监测监控系统原理课件

电视监控系统

1电视监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、防范能力极强的综合系统。它可以通过遥控摄像机及其辅助设备(镜头、云台等)直接观看被监视场所的一切情况；可以把被监视场所的图像内容、声音内容同时传送到监控中心，使被监控场所的情况一目了然。同时，电视监控系统还可以与防火、防爆、防盗报警等其它安全技术防范体系联动运行，使防范能力更加强大。特别是近几年来，多媒体技术的发展以及计算机图像文件处理技术的发展，使电视监控系统在实现自动跟踪、实时处理等方面更有了长足发展，从而使电视监控系统在整个安全技术防范体系中具有举足轻重的地位。电视监控系统的另一特点是它可以把被监视场所的图像及声音全部或部分地记录下来，这样就为日后对某些事件的处理提供了方便条件及重要依据。最近几年“画面分割器”及“长延时录像机”的出现，更为用一盘或几盘普通记录长度(如一小时)的录像带，实现对多个被监视画面长达几天时间的连续记录，从而为日后对曾出现过的一些情况进行分析，提供依据等提供了极大的方便。总之，电视监控系统已成为安全技术防范体系中不可缺少的重要组成部分。210.1电视监控系统的基本组成图10-l

电视监控系统的基本组成310.1.1摄像部分摄像部分是电视监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”。它布置在被监视场所的某一位置上，使其视场角能覆盖整个被监视的各个部位。有时，被监视场所面积较大，为了节省摄像机所用的数量、简化传输系统及控制与显示系统，在摄像机上加装电动的(可遥控的)可变焦距(变倍)镜头，使摄像机所能观察的距离更远、更清楚；有时还把摄像机安装在电动云台上，通过控制台的控制，可以使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动，从而使摄像机能覆盖的角度、面积更大。总之，摄像机就像整个系统的眼睛一样，把它监视的内容变为图像信号，传送给控制中心的监视器上。由于摄像部分是系统的最前端，并且被监视场所的情况是由它变成图像信号传送到控制中心的监视器上，所以从整个系统来讲，摄像部分是系统的原始信号源。因此，摄像部分的好坏以及它产生的图像信号的质量将影响着整个系统的质量。从系统噪声计算理论的角度来讲，影响系统噪声的最大因素是系统中第一级的输出(在这里即为摄像机的图像信号输出)信号信噪比的情况。所以，认真选择和处理摄像部分是至关重要的。如果摄像机输出的图像信号经过传输部分、控制部分之后到达监视器上，那么到达监视器上的图像信号信噪比将下降，这是由于传输及控制部分的线路、放大器、切换器等又引入了噪声的缘故，整个电视监控系统的信噪比可用下面的方法进行近似计算：4(1)首先确定摄像机输出端的信噪比，这可以从摄像机给出的性能指标中查到；(2)然后确定传输系统的噪声系数，这可以用下述两种方法求出：1)用噪声发生器法直接对传输系统进行测量，以得到传输系统的噪声系数，其测试方框图如图10-2所示。所测得的噪声系数可以从噪声发生器的刻度上读出。这种方法一般说来只适合传输系统中没有任何放大部件的情况下。2)如果传输系统中加有放大器等部件时，就应分别求出第一级与第二级放大器等部件的噪声系数(这一般可从所用放大部件的性能指标中查得)，然后将它们相加，以求出整个传输系统的噪声系数。以上两种方式下的噪声系数设定为。(3)求出控制台从信号输入端至监视器输入端的噪声系数(可以用控制台中第一级放大器的噪声系数代替)，再用下式求出整个系统的信噪比：(10-1)5式中各项均以分贝表示，与为和以10为底的对数值。