培训班视频监控系统.ppt

1,第二章专业知识,2.10视频监控系统,2,2.10.1概述,视频监控系统是安全防范系统的组成部分,以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。,3,前端部分摄象机监听头等,信号传输部分视频放大器或射频调制器、射频解调器、电缆、光缆、光端机等,显示部分监视墙和监视器、多画面处理器、显示器等,报警装置,控制部分计算机、视频矩阵、音频矩阵等,记录部分长延时录象机、硬盘录象机、VHS录象机等,多媒体监控系统方框图,4,1前端部分,前端部分包括摄象机、监听头、云台、防护罩、解码器等设备。摄象机是把景物的光信号变成电信号的装置，监听头又叫拾音器，是把声音信号变成电信号的装置。云台是摄象机的载体，可作水平方向和垂直方向的转动，以扩大视野，选取最佳角度和最佳焦距摄取图象。,5,前端部分(续）,防护罩用于摄象机和云台的保护，还可以降低云台转动的噪声。解码器是将数字控制信号变成模拟电压信号的装置，它把控制中心送来的控制信号（数字信号）变成相应的电压（模拟信号），以控制云台的上下左右转动和摄象机镜头的变焦、聚焦、光圈等,6,2信号的传输部分,信号的传输部分包括多种电缆、光缆、视频放大器、射频调制/解调器、高频放大器、光端机等，它们的作用是将音/视频信号、报警信号传送到远端的控制中心，同时还要将控制中心的计算机、视频矩阵、控制器输出的控制信号传送到前端设备。,7,3显示部分,显示部分包括监视器（或AV输入端口的电视机）、视频多画面处理器、计算机的显示器等，主要作用是再现前端设备送来的声音和图象，还可以重放录制内容。,8,4控制部分,控制部分是整个系统的控制和指令中心，包括计算机、视频矩阵、音频矩阵等控制设备，主要作用是：控制音/视频信号的同步切换控制云台和摄像机的动作控制记录系统的记录和重放控制报警器,9,5记录部分,记录部分包括普通VHS录象机长延时录象机（又称时滞录象机）硬盘记录器或硬盘录象机作用是将图象、声音、报警信息等即时记录下来，作为资料保存备查。,10,2.10.2.摄像机,摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置。其结构大致可分为三部分：光学系统（镜头等）光电转换系统（摄像管或固体摄像器件）电路系统（视频处理电路等）,11,光电转换系统,光电转换系统是摄像机的核心，是摄像机的“心脏”，也叫感光成像部件。主要有：摄像管固体摄像器件,12,一、固体摄像器件,固体摄像器件，也称半导体摄像器件、光敏元件、图像传感器（SENSOR），是一种半导体芯片。目前主要使用两大类光敏元件：电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)互补金属氧化物半导体器件CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor),13,CCD器件,CCD由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位。感光单元是光电二极管。光电二极管受到光照射时，就会产生电荷，光电流的强度与光强度成正比。通过模数转换器转换成数字信号，经过压缩以后由相机/摄象机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。，,14,CCD器件（续1）,每一个光电二极管代表图象中的一个像素。光电二极管的排列方式有两种。一种是平面阵列，多个光电二极管排列成一个平面，同时感受光信号(色彩、强度等)，工作原理与传统的胶卷相似。另一种是条状阵列，多个光电二极管排列成一条直线，逐行进行感光成像，并逐行把光信号传输到存储介质中，工作原理与扫描仪相似。所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。,15,CCD器件（续2）,CCD除了数量巨大的光电二极管及译码寻址电路外还有密密麻麻排列的MOS电容器，能够存储入射光在光电二极管中激发出的光信息电荷，并能在时钟脉冲驱动下，把存储的电荷定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的图像，也可以存储在磁带机内或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。,16,CCD在数码相机中的位置,由于光电二极管生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换，因此必须由CCD传感器中的专门的放大器做统一的放大，之后再由模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。