視頻監(jiān)控原理

視頻監(jiān)控原理LOREMIPSUMDOLOR課程說明01課程時間40-60分鐘02課程目標幫助員工了解并掌握視頻監(jiān)控的相關行業(yè)知識和基礎知識，熟悉視頻監(jiān)控產(chǎn)品的相關原理，理解視頻監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢內容概要123安全防范視頻監(jiān)控原理和技術攝像機基礎4硬盤錄像機安全防范基本概念01安全防范（Security）安全防范是社會公共安全的一部分安全防范行業(yè)是社會公共安全行業(yè)的一個分支以防盜、防劫、防入侵、防破壞為主要內容02三種基本手段人力防范，實（物）體防范，技術防范03三個基本要素探測、延遲、反應人防物防技防三種基本手段三種基本手段-人防、物防、技防01人力防范利用人們自身的傳感器（眼、耳等）進行探測，發(fā)現(xiàn)妨害或破壞安全的目標，作出反應；用聲音警告、恐嚇、設障、武器還擊等手段來延遲或阻止危險的發(fā)生，在自身力量不足時還要發(fā)出求援信號，以期待做出進一步的反應，制止危險的發(fā)生或處理已發(fā)生的危險02實體防范推遲危險的發(fā)生，為“反應”提供足夠的時間?，F(xiàn)代的實體防范，已不是單純物質屏障的被動防范，而是越來越多地采用高科技地手段，一方面使實體屏障被破壞的可能性變小，增大延遲時間；另一方面也使實體屏障本身增加探測和反應的功能03技術防范對人力防范和實體防范在技術手段上的補充和加強。它要融入人力防范和實體防范之中，使人力防范和實體防范在探測、延遲、反應三個基本要素中間不斷地增加技術含量，以不斷提高探測能力、延遲能力和反應能力，使防范手段起到更好的作用，達到預期的目的01030204探測（Detection）指感知顯形和隱性風險事件的發(fā)生并發(fā)出報警反應（Response）指組織力量為制止風險事件的發(fā)生所采取的快速行動延遲（Delay）指延長和推延風險事件發(fā)生的進程探測、延遲和反應三個基本要素之間是相互聯(lián)系、缺一不可的關系探測要準確無誤、延遲時間長短要合適，反應要迅速；反應的總時間應小于（至多等于）探測加延遲的總時間三個基本要素三個基本手段與三個基本要素探測延遲反應人防物防技防安全防范工程設計應遵循的原則之一：

