[信息与通信]视频监控技术原理

视频监控技术原理,杭州海康威视数字技术股份有限公司,提纲,前言 安全防范第一章 视频监控原理和技术第二章 视频监控主要产品：摄像机第三章 视频监控主要产品：DVR、DVS第四章 网络视频监控系统第五章 新一代视频监控产品第六章 数码监控技术的未来,前言 安全防范,第一节 安全防范基本概念第二节 安全防范系统设计依据第三节 安全防范产品第四节 安全防范技术体系第五节 安全技术防范（工程）系统第六节 安全防范类别,安全防范,安全防范,人防,技防,物防,视频监控,报警、门禁,其它技术防范手段,一、安全防范基本概念,安全防范（Security）安全防范是社会公共安全的一部分安全防范行业是社会公共安全行业的一个分支以防盗、防劫、防入侵、防破坏为主要内容三种基本手段人力防范，实（物）体防范，技术防范安全防范技术用于安全防范工程的专用技术安全技术防范,5,三种基本手段-人防、物防、技防,6,利用人们自身的传感器（眼、耳等）进行探测，发现妨害或破坏安全的目标，作出反应；用声音警告、恐吓、设障、武器还击等手段来延迟或阻止危险的发生，在自身力量不足时还要发出求援信号，以期待做出进一步的反应，制止危险的发生或处理已发生的危险,人力防范,推迟危险的发生，为“反应”提供足够的时间。现代的实体防范，已不是单纯物质屏障的被动防范，而是越来越多地采用高科技地手段，一方面使实体屏障被破坏的可能性变小，增大延迟时间；另一方面也使实体屏障本身增加探测和反应的功能,实体防范,对人力防范和实体防范在技术手段上的补充和加强。它要融入人力防范和实体防范之中，使人力防范和实体防范在探测、延迟、反应三个基本要素中间不断地增加技术含量，以不断提高探测能力、延迟能力和反应能力，使防范手段起到更好的作用，达到预期的目的,技术防范,安全防范技术,物理技术防范（Physical Protection）实体防范技术，如建筑物和实体屏障以及与其匹配的各种实物设施、设备和产品（如门、窗、柜、锁等）电子防范技术（Electronic Protection）应用于安全防范的电子、通信、计算机与信息处理及其相关技术，如：电子报警技术、视频监控技术、出入口控制技术、计算机网络技术以及其相关的各种软件、系统工程等生物统计学防范技术（Biometric Protection）利用人体的生物学特征进行安全技术防范的一种特殊技术门类，现在应用较广的有指纹、掌纹、眼纹、声纹等识别控制技术。,7,安全技术防范,以安全防范技术为先导，以人力防范为基础，以技术防范和实体防范为手段所建立的一种具有探测、延迟、反应有序结合的安全防范服务保障体系。是以预防损失和预防犯罪为目的的一项公安业务和社会公共事业。对于警察执法部门而言，安全技术防范就是利用安全防范技术开展安全防范工作的一项公安业务；而对于社会经济部门来说，安全技术防范就是利用安全防范技术为社会公众提供一种安全服务的产业,8,二、安全防范系统设计依据,国家标准GB50348-2004安全防范工程技术规范GB20815-2006视频安防监控数字录像设备 行业标准GA38-2004银行营业场所风险等级和防护级别的规定GA308-2004安全防范系统验收规则GA/T669-2006城市监控报警联网系统通用技术要求 地方标准DB33/T334-2001安全防范系统 行业管理规定国家公安部、国家教育部、省公安厅等相应文件及规范,9,三、安全防范产品,入侵探测器防盗（抢）报警控制器（手动）汽车防盗报警系统出入口控制设备防盗保险柜（箱）机械防盗锁（楼宇）对讲（可视）系统防盗安全门防弹复合玻璃视频监控设备,10,安防产品管理办法,生产许可证CCC认证体系检测中心检测报告,四、安全防范技术体系,入侵探测与防盗报警技术视频监控技术出入口目标识别与控制技术报警信息传输技术移动目标反劫、防盗报警技术社区安防与社会救助应急报警技术实体防护技术防爆安检技术安全防范网络与系统集成技术安全防范工程设计与施工技术,12,五、安全技术防范（工程）系统,入侵报警系统利用传感技术和电子信息技术探测并指示非法进入或试图非法进入设防区域的行为，处理报警信息，发出报警信息的系统或网络。视频安防监控系统利用视频技术探测、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。出入口控制系统利用自定义符和/或模式识别技术对出入口目标进行识别并控制出入口执行机构启闭的电子系统或网络电子巡查系统停车库（场）管理系统防爆安全检查系统安全管理系统（集成以上系统的平台）,13,六、安全防范类别,高风险对象的安全防范工程金融机构文博机构民航、车站、码头重要物资存储库重要内保单位（如电力、电信）普通风险对象的安全防范工程通用型公共建筑住宅小区,14,第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,视频监控基本定义,视频监控的定义利用视频技术探测、监视设防区域，实时显示、记录现场图像，检索和显示历史图像的电子系统或网络系统视频监控系统是安全技术防范的一个子系统视频监控技术是安全防范技术的一部分,16,监控系统的基本功能,主要功能,监视,控制,管理,功能要求,实时，清晰,报警及时、云镜操作灵活,存储、检索、回放、认证、维护等,业务对象,视频源,控制信令,用户命令,第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,视频监控系统基本组成,前端各种类型的摄像机及其附属设备编码设备传输光端机路由器和交换机同轴电缆、光纤后端显示、记录、控制、管理设备采用独立的视频中心控制台或监控 