视频监控基本知识

1、视频监控基本知识培训视频监控基本知识培训市场发展部Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 2内 容二二视频监控主要产品：摄像机视频监控主要产品：摄像机视频监控主要产品：视频监控主要产品：DVRDVR、DVSDVS三三网络视频监控系统网络视频监控系统四四新一代视频监控产品新一代视频监控产品五五数码监控技术的未来数码监控技术的未来六六一一视频监控原理和技术视频监控原理和技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 3第一章 视频监控原理和技术n 第一节 视频监控定义n 第二节 视频监控系统组成n 第三节

2、从模拟到数字n 第四节 基本概念n 第五节 编码和压缩原理及技术n 第六节 视频监控中分辨率、码率的选择Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 41.1 视频监控基本定义Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 5监控系统的基本功能Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 61.2 视频监控系统基本组成n前端u各种类型的摄像机及其附属设备u编码设备n传输u光端机u路由器和交换机u同轴电缆、光纤n后端u显示、记录、控制、管理设备u采用独立的视频中心控制台或监

3、控 报警中心控制台Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 71.3 从模拟到数字Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 8l第第1 1代：模拟监控系统代：模拟监控系统以视频矩阵为核心以视频矩阵为核心闭路电视，模拟闭路电视，模拟价格贵，应用规模小价格贵，应用规模小管理，扩展功能弱管理，扩展功能弱存储容量小存储容量小监控系统演进DVRl第第2 2代：代：以以DVRDVR核心核心采用单机硬盘存储采用单机硬盘存储增强了管理功能增强了管理功能录像，回放，检索等功能录像，回放，检索等功能规模受到限制规模受到限制

4、视频矩阵视频矩阵l第第3 3代：代：以以IPIP网为核心网为核心先进的视频压缩格式先进的视频压缩格式吸收互联网的各种新技术吸收互联网的各种新技术管理，运营，存储功能管理，运营，存储功能可规模部署可规模部署Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 9模拟视频监控系统Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 10数字视频监控系统结构Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 11模拟和数字监控比较n 模拟监控模拟监控u组建跨区域监控系统成本高昂、实现难度大u追加监

5、控点难度较高u图像存储成本高、长期保存图像质量下降严重u不支持录像与检索双工操作n 数字监控数字监控u可通过网络组建低成本跨区域监控系统u一机多路，使用大容量硬盘可长期存储u数字信号长期保存信号不失真u采用智能检索，检索与录像可同时进行u循环录像方式，节约人力Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 121.4 基本概念n 图像（Image）n 视频（Video ）u时间上连续的图像组成视频：ImageVideou视频中的某一幅图像称为一帧（Frame）u帧率（Frame Rate）FPS 每秒的帧数n 码流（Bit Stream）u将图像压缩后形

6、成的数据u码率（Bit Rate）bps/Bps 对码流进行量化u码率类型：定码率（CBR）、变码率（VBR）u码流类型：视频流、音频流、复合流Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 13基本概念-图像Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 14扫描方式Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 15视频制式Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 16分辨率Guangdong GOSUN Telecommun

7、ications Co.,Ltd. 17分辨率Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 181.5 编码和压缩原理及技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 19为什么要压缩n 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)：u一帧：3522883字节304128字节（不包括文件头大小）u一秒：304128字节25帧/秒7603200字节/秒7.25MB/秒u一小时：7.25M/秒3600秒/小时25.5GB/小时u一天：25.5GB/小时24小时612GB/天Guangdon

8、g GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 20压缩的基本原理n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n压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 21压缩标准Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 22监控中压缩标准的选择n 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n 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

9、，将很大程度影响以上几大要素Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 23MPEG-4n 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n 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n 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

10、存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。n 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。n 对于中国企业来说还要面临高昂的专利费，目前规定：u 每台解码设备需要交给MPEG-LA 0.25美元u 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）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 24H.264n 在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4 AVC标准；在ITU-T中的名称:H.264n H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中

11、积累的经验, 采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广n 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n H.264主要有以下几大优点：u 高效压缩：与H.263+和MPEG4 SP相比，最高减小50%比特率u 延时约束方面有很好的柔韧性u 容错能力u 编/解码的复杂性可伸缩性u 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u 高质量应用u 网络友善Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 251.6 分辨率、码率的选择n

12、 目前监控行业中主要使用以下分辨率：QCIF、CIF、DCIF、4CIFn QCIF主要用于窄带环境，如手机监控；n 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。n 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n 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n 下一代高清数码监控的分辨率选择：720p、960pn 下一代超高清数码监控的分辨率选择：UXGA、1080pGuangdong GOSUN Telecommunicati

