 摄像机原理 感光元件CCD ChargedCoupledDevice电荷耦合器CMOS ComplementaryMetalOxideemiconductor互补金属氧化物半导体 10 第一课 监控基础 摄像机原理 什么是CCDCCD ChargeCoupledDevice 称为电荷耦合器件 是一种把光信号转换成电信号并进行存储 转移的器件 摄像头的主要传感部件是CCD芯片 CCD芯片就像是人的视网膜 是摄像头的核心部件 11 第一课 监控基础 摄像机原理 CCD的分类 12 第一课 监控基础 摄像机原理 CCD的尺寸CCD的尺寸即摄象机靶面 目前采用的芯片大多数为1 3 和1 4 在选择摄像头时 特别是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 13 第一课 监控基础 摄像机原理 CCD摄像机结构图 14 第一课 监控基础 摄像机原理 CCD就像是人的眼睛 把光信号转换成电子讯号 靠的就是上头的感光点 每一个感光点就像一颗太阳能电池 被光照射到后会产生电能 依照光的强度不同 会产生不同大小的电能 V Driver 垂直驱动 CCD里头每一点被光照射到都会产生电能 那么如何取出来 就是靠这颗V DRIVER 它会产生不同的脉波 把CCD每点的讯号 挤 出来 CDS AGC 双取样与自动增益电路 CCD挤出来的讯号 在这颗晶片内做 修整 送进D S P到以上阶段 记住 全都是模拟讯号D S P DigitalSignalProcessor 数字信号处理器DSP里头包含了一颗Decoder A DConverter 模拟数字转换器 先把模拟信号转换成数字信号 再经过一大堆的运算 颜色 亮度 白平衡等 然后再把数字信号转换成模拟信号 Encoder 也是包在DSP里头 输出给接收器 15 第一课 监控基础 摄像机原理 常用品牌CCD SonyCCD 中间少了门牙 SharpCCD 没有少门牙 金属线条比的Panasonic细 PanasonicCCD 没有少门牙 金属线条比Sharp的粗 16 第一课 监控基础 摄像机原理 常用品牌CCD SonySuperCCD图像传感器八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性 对比同样数量像素的传统CCD而言 它有更高的灵敏度 更高的信号噪声比和更广泛的动态范围 普通CCD 超级CCD 17 第一课 监控基础 摄像机原理 CMOS互补金属氧化物半导体 CMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductor 核心元件 感光二极管 Photodiode 同一像点当中包含放大器和数模转换电路 一个感光二极管和三颗晶体管 开口率底 开口率 有效感光区与整个感光元件面积比值 灵敏度底 噪声明显数模转换无法保证严格一致 18 第一课 监控基础 摄像机原理 CCD和CMOS的区别 19 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释CCD像素 是CCD的主要性能指标 简单的说 所谓的像素 就是CCD上光电感应元件的数量 一个感光元件经过感光 光电信号转换 A D转换等步骤以后 在输出的监视器上就形成一个点 我们如果把影像放大数倍 会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成 这些小方点就是构成影像的最小单位 像素 像素数越多则意味着每一个像素单元的面积越小 因而由该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高 总象素 795 596 47万象素 有效象素 752 582 44万象素 有效象素周围的其他象素负责另外的工作 如决定 黑色是什么 很多时候 并不是所有感应器上的象素都能被运用 20 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释分辨率 是用电视线 简称线TVLINES 来表示的 彩色摄象机的典型分辨率是在320到500电视线之间 主要有330线 380线 420线 460线 500线等不同档次 分辨率与CCD和镜头有关 还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关 通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线 频带越宽 图像越清晰 线数值相对越大 分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数 