技防、物防、人防相結合，探測、延遲、反應相協(xié)調——《安全防范工程技術規(guī)范》GB50348-2004安全防范系統(tǒng)設計依據(jù)國家標準（GB[/T]）GB50348-2004《安全防范工程技術規(guī)范》GB20815-2006《視頻安防監(jiān)控數(shù)字錄像設備》……行業(yè)標準（GA[/T]）GA38-2004《銀行營業(yè)場所風險等級和防護級別的規(guī)定》GA308-2004《安全防范系統(tǒng)驗收規(guī)則》GA/T669-2006《城市監(jiān)控報警聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通用技術要求》……地方標準（DBXX[/T]）DB33/T334-2001《安全防范系統(tǒng)》……行業(yè)管理規(guī)定國家公安部、國家教育部、省公安廳等相應文件及規(guī)范企業(yè)標準（QB）安全防范產(chǎn)品防彈復合玻璃視頻監(jiān)控設備入侵探測器防盜(搶)報警控制器(手動)汽車防盜報警系統(tǒng)出入口控制設備防盜保險柜（箱）機械防盜鎖(樓宇)(可視)對講系統(tǒng)防盜安全門安全技術防范（工程）系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用視頻技術探測、監(jiān)視設防區(qū)域并實時顯示、記錄現(xiàn)場圖像的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡。入侵報警系統(tǒng)利用傳感技術和電子信息技術探測并指示非法進入或試圖非法進入設防區(qū)域的行為，處理報警信息，發(fā)出報警信息的系統(tǒng)或網(wǎng)絡。出入口（門禁）控制系統(tǒng)利用自定義符和/或模式識別技術對出入口目標進行識別并控制出入口執(zhí)行機構啟閉的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡電子巡查系統(tǒng)（巡更）停車庫（場）管理系統(tǒng)防爆安全檢查系統(tǒng)安全管理系統(tǒng)（集成以上系統(tǒng)的平臺）復習與思考安全防范的三個基本手段是什么？安全防范的三個基本要素是什么？現(xiàn)有的安全防范體系中，包括哪4個層次的標準？安全技術防范（工程）系統(tǒng)通常包括哪些子系統(tǒng)？內容概要213視頻監(jiān)控原理和技術安全防范攝像機基礎4硬盤錄像機視頻監(jiān)控基本定義視頻監(jiān)控的定義利用視頻技術探測、監(jiān)視設防區(qū)域，實時顯示、記錄現(xiàn)場圖像，檢索和顯示歷史圖像的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全技術防范的一個子系統(tǒng)視頻監(jiān)控技術是安全防范技術的一部分主要功能功能要求業(yè)務對象監(jiān)視控制管理實時，清晰報警及時、云鏡操作靈活存儲、檢索、回放、認證、維護等視頻源控制信令用戶命令CCTV系統(tǒng)的基本結構CCTV：閉路電視系統(tǒng)技術：主要是電視技術組成：攝像機、監(jiān)視器、錄像機、視頻分配器、畫面分割器等功能：監(jiān)視（監(jiān)聽）、錄像、回放等線纜：視頻電纜（SYV，特性阻抗75Ω，信號電平1.0Vp-p最大傳輸距離500m）模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的基本結構技術：主要是視頻編解碼技術、嵌入式技術組成：硬盤錄像機、攝像機、監(jiān)視器等功能：監(jiān)視（監(jiān)聽）、控制、錄像、回放、對講等線纜：視頻電纜、485控制線主要應用：金融、樓宇、小區(qū)等網(wǎng)絡視頻監(jiān)控優(yōu)點可通過網(wǎng)絡組建低成本跨區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)一機多路，使用大容量硬盤可長期存儲數(shù)字信號長期保存信號不失真采用智能檢索，檢索與錄像可同時進行循環(huán)錄像方式，節(jié)約人力基本概念－圖像、視頻和碼流01圖像（Image）02視頻（Video）時間上連續(xù)的圖像組成視頻：Image→Video視頻中的某一幅圖像稱為一幀（Frame）幀率（FrameRate）FPS→每秒的幀數(shù)（每秒20-25幀人眼即可看到連續(xù)的畫面）03碼流（BitStream）將圖像壓縮后形成的數(shù)據(jù)碼率（BitRate）bps/Bps→對碼流進行量化碼率類型：定碼率（CBR）、變碼率（VBR）碼流類型：視頻流、音頻流、復合流基本概念－圖像像素（Pixel）分辨率（Resolution）水平：Width垂直：Height線數(shù)（TVL）分辨力水平垂直視頻制式PAL（PhaseAlternatingLine）：供電頻率為50Hz、場頻為每秒50場、幀頻為每秒25幀、掃描線為625行圖像彩色誤差較小，與黑白電視的兼容也好中國、德國NTSC（NationalTelevisionSystemCommittee）：供電頻率為60Hz，場頻為每秒60場，幀頻為每秒30幀，掃描線為525行美國、日本SECAM（SequentielCouleurAMemoire）：按順序傳送彩色與存儲俄羅斯、法國、埃及分辨率WD1D14CIF1×12CIF1

