《安全管理资讯系统》PPT课件.ppt

p1,安全管理資訊系統保全錄影與閉路電視概述IntroductionofSecurityRecordingandClosedCircuitTelevision,授課老師：卓世明,p2,目標,介紹保全系統中的錄影設備參考書：EmilyHarwood,“DIGITALCCTV-ASecurityProfessionalsGuide,”Butterworth-Heinemann,ElsevierInc.,2008ThomasNorman,“IntegratedSecuritySystemsDesign-ConceptsSpecificationsandImplementation,”Butterworth-Heinemann,ElsevierInc.,Jan.2007,p3,CCTV的演進-1,傳統的影像監控應用起源甚早，從1913年英國對被監禁的婦女參政權論者進行秘密攝影開始，到1961年倫敦運輸火車站第一次公開安裝視頻監控系統，閉路電視(ClosedCircuitTelevision;CCTV)的發展已經具有悠久的歷史。英國不但是CCTV應用的發源地，也是監控產業最發達的國家，英國人已經對於街道上、商舖中的攝影機不以為意、習以為常傳統的類比式(analog)CCTV系統主要包括前端的攝影機(camera)、鏡頭(lens)、雲臺(cradlehead)，以及進行訊號傳輸的同軸電纜(coax-cable)，負責進行畫面分割處理(Quad)、切換控制的影像處理器(multiplexer)，用於對於多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣(Matrix)，以及後端用於監看畫面的監視器(monitor)以及用於儲存影像的錄像機(VCRrecorder)等,p4,CCTV的演進-2,在90年代末期，一種新的錄像儲存產品推出了，那就是DVR(DigitalVideoRecorder)。它的出現原因在於隨著半導體科技的發展，處理器(CPU)效能越來越快速價格也降到可接受的程度壓縮技術的逐漸成熟(MPEG-1/MPEG-2/MPEG-4等)加上硬碟容量的增加與價格的降低可彈性增加數位輸入、輸出監控埠(DI/DO)，結合事件錄影讓數位技術有機會進入影像監控應用DVR以數位化的方式壓縮攝影機拍攝到的畫面，並將資料儲存到DVR的硬碟中，方便使用者後續隨時查詢硬碟中儲存的畫面，用來取代使用多年的延時磁帶錄影機(time-lapseVCR)，省去了使用者頻繁更換錄影帶的麻煩，畫質也比較不會因為磁帶使用次數過多，而導致畫面品質降低,p5,CCTV的演進-3,隨著網際網路(Internet)的進步，上網常用的乙太網路線(Ethernet網路纜線)或無線網路(WiFi)，因此取代行之多年的CCTV常用的同軸電纜。一般DVR內建網頁，可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監視(包括影像及感測器讀取與IO控制)。透過網路(Internet)將訊號傳輸出去。影像因此可以超越空間與距離的限制，做到無論何時何地，只要可以上網便可察看到想看的畫面。此一演進徹底顛覆了傳統CCTV的閉路概念，走向全新的網路環境網路攝影機(networkcamera/IPcamera)2000年以後，開始被推廣。在攝影機拍攝到畫面，將畫面加以數位化壓縮的同時，使用者可以使用任何一台可以上網的電腦、PDA或手機中的網路瀏覽器(Internetbrowser)來遠端存取此一攝影機的影像,p6,CCTV的演進-4,為了解決一些舊有類比監控系統的升級問題，在不需更換舊設備的前提下，一種介於攝影機與DVR之間的產品誕生了，那就是影像伺服器(VideoServer)。它可以連接傳統攝影機的視頻訊號，將類比訊號轉為數位訊號，透過網路介面便可進行遠端存取工作，影像伺服器可以說是不帶硬碟的DVR，也可以說是讓傳統類比攝影機變為網路型攝影機的升級工具。由於其可以讓既有的傳統類比攝影機不用淘汰、更換，是既有設備升級的理想解決方案隨著網路技術的發展，針對在網路環境使用特性，DVR系統又進一步發展成為具有網路功能的NVR(NetworkVideoRecording)系統。與DVR系統相比，NVR系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存(備份儲存)，還實現了影像的數位化傳播(影音串流)。即NVR系統可以直接接到IPInternet中，使儲存下來的視訊信息可以通過網路方便的進行瀏覽。