报警中心控制台,19,第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,视频监控系统的发展,CCTV系统的基本结构,CCTV：闭路电视系统技术：主要是电视技术组成：摄像机、监视器、录像机、画面分割器等功能：监视（监听）、录像、回放等线缆：视频电缆（75欧同轴 阻抗 1.0Vp-p电平 传输约500m ）,画面分割器,CCTV系统结构,技术：电视技术、控制技术组成：矩阵、摄像机、云台、监视器、录像机等功能：监视（监听） 、控制、录像、回放线缆：视频电缆、485控制线（一对多 终端匹配电阻120欧，传输约1200m）主要应用：规模较大的视频监控系统，如金融、楼宇等,模拟视频监控系统,光纤,前端,传输,操作,电缆,控制键盘,长延时录像机,显示,矩阵,数字视频监控的基本结构,技术：主要是视频编解码技术、嵌入式技术组成：硬盘录像机、摄像机、监视器等功能：监视（监听）、控制、录像、回放、对讲等线缆：视频电缆、 485控制线主要应用：金融、楼宇、小区等,模拟与数字监控的比较,模拟监控组建跨区域监控系统成本高昂、实现难度大追加监控点难度较高图像存储成本高、长期保存图像质量下降严重不支持录像与检索双工操作数字监控可通过网络组建低成本跨区域监控系统 一机多路，使用大容量硬盘可长期存储数字信号长期保存信号不失真采用智能检索，检索与录像可同时进行循环录像方式，节约人力,第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,图像、视频和码流,图像（Image）视频（Video ）时间上连续的图像组成视频：ImageVideo视频中的某一幅图像称为一帧（Frame）帧率（Frame Rate）FPS 每秒的帧数码流（Bit Stream）将图像压缩后形成的数据码率（Bit Rate）bps/Bps 对码流进行量化码率类型：定码率（CBR）、变码率（VBR）码流类型：视频流、音频流、复合流,基本概念图像,像素（Pixel）分辨率（Resolution）水平：Width垂直：Height,线数（TVL）分辨力水平垂直,扫描方式,逐行扫描(Progressive),隔行扫描(Interlacing）,视频制式,PAL（ Phase Alternating Line）：供电频率为50Hz、场频为每秒50场、帧频为每秒25帧、扫描线为625行 图像彩色误差较小，与黑白电视的兼容也好 中国、德国NTSC （National Television System Committee）：供电频率为60Hz，场频为每秒60场，帧频为每秒30帧，扫描线为525行 美国、日本SECAM（Sequentiel Couleur A Memoire ）：按顺序传送彩色与存储 俄罗斯、法国、埃及,分辨率,分辨率,制 式,分辨率,4CIF,576(PAL)480(NTSC),704 (PAL/NTSC),CIF,QCIF,2CIF,DCIF528384(PAL),第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,数码监控的基础技术：编码和压缩,采集,编码,压缩,为什么要压缩？,一幅CIF分辨率的图像，进行A/D转换后未经压缩的数据量是(RGB)：一帧：3522883字节304128字节（不包括文件头大小）一秒：304128字节25帧/秒7603200字节/秒7.25MB/秒一小时：7.25M/秒3600秒/小时25.5GB/小时一天：25.5GB/小时24小时612GB/天 ,压缩的基本原理,安防监控中的视频数据有极强的相关性，有大量的冗余信息压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉,压缩的基本原理,冗余信息,去除冗余信息,压缩标准,Chronological Progression of ITU and MPEG Standard,监控中压缩标准的选择,监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术对于最终用户而言，最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素,M-JPEG,MJPEG（Motion JPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要820K,MPEG-2,MPEG-2被称为“21世纪的电视标准”，它在MPEG-1的基础上作了许多重要的扩展和改进。