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 应比摄像机的分辨率高 上能够看到最多线数 当超过这一线数时 屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不再能分辨出黑白相间的线条 21 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释CCD摄像机的分辨率 包含了信号源和处理电路两部分 在安防行业内 我们常把摄像机的CCD分辨率称之为解析度 比如我们常说的高解析度摄像机一般指的是752 582象素的CCD器件 也就是所谓的44万像素的CCD 而往往对于安防行业使用的摄像机产品 其水平分辨率标称为 TVL 电视线 这里实际上是在使用水平清晰度指标来衡量摄像机的参数 因为垂直清晰度 分辨率 由电视制式决定 并不表示摄像机的性能 我们往往使用专门的测试卡来测试摄像机的极限分辨率 但这是不客观和不科学的 22 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释照度 又称灵敏度 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 照度是反映光照强度的一种单位 单位是每平方米的流明数 1Lux大约等于1烛光在1米距离的照度1Lux 1Lm m2 Lm是光通量的单位 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 摄像的灵敏度与镜头F值有关 0 97Lux F0 75 2 5Lux F1 2 3 4Lux F1 6普通型 正常工作所需照度1 3LUX月光型 正常工作所需照度0 1LUX左右星光型 正常工作所需照度0 01LUX以下 23 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释最低照度 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某一规定值时的景物光亮度值 测定此参数时 还应特别注明镜头的最大相对孔径 例如使用F1 2的镜头 当被摄景物的光亮度值低到0 04lx时 摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50 即达到350mv 标准视频信号最大幅值为700mv 则称此摄像机的最低照度为0 04lx F1 2 50IRE 被摄景物的光亮度值再低 摄像机输出的视频信号的幅值就达不到350mv了 反映在监视器的屏幕上 将是一屏很难分辨出层次的 灰暗的图像 目前 由于市场的规范尚不统一 有些照度指标很低的摄像机的低照度特性可能还不如照度指标稍高一些的摄像机的低照度特性好 其原因就是在测定低照度指标时 使用的标准不同 使用的镜头孔径也不同 仍以前述例子为例 如果将摄像机输出的视频信号幅值降为最大幅值的30 即210mv 为基准进行测量 则被摄景物的光亮度值还可以再低 如0 03lx 若再进一步将光学镜头换为F1 0的镜头 则由于光通量的增加 被摄景物的光亮度值还可再进一步降低 如0 02lx 24 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释扫描制式 根据各国供电所采用的频率不同 有PAL制和NTSC制之分 50HZ PAL制 隔行扫描 PAL 制式 黑白为CCIR 标准为625行 50场 60HZ NTSC制式 525行 60场 黑白为EIA 摄像机电源 交流有220V 110V 24V 直流有12V 9V 25 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释信噪比 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 因此实际计算摄像机信噪比的大小通常都是对均方信号电压与均方噪声电压的比值取以10为底的对数再乘以系数20 即S N 20log 均方信号电压 均方噪声电压 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 26 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释白平衡 WhiteBalance 的定义 由于彩色摄象机能够输出含有 彩色信息 的视频信号 因此当用彩色摄象机摄取纯白色景物时 应使其输出的视频信号中所含有的 彩色信息 恰好能使在监视器屏幕上重现的景物颜色为纯白色 在理想情况下 CCD摄象机的红 绿 蓝3条光路 或等效光路 得到的光能量是相等的 所以摄象机输出的红 绿 