为了方便读者，根据公安部的有关行业标准及现定，给出如下指标供参考(分别列于表10-1至表10-3中)。1)在摄像机的标准照度下，整个系统的技术指标和图像质量应满足表10-1的要求。2)在环境条件恶劣的情况下，整个系统的技术指标和图像质量应满足表10-2的要求。3)在摄像机系统工作正常条件下，电视监控系统的图像质量应不低于表10-3的4级要求。6表10-1项目 指标值 视频信号输出幅度 1±3 黑白电视水平清晰度 ≥350线 彩色电视水平清晰度 ≥300线 灰度等级 ≥8级 信噪比 ≥40 表10-2项目 指标值 视频信号输出幅度 1±6 黑白电视水平清晰度 ≥300线 彩色电视水平清晰度 ≥250线 灰度等级 ≥7级 信噪比 ≥36 表10-3图像等级 图像损伤主观评价 5 无察觉 4 可察觉，但令人可接受 3 有明显察觉，令人较难接受2 较严重，令人难以接受 1 极严重，不能观看 7上述各表中给出的技术指标和图像质量要求，仅是最低标准，也就是说，在有条件或要求系统有较高指标的情况下，都应尽量高于表中的要求。另外，表中所给出的指标要求是对整个系统的要求。因而对于摄像部分来说，其指标应高于整个系统的指标，整个系统才能达到要求。其中，摄像部分信噪比的指标要求可以根据整个系统的指标要求参照前面所讲述的计算方法进行计算而得；清晰度及灰度等级的要求可根据整个系统构成的情况，适当提高要求即可。这里还要指出的是，清晰度和灰度等级的指标与传输部分以及控制台中的视频切换及视频分配等部件的关系很大。也就是说，传输部分及视频切换和视频分配部件的好坏，将在很大程度上直接影响清晰度和灰度等级，所以这些部分必须搞好。除了上述的有关讨论之外，对于摄像部分来说，在某些情况下，特别是在室外应用的情况下，为了防尘、防雨、抗高低温、抗腐蚀等，对摄像机及其镜头还应加装专门的防护罩，甚至对云台也要有相应的防护措施。810.1.2传输部分

传输部分就是系统的图像信号通路。一般来说，传输部分单指的是传输图像信号。但是，由于某些系统中除图像外，还要传输声音信号，同时，由于需要在控制中心通过控制台对摄像机、镜头、云台、防护罩等进行控制，因而在传输系统中还包含有控制信号的传输，所以我们这里所讲的传输部分，通常是指所有要传输的信号形成的传输系统的总和。这样，在以后有关传输部分的讨论中，在重点介绍图像信号传输的基础上，还将对声音信号及控制信号的传输问题加以讨论和研究。如前所述，传输部分主要传输的内容是图像信号，因此重点研究图像信号的传输方式及传输中的有关问题是非常重要的。对图像信号的传输，重点要求是在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声、失真(色度信号与亮度信号均不产生明显的失真)，保证原始图像信号(从摄像机输出的图像信号)的清晰度和灰度等级没有明显下降等等。这就要求传输系统在衰减方面、引入噪声方面、幅频特性(由于不同频率成分到达总控制台时，衰减是不同的，因而造成图像信号不同频率成分的幅度不同，此称为幅频特性)和相频特性(不同频率的图像信号通过传输部分后产生的相移不同，此称为相频特性)方面都有良好的性能。在传输方式上，目前电视监控系统多半采用视频基带传输方式。如果在摄像机距离控制中心较远的情况下，也有采用射频传输方式或光纤传输方式，对以上这些不同的传输方式，所使用的传输部件及传输线路都有较大的不同。总之，虽然从表面上看，传输部分好像只是一些线路，但实际上这部分的好坏也是影响整个系统质量的重要组成部分。