主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适合网络传输,MPEG-4,MPEG-4的制定初衷主要针对视频会议、可视电话超低比特率压缩的需求。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等MPEG-4与前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它为多媒体数据压缩编码提供更为广阔的平台，它定义的是一种格式、一种框架，而不是具体算法，它希望建立一种更自由的通信与开发环境MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF、4CIF情况下，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现。对于中国企业来说还要面临高昂的专利费，目前规定：每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元每台设备还需要按时间交费(4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年）,H.264,在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC标准；在ITU-T中的名称:H.264H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验, 采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广H.264创造性多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8)和新的环路滤波器，使压缩性能大大提高H.264主要有以下几大优点：高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，最高减小50%比特率延时约束方面有很好的柔韧性容错能力编/解码的复杂性可伸缩性解码全部细节：没有不匹配（MPG-4采用浮点运算，进行整形变换时高质量应用网络友善,第一章 视频监控原理和技术,第一节 视频监控定义第二节 视频监控系统组成第三节 从模拟到数字第四节 基本概念第五节 编码和压缩原理及技术第六节 视频监控中分辨率、码率的选择,分辨率的选择,目前监控行业中主要使用以下分辨率：QCIF、CIF、DCIF、4CIFQCIF主要用于窄带环境，如手机监控；CIF是监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低、图像质量较好，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，带宽要求很高，价格也较高DCIF图像清晰度介于CIF与4CIF之间，是兼顾清晰度和存储成本的过渡选择下一代高清数码监控的分辨率选择：720p、960p下一代超高清数码监控的分辨率选择：UXGA、1080p,352288,352288,704576,704576,码率的选择,不同分辨率对应不同的码率范围，通常而言，码率与图像质量成正比关系如果码率小于该范围，则图像质量较差如果码率大于该范围，则显得浪费,25fps,通过码率计算录像文件大小,每小时录像文件大小（单位：M字节/小时）码率（Kbps）3600秒81024,1字节8 bit,1M1024K,分辨率、图像质量与码流关系图,Bitrate（kbps）,第二章 视频监控的主要产品：摄像机,第一节 摄像机基本概念第二节 图像传感器第三节 摄像机的分类第四节 摄像机的关键指标第五节 镜头知识,摄像机基本概念,组成：主要由镜头、影像传感器（CCD/CMOS）、ISP(Image Signal Processor)及相关电路组成工作原理：被摄物体经镜头成像在影像传感器表面，形成微弱电荷并积累，在相关电路控制下，积累电荷逐点移出，经过滤波、放大后输入DSP进行处理，最后形成视频信号（CVBS）输出,第二章 视频监控的主要产品：摄像机,第一节 摄像机基本概念第二节 图像传感器第三节 摄像机的分类第四节 摄像机的关键指标第五节 镜头知识,第二节 图像传感器,传感器分类CCD的诞生CCD的结构和工作原理CCD的种类CCD的技术指标CMOS的结构CCD vs CMOS,图像传感器分类,CCD（Charged Coupled Device）电荷耦合器件优点：灵敏度，信噪比，成像质量缺点：成本、动态范围、功耗、制造加工代表厂家：SONY、 Sharp、 Panasonic、富士、Philips、KodaCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体优点：成本、动态范围、功耗缺点：灵敏度、信噪比、成像质量代表厂家： Aptina(Micron)、 OmniVision、PixelCam,CCD的诞生,1969 