×1/2DCIF3/4×2/3CIF1/2

×1/2QCIF1/4

×1/4PAL960×576720×576704×576704×288528×384352×288176×144NTSC960×480720×480704×480704×240528×320352×240176×120分辨率制式WD1分辨率4CIF576(PAL)480(NTSC)960(PAL/NTSC)CIFQCIF2CIFDCIF528×384(PAL)高清分辨率45萬-4CIF（704×576）100萬-720p（1280×720）130萬（1280×960）200萬-UXGA(1600×1200）200萬-1080p（1920×1080）300萬（2048×1536）500萬（2560×1920）分辨率大于等于720p稱為高清數(shù)碼監(jiān)控的基礎技術：編碼和壓縮一路4CIF分辨率的圖像，進行A/D轉換后未經(jīng)壓縮的數(shù)據(jù)量是(RGB)：一幀：

704×576×3字節(jié)＝1216512字節(jié)（不包括文件頭大?。┮幻耄?/p>

1216512字節(jié)/幀×25幀/秒＝30412800字節(jié)/秒＝29MB/秒一小時：

29MB/秒×3600秒/小時＝101.9GB/小時一天：

101.9GB/小時×24小時＝2.4TB/天

……采集編碼壓縮A/D轉換數(shù)字信號DSP壓縮輸出數(shù)字信號模擬信號壓縮基本原理冗余信息去除冗余信息安防監(jiān)控中的視頻數(shù)據(jù)有極強的相關性，有大量的冗余信息冗余信息分為空域冗余信息和時域冗余信息壓縮技術就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉壓縮技術包括幀內壓縮技術、幀間壓縮技術和熵編碼壓縮技術壓縮標準ChronologicalProgressionofITUandMPEG監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術監(jiān)控中壓縮標準的選擇01監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術02對于最終用戶而言，最為關心的主要有：清晰度、存儲量（帶寬）、穩(wěn)定性還有價格。采用不同的壓縮技術，將很大程度影響以上幾大要素M-JPEG01MJPEG（MotionJPEG）壓縮技術，主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術，它的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮02MJPEG壓縮技術可以獲取清晰度很高的視頻圖像，可以動態(tài)調整幀率、分辨率03由于沒有考慮幀間變化，造成大量冗余信息被重復存儲，因此單幀視頻的占用空間較大，目前流行的MJPEG技術最好的也只能做到3K字節(jié)/幀（CIF），通常要8~20K0103050204MPEG-4的制定初衷主要針對視頻會議、可視電話超低比特率壓縮的需求。應用范圍包括實時視聽通信、多媒體通信、遠地監(jiān)測/監(jiān)視、VOD、家庭購物/娛樂等MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高，在CIF、4CIF情況下，無論從清晰度還是從存儲量上都比MPEG1具有更大的優(yōu)勢，也更適合網(wǎng)絡傳輸。對于中國企業(yè)來說還要面臨高昂的專利費，目前規(guī)定：每臺解碼設備需要交給MPEG-LA0.25美元每臺設備還需要按時間交費(4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年）MPEG-4與前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它為多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼提供更為廣闊的平臺，它定義的是一種格式、一種框架，而不是具體算法，它希望建立一種更自由的通信與開發(fā)環(huán)境MPEG-4由于系統(tǒng)設計過于復雜，使得MPEG-4難以完全實現(xiàn)并且兼容，很難在視頻會議、可視電話等領域實現(xiàn)。MPEG-401030204在ISO/IEC中的正式名稱為：MPEG-4AVC標準；在ITU-T中的名稱:H.264H.264創(chuàng)造性多參考幀、多塊類型、整數(shù)變換、幀內預測等新的壓縮技術，使用了更精細的分象素運動矢量（1/4、1/8)和新的環(huán)路濾波器，使壓縮性能大大提高H264集中了以往標準的優(yōu)點，并吸收了以往標準制定中積累的經(jīng)驗,采用簡潔設計,使它比MPEG4更容易推廣H.264主要有以下幾大優(yōu)點：高效壓縮：與H.263+和MPEG4SP相比，最高減小50%比特率延時約束方面有很好的柔韌性容錯能力編/解碼的復雜性可伸縮性解碼全部細節(jié)：沒有不匹配（MPG-4采用浮點運算，進行整形變換時高質量應用……H.264碼率的選擇不同分辨率對應不同的碼率范圍，通常而言，碼率與圖像質量成正比關系如果碼率小于該范圍，則圖像質量較差如果碼率大于該范圍，則顯得浪費每小時錄像文件大小（單位：M字節(jié)/小時）