910.1.3控制部分控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心。控制部分主要由总控制台(有些系统还设有副控制台)组成。总控制台中主要的功能有：视频信号放大与分配、图像信号的校正与补偿、图像信号的切换、图像信号(或包括声音信号)的记录、摄像机及其辅助部件(如镜头、云台、防护罩等)的控制(遥控)等等。10在上述的各部分中，对图像质量影响最大的是放大与分配、校正与补偿、图像信号的切换三部分。在某些摄像机距离控制中心很近、或对整个系统指标要求不高的情况下，在总控制台中往往不设校正与补偿部分。但对某些距离较远，或由于传输方式的要求等原因，校正与补偿是非常必要的。因为图像信号经过传输之后，往往其幅频特性、相频特性无法绝对保证指标的要求，所以在控制台上要对传输过来的图像信号进行幅频和相频的校正和补偿。经过校正和补偿的图像信号，再经过分配或放大，进入视频切换部分，然后送到监视器上。总控制台的另一个重要方面是能对摄像机、镜头、云台、防护罩等进行遥控，以完成对被监视的场所全面、详细的监视或跟踪监视。总控制台上设有的录像机，可以随时把发生情况的被监视场所的图像记录下来，以便事后备查或作为重要依据。目前，有些控制台上设有一台或两台“长延时录像机”，这种录像机可用一盘60分钟带长的录像带记录长达几天时间的图像信号，这样就可以对某些非常重要的被监视场所的图像连续记录，而不必使用大量的录像带。还有的总控制台上设有“多画面分割器”，如四画面、九画面、十六画面等等。也就是说，通过这个设备，可以在一台监视器上同时显示出四个、九个、十六个摄像机送来的各个被监视场所的图像画面，并用一台常规录像机或长延时录像机进行记录。上述这些功能的设置，要根据系统的要求而定，不一定都采用。11目前生产的总控制台，在控制功能上、控制摄像机的台数上往往都做成积木式的。可以根据要求进行组合。另外，在总控制台上还设有时间及地址的字符发生器，通过这个装置可以把年、月、日、时、分、秒都显示出来，并把被监视场所的地址、名称显示出来。在录像机上可以记录，这样对以后的备查提供了方便。总控制台对摄像机及其辅助设备(如镜头、云台、防护罩等)的控制一般采用总线方式，把控制信号送给各摄像机附近的“终端解码箱”，在终端解码箱上将总控制台送来的编码控制信号解出，成为控制动作的命令信号，再去控制摄像机及其辅助设备的各种动作(如镜头的变倍、云台的转动等)。在某些摄像机距离控制中心很近的情况下，为节省开支，也可采用由控制台直接送出控制动作的命令信号——即“开、关”信号。总之，根据系统构成的情况及要求，可以综合考虑，以完成对总控制台的设计要求或订购要求。1210.1.4显示部分显示部分一般由几台或多台监视器(或带视频输入的普通电视机)组成。它的功能是将传送过来的图像一一显示出来。在电视监控系统中，特别是在由多台摄像机组成的电视监控系统中，一般都不是一台监视器对应一台摄像机进行显示，而是几台摄像机的图像信号用一台监视器轮流切换显示。这样做一是可以节省设备，减少空间的占用；二是没有必要一一对应显示。因为被监视场所的情况不可能同时都发生意外情况，所以平时只要隔一定的时间(比如几秒、十几秒或几十秒)显示一下即可。当某个被监视的场所发生情况时，可以通过切换器将这一路信号切换到某一台监视器上一直显示，并通过控制台对其遥控跟踪记录。所以，在一般的系统中通常都采用四比一、八比一、甚至十六比一的摄像机对监视器的比例数设置监视器的数量。目前，常用的摄像机对监视器的比例数为四比一，即四台摄像机对应一台监视器进行轮流显示，当摄像机的台数很多时，再采用八比一或十六比一的设置方案。