網路化視訊監視系統從一開始就是針對在網路環境下使用而設計的，因此它克服了DVR無法透過網路獲取監視內容的缺點，用戶可以透過網路中的任何一部電腦來觀看、錄製和管理即時的視訊檔案,p7,CCTV的演進-5,CCTV相關大事1839發明照相機(靜態，底片)。19世紀末，發展成攝影機(動態,底片)1920黑白電視(TV)問世。1960初期，黑白真空管(Tube)TV攝影機問世(動態，電子訊號)1962美國RCA公司發表全世界第一台VCR(Tape，電子訊號)1980s發展出半導體元件(Solid-State)CCD攝影機1990s影像產品開始數位化，安全監視產業蓬勃發展2001美國911事件，安全監視成為受重視之必要產業2006影像處理晶片DSP(DigitalSignalProcessor)IC帶動安全監視系統產業快速轉變與發展,p8,我們生活在類比影像的世界-1,電視(TV)的出現，讓影像產生了另類應用。如同人類視覺與聽覺系統，使用攝影機(camera)將生活周遭環境與活動之影像(video)及聲音(audio)轉換到TV“看得懂”的信號。此一信號便可顯示於TV上。閉路電視(CCTV)系統因此產生不同於TV的廣播系統，保全用途的攝影機(Camera)透過傳輸煤介，如同軸電纜(coax-cable)，將拍攝到的影音信號傳送到不同地點來顯示(display)或錄影(record),p9,我們生活在類比影像的世界-2,TV“看得懂”的信號分為美日等國使用的NTSC(NationalTelevisionStandardsCommittee)、歐洲使用的PAL(PhaseAlternatingLine)及法國等國使用的SECAM等三類。這三類皆為類比式(analog)信號,p10,NTSC電視信號-1,以NTSC系統為例，影像(video)顯示規則，以每秒30張的連續的“照片”(image)顯影於顯示器(CathodeRayTube,CRT;陰極射線管)。造成人類視覺上的動態影像的效果(卡通影片原理)影像顯示以掃描方式成影顯示器上。每張影像(image)掃描分為525水平線(horizontallines)。顯示器以交錯(Interlace)掃描方式，首先掃描顯示單數線(1,3,5,525)，接著掃描顯示雙數線(2,4,6,524)。每張影像掃描後，會有一垂直同步信號(verticalsynchronizingsignal)，用來同步顯示器的顯示基準,p11,NTSC電視信號-2,Camera同樣以每秒30次(framerate)，每次525水平線掃瞄來轉換拍攝到的影像以黑白影像為例，Camera鏡頭讓“看到”的光線進到它的感光器(Sensor)，感光器將“感受”到的光能轉為電壓特性之信號。不同的電壓值代表不同灰度(graylevel),p12,NTSC電視信號-3,如此Camera產生一黑白影像(Video)，以不同電壓值來代表灰度等同與Camera“看到”的黑白明亮度(brightness有時稱luminance或luma)。Camera同時產生同步信號(synchronizingpulses)，包括每條水平線之間的horizontalblanking及每張影像(image)間的verticalsync，以利顯示器能知道顯示位置以上的信號有時稱為合成影像信號(compositevideosignal)。在彩色信號部份除了luminance(Y)與同步信號外，還包括代表色調信號(hue)與飽和度(saturation)信號YUV或YCbCr信號Compositevideo有時稱為CVBS信號(CompositeVideoBlankingandSync),p13,NTSC電視信號-4,顯示器如電視機之映像管(picturetube)或陰極射線管(CathodeRayTube;CRT)。跟據合成影像信號(compositevideosignal)來成影(偏轉線圈deflectionyoke跟據信號電壓值產生電子束electronbeam來讓螢幕顯影),p14,常見傳統CCTV周邊零件與設備,攝影機(cameras)，轉動雲台(cradlehead)鏡頭(lens)、變焦鏡頭(varifocal)CCD/CMOS感光器紅外線攝影機(infraredcameras)夜視光放管(ImageIntensifier,I2,ICCD)照明器(illuminator,探照燈)顯示器(monitor)切換器(switch)包括Switcher,Multiplexer卡式錄放影機(VideoCassetteRecorder;VCR),p15,攝影機鏡頭(Lens),CameraLens分成C-Mount(forlargerimagesensors)及CS-Mount(forcompactsensors)兩類影像感光器(sensor)可區分為2/3“(2/3吋)、1/2”、1/3“以及1/4“等，尺寸越大(光圈Iris變大)，搭配的鏡頭價格越昂貴(容易對焦、快門變快減少晃動機會)。