13、ons Co.,Ltd. 26码率的选择n 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n 如果码率小于该范围，则图像质量较差n 如果码率大于该范围，则显得浪费Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 27通过码率计算录像文件大小Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 28第二章 视频监控的主要产品：摄像机n第一节摄像机基本概念n第二节图像传感器n第三节摄像机的分类n第四节摄像机的关键指标n第五节镜头知识Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,

14、Ltd. 292.1 摄像机基本概念n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n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Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 30nCCD（Charged Coupled Device）电荷耦合器件u优点：灵敏度，信噪比，成像质量u缺点：成本、动态范围、功耗、制造加工u代表厂家：SONY、Sharp、Pana

15、sonic、富士、Philips、KodanCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体u优点：成本、动态范围、功耗u缺点：灵敏度、信噪比、成像质量u代表厂家： Aptina(Micron)、OmniVision、PixelCam2.2 图像传感器分类Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 31CCD的诞生Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 32第一台数码相机Guangdong GOSUN Telecommunications C

16、o.,Ltd. 332.3 摄像机的分类n 按图像色彩分：彩色（Color）（彩色自动转黑白）、黑白（B/W）；n 按传感器分：CCD、CMOSn 按分辨率分：超高解、高解、低解n 按灵敏度（最低照度）分：普通型、月光型、星光型、红外照明型n 按传感器大小分：1、2/3、1/2、1/3、1/4；n 按供电电源分：直流12V、交流24V、交流220V；n 按同步方式分：内同步、外同步n 按镜头接口分：C卡口、CS卡口、M12。n 按摄像机结构分：枪机、半球、迷你、针孔、飞碟、防暴、一体型n 按输出信号类型分：模拟摄像机、网络摄像机、数字摄像机（ITU656）n 按特殊功能分：宽动态摄像机、强光抑

17、制Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 342.4 摄像机的关键性能指标n传感器类型n分辨力（解析度）n最低照度n信噪比（S/N）n自动增益控制（AGC）n白平衡（WB）n同步方式n电子快门（ES）n其它Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 35摄像机的关键性能指标传感器n 传感器类型：CCD、CMOSn 传感器（靶面）尺寸：u 1/2”，6.44.8mm，对角线8mm；u 1/3”，4.83.6mm，对角线6mm；u 1/4”，3.22.4mm，对角线4mm。n 有效像素u 例如：1/3” S

18、ONY Super HAD CCD有效像素规格有：p500（水平）582（垂直），PAL制式p752（水平）582（垂直），PAL制式Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 36摄像机的关键性能指标分辨力n 标示摄像机清晰度的参数，通常用水平电视线（TVL）来表示n 现阶段常见的分辨力参数有u420TVL或以下，低解u480530TVL，高解u540TVL以上，超高解Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 37摄像机的关键性能指标最低照度n 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

19、”，单位：Luxn 摄像机的最低照度参数通常由三部分组成，例如：n 以摄像机正常工作照度范围划分：u 普通型：13 Luxu 月光型：0.1 Lux左右u 星光型：0.01 Lux以下u 红外型：0 Lux，采用红外照明Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 38摄像机的关键性能指标信噪比n 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dBn 计算公式：n 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（噪点）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 39摄像机的关键性能指标自动

20、增益n 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n 优点是提升了摄像机的动态范围，缺点是将噪声一同放大Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 40摄像机的关键性能指标其它关键指标n 白平衡n 同步方式n 电子快门n 背光补偿（BLC）n 宽动态（WD）n 日夜转换（D/N）n 强光抑制Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 412.5 镜头的种类Guangdong GOSUN Telecommunic

21、ations Co.,Ltd. 42镜头分类Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 43镜头的关键指标n像面尺寸nF值（光圈值）n焦距n接口类型uCSuCGuangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 44第三章视频监控主要产品：DVR、DVSn第一节PC式硬盘录像机（PC-DVR）n第二节嵌入式硬盘录像机（DVR）n第三节DVR的关键技术n第四节嵌入式视频服务器（DVS）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 453.1 PC式网络硬盘录像机系统构成n 兼容

22、/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Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 46PC式硬盘录像机特点n PC平台在数字视频技术发展的早期阶段成为首选的载体n 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n 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n 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Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 47视频卡分类Guang

23、dong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 483.2 DVRn DVR：Digital Video Recoder 数字视频网络硬盘录像机功能：n 模数转换、编码n 存储、检索及回放（VOD）n 连接CVBS系统及IP系统n 提供控制界面Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 49PC-DVR与嵌入式DVR的比较n 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n 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Guangdong GO

24、SUN Telecommunications Co.,Ltd. 503.3 DVR的关键技术n视频编码技术n硬盘记录技术n网络传输技术n应用技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 51关键技术之一：视频编码技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 52关键技术之一：视频编码技术（续）n 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n 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n 解码图像质量与视频输入源的