另外，由于“画面分割器”的应用，在有些摄像机台数很多的系统中，用画面分割器把几台摄像机送来的图像信号同时显示在一台监视器上，也就是在一台较大屏幕的监视器上，把屏幕分成几个面积相等的小画面，每个画面显示一个摄像机送来的画面。这样可以大大节省监视器，并且操作人员观看起来也比较方便。但是，这种方案不宜在一台监视器上同时显示太多的分割画面，否则会使某些细节难以看清楚，影响监控的效果。13为了节省开支，对于非特殊要求的电视监控系统，监视器可采用有视频输入端子的普通电视机，而不必采用造价较高的专用监视器。监视器(或电视机)的屏幕尺寸宜采用14英寸至18英寸之间的，如果采用了“画面分割器”，可选用较大屏幕的监视器。放置监视器的位置应适合操作者观看的距离、角度和高度。一般是在总控制台的后方，设置专用的监视器架子，把监视器摆放在架子上。监视器的选择，应满足系统总的功能和总的技术指标的要求，特别是应满足长时间连续工作的要求。1410.2普通组网方式电视监控系统常见的普通组网方式如图10-3所示。这是一种由摄像机及其辅助设备(如镜头云台等)、终端解码箱、视频传输线路及控制信号总线、控制台及监视器组成。这种普通组网方式，在功能上只通过摄像机获取被监视场所的图像信号，而对声音信号不予拾取。在信号传输方面采用视频基带传输方式。这种方式适合大多数距离近、范围小的电视监控系统。它的特点是设计、安装和调试都比较简单易行，且系统的质量高、稳定可靠。同时，这种系统的设备和部件几乎全部是定型产品，所以在设备选购以及质量保证上都是切实可行的。在这种系统中，如果增加声音信号的拾取，或与防火、防爆、防盗报警系统联动，也非常方便。只要在原系统上加装声音拾取及防火、防爆、防盗报警系统即可。15图10-3常见的电视监控系统组网方式1610.3特殊组网方式10.3.1有声电视监控系统在这样的系统中，可以把被监视场所的图像内容及声音内容一起传送至控制中心，在监视图像的同时，还监听声音。在这种情况下，一般采用声音及图像分别传送，或将声音信号调频至6.5上，与图像信号一起传送，到控制中心后再将声音信号解调出来。1710.3.2与防火、防爆、防盗报警系统联动运行这是一种防范功能很强的系统。在控制台上，设有防火、防爆、防盗报警的联动接口。在有防火、防爆、防盗报警信号时，控制台上发出警报并启动录像机自动开始对有警报的被监视场所进行录像。同时，控制中心的控制人员根据警报来操纵控制台进行跟踪监视，把情况向有关部门报告并采取有效措施。在这样的系统中，一般是电视监控作为系统的一部分，防火、防爆、防盗报警作为系统的另一部分，在控制中心通过控制台将两部分合在一起进行联动运行。如图10-3中右侧所示。目前，国内许多厂家生产的控制台都设有防火、防爆、防盗报警接口，因而系统的构成是比较容易的。1810.3.3能自动跟踪和锁定在某些防范要求特别严格的场合中，需要对入侵目标进行自动跟踪和锁定。也就是说，某一重要的被监视场所，一旦出现入侵目标，系统本身能进行判定并使摄像机始终对准入侵目标，使目标不在屏幕上消失。即便目标已离开该摄像机所能监视的范围，其它摄像机或其它报警装置仍能继续跟踪和锁定。在这个过程中，控制中心及时发出警报，并按预先装订的程序启动各种防范措施及防范手段将目标抓获。目前最先进的自动跟踪和锁定系统采用“数字式电视监控系统”。“数字式电视监控系统”的核心是多媒体计算机及与其配套的其它设施。这种系统的基本工作原理及工作方式是，将发现入侵目标的图像及声音信号变为计算机文件，从中提取目标信号，再反馈给摄像机及电动云台，以控制摄像机及云台进行跟踪锁定。同时，还将自动启动该摄像机附近其它关联的摄像机或报警装置，以便进行继续跟踪和锁定。