AT&T 贝尔实验室Willard Boyle & George E. Smith,第一台数码相机,1975 年，柯达应用电子研究中心，Steven J.Sasson,CCD结构,CCD结构感光二极管（Photodiode）并行信号寄存器（Shift Register）用于暂时存储感光后产生的电荷串行信号寄存器（Transfer Register）用于暂时存储并行寄存器的电荷并转移放大信号放大器用于放大微弱的电信号模数转换器将放大后的电信号转换为数字信息,CCD结构（图示）,CCD工作原理（图示）,彩色成像原理,CCD种类,按照传输方式全帧（Full Frame）隔行传输式（Interline Transfer）逐行传输式（Full Transfer）按照采光方式前照式后照式按照控温方式普通CCDCool CCD超级CCD（Super CCD）,CCD 种类传输方式,全帧（Full Frame）-感光元件产生电信号-电荷转移到串行寄存器-放大、数摸转换、数字信息动态范围宽信噪比高分辨率高成像速度慢必须借助机械快门控制曝光量,CCD 种类传输方式,隔行传输式（Interline Transfer）-感光元件产生电信号-电荷转移到并行寄存器-电荷从并行寄存器转移到串行寄存器-串行寄存器将电信号转到模拟寄存器-放大、数摸转换、数字信息快速-曝光和数据读出可同时进行可采用软件控制的电子快门工作动态范围小,CCD 种类传输方式,全传（Full Transfer）-综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光区和寄存区-曝光和数据转移可以同时进行保证单位像素上的感光面积保证了拍摄速度,CCD种类采光方式,前照式光从正面照射芯片形成电荷背照式光从背面通过并直接进入二极管光子效率可达到80%,CCD种类控温方式,Cool CCD-消除热或暗电流产生的噪音 -噪音低，图像质量高 -灵敏度高，感光效果佳 -几何失真度小 -解析度稳定，补偿效果佳 -耐震动，不易受点磁场干扰附：普通CCD曝光超过10秒，发热；-20度摄像头可拍摄5分钟图像；-40度摄像头拍摄时间可超过1小时,超级CCD,超级CCD（Supper CCD） -几何形状的改变，增加光电二极管的面积，像素利用率提高33% -更接近Microlens形状，提高有效面积增加光吸收率 -排列结构更适合人眼对分辨率的要求（分辨率提高60%）,CCD技术指标,CCD数字化量子效率CCD像素指标填充因子井深动力学范围CCD像素合并CCD系统增益,CCD系统读出噪音CCD暗电流信噪比CCD平场校正,CCD数字化,数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数字信号12bit=4096；14bit=16384；16bit=65536应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级别的数据,CCD量子效率,量子效率（ Quantum Efficiency ）-阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表述CCD在不同波长下的响应值,在同一波长下QE值越高CCD品质越好CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率多数衡量QE高低是在425nm波长,CCD像素指标-填充因子,填充因子（ Fill Factor ）-CCD实际感光面积占像素面积的比值,理想值-100%实际值-30%（隔行传输式CCD）通过微型镜头（Micro lenses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）填充因子是影响灵敏度的一个因数,CCD像素指标-井深,井深（Well Capacity）-像素可堆积电荷的多少,多数CCD可堆积85K个电荷高品质的CCD可堆积350K个电荷影响灵敏度的一个因数衡量动力学范围的一个因素,动力学范围,动力学范围（Dynamic Range） -描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语 -用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率（It is expressed as the ratio of full saturation voltage(maximum output level) to the total RMS noise of the camera output.) -动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致,动力学范围,CCD像素合并,像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号 -提高灵敏度（2x2bin提高4倍灵敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率）,CCD系统增益,系统增益（System Gain） -传感器中电荷输出量与输入量之比，相当于传统相机的感光度（ISO) -提高增益将会造成数字噪音的增加 -低增益可以最小化噪音得到最佳分辨率，但是将损失井深，从而损失灵敏度 -系统中最优化的增益值根据平衡数字化计数、井深和数字化噪音最佳值来进行设置,CCD系统读出噪音,读出噪音（Readout Noise） 产生噪音的因素 -不能保证在电荷从CCD转移出来并数字化的时候有一个好的重复性，导致相同像素中相同电荷数量进行A/D转换时得不到相同的结果 -传感器及电路产生的随机电荷与像素中有效电荷一起被数字化 -数模转换线圈将会分散一部分有意义的转换值降低系统噪音的方法 -采用Cool CCD -减小系统增益,CCD暗电流,暗电流（Dark Current , Dark Count） -CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数 -暗噪音大约为暗电流的平方根,CCD系统信噪比,信噪比（ Signal to Noise Ratio ） -衡量信号及噪音的关系 -表征检测的限度（灵敏度）,噪音常常表现在电子元件传输或接收信号的时候,CCD平场校正,平场校正（ Flat-Field Correction） -用增益（gain）和补偿（offset）对个别的像素给予额外的休整 两种表征CCD传感器输出误差方式： -固定图案噪音（FPN，Fixed Pattern Noise） -图像不均一响应（PRNU，Photo Response Non Uniformity）,CMOS,互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）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）灵敏度低、噪声明显数模转换无法保证严格一致,CCD vs. CMOS,CCD接口,接口（Camera Interface） -Camera Link：在Channel Link基础上开发，可进行高速数据传输 -FireWire 及 IEEE 1394：苹果电脑公司开发，最初用于电脑外部设备的连接 -USB：高速、热插拔接口，最初用在电脑外部设备的连接 -Gigabit Ethernet：高速网络协议允许数据在网络中传输，该接口技术目前正在发展当中,CCD接口,C-MountF-Mount(Gel Doc, ChemiDoc, ChemiDoc XRS)(VersaDoc)AdvantagesDisadvantagesAdvantagesDisadvantages,Lower f/stop availableFaster imagingLess expensiveIncrease perceived sensitivity,As f/stop decreases, spherical aberrations increase,Few spherical aberrations Optically superior,More expensive Lower the f/stop = greater expense,CCD执行标准,CCD执行标准CCIR（Consultative Committee for International Radio欧洲标准RS170（EIA）-美洲标准,第二章 视频监控的主要产品：摄像机,第一节 摄像机基本概念第二节 图像传感器第三节 摄像机的分类第四节 摄像机的关键指标第五节 镜头知识,摄像机的分类,按图像色彩分：彩色（Color）（彩色自动转黑白）、黑白（B/W）；按传感器分：CCD、CMOS按分辨率分：超高解、高解、低解按灵敏度（最低照度）分：普通型、月光型、星光型、红外照明型按传感器大小分：1、2/3、1/2、1/3、1/4； 按供电电源分：直流12V、交流24V、交流220V； 按同步方式分：内同步、外同步按镜头接口分：C卡口 、CS卡口、M12。 按摄像机结构分：枪机、半球、迷你、针孔、飞碟、防暴、一体型按输出信号类型分：模拟摄像机、网络摄像机、数字摄像机（ITU656）按特殊功能分：宽动态摄像机、强光抑制,第二章 视频监控的主要产品：摄像机,第一节 摄像机基本概念第二节 图像传感器第三节 摄像机的分类第四节 摄像机的关键指标第五节 镜头知识,摄像机的关键性能指标,传感器类型分辨力（解析度）最低照度信噪比（S/N）自动增益控制（AGC）白平衡（WB）同步方式电子快门（ES）其它,摄像机的关键性能指标传感器,传感器类型：CCD、CMOS传感器（靶面）尺寸：1/2”，6.44.8mm，对角线8mm；1/3”，4.83.6mm，对角线6mm；1/4”，3.22.4mm，对角线4mm。