,17,CCD的像素及彩色形成2,CCD传感器上有一层感光元件，每个元件上都覆盖滤光片，四个元件组成一个彩色像素,滤光片只让颜色相同的光通过并被捕获，其它色光被阻拦导致色彩信息丢失,最终，只有部分色彩信息被捕获，其中红光和蓝光只占25%，绿光捕获65%。,18,二、摄像机配套设备:,1电动云台云台用于承载摄象机。电动云台在电压信号控制下能作水平、垂直方向的旋转。摄象机安装在云台之上，通过控制云台的旋转，可以改变摄象机的视角方向和俯仰，以监视不固定的目标。,19,电动云台的组成,电动机是电动云台的的基本部件，可以是12V、24V直流伺服电机，也可以是24V、220V交流伺服电机。传动装置包括齿轮、蜗轮、蜗杆等，用于将电动机的高速旋转变为摄象机安装座的缓慢转动。限位开关用于限制电动云台的旋转角度。当旋转角度到达限位点时，压住微动开关，微动开关的常闭触点断开，切断云台电机的工作电压，电动机停止转动。,20,云台控制协议,云台是通过云台解码器与计算机串口或并口相连的，程序是通过向云台解码器发送指令来实现云台控制的。这里的指令是由云台控制协议确定的。不同的厂家，云台控制协议也不尽相同。以Pelco-D2400为例，其命令格式由7个字节构成。第一个字节为同步字节，始终为FFH，第2个字节为地址码，也就是摄像头的逻辑地址号，范围在00HFFH之间，是在安装摄像头时手动设置的，该值一定要正确，否则命令不会执行。第3、4个字节表示指令码，即执行哪项操作，例如，向上、下、左、右移动摄像头等。第5、6个字节表示数据码，用于指定摄像头的水平、垂直方向移动速度。第7个字节为校验码，它是由第2、3、4、5、6个字节数据之和与100H取模获得的。,21,红外照明,CCD光电传感器对波长8001000nm的红外光仍然敏感。在黑暗中用该波段的光源照射被射物体，虽然对人眼而言是看不见的，但黑白CCD摄象机却能得到令人满意的图象（彩色CCD摄象机因为有滤色器挡住红外光，不能成像），所以视频监控系统常用红外照明器在黑暗中进行监视。,22,红外照明（续1）,红外照明器中大功率（500W）的红外照明白炽灯有效范围可达150m；小功率（60W）的红外LED照明灯有效范围可达60m；如果用20个红外LED（每个10mA）排成阵列定向照明，有效范围可达10m以上。,23,红外照明（续2）,因为物体对红外光和可见光的反射率是不同的，所以用这两种光源照射时得到的图象在灰度层次上略有区别。在完全红外光照射时，图象对比度较大且景物细节较清楚；当环境稍亮时，因为摄象机对可见光灵敏度高，此时红外成像基本不起作用，图象反而不清楚。所以在室内进行红外暗中监视时，应使室内完全黑暗，才能取得最好效果。,24,监控一体化摄像机,25,电动云台和变焦镜头的控制,云台镜头控制器是由监控室直接对前端摄像机的云台和镜头进行控制的设备。由于所连接的控制线较多，它一般用于近距离控制的切换器闭路电视遥控系统中。云台、镜头控制器能够直接控制三可变镜头的光圈（IRIS）、聚焦（FOCUS）和变焦距（ZOOM）的双向变化。它一般通过一根4芯电缆与镜头控制线直接对应连接。向三可变镜头的三个控制电机提供6V-12V的直流驱动电压，来控制镜头的变化，满足需要的调节功能。,26,2.10.3.液晶显示器,“扭曲向列型液晶显示器”（TwistedNematicLiquidcrystaldisplay）,简称“TN型液晶显示器”。这种显示器的液晶组件构造是向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。然后再在有电极的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。,27,电压对液晶的影响示意图,图a中左边玻璃使液晶排成上下的方向，右边玻璃则使液晶排成垂直于图面之方向。此组件中之液晶的自然状态具有从左到右的扭曲,这也是称它为扭曲型液晶显示器的原因。,28,“扭曲向列型”液晶显示器（续）,利用电场使液晶偏振方向旋转的原理，在电极上加电压使光经过TN型液晶盒后偏振性发生变化。在不加电压时，选择适当的液晶厚度使光的偏振方向刚好改变90,前后两个平行偏振片使光完全不能通过。在加上电压后，液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振不改变，因此光可顺利通过第二个偏光器。