在此过程中，控制台将发出警报并提示应采取的防范措施和手段，有些防范措施和手段甚至是自动进行的。190.3.4远距离多路信号电视监控系统在某些情况下，被监视场所可能距离控制中心很远(几公里以上)。在这种情况下，图像信号及其它信号的传输就成为系统组成的一个主要问题。在这种情况下，根据要求和实际情况在传输方式上有如下几种可能：1)采用视频基带传输方式2)采用射频传输方式3)采用光纤传输方式4)采用无线发射传送方式5)采用无线发射并移动式传输方式6)采用“远端切换”的视频基带传输方式7)采用“平衡式”视频传输方式8)采用电话电缆传输方式以上不同的传输方式，不仅在传输线路(或传输通道)上大大不同，控制中心的控制台也将大大不同。2010.4超远距离报警图像的传送方式在目前组成的超远距离(十几公里、几十公里、上百公里以上)的报警网络中，传送的报警信号一般是开关信号或编码报警信号，传输线多采用已有的电话线路。这样构成的报警网路，虽然可以解决某一级安全救灾部门对所辖范围较大地区的各重要防范部门报警信号的联网要求，但是，由于传输线路(电话线)的限制，当安全救灾部门接到报警信号后，却无法实时看到报警单位事故现场的图像情况。这对依据事故现场情况立即制定正确对策、快速反应是非常不利的。一般来说，在发生情况后，指挥员和安全员都本能地迫切希望立即看到事故现场的情况。所以，安全救灾部门如能在尚未亲临现场之前，就能即刻通过现代化手段看到事故现场的图像，是迫切希望实现的目标。这一目标也正是从事电视监控系统工程的科技人员要努力争取去实现的目标。那么，能否在现有传输系统(电话线路)的基础上，在报警的同时，将事故现场的实况图像传送至安全救灾部门，就是本节中要研究解决的课题了。2110.4.1用窄带电视传送报警图像当人们要求观看事故现场的图像时，当然希望最好是看到象通常电视节目那样的标准动态实时图像。用技术术语来说，就是每秒钟传送25帧图像信号、每帧图像由625行扫描线组成。但是，这样的图像其频带宽度达6以上，电话线路是无法传送的。若想用电话线路传送图像，就必须把图像的频带变窄(即频带压缩)，以适应电话线路能传送的带宽要求。我们通常把能用电话线路传送的电视信号称为窄带电视。为使大家了解窄带电视，我们先简介一下频带压缩的原理。根据电视原理可知，视频信号的频带可近似地用该信号的最高频率表示，即

(10-2)上式中为kell系数，一般取值为0.7；为扫描行数，它取决于电视系统的扫描制式，例如，我国的电视系统扫描制式为625行；为帧数，我国电视系统的制式为每秒传送25帧；为电视光栅的宽、高比，现有的电视一般为4:3，但对于特殊的监视系统及窄带电视而言，其比值可根据需要选取；是垂直回归系数，它表示回扫时间与垂直扫描周期之比值，其值为0.5～0.l；是水平回扫系数，其值为0.17～0.2。根据式(10-2)所给出的结果可以看出，在光栅宽、高比及回扫系数一定的情况下，视频带宽与扫描行数及帧频频率有关。下面分别对此进行分析。221.通过减少扫描行数来降低信号带宽的方法在广播电视中，为了满足人们对所传送图像的真实感的要求，必须传送一定标准的连续活动图像。即采取水平扫描行数为625行、每秒传25帧图像(即帧频为25)的方式。同时为不增加频带宽度以及克服图像的闪烁感，还采用了隔行扫描的传送方式，即一帧图像由两场组成(一个奇数场、一个偶数场)，每场为312.5行。为了压缩频带，根据式(10-2)所示，当扫描行数减小时，其频带宽度也必然减小，从而实现频带的压缩。但是，减小行数将明显降低图像的象素数目，也即降低了图像的清晰度。