＝碼率（Kbps）×3600秒÷8÷10241字節(jié)＝8bit1M＝1024KBitrate(bps)QCIFCIF/QVGA2CIF/DCIF4CIF/VGA720PUXGA/1080P256K768K1.5M2M3M4M5M8MFrameRate:25fps復習與思考01盡管都是采用H.264編碼標準，為什么不同廠家的播放器仍然不能通用？02A和B兩個編碼通道接入同一視頻源，A采用CIF分辨率，B采用4CIF分辨率；A和B均采取相同的碼率錄像，相同時間后它們所生成的錄像文件大?。篈＜B？A＞B？A=B？內容概要312攝像機基礎安全防范視頻監(jiān)控原理和技術4硬盤錄像機攝像機基礎鏡頭基礎知識攝像機基礎知識攝像機主要性能指標——圖像傳感器CCD（ChargedCoupledDevice）電荷耦合器件優(yōu)點：靈敏度，信噪比，成像質量缺點：成本、動態(tài)范圍、功耗、制造加工CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互補金屬氧化物半導體優(yōu)點：成本、動態(tài)范圍、功耗缺點：靈敏度、信噪比、成像質量DIS（DigitalImageSystem）（?？导夹g）工藝：采用SOC技術，把Sensor和DSP集成在一個芯片上優(yōu)點：體積小、集成度高、可靠性高、功耗低模擬攝像機基本概念組成：主要由鏡頭、影像傳感器（CCD/CMOS）、ISP(ImageSignalProcessor)及相關電路組成分類：槍機、球機、半球機、筒機工作原理：被攝物體經(jīng)鏡頭成像在影像傳感器表面，形成微弱電荷并積累，在相關電路控制下，積累電荷逐點移出，經(jīng)過濾波、放大后輸入DSP進行圖像信號處理壓縮，最后形成視頻信號（CVBS）輸出傳感器ADCDSPDAC光圖像碼流模擬攝像機系統(tǒng)結構CVBS網(wǎng)絡攝像機基本概念組成：主要由鏡頭、影像傳感器（CCD/CMOS）、ISP(ImageSignalProcessor)、DSP（DigitalSignalProcessor）及相關電路組成工作原理：被攝物體經(jīng)鏡頭成像在影像傳感器表面，形成微弱電荷并積累，在相關電路控制下，積累電荷逐點移出，經(jīng)過濾波、放大后輸入DSP進行圖像信號處理和編碼壓縮，最后形成數(shù)字信號輸出。DSP

CCD/CMOSISPNET光圖像碼流網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)結構球機基本概念組成：主要由機芯、云臺、球機主板及相關電路組成工作原理：被攝物體經(jīng)鏡頭成像在影像傳感器表面，形成微弱電荷并積累，在相關電路控制下，積累電荷逐點移出，經(jīng)過濾波、放大后輸入DSP進行圖像信號處理和編碼壓縮，同時將控制信號發(fā)送給云臺，最后形成數(shù)字信號輸出。DSP