1/2吋使用的鏡頭可以適用於1/2、1/3和1/4“的影像感測器上，但是不可以使用在2/3的影像感測器。如果在尺寸較大的影像感測器上搭配較小感測器使用的鏡頭，影像就會出現黑色邊角,p16,攝影機感光器(Sensor)-1,攝影機感光器分為電荷耦合元件(ChargedCoupledDevice;CCD)與CMOS(ComplementaryMetal-OxideSilicon)兩種CCD感光器原則上分為三層。第一層是微型鏡頭，作用是接受外來光線；第二層是分色濾色片，以分解色彩的組成，以及將光源轉換成電子訊號，並送至處理影像晶片的第三層感光匯流層。而基本上CCD上的感光元件越多，攝影機的解析度越高，照出來的品質也就越佳。所謂幾萬畫素，就是CCD的解析度；而這個解析度指的是相機的CCD上有多少感光元件CMOS感光器是一種紀錄光線變化半導體；利用矽與鍺這兩種元素，使得帶負電與帶正電的半導體達到互補效應產生電流，即可被處理晶片記錄與解讀成影像。CMOS的成本低，耗電需求少；不過相較於CCD而言，CMOS較容易產生雜點，這是在價格與品質之間的兩種選擇,p17,攝影機感光器(Sensor)-2,CCD與CMOS感光元件之優缺點比較,p18,鏡頭常用術語,AGC:AutomaticGainControl，自動增益控制S/N:Signal-to-Noiseratio，信號噪聲比OSD:OnScreenDisplay，字幕顯示BLC:BackLightCompensation，背景光補償EAS:ElectronicAutomaticShutter，自動電子快門AWB:AutomaticWhiteBalance，自動白平衡EL:ElectronicLightControl，電子亮度控制ATW:AutomaticTrackingWhitebalance，自動跟踪白平衡ALC:AutomaticLightControl，自動亮度控制PTZ:Pan,TileDSP)效能越來越快速，價格愈來愈便宜，數位式(digital)CCTV漸漸成型。原先analogvideo因此大量被討論數位化壓縮技術的逐漸成熟(MPEG-1/MPEG-2/MPEG-4等)讓數位式CCTV更成為未來主流探討影像數位化前，我們先從數位資料表示法談起,p23,0與1的數位資料-1,我們習慣使用十進位(Decimal)來表示一個數，基本數字為0,1,9十個。計算方式以10為基礎。如1023=1103+0102+2101+3100電腦世界裡使用二進位(Binary)來表示，基本數字只有0,1二個。計算方式以2為基礎。如1010=123+022+121+020,23,1,p24,0與1的數位資料-2,簡單的二進位數字表示07每個0或1位置，我們稱為位元(bit,b)。每8個位元，我們稱為位元組(byte,B)。4個bits可以表示015數值，8個bits(1個bytes)可以表示0255。依此類推，我們可以將所有十進位數值互相轉換二進位表示,p25,0與1的數位資料-3,因為10000000000(2的10次方)等於數值1024，因此習慣使用K(千)、M(百萬)、G(十億)為單位來表示在通信裡，習慣使用bit為單位；在記憶體表示上，習慣使用byte為單位。如ADSL的通信頻寬2M表示2Mbits/second，如PC使用硬碟計憶體容量120G表示120Gbytes(或2GB),p26,影像色域RGB-1,對一種顏色進行編碼的方法統稱為“顏色空間”或“色域”。簡單的說，世界上任何一種顏色的“顏色空間”都可定義成一個固定的數字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是眾多顏色空間的一種。採用這種編碼方法，每種顏色都可用三個變量來表示：紅色、綠色以及藍色的強度。RGB是最常見記錄及顯示彩色圖像方案在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得RGB(/wiki/RGB_color_model),p27,影像色域RGB-2,在digitalcolor的世界裡，所有的顏色都可以用這RGB三個顏色去混合出來，也就是用不同比例的RGB可以混合出所有的顏色例如分別使用1個bytes代表不同的R(Red)、G(Green)、B(Blue)亮度值。