并且，减少扫描行数的办法，将使现有的摄像机、监视器等设备都要相应改变制式(不能兼容)，所以，用减少扫描行数的办法虽然能实现频带压缩的目的，但具体实施上是很困难的。232.用降低帧频的办法压缩频带对于诸如可视电话系统、电视监控系统等特殊要求的电视系统来说，在很多情况下，并不需要象广播电视那样传送标准的动态图像。比如，当某部门发出报警信号后，即使能把图像传送至安全救灾部门的报警中心，大多数已是灾害后的现场图像。这个现场图像从观察灾情的角度上讲，已是一个静止的图像画面。因而，也可以说这个事故现场的图像已如同一幅照片。当然，为了全面了解事故现场的情况，可以从各个角度(或按要求)传送这个相对静止的灾害现场图像，就如同从各个角度对现场拍照一样。总之，这些图像画面可以当作是传送静止图像一样看待。根据式(10-2)所示，帧频减少，其频带必然减小。既然如此，就可以用降低帧频的办法来压缩频带，实现用窄带电视传送图像。以上的分析即为频带压缩的基本原理。24采取减少帧频的方式，虽然不能象广播电视那样传送标准的动态图像，但降低帧频后所传送的图像其清晰度没有下降；现有的摄像机、监视器等设备也不必改动制式。因此，采用降低帧频的办法来实现频带的压缩是一种现实可行的办法。事实上，只要适当选择减少后的帧频频率，既能达到频带压缩的要求，又能传送一定速率的动态图像(如同慢动作的图像画面)，就完全可以满足诸如报警图像、可视电话图像一类的图像传送要求。适当压缩频带后的电视信号(窄带电视)，是可以经由电话线路传送的(具体实现时还需采用其它一些相关技术)。虽然这种窄带电视所传送的图像不如广播电视那样具有标准动态的实时性，但对于报警图像的传送来说是完全够用的。2510.4.2用多媒体技术传送和接收报警图像随着多媒体技术的发展以及多媒体计算机的应用，计算机借助于多媒体组件进行图像、声音的处理和传送已成为现实。因此，在超远距离的报警网络中，也可以采用多媒体技术实现报警图像的传送。具体实施方案是这样的：发生灾情的单位将事故现场的图像信号送入多媒体计算机中的视霸卡上，视霸卡和计算机将图像的模拟信号转换为经过压缩编码的数字式图像信号，并通过调制解调器用电话线路传送至安全救灾部门接警中心的多媒体计算机上。接警中心经多媒体计算机的处理，再将图像信号还原显示在监视器上，这种传送方式的原理框图如图10-5所示。26图10-5用多媒体计算机传送和接收报警图像27由图10-5所示可知，这种传送方式的基本构成同图10-4所示的构成在表面上看好像是相似的，但是由于图10-5的构成方案是采用多媒体计算机，因而，对图像处理的灵活性和处理的能力要远强于图10-4所示的传送方案。这主要是因为经多媒体计算机处理的图像在选取小于全屏画面的情况下，可以在保证一定的清晰度的同时，将传输速率大大提高，甚至接近标准动态图像的实时性。图像的尺寸可以根据需要灵活变化以满足不同情况的需求，比如当需要提高报警图像中某一部分的清晰度并提高传送速率时，可以减小图像的尺寸；当需要观看全景时，可以加大图像尺寸而降低传送速率。此外，当采用的多媒体计算机对图像处理的能力很强时，对已接收到的报警图像还可以进行再处理。如提高局部或全屏画面的清晰度、放大或缩小图像的尺寸、对某些重要的图像细节进行标定、存贮等等。2810.5监控系统常见图像干扰及其解决方法10.5.1木纹状的干扰这种干扰的出现，轻微时不会淹没正常图像，而严重时图像就无法观看了(甚至破坏同步)。这种故障现象产生的原因较多也较复杂。大致有如下几种原因：1)视频传输线的质量不好，特别是屏蔽性能差(屏蔽网不是质量很好的铜线网，或屏蔽网过稀而起不到屏蔽作用)。与此同时，这类视频线的线电阻过大，因而造成信号产生较大衰减也是加重故