蓝信号电压也是相等的 它使标准彩色监视器重现出纯白色的被摄景物 人们把拍摄白色物体时摄象机输出的红 绿 蓝三基色信号电压Ur Ug Ub的现象称为白平衡 白平衡调整分为手动白平衡调整 MWB 和自动白平衡调整 AWB 而自动白平衡调整又分为自动跟踪白平衡 ATW 和自动白平衡控制 AWC 27 第一课 监控基础 摄像机原理 名词解释在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术 称为数字信号处理 DSP DIGITALSIGNALPROCESSOR 摄象机 该种摄象机具有以下优点 由于采用了数字检测和数字运算技术而具有智能化背景光补偿功能 常规摄象机要求被摄景物置于画面中央并要占据较大的面积方能有较好的背景光补偿 否则过亮的背景光可能会降低图像中心的透明度 而DSP摄象机是将一个画面划分成48个小处理区域来有效地检测目标 这样即使是很小的 很薄的或不在画面中心区域的景物均能清楚地呈现 由于DSP技术而能自动跟踪白平衡 即可以在任何条件检测和跟踪 白色 并以数字运算处理功能来再现原始的色彩 传统的摄象机因系对画面上的全部色彩作平均处理 这样如果彩色物体在画面上占据很大面积 那么彩色重现将不平衡 也就是不能重现原始色彩 DSP摄象机是将一个画面分成48个小处理区域 这样就能够有效地检测白色 即使画面上只有很小的一块白色 该摄象机也能跟踪它从而再现出原始的色彩 在拍摄网格状物体时 可将由摄象机彩色噪声引起的图像混叠减至最少 28 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头镜头相当于人眼的晶状体 如果没有晶状体 人眼看不到任何物体 如果没有镜头 那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片 没有清晰的图像输出 这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的 当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时 也就是人们常说的近视眼 眼前的景物就变得模糊不清 摄像头与镜头的配合也有类似现象 当图像变得不清楚时 可以调整摄像头的后焦点 改变CCD芯片与镜头基准面的距离 相当于调整人眼晶状体的位置 可以将模糊的图像变得清晰 由此可见 镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的 工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道 设计人员要根据物距 成像大小计算镜头焦距 施工人员经常进行现场调试 其中一部分就是把镜头调整到最佳状态 29 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头有C和CS方式 两者的螺纹均为每1英寸32牙 直径为1英寸 差别是镜头距CCD靶面的距离不同 C式安装座从基准面到焦点的距离为17 562毫米 CS式距焦点距离为12 5毫米 30 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头摄象机镜头规格应视摄象机的 尺寸而定 两者需要相对应 即 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 如果镜头尺寸与摄象机 靶面尺寸不一致时 观察角度将不符合设计要求 或者发生画面在焦点以外等问题 31 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头按光圈 固定光圈镜头 手动光圈镜头和自动光圈镜头 自动光圈镜头又分为视频型和直流型 自动光圈 在进入镜头的光通量变化时 摄象机CCD靶面上产生的电荷也相应发生变化 使得视频信号电平或其整流滤波后的平均电平发生变化 产生一个控制信号 并通过自动光圈接口座上的3芯或4芯线传送给自动光圈镜头 致使镜头内的微型电机相应做正向或反向转动 从而调整光圈的大小 视频型光圈镜头上一般会有两个防尘塞盖住的内藏式调节旋钮 32 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头焦距 光组主点到焦点的距离 而镜头的焦距实际上就是构成镜头的组合光组的焦距 它决定了摄取图象的大小 用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时 配长焦距镜头的摄象机所摄取的景物尺寸就大 反之 配短焦距镜头的摄象机所摄取的景物尺寸就小 当已知被摄物体的大小及该物体到镜头的距离 则可估算所选配镜头的焦距f