數(shù)字圖像處理第8章小型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

第八章小型視頻監(jiān)控系統(tǒng)8.1基本結(jié)構(gòu)

8.2發(fā)展歷史8.3監(jiān)控前端8.4視頻傳輸8.5視頻存儲(chǔ)8.6視頻顯示8.1基本結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)是由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄登記5大部分組成。8.2發(fā)展歷史

從技術(shù)角度出發(fā)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展劃分為第一代模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)，到第二代基于“PC+多媒體卡”數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)(DVR)，到第三代完全基于IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)(IPVS)。2011年中國(guó)視頻監(jiān)控行業(yè)總體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到230.4億元人民幣，同比增長(zhǎng)19.71%。預(yù)計(jì)2012-2015年間將保持著21.52%的平均增長(zhǎng)速度。

第一代視頻監(jiān)控-傳統(tǒng)模擬閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)

通過(guò)專用同軸線纜輸出視頻信號(hào)。視頻畫面分割器、矩陣、切換器、卡帶式錄像機(jī)(VCR)及視頻監(jiān)視器等。局限性：有限監(jiān)控能力只支持本地監(jiān)控，受到模擬視頻纜傳輸長(zhǎng)度和纜放大器限制。有限可擴(kuò)展性，系統(tǒng)通常受到視頻畫面分割器、矩陣和切換器輸入容量限制。錄像負(fù)載重用戶必須從錄像機(jī)中取出或更換新錄像帶保存，且錄像帶易于丟失、被盜或無(wú)意中被擦除。錄像質(zhì)量不高是主要限制因素。錄像質(zhì)量隨拷貝數(shù)量增加而降低。第二代視頻監(jiān)控是當(dāng)前“模擬-數(shù)字”監(jiān)控系統(tǒng)(DVR)

以數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR為核心半模擬-半數(shù)字方案，從攝像機(jī)到DVR仍采用同軸纜輸出視頻信號(hào)，通過(guò)DVR同時(shí)支持錄像和回放，并可支持有限IP網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。DVR系統(tǒng)仍存在大量局限：復(fù)雜布線“模擬-數(shù)字”方案仍需要在每個(gè)攝像機(jī)上安裝單獨(dú)視頻纜。有限可擴(kuò)展性DVR典型限制是一次最多只能擴(kuò)展16個(gè)攝像機(jī)。有限可管理性您需要外部服務(wù)器和管理軟件來(lái)控制多個(gè)DVR或監(jiān)控點(diǎn)。有限遠(yuǎn)程監(jiān)視/控制能力。您只能通過(guò)DVR間接訪問(wèn)攝像機(jī)。磁盤發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)與RAID冗余和磁帶相比，“模擬-數(shù)字”方案錄像沒(méi)有保護(hù)，易于丟失。

同軸電纜、BNC頭、RJ45圖片硬盤錄像機(jī)（DVR）第三代視頻監(jiān)控是未來(lái)完全I(xiàn)P視頻監(jiān)控系統(tǒng)IPVS

該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是攝像機(jī)內(nèi)置Web服務(wù)器，并直接提供以太網(wǎng)端口。這些攝像機(jī)生成JPEG或MPEG4、H.264數(shù)據(jù)文件，可供任何經(jīng)授權(quán)客戶機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中任何位置訪問(wèn)、監(jiān)視、記錄并打印，全I(xiàn)P視頻監(jiān)控系統(tǒng)它巨大優(yōu)勢(shì)是：簡(jiǎn)便性-所有攝像機(jī)都通過(guò)經(jīng)濟(jì)高效有線或者無(wú)線以太網(wǎng)簡(jiǎn)單連接到網(wǎng)絡(luò)。強(qiáng)大中心控制-一臺(tái)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器和一套控制管理應(yīng)用軟件就可運(yùn)行整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。易于升級(jí)與全面可擴(kuò)展性-輕松添加更多攝像機(jī)。全面遠(yuǎn)程監(jiān)視-任何經(jīng)授權(quán)客戶機(jī)都可直接訪問(wèn)任意攝像機(jī)。堅(jiān)固冗余存儲(chǔ)器-可同時(shí)利用SCSI、RAID以及磁帶備份存儲(chǔ)技術(shù)永久保護(hù)監(jiān)視圖像不受硬盤驅(qū)動(dòng)器故障影響。8.3監(jiān)控前端前端供電