換言之，每個點的R、G、B的亮度可以各別1byte表示256色(0255)，例如0紅+0綠+0藍黑色(沒有顏色)255紅+0綠+0藍紅色(當然)255紅+255綠+0藍黃色(紅+綠),p28,影像色域RGB-3,以彩色CCD攝影機為例，進行影像(image)取像時，以每張影像720480個點來各別取像。每個點取得一組RGB的表示值但RGB缺乏與早期黑白顯示系統的相容性。也就是RGB三色影像是無法被黑白電視所接受的(播放)。因此，大多電子電器廠商普遍採用的做法是，將RGB轉換成YUV顏色空間，以維持相容性，再根據需要換回RGB格式，以便在顯示器上顯示彩色圖形,p29,影像色域YUV(YCrCb)-1,YUV（亦稱YCrCb）是一種顏色編碼方法。RGB經過矩陣變換電路可以得到亮度信號Y和兩個色差信號R-Y（即U）、B-Y（即V），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V信號分量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號Y表示明亮度(luminance或luma)，也就是灰階值；而U和V表示的則是色度(chrominance或chroma)，作用是描述影像色彩(hue)及飽和度(saturation)，用於指定像素的顏色,p30,影像色域YUV(YCrCb)-2,“亮度”是透過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起。“色度”則定義了顏色的兩個方面色調與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之同的差異YUV與RGB相互轉換的公式如下(RGB取值範圍均為0255)Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B與RGB視頻信號傳輸相比，YUV最大的優點在於只需佔用較少的頻寬(RGB要求三個獨立的視頻信號同時被傳送)。RGB(4:4:4)的需要頻寬比CCIR601YUV(4:2:2)多了50%(x1.5),p31,解析度(Resolution)-1,影像解析度(imageresolution)由畫素(pixel)決定，畫素愈高解析度越高。例如，影像輸出是1600 x1200pixels，相乘約等於2百萬畫素的影像(即所謂兩百萬畫素數位相機)影像解析度也可用PPI(PixelPerInch)或DPI(DotPerInch)兩個名詞來表達VideoResolution:常看到的影像解析度有D1,CIF,QCIF等D1:FullresolutionforTV，可以是704576TVPAL704480TVNTSC(480跟NTSCTV525條掃瞄線不同)720576DVD-VideoPAL720480DVD-VideoNTSC,p32,解析度(Resolution)-2,CIF(CommonIntermediateFormat)代表以下Resolution352288PAL352240NTSCCIF剛好是1/4的D1，又稱作QuarterD1QCIF(QuarterCommonIntermediateFormat)Resolution176144PAL176120NTSCQCIF剛好是的CIF720i720p1080i1080p高清晰度電視(HighDefinitionTelevision;HDTV)使用的Resolution720代表12807201080代表19201080i代表interlacedp代表progressive,p33,影像壓縮技術-1,以D1品質704480TVNTSC的影像為例，如果用R、G、B三色表示則一張影像(image)會產生的資料量為7044803bytes=1,013,760bytes=1.01MB每秒30張影像(image)，等於30fps(frameperseconds)則表示攝影機每秒產生約30MB，每分鐘產生1.8GB。常用表示方式，影像資料量為240Mbps，其中bps(bitspersecond)表示位元率，即每秒多少bits的資料量如此龐大資料量，對數位影像的實現，好像是不可行。影像壓縮技術因此產生。例如，使用200倍壓縮率的MPEG-4技術可以讓240Mbps的資料量大大的縮為1.2Mbps壓縮技術不但可以降低影像儲存容量，進而降低儲存成本，同時也降低傳送信號量,p34,影像壓縮技術-2,不同的壓縮標準JPEG壓縮率比為2080倍，適合靜態畫面的壓縮(JointPhotographicExpertsGroup)JPEG200