这样，利用电的开关控制光的偏振从而控制光的明暗，透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。,29,TN型液晶显示原理示意图,30,LCD结构,31,2.10.4视频信号的切换与控制,在闭路电视监控系统中，一般有几个、几十个、上百个乃至上千个摄像机安装在安全防范现场，它们传送回的视频图像在闭路电视监控系统中一般没有必要实行一对一显示，以减少显示器的数量。通常情况下，大多采用4：1、6：1、8：1、或12：1等方式进行手动切换或自动顺序切换即可满足安全防范工作的需要。,32,视（音）频切换器,视（音）频切换器是一种将多路摄像机的输出视频信号和音频信号，有选择地切换到一或几台显示器和录像机上进行显示和记录的开关切换设备。是在切换器闭路电视监控系统设计中使用的主要控制设备。,33,视频切换工作原理,视频切换器可分为机械开关切换方式和电子开关切换方式两种。机械开关切换方式现已被淘汰，电子开关切换方式又可分为多种，现大多采用集成电路模拟开关方式。这种切换方式隔离度高，便于控制，也便于组成矩阵切换方式。常用单片机锁存的TTL电平输出信号来控制切换电路。,34,视频矩阵,矩阵式视频切换器简称视频矩阵或矩阵开关，是视频切换器的高级形式，它采用集成电路模拟开关方式，可用人工或计算机编程方式进行控制。视频控制矩阵能够把任意一路输入的摄像机视频信号同时切换输出到任意一路或多路的监视器，同时还包括时间/日期等字符信息的叠加、云台镜头的摇控、音频信号的同步切换以及报警信号的视频联动等。,35,视频输入端,视频矩阵切换方式示意图,图中有48路输入、4路输出。可以看出，矩阵中的任何一路输入线与任何一路输出线都有交汇点，交汇点可以由集成电路模拟开关进行控制，当模拟开关接通时，对应的输入/输出端接通，视频信号就从第M端输入，第N端输入，从而完成了信号的选择过程。,36,视频矩阵系统的基本功能,具有多路视频信号输入口、多路视频信号输出口、有多个计算机或控制键盘接口可调出视频矩阵中的任意一路视频信号，并在所选端口输出有多种循环切换模式，如程序切换、巡回切换、群组切换等可外接报警控制器，并有多种报警切换模式有所需的其它接口（如RS-485四芯电话线串口、打印机口、RS-232串口)音频矩阵原理、指标类型、功能与视频矩阵基本相同。,37,2.10.5记录部分,在多媒体电视监控系统中，对图象和声音的记录与重放有三个要求，一是记录时间长，二是可以反复使用，三是可以快速检索、即时重放。记录/重放装置一般采用录象机或硬盘记录装置。,38,硬盘录象机,数字图像的存储除了磁带存储，目前常见的还有硬盘、光盘等多种方式，目前最常用的是数字图像硬盘存储(也称为硬盘录像设备等)。硬盘录象首先把图象信号数字化，然后根据图象的行间相关性和帧间相关性将数字化后的数据进行压缩，压缩后的数据以时间为序以文件形式存储在硬盘中。由于硬盘录象以数字技术和计算机技术为基础，所以有较高的智能，采用计算机硬盘作记录装置不仅可以实现录象机的所有功能，还具有许多新功能。,39,大容量存储技术一、存储介质,磁盘阵列磁带库光盘塔光盘库,40,磁盘阵列RAID,RAID是冗余磁盘阵列（RedundantArrayofInexpensiveDisk）的简称。它是把多个磁盘组成一个阵列，当作单一磁盘使用。它将数据以分段(striping)的方式分散存储在不同的磁盘中，通过多个磁盘的同时读写，来减少数据的存取时间，并且可以利用不同的技术实现数据的冗余，即使有一个磁盘损坏，也可以从其他的磁盘中恢复所有的数据。简单地说，其好处就是：安全性高、速度快、数据容量大。,41,磁盘阵列等级,磁盘阵列根据其使用的技术不同而划分了等级，称为RAIDlevel，目前常用的标准是RAID0RAID5。其中的level并不代表技术水平的高低,至于选择哪一种RAID需视用户的需求而定。,42,RAID级别,43,RAID0示意图,图中一个圆柱就是一块磁盘。在存储数据时由RAID控制器分割成大小相同的数据条，同时写入阵列中的磁盘。读取时，也是顺序从阵列磁盘中读取后再由RAID控制器进行组合,再传送给系统。,44,RAID0,它是将多个磁盘并列起来，成为一个大硬盘。在存取数据时，将数据按磁盘的个数来进行分段，然后同时将这些数据写进这些盘中。多个磁盘的并行操作提高了读写速度。在所有的级别中，RAID0的速度是最快的。但没有数据冗余，阵列中任何一个磁盘坏掉，意味着所有数据丢失。,45,RAID0特点,磁盘利用数：n(假设有n个磁盘)。配置条件：最低两块磁盘，且分区大小尽量相同。应用领域：对高磁盘容量及高速磁盘存取有特殊需求，而又不计较其高故障率的工作。