hD H vD V 33 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头如图所示 D为镜头中心到被摄物体的距离 H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸 例如 已知被摄物体距镜头中心的距离为3m 物体的高度为1 8m 所用的摄象机CCD靶面为1 2in 查得其对应的靶面垂直尺寸为4 8m 则镜头的选配为f vD V 4 8 3000 1800 8 02mm于是 该现场摄象机的镜头应选配焦距为8mm的镜头 34 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头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及摄象机靶面尺寸 水平尺寸h和垂直尺寸v 的大小有关 镜头的水平视场角ah及垂直视角avah 2arctg h 2f av 2arctg v 2f 由上式可知 镜头的焦距f越短 其视场角越大 或者 摄象机靶面尺寸h或v越大 其视场角也越大 35 第一课 监控基础 摄像机原理 镜头 景深一般来说 在安装摄象机并调整镜头焦距 对焦 以获得清晰图象时 通常要求在较大的光圈下进行调整 这样便于对所监视的目标的才精确对焦 否则就可能有一定的误差 光照较强时 由于光圈自动缩小 景深宽 使被监视的目标较清晰 而一旦光照变暗 被监视的目标则由于光圈自动变大 景深变窄 而变得模糊起来 36 第一课 监控基础 摄像机原理 红外灯红外灯有不同的功率及715 830nM两种波长 波长的选择取决于什么因素 如果用户不介意红外光线被肉眼所见 715nM的红外灯由于其照明距离远 效果好应为首选 如果考虑到红暴问题 必须使用830nM的红外灯 应使用低照度的摄像机 选择相对孔径较大的镜头红外灯的发散角应与镜头的视场角相匹配最大照明范围取决于天气条件 物体的反光率和周围的光照水平 红外聚光灯最远的投射范围如下 37 第一课 监控基础 视频控制 为什么叫闭路电视 我们是通过镜头和摄像机成像 由视频电缆把信号传输给监视器显示 相对于广播电视来说 这是个封闭的链路 所以我们称其为闭路电视 38 第一课 监控基础 视频控制 Q 什么是摄像机支架 Q 支架是否分为室内 室外两种 Q 什么是室外防护罩的遮阳罩 风扇 加热器 Q IP66和IP65的区别 39 第一课 监控基础 视频控制 防护罩防护罩是使摄像机在有灰尘 雨水 高低温等情况下正常使用的防护装置 防护罩一般分为两类 一类是室内用防护罩 这种防护罩结构简单 价格便宜 其主要功能是防止摄像机落尘并有一定的安全防护作用 如防盗 防破坏等 室外防护罩一般为全天候防护罩 即无论刮风 下雨 下雪 高温 低温等恶劣情况 都能使安装在防护罩内的摄像机正常工作 因而这种防护罩具有降温 加温 防雨 防雪等功能 同是 为了在雨雪天气仍能使摄像机正常摄取图像 一般在全天候防护罩的玻璃窗前安装有可控制的雨刷 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 即可自动加温 也可自动降温 并且功耗较小 40 第一课 监控基础 视频控制 云台云台是承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置 云台内装两个电动机 这两个电动机一个负责水平方向的转动 另一个负责垂直方向的转动 水平转动的角度一般为350 垂直转动则有 45 35 75 等等 水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整 云台的分类大致如下 A 室内用云台及室外用云台室内用云台承重小 没有防雨装置 室外用云台承重大 有防雨装置 有些高档的室外云台除有防雨装置外 还有防冻加温装置 B 承重为适应安装不同的摄像机及防护罩 云台的承重应是不同的 应根据选用的摄像机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台 室内云台的承重量较小 云台的体积和自重也较小 室外用云台因为肯定要在它的上面安装带有防护罩 往往还是全天候防护罩 的摄像机 所以承重量都较大 它的体积和自重也较大 C 电源 控制方式在电源供电电压方面 目前常见的有交流24V和220V两种 云台的耗电功率 一般是承重量小的功耗小 承重量大的功耗大 41 第一课 监控基础 视频控制 云台的分类根据外观分类 普通型云台 半球型云台和全球型云台 根据使用环境 室内云台 室外云台和防暴云台 根据安装方式 吸顶云台 侧装云台和吊装云台 根据功能划分 智能型云台和普通云台 根据云台转速 低速云台 中速云台和高速云台 