有效像素例如：1/3” SONY Super HAD CCD有效像素规格有：500（水平）582（垂直），PAL制式752（水平）582（垂直），PAL制式,摄像机的关键性能指标分辨力,标示摄像机清晰度的参数，通常用水平电视线（TVL）来表示现阶段常见的分辨力参数有420TVL或以下，低解480530TVL，高解540TVL以上，超高解,摄像机的关键性能指标最低照度,标示摄像机能够正常输出图像的最低照度值，有时被称为“灵敏度”，单位：Lux摄像机的最低照度参数通常由三部分组成，例如：以摄像机正常工作照度范围划分：普通型：13 Lux月光型：0.1 Lux左右星光型：0.01 Lux以下红外型：0 Lux，采用红外照明,彩色 0.1Lux F1.2,色彩模式（彩色/黑白）。同一支摄像机在彩色或黑白模式下，其照度参数不相同,照度参数，表示摄像机在正常输出图像时，到达传感器的最小光照强度,光圈值。表示该照度参数是在镜头设定于何种光圈值条件下取得的。,附：提升摄像机照度的几种方法,镜头采用F值较小的镜头滤光片采用双滤光片（ICR）传感器提升传感器的开口率（填充因子）采用大尺寸的传感器采用多传感器ISP（Image Signal Processor）工作于黑白模式下提升AGC水平采用低速电子快门（帧积累）,摄像机的关键性能指标信噪比,标示摄像机输出信号中的信号与噪声之比，用S/N表示，单位为dB计算公式：S/N=20log(VS / VN )信噪比性能直接决定了摄像机在低照度条件下的输出图像质量质量（噪点）,摄像机的关键性能指标自动增益,AGC（Auto Gain Control）将来自CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，并自动根据信号电平调整增益幅度优点是提升了摄像机的动态范围，缺点是将噪声一同放大,AGC打开,AGC关闭,摄像机的关键性能指标白平衡,用于彩色摄像机，确保在不同色温环境下正确表示色彩分为手动白平衡和自动白平衡两种手动白平衡自动白平衡自动控制白平衡（AWB，Auto White Balance）自动跟踪白平衡（ATB，Auto Tracking White Balance）,日光灯色温 标准色温 钨丝灯色温,摄像机的关键性能指标同步方式,摄像机必须依靠一个同步信号来协调各信号处理模块的运作；分为内同步、电源同步和外同步三种内同步（INT）采用摄像机内部晶振产生的时钟信号作为同步信号；电源同步（LL，Line Locked）采用交流电源作为同步信号（零线同步）外同步（EXT）利用外部信号发生器作为同步信号源，如：彩色复合视频或黑色突发信号（VBS）、黑白复合视频或复合同步信号（VS）、复用垂直驱动信号（VD2）和复合视频输出信号,矩阵同步出错,摄像机同步出错,摄像机的关键性能指标电子快门,ES（Electronic Shuttle），摄像机通过控制传感器的感光时间实现快门功能，通常为1/501/100000秒可调AES（Auto Electronic Shuttle）自动电子快门模式，根据环境照度高低（进光量大小）自动调整电子快门时间，确保输出图像亮度恒定,AES关闭,AES打开,摄像机的关键性能指标其它关键指标,背光补偿（BLC）宽动态（WD）日夜转换（D/N）强光抑制,背光补偿,摄像机通过整个视场的亮度平均值来确定AGC水平，如前景、后景亮度差异较大时，将导致前景曝光不足摄像机开启背光补偿功能，仅针对视场中的某一个子区域来确定其AGC水平，确保前景正常曝光，但会导致背景过曝,宽动态,采用特殊的CCD和DSP电路，针对画面中较亮的区域和较暗的区域分别曝光，并将两个画面合成在一起形成一幅前景和后景均正常的图像,日夜转换D/N,在夜间或照度较低的场景下，摄像机从彩色模式自动转换为黑白模式，可有效提高摄像机的低照度性能,白天（彩色）模式,夜间（黑白）模式0.008Lux / F1.2,日夜转换D/N（续）,两种日夜转换模式普通日夜型采用固定式的双峰滤色片，同时通过可见光和红外光ICR日夜型采用机械式红外滤色片，白天滤掉红外光确保图像效果；夜晚则移去红外滤色片，确保全光谱光线均可进入CCD,普通日夜型,ICR日夜型,强光抑制,对画面中的强光源进行抑制，以获得周边图像信息,第二章 视频监控的主要产品：摄像机,第一节 摄像机基本概念第二节 图像传感器第三节 摄像机的分类第四节 摄像机的关键指标第五节 镜头知识,镜头种类,手动光圈镜头（MF）,手动变焦镜头（VR）,DC Vedio自动光圈镜头（AI）,Board Lens(Pine Hole),固定光圈镜头(FF),电动镜头(Zoom Lens),镜头分类,按焦距定焦镜头变焦镜头变倍镜头广角镜头按光圈固定光圈镜头手动光圈镜头自动光圈镜头 DD VD,按特殊功能FA镜头（工业级）百万像素镜头IR镜头针孔镜头,镜头的关键指标,像面尺寸F值（光圈值）焦距接口类型CSC,第三章 视频监控主要产品：DVR、DVS,第一节 PC式硬盘录像机（PC-DVR）第二节 嵌入式硬盘录像机（DVR）第三节 DVR的关键技术第四节 