,46,RAID1示意图,47,RAID1,使用磁盘镜像(diskmirroring)的技术，在一个磁盘上存放数据的同时也在另一个磁盘上写一样的数据。因为有了备份磁盘，所以RAID1的数据安全性在所有的RAID级别上来说是最好的。尽管其写入数据的速度比较慢，但因其数据是以分段的方式作储存，因而在读取时,它几乎和RAID0有同样的性能。,48,RAID1特点,磁盘利用数：n/2。配置条件：最低两块磁盘，且分区大小尽量相同。应用领域：数据库、金融系统等一些对数据有着高可靠性要求的领域。再者就是系统中写数据量比较少，而读数据量又比较多的情况下可以采用这一模式。,49,RAID2,校验阵列存储相应的汉明码，也是一位一个硬盘。,数据阵列中的每个硬盘一次只存储一位的数据,在写入时，RAID2在写入数据位同时还要计算出它们的汉明码并写入校验阵列，读取时也要对数据即时地进行校验，最后再发向系统。,50,RAID3,RAID3是在RAID2基础上发展而来的，主要的变化是用相对简单的异或逻辑运算XOR校验代替了相对复杂的汉明码校验。是Paralleltransferwithparity（并行传输及校验）,51,RAID4,与RAID3相比，关键之处是把条带改成了“块”。即RAID4是按数据块为单位存储的，一个数据块是一个完整的数据集合。在不同硬盘上的同级数据块也都通过XOR进行校验，结果保存在校验盘。IndependentDatadiskswithsharedParitydisk（独立的数据硬盘与共享的校验硬盘）,52,RAID5示意图,RAID5和RAID4相似但避免了RAID4的瓶颈，方法是不用校验磁盘而将校验数据以循环的方式放在每一个磁盘中,53,RAID5,以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个磁盘上。这样，任何一个磁盘损坏，都可以根据其他磁盘上的校验位来重建损坏的数据。并行读写数据，性能也很高。,54,RAID5特点,磁盘利用数：n-1。配置条件：最低三块硬盘，且分区大小尽量相同。应用领域：适合于事务处理环境，例如民航售票处、销售系统等。,55,RAID卡,RAID卡就是用来实现RAID功能的板卡，通常是由I/O处理器、SCSI控制器、SCSI连接器和缓存等一系列组件构成的。不同的RAID卡支持的RAID功能不同。RAID卡第一个功能是可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。第二个重要功能就是可以提供容错功能。,56,二、存储技术1DAS,DAS是DirectAttachedStorage的缩写，即“直接连接存储”，是指将外置存储设备通过连接电缆，直接连接到一台计算机上。采用直接外挂存储方案的服务器结构如同PC机架构，外部数据存储设备采用SCSI技术，或者FC(FibreChannel)技术，直接挂接在内部总线上，数据存储是整个服务器结构的一部分，在这种情况下往往是数据和操作系统未分离。,57,DAS示意图1,JBOD(JustBundleOfDisks)“简单磁盘捆绑”或者“磁盘簇”，通常又称为Span。使多个硬盘像一个硬盘那样工作，但不是标准的RAID级别,58,DAS示意图2,59,1DAS（续）,直连式存储依赖服务器主机操作系统进行数据的I/O读写和存储维护管理，数据备份和恢复要求占用服务器主机资源（包括CPU、系统I/O等），数据流需要回流主机再到服务器连接着的磁带机（库），数据备份通常占用服务器主机资源20-30%，直连式存储的数据量越大，备份和恢复的时间就越长，对服务器硬件的依赖性和影响就越大。,60,2SAN,存储区域网络（StorageAreaNetwork，简称SAN）采用光纤通道（FibreChannel）技术，通过光纤通道交换机连接存储阵列和服务器主机，建立专用于数据存储的区域网络。SAN存储采用的带宽从100MB/s、200MB/s，发展到1Gbps、2Gbps。,61,SAN示意图1,62,SAN示意图2,63,3NAS,网络接入存储（Network-AttachedStorage，简称NAS）采用网络（TCP/IP、ATM、FDDI）技术，通过网络交换机连接存储系统和服务器主机，建立专用于数据存储的存储网。NAS性能可靠稳定，有优化的文件管理系统和低廉的价格。,64,NAS示意图1,65,NAS示意图2,66,3NAS（续1）,NAS设备内置独立的存储操作系统，全力支持I/O存储，同时可以不经过服务器将NAS设备中的重要数据进行本地备份。