多为高速球型摄像机 云台的主要指标云台旋转的转速 5度 秒 120度 秒不等 高速球型摄像机的内置云台达240度 秒 云台旋转的角度 上下 0 90度 左右 0 350度 秒 智能云台无旋转角度限制 云台的工作电压 AC24V和AC220V两种 使用时特别注意 否则解码器会烧毁 云台的载重 云台的载重是云台工作电机功率的直接反映 不能超过云台的载重规定 否则 解码器无法正常工作 42 第一课 监控基础 视频控制 高速球型摄像机高速球型摄像机一词是从国外HIGHSPEEDDOME翻译过来的 有人把它叫做快球 还有人称它为一体化球型摄像机 业界上对高速球的定义还没有作出特别清晰的界限 对高速与中速球 匀速球 恒速球等概念也没有明确的分辨 虽然如此 业内人士普遍认同 快球是高速球的简称 高速球与中速球一样 都是可以变速控制 但中速球的转速在60 S 120 S 高速球的转速在120 S以上 而匀速球可以理解为恒速球或慢速球 它不可以变速控制 只能以恒速控制 转速在15 S以下 高速球 一体化摄像机 高速云台 解码器 球型护罩 43 第一课 监控基础 视频控制 解码器在具体的闭路电视监控系统工程中 解码器是属于前端设备的 它一般安装在配有云台及电动镜头的摄像机附近 有多芯控制电缆直接与云台及电动镜头相联 另有通信线 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 同一系统中有很多解码器 所以每个解码器上都有一个拨码开关 它决定了该解码器在该系统中的编号 即ID号 在使用解码器时首先必须对拨码开关进行设置 否则 操作解码器时 很可能在监视器上看不见云台的转动和镜头的动作 甚至可能认为此解码器有故障 一般的解码器都具有自检功能 即不需远端主机的控制 直接在解码器上操作拨码开关 此测试云台及电动镜头的工作是否正常来判断连线是否正确 当云台 镜头与解码器连接使用时 必须根据云台 镜头的工作电源来选择解码器的端子 满足要求 否则很容易造成云台 镜头的损坏 44 第一课 监控基础 视频控制 解码器原理图 45 第一课 监控基础 视频控制 控制协议RS 232 RS 422与RS 485都是串行数据接口标准 最初都是由电子工业协会 EIA 制订并发布的 RS 232在1962年发布 命名为EIA 232 E 作为工业标准 以保证不同厂家产品之间的兼容 RS 422由RS 232发展而来 它是为弥补RS 232之不足而提出的 为改进RS 232通信距离短 速率低的缺点 RS 422定义了一种平衡通信接口 将传输速率提高到10Mb s 传输距离延长到1219米 速率低于100kb s时 并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器 RS 422是一种单机发送 多机接收的单向 平衡传输规范 被命名为TIA EIA 422 A标准 为扩展应用范围 EIA又于1983年在RS 422基础上制定了RS 485标准 增加了多点 双向通信能力 即允许多个发送器连接到同一条总线上 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性 扩展了总线共模范围 后命名为TIA EIA 485 A标准 由于EIA提出的建议标准都是以 RS 作为前缀 所以在通讯工业领域 仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓 RS 232 RS 422与RS 485标准只对接口的电气特性做出规定 而不涉及接插件 电缆或协议 在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议 因此在视频界的应用 许多厂家都建立了一套高层通信协议 或公开或厂家独家使用 Pelco D Pelco P Samsung Panasonic ScanDome KD6 46 第一课 监控基础 视频控制 波特率在电子通信领域 波特率即调制速率 指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数 即单位时间内载波参数变化的次数 它是对符号传输速率的一种度量 通常以 波特每秒 Bps 为单位 1波特每秒即指每秒传输1个符号 波特率有时候会同比特率混淆 实际上后者是对信息传输速率 传信率 的度量 波特率可以被理解为单位时间内传输符号的个数 传符号率 通过不同的调制方法可以在一个符号上负载多个比特信息 因此信息传输速率即比特率在数值上和波特率有这样的关系 其中I为传信率 S为波特率 N为每个符号负载的信息量 以比特为单位 因此只有在每个符号只代表一个比特信息的情况下 例如基带二进制信号 波特率与比特率才在数值上相等 但是它们