25、图像质量（信噪比等）以及视频编码算法有极大的相关性n为提高视频输入源的图像质量，解决方案是：u选择高质量的前端图像输入设备u增加DVR视频图像的自适应处理功能Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 53关键技术之二：硬盘记录技术n 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n 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n 在

26、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Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 54DVR的存储管理技术n 磁盘管理技术u硬盘休眠技术uSMART技术n 文件管理技术u磁盘空间预分配u双分区表u低寻道技术u分区表冻结保护u索引u帧重叠技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 55关键技术之二：硬盘记录技术（续）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 56关

27、键技术之三：网络传输技术n 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n 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n 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n 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

28、技术等等Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 57关键技术之三：网络传输技术（续）n 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n 时延指标应包括传输时延、时延抖动、丢包率等参数n 公安部669标准规定的网络性能指标要求如下：Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 58关键技术之四：应用技术n个性化应用技术n平台技术n智能监控技术Guangdong GOSUN Telecomm

29、unications Co.,Ltd. 59个性化应用技术n 移动侦测n 字符叠加n 报警联动n 同步回放n 电子放大nGuangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 60DVR主要解决的问题n模数转换、编码n存储、检索及回放（VOD）n连接CVBS系统及IP系统n提供控制介面Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 613.4 DVS主要解决的问题n前端模数转换、编码n连接CVBS系统及IP系统n尽可能缩短CVBS传输距离n提供缓存Guangdong GOSUN Telecommunications Co.

30、,Ltd. 62第四章网络视频监控系统n第一节网络监控技术n第二节几种典型的网络视频监控系统n第三节网络视频监控发展趋势Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 634.1 网络监控技术n 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n 组成：网络、服务器、电视墙n 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n 传输：视频线、双绞线、光缆（传输的是视频数字信号）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 644.2 典型的网络化视频监控Guan

31、gdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 65模拟接入方式的模数混合型系统Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 66全数字视频监控系统架构Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 674.3 网络视频监控系统的发展Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 68第五章新一代视频监控产品n第一节IP摄像机n第二节网络视频录像机（NVR）n第三节混合型网络视频录像机（HDVR）n第四节磁盘存储阵列Guangdong GOS

32、UN Telecommunications Co.,Ltd. 695.1 IP摄像机的发展趋势Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 70IP摄像机的关键技术n视频处理技术n视频编码技术n网络传输技术Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 71IP摄像机的优势n支持百万像素以上的高清n开放式的IP系统，降低总体拥有成本（TCO）n安装成本低，设备管理可达通道级n兼顾未来对智能应用的需要Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 725.2 网络视频录像机（

33、NVR）n 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n NVR也分为PC-NVR和嵌入式NVR两种n 主要工作原理：Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 735.3 混合型网络硬盘录像机（H-DVR）n 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n H-DVR = DVR + NVRGuangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 74混合型DVR的典型应用Guangdong GOSUN Teleco

34、mmunications Co.,Ltd. 75NVR与H-DVR对比Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 76H-DVR解决的问题n兼顾CVBS系统及IP系统u模数转换、编码及存储uIP前端接入及存储n支持高清n用嵌入式系统来接入IPn延续DVR的使用模式Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 775.4 磁盘存储阵列Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 78附：存储产品的典型应用方案nNAS：编码器直存方式u适用于小规模存储扩展nIP-SAN：

35、平台集中存储方式u适用于较大规模的集中存储管理Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 79网络扩展存储（编码器直存方式）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 80集中存储（IP SAN）Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 81第六章 数码监控技术的未来n第一节趋势及预测n第二节新技术发展概况Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 826.1 现有监控系统的不足n清晰度不足n对用户的业务助益有限n海量

36、录像数据利用效率低下n主要用于事后，难以实现预警Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 83“让我们看得更清楚”n 美国权威IT市场调研公司MultiMedia Intelligence的总裁马克柯尔斯坦提到了推动视频监控设备市场发展的四大技术因素: “百万像素摄像机、高性能编解码器、强大的分析技术、以及便于从闭路电视（CCTV）迁移到IP/联网视频监控的所有底层技术。”n D1硬盘录像机在许多重要的监控场合正在迅速取代CIF格式的硬盘录像机产品n 金融、教育、平安城市等重点项目对视频监控产品的清晰度也提出了更高的要求Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 84当前安防世界的形势n 趋势u终端智能u高清视像u以视频为基础的应用程序和服务u无线视频u10G网络uIP 在大型项目u开放式架构n 百万像素的趋势u数字+网络+集成Guangdong GOSUN Telecommunications Co.,Ltd. 85网络化必然趋势在2008年各大安防公司均已重点