嵌入式视频服务器（DVS）,PC式网络硬盘录像机系统构成,兼容/工控PC机+视频采集或压缩卡+普通/较可靠的操作平台+应用软件,PC式网络硬盘录像机特点,PC平台在数字视频技术发展的早期阶段成为首选的载体PC-DVR的核心要素是视音频压缩（采集）板卡，它决定了整套系统的技术体系架构及性能PC式DVR具有兼容性好，软件开发周期短，易扩展、易操作，一机多用等特点PC式DVR中影响整套系统稳定性的环节较多，例如主板、显卡、压缩卡、操作系统、应用软件等等,视频卡分类,视频采集卡 / 软压卡视频压缩卡 / 硬压卡,第三章 视频监控主要产品：DVR、DVS,第一节 PC式硬盘录像机（PC-DVR）第二节 嵌入式硬盘录像机（DVR）第三节 DVR的关键技术第四节 嵌入式视频服务器（DVS）,DVR,DVR：Digital Video Recoder数字视频网络硬盘录像机功能：模数转换、编码存储、检索及回放（VOD）连接CVBS系统及IP系统提供控制界面,什么是嵌入式？,从应用的角度，IEEE（国际电子和工程师协会）给嵌入式系统下过一个定义，即嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。嵌入式系统在工业控制、交通管理、信息家电、环境监测、航空航天、军事等方面均有广泛的应用，美国火星车上的探测器是嵌入式技术在高端领域的典型例子目前国内有一个比较认同的定义就是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统 比较通俗的解释是，嵌入式就是按需订制的计算机系统，其所有构成部件（软件和硬件）都是围绕着一个核心目标而设计,嵌入式网络硬盘录像机系统结构,嵌入式DVR软件结构,Operation System,Hardware Independent Software,Applications,TCP/IP,Memory Management,Libraries,microKernel,File System,Hardware Abstraction Layer,ATADriver,FlashDriver,USBDriver,A/VDriver,SerialDriver,EthernetDriver,OtherDrivers,Hardware,IO Subsystem,录像,监控应用软件,网络,硬件层,硬件抽象层,操作系统层,应用层,PC-DVR与嵌入式DVR的比较,PC式DVR（PC-DVR）在处理性能和功能方面有优势，适于小规模应用嵌入式DVR（E-DVR）优势主要在可靠性方面，性能随着IC技术的进步而不断提升；适于各种规模的应用,第三章 视频监控主要产品：DVR、DVS,第一节 PC式硬盘录像机（PC-DVR）第二节 嵌入式硬盘录像机（DVR）第三节 DVR的关键技术第四节 嵌入式视频服务器（DVS）,DVR的关键技术,视频编码技术硬盘记录技术网络传输技术应用技术,关键技术之一：视频编码技术,几种编码技术的效率对比,关键技术之一：视频编码技术（续）,任何视频编码的效率都是与视频源有关的，针对不同的视频源，视频编码效率是不一样的现有的视频编码算法，不是很适合数码监控中的视频编码，需要对现有的视频编码算法进行重新组合和/或改进解码图像质量与视频输入源的图像质量（信噪比等）以及视频编码算法有极大的相关性为提高视频输入源的图像质量，解决方案是：选择高质量的前端图像输入设备增加DVR视频图像的自适应处理功能,关键技术之二：硬盘记录技术,硬盘录像机这样快速普及，主要原因是管理和使用方便，如无需人工对硬盘进行管理（不存在象磁带那样堆放的负担）、可快速检索、提供人性化的回放操作等目前硬盘是为计算机设计的，用于硬盘录像还存在一些问题：记录数据的关联性、错误恢复能力、硬盘的使用寿命等，DVR专用硬盘的问世一定程度上改善了这一状况，但还有很大的提升空间在硬盘管理上还需要做很多工作，目前已使用的硬盘休眠技术、磁盘预分配技术、冻结保护技术、低寻道技术、硬盘故障预警和报警等，还需要做更多的工作,DVR的存储管理技术,磁盘管理技术硬盘休眠技术SMART技术,文件管理技术磁盘空间预分配双分区表低寻道技术分区表冻结保护索引帧重叠技术,关键技术之二：硬盘记录技术（续）,普通硬盘与DVR专用硬盘的差别,关键技术之三：网络传输技术,有效传输：目前的IPv4技术，是为数据业务设计的，用于流媒体的传输，在有效和实时上有些勉强，需要RTP/RTCP协议，给予适当的补救协议支持：各领域的监控业务要求不同，需采用不同的传输协议，如TCP、UDP、点播、多播、SIP等等网管功能：对于网络监控，端设备的在线保活及业务功能实施状态的信息传递已成为必须具备的功能网络电视技术可应用于网络监控中，但不能照搬。