CCD/CMOSISPNET光圖像碼流球機系統(tǒng)結構PTZ掃描方式13579111315246810121416奇場(OddField)偶場(EvenField)12345678910111213141516只有1場逐行掃描(Progressive)隔行掃描(Interlacing）日夜轉換模式電子式機械式（ICR）增加紅外濾片過濾紅外光攝像機主要性能指標——日夜轉換模式日夜轉換低照度場景中轉換為黑白模式可有效提升攝像機的靈敏度彩色黑白紅外透過紅外截止攝像機主要性能指標——最低照度標示攝像機能夠正常輸出圖像的最低照度值，有時被稱為“靈敏度”單位：Lux（勒克斯）以攝像機正常工作照度范圍劃分：普通型：1~3Lux月光型：0.1Lux左右星光型：0.01Lux以下(主流)紅外型：0Lux，采用紅外照明攝像機的最低照度參數(shù)通常由三部分組成，例如：彩色0.01Lux@F1.2色彩模式（彩色/黑白）。同一支攝像機工作在彩色或黑白模式下，其照度參數(shù)不相同照度參數(shù)，表示攝像機在正常輸出圖像時，到達傳感器的最小光照強度光圈值。表示該照度參數(shù)是在鏡頭設定于何種光圈值條件下取得的。攝像機主要性能指標——自動增益AGC（AutoGainControl）將來自圖像傳感器的信號放大到可以使用水準的視頻放大器，其放大量即增益，并自動根據(jù)信號電平調整增益幅度優(yōu)點是提升了攝像機的動態(tài)范圍，缺點是將噪聲一同放大AGC關閉AGC開啟攝像機特殊功能——背光補償采用背光補償技術，讓攝像機找到拍攝最佳圖像的參考亮度，然后自動提供適當?shù)墓庋a償量，幫助用戶很好地識別一個背部光照很強的物體。背光補償往往針對目標圖像的特定區(qū)域有效。原始圖像背光補償功能開啟人臉偏暗人臉清晰攝像機特殊功能——寬動態(tài)針對逆光場景，寬動態(tài)技術在后景區(qū)域使用短快門曝光，在前景區(qū)域使用長快門曝光，生成合成圖像。所以能看清圖像暗處的細節(jié)，而圖像亮處又不過曝。寬動態(tài)技術可獲得比背光補償技術更加清新、艷麗的圖像。背光補償功能開啟寬動態(tài)功能開啟背景過曝背景清晰攝像機特殊功能——低照度對圖像進行噪聲濾除、電子防抖動、自動曝光控制等技術，將攝像機靈敏度提高了10%以上，在超低照度下，仍可獲高清晰度、亮麗的圖像。相同照度下普通攝像機圖像相同照度下低照度攝像機圖像IP防護等級IP（IngressProtection）防護等級由IEC制定，由兩位數(shù)字組成，含義如下表所示：IP防護等級防塵防水0無防護無防護1防止大于50mm的固體物體侵入防止滴水侵入2防止大于12mm的固體物體侵入傾斜15度時仍可防止滴水侵入3防止大于2.5mm的固體物體侵入防止噴灑的水侵入、防雨4防止大于1.0mm的固體物體侵入防止飛濺的水侵入5完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵進入，但侵入的灰塵量并不會影響正常工作防止噴射的水侵入6完全防止外物侵入，且可完全防止灰塵進入防止大浪的侵入7防止浸水時水的侵入8防止沉沒時水的侵入室外用攝像機一般至少滿足IP66防護等級攝像機基礎鏡頭基礎知識攝像機基礎知識鏡頭景深選擇景深：在景象平面上成清晰像的空間深度焦距越大景深越小，焦距越小景深越大光圈越大景深越小，光圈越小景深越大景深與光圈關系鏡頭視場角選擇廣角鏡頭魚眼鏡頭標準鏡頭遠攝鏡頭標準鏡頭視場角在53°左右，遠攝鏡頭視場角≤20°，廣角鏡頭視場角≥90°，魚眼鏡頭視場角≥180°鏡頭焦距的選擇估算法(適用于4mm以上的鏡頭)例：某人距離攝像機10米要看清人臉，用20mm左右的鏡頭要看清人體輪廓，用10mm左右的鏡頭要監(jiān)控人的活動畫面，用5mm左右的鏡頭監(jiān)控距離(米)看清細節(jié)特征(人臉等)看清體貌特征(人的輪廓等)看清行為特征(人物活動)X焦距：2X(mm)焦距：X(mm)焦距：X/2(mm)監(jiān)控距離與焦距的關系焦距攝像機到監(jiān)控物體的距離內容概要412硬盤錄像機安全防范視頻監(jiān)控原理和技術3攝像機基礎硬盤錄像機PC式硬盤錄像機（PC-DVR）NVR技術DVR的關鍵技術PC式網(wǎng)絡硬盤錄像機系統(tǒng)構成兼容/工控PC機+視頻采集或壓縮卡+普通/較可靠的操作平臺+應用軟件01030204PC平臺在數(shù)字視頻技術發(fā)展的早期階段成為首選的載體PC式DVR具有兼容性好，軟件開發(fā)周期短，易擴展、易操作，一機多用等特點PC-DVR的核心要素是視音頻壓縮（采集）板卡，它決定了整套系統(tǒng)的技術體系架構及性能PC式DVR中影響整套系統(tǒng)穩(wěn)定性的環(huán)節(jié)較多，例如主板、顯卡、壓縮卡、操作系統(tǒng)、應用軟件等等PC式硬盤錄像機特點視頻卡分類視頻采集卡/捕捉卡/軟壓卡視頻壓縮卡/硬壓卡軟壓卡A/D轉換CPU（壓縮）模擬信號輸入數(shù)字信號輸出硬壓卡A/D轉換模擬信號輸入數(shù)字信號輸出DSP硬盤錄像機PC式硬盤錄像機（PC-DVR）NVR技術DVR的關鍵技術DVR(數(shù)字硬盤錄像機)DVR：DigitalVideoRecorder