NAS设备主要用来实现在不同操作系统平台下的文件共享应用，提供RJ-45接口和单独的IP地址，可以直接挂接在网络交换机或Hub上，通过简单的设置(如设置机器的IP地址等)就可以在网络即插即用地使用，网络数据在线扩容时也无需停顿，从而保证数据流畅存储。NAS设备的安装、调试、使用和管理非常简单。,67,2.10.6监控系统,视频监控系统发展分为三个阶段第一阶段：模拟视频监控系统第二阶段：PC+采集卡及DVR（硬盘录像系统）第三阶段：网络视频监控系统(编解码器),68,一、数字视频监控技术,20世纪90年代中期，数字硬盘录像机DVR成功开发。利用DVR，图像可以保存在计算机硬盘或磁带上，实现了对视频文件的动态快速检索和查找。摄像机可动态开启，并且报警前和报警后的文件都易于查找。,69,（一）基于PC机的系统,1系统构成数字视频压缩编码技术的成熟和计算机的普及，为基于PC机的多媒体监控创造了条件。在远端监控现场，有若干个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端PC上。,70,系统构成,搭建在PC机平台上的数字视频录像(DVR)，在计算机中插入二块图像采集压缩卡，运行Window操作系统，再配上开发的软件，就可以构成DVR系统。通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心，就构成了监控网络。,71,基于PC机的监控系统,72,（二）嵌入式系统,嵌入式监控设备一般指非PC系统，将内部的操作系统和应用程序写入到FLASH、DISKONCHIP或单片机等存储器芯片上，面向某种特定应用的视频监控设备：“嵌入式硬盘录像机”。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。,73,嵌入式系统2,嵌入式数字监控主机，完全脱离微型计算机（PC）平台，非常稳定，不受病毒影响，可实现多路全实时录像，帧率25帧/秒，支持双工工作，在录像的同时可回放；具有功能很强的存储区保护功能；支持TCP/IP、UDP协议，可以使用PC客户端软件通过以太网或广域网远程设置系统的参数、实时浏览视频、查看系统状态，也可以通过网络远程存储当前的录像码流或备份已有的录像数据。,74,嵌入式硬盘录像机硬件结构,75,嵌入式硬盘录像机监控软件结构,76,嵌入式硬盘录像机背面,77,监控终端管理软件结构,78,硬盘录像机在监控系统中的位置,79,硬盘录像机典型系统连接图,80,二、网络视频监控技术,网络监控系统有两种。基于PC机或支持TCP/IP、UDP协议的嵌入式数字监控主机，用IP网络组成监控系统。基于网络摄像机。网络摄像机中集成了视频压缩和Web功能，采用嵌入式实时多任务操作系统。,81,基于PC机的IP网络监控系统,82,基于视频编码器的监控系统,83,视频编码器构成的系统说明,网络视频编码器是集音、视频采集、音视频压缩编码、网络传输、WEBServer、输入输出控制等功能于一体的网络视频传输设备。网络视频编码器可以接入各种模拟摄像头，将模拟音、视频信号转换为压缩音视频数据流，再通过网络传输到PC上解码显示或通过网络视频解码器还原为电视信号显示。,84,基于网络摄像机的监控系统,网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的一代产品，除了具备一般传统摄像机所有的图象捕捉功能外，机内还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统，使得视频数据经压缩加密后，通过局域网，internet或无线网络送至终端用户。,85,网络摄像机1,远端用户可在自己的PC上使用标准的网络浏览器，根据网络摄像机自带的独立IP地址，对网络摄像机进行访问，实时监控目标现场的情况，并可对图像资料实时编辑和存储，另外还可以通过网络来控制摄像机的云台和镜头，进行全方位地监控。,86,网络摄像机2,网络摄像机的基本结构是由镜头，滤光器、图象传感器、图像数字处理器、压缩芯片和一个具有网络连接功能的服务器等所组成。简单说就是内置CCD模块、网络服务器及网卡的一体型网络摄像机。,87,网络摄像机参数例,88,网络摄像机3,网络摄像机提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。有网络接口即可接入网络摄像机，只要常用的网络浏览器即可实时地进行监控。有的网络摄像机系列带云台，通过IE浏览器可以控制。通过网络摄像机的管理服务器，设定网络摄像机的名称、地址（IP）、网关以及摄像机的用户名、密码，在网络摄像机里就可以输入用户名和密码登陆服务器。,89,视频Web服务器监控系统优点,布控区域广阔嵌入式视频