因为网络电视的需求特点鲜明，容易出标准，而网络监控的需求复杂，规模大小不一，所以宜选择符合监控业务要求的相关技术，如实时控制切换技术、QoS、各安防子系统的集成技术，具有安防特点的视频内容管理与分发技术等等,关键技术之三：网络传输技术（续）,端到端时延主要包括IP链路上的传输时延、DVR编码时间、终端解码时间以及接入时间等，在网络传输时，由于缓冲区的调度也会产生延时，后者甚至比前者还严重，需要仔细的调度时延指标应包括传输时延、时延抖动、丢包率等参数公安部669标准规定的网络性能指标要求如下：,关键技术之四：应用技术,个性化应用技术平台技术智能监控技术,个性化应用技术,移动侦测字符叠加报警联动同步回放电子放大,DVR主要解决的问题,模数转换、编码存储、检索及回放（VOD）连接CVBS系统及IP系统提供控制介面,第三章 视频监控主要产品：DVR、DVS,第一节 PC式硬盘录像机（PC-DVR）第二节 嵌入式硬盘录像机（DVR）第三节 DVR的关键技术第四节 嵌入式视频服务器（DVS）,嵌入式网络视频服务器（DVS）系统结构,DVS主要解决的问题,前端模数转换、编码连接CVBS系统及IP系统尽可能缩短CVBS传输距离提供缓存,第四章 网络视频监控系统,第一节 网络监控技术第二节 几种典型的网络视频监控系统第三节 网络视频监控发展趋势,网络监控技术,技术：视频编解码技术、系统集成技术、TCP/IP技术、软件开发技术、流媒体技术组成：网络、服务器、电视墙功能：图像与声音调度、设备运行状态监测、用户管理、视频流管理与传输等等传输：视频线、双绞线、光缆（传输的是视频数字信号）,137,典型的网络化视频监控,模拟接入方式的模数混合型系统,139,全数字联网监控示意图,140,网络视频监控的发展趋势,这是一个数字取代模拟的阶段。实际上，这个阶段从90年代就已经开始了。但直到2000年金融行业进行监控数字化改造，才得到了突飞猛进的发展。这个阶段奠定了数码监控持续向前发展的技术和市场基础。,随着网络技术和网络基础建设的不断发展，掀起了新一轮监控网络化的改革浪潮。在这个阶段中，DVR、DVS成为主流的产品形态。联网成为基本需求。视频监控管理平台软件应用越发广泛，IP监控初露端倪。,联网监控不断深化发展以及需求的不断提升，以IP摄像机、高清、智能为基本元素的开放式IP监控架构被越来越多地提及。如何满足客户的个性化需求成为设计者和生产者首要考虑的问题,第五章 新一代视频监控产品,第一节 IP摄像机第二节 网络视频录像机（NVR）第三节 混合型网络视频录像机（HDVR）第四节 磁盘存储阵列,第一代IP摄像机的系统结构,第一代IP摄像机包括视频采集模块和编码模块，二者通过模拟信号接口（CVBS）相连本质上是将模拟摄像机与视频编码器进行捆绑，主要解决联网的问题CVBS系统成为实现更高分辨率的瓶颈最大分辨率为4CIF/D1，最大帧率为25/30fps,第二代IP摄像机的系统结构,第二代IP摄像机包括视频采集模块和编码模块，二者通过数字接口（ITU656）相连真正全数字化，主要解决清晰度的问题，同时前端智能化应用成为可能传感器像素密度成为实现更高分辨率的瓶颈可实现100万像素以上分辨率、25fps以上帧率,第三代IP摄像机的系统结构,第三代IP摄像机将视频处理和编码进行整合实现强大的视频处理和高效的视频分析（智能）功能DSP的性能决定了摄像机的整体性能更注重前端智能化，高分辨率已经不是唯一追求的目标,第三代IP摄像机的关注重点,强调技术的整合与业务的融合视频处理技术、视音频编码技术、智能技术管理、传输、控制、识别更高的技术门槛，将对IP-C市场格局产生影响在性能和成本之间取得平衡,IP摄像机与智能技术结合的案例,IP摄像机的发展趋势,清晰度,整体性能,ASIC,第三代IPC技术的整合,第二代IPC解决清晰度的问题,第一代IPC解决联网的问题,网络、高清、智能,IP摄像机的关键技术,视频处理技术视频编码技术网络传输技术,IPC关键技术之一：视频处理技术,模拟摄像机技术传感器类型分辨力（解析度）最低照度信噪比（S/N）自动增益控制（AGC）白平衡（WB）同步方式电子快门（ES）背光补偿（BLC）宽动态（WD）日夜转换（D/N）强光抑制,图像增强技术降噪去抖动GAMMA校正图像均衡,IPC关键技术之二：视频编码技术,视频编码标准的选择依据,IPC关键技术之三：网络传输技术,有效传输：目前的IPv4是为数据业务设计的，用于流媒体的传输，在有效和实时上有些勉强，需要RTP/RTCP协议给予适当的补救协议支持：各领域的监控业务要求不同，需采用不同的传输协议，如TCP、UDP、点播、多播、SIP等等网管功能：对于网络监控，端设备的在线保活及业务功能实施状态的信息传递已成为必须具备的功能,IP摄像机的优势,支持百万像素以上的高清开放式的IP系统，降低总体拥有成本（TCO）安装成本低，设备管理可达通道级兼顾未来对智能应用的需要,第五章 新一代视频监控产品,第一节 IP摄像机第二节 网络视频录像机（NVR）第三节 混合型网络视频录像机（HDVR）第四节 磁盘存储阵列,网络视频录像机（NVR）,NVR是Net Video Recorder的缩写 ,其主要功能是对网络音视频数据进行集中存储和检索NVR也分为PC-NVR和嵌入式NVR两种主要工作原理：,采集+编码,传输,存储,第五章 新一代视频监控产品,第一节 IP摄像机第二节 网络视频录像机（NVR）第三节 混合型网络视频录像机（HDVR）第四节 磁盘存储阵列,混合型网络硬盘录像机（H-DVR）,H-DVR（Hybrid DVR）混合型DVR或复合DVR；可同时接入模拟摄像机和网络摄像机H-DVR = DVR