定義：模數(shù)轉換、編碼存儲、檢索及回放連接CVBS系統(tǒng)及IP系統(tǒng)提供控制界面關鍵技術——硬盤記錄技術錄像帶存儲VS硬盤存儲DVR快速普及的原因：管理和使用方便，無需人工對硬盤進行管理（不存在象磁帶那樣堆放的負擔）、可快速檢索、提供人性化的回放操作等目前硬盤是為計算機設計的，用于監(jiān)控錄像還存在一些問題：記錄數(shù)據(jù)的關聯(lián)性、錯誤恢復能力、硬盤的使用壽命等，監(jiān)控專用硬盤的問世一定程度上改善了這一狀況，但還有很大的提升空間在硬盤管理上還需要做很多工作，目前已使用的硬盤休眠技術、磁盤預分配技術、凍結保護技術、低尋道技術、硬盤故障預警和報警等，還需要做更多的工作關鍵技術——網(wǎng)絡傳輸技術網(wǎng)絡傳輸有效傳輸：目前的IPv4技術，是為數(shù)據(jù)業(yè)務設計的，用于流媒體的傳輸，在有效和實時上有些勉強，需要RTP/RTCP協(xié)議，給予適當?shù)难a救協(xié)議支持：各領域的監(jiān)控業(yè)務要求不同，需采用不同的傳輸協(xié)議，如TCP、UDP、點播、多播、SIP等等網(wǎng)管功能：對于網(wǎng)絡監(jiān)控端設備的在線活及業(yè)務功能實施狀態(tài)的信息傳遞已成為必須具備的功能Internet關鍵技術——互聯(lián)互通網(wǎng)絡視頻接入高清接入：支持500W像素高清網(wǎng)絡視頻的預覽、存儲與回放多元化接入：支持海康網(wǎng)絡攝像機、網(wǎng)絡球機和網(wǎng)絡視頻服務器接入第三方接入：支持7家廠商私有協(xié)議接入；支持標準ONVIF、PSIA協(xié)議的網(wǎng)絡攝像機接入關鍵技術——應用技術個性化應用技術一鍵錄像一鍵上網(wǎng)移動偵測字符疊加報警聯(lián)動同步回放電子放大DVR專用硬盤普