就近取電；UPS集中供電防雷與接地

前端設(shè)備直擊雷防護(hù)措施不完善傳輸線路敷設(shè)不符合要求等電位連接及接地措施不完善

1、前端設(shè)備直擊雷防護(hù)防雷解決措施防雷解決措施

2、傳輸線路的防護(hù)：

電源線路與信號(hào)號(hào)線路宜全程分開(kāi)穿金屬管埋地敷設(shè)，并保持整個(gè)金屬管道的電氣連通，宜應(yīng)至少在金屬管兩端做接地處理。信號(hào)線纜與其它線纜共桿架空敷設(shè)段之間的最小垂直間距應(yīng)符合下表的要求。種類最小垂直間距(m)

1～10KV電力線2.5

1KV以下電力線1.5

廣播線1

通訊線0.63、等電位連接：前端設(shè)備的等電位連接宜在控制箱內(nèi)設(shè)置S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)。防雷解決措施

若機(jī)房大、設(shè)備多而分散時(shí)采用“M”型連接方式：等電位連接是將室內(nèi)交流工作接地，直流工作接地、安全保護(hù)地、防靜電接地、防雷保護(hù)接地以及引入室內(nèi)線纜金屬屏蔽層、金屬加強(qiáng)筋、金屬鋼門窗和一切外露可導(dǎo)電物體全部就近分別與室內(nèi)等電位接地端子板或等電位連接帶相連接。（見(jiàn)下圖）防雷解決措施防雷解決措施防雷解決措施4、安裝SPD8.4視頻傳輸視頻監(jiān)控傳輸方式（六種傳輸方式）：視頻基帶傳輸光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸微波傳輸雙絞線平衡傳輸寬頻共纜傳輸。1、

視頻基帶傳輸

是最為傳統(tǒng)的電視監(jiān)控傳輸方式，對(duì)0～6mhz視頻基帶信號(hào)不作任何處理，通過(guò)同軸電纜（非平衡）直接傳輸模擬信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是：短距離傳輸圖像信號(hào)損失小，造價(jià)低廉。缺點(diǎn)：傳輸距離短，300米以上高頻分量衰減較大，無(wú)法保證圖像質(zhì)量；一路視頻信號(hào)需布一根電纜，傳輸控制信號(hào)需另布電纜；其結(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，布線量大、維護(hù)困難、可擴(kuò)展性差。2、

光纖傳輸

常見(jiàn)的有模擬光端機(jī)和數(shù)字光端機(jī)，是解決幾十甚至幾百公里電視監(jiān)控傳輸?shù)淖罴呀鉀Q方式，通過(guò)把視頻及控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)在光纖中傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：傳輸距離遠(yuǎn)、衰減小，抗干擾性能最好，適合遠(yuǎn)距離傳輸。其缺點(diǎn)是：對(duì)于幾公里內(nèi)監(jiān)控信號(hào)傳輸不夠經(jīng)濟(jì)；光熔接及維護(hù)需專業(yè)技術(shù)人員及設(shè)備操作處理，維護(hù)技術(shù)要求高，不易升級(jí)擴(kuò)容。3、

網(wǎng)絡(luò)傳輸

是解決城域間遠(yuǎn)距離、點(diǎn)位極其分散的監(jiān)控傳輸方式，采用mpeg音視頻壓縮格式傳輸監(jiān)控信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是：采用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器作為監(jiān)控信號(hào)上傳設(shè)備，有internet網(wǎng)絡(luò)安裝上遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件就可監(jiān)看和控制。其缺點(diǎn)是：受網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的限制，只能傳輸小畫面、低畫質(zhì)的圖像；每秒只能傳輸幾到十幾幀圖像，動(dòng)畫效果十分明顯并有延時(shí)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。4、微波傳輸

是解決幾公里甚至幾十公里不易布線場(chǎng)所監(jiān)控傳輸?shù)慕鉀Q方式之一。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：省去布線及線纜維護(hù)費(fèi)用，可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸廣播級(jí)圖像。其缺點(diǎn)是：由于采用微波傳輸，頻段在1ghz以上常用的有l(wèi)波段（1.0～2.0ghz

）、s波段（2.0～3.0ghz）、ku波段（10～12ghz）,傳輸環(huán)境是開(kāi)放的空間很容易受外界電磁干擾；微波信號(hào)為直線傳輸，中間不能有山體、建筑物遮擋；ku波段受天氣影響較為嚴(yán)重，尤其是雨雪天氣會(huì)有嚴(yán)重雨衰。

5、

雙絞線傳輸（平衡傳輸）

是解決監(jiān)控圖像1km內(nèi)傳輸，電磁環(huán)境復(fù)雜場(chǎng)合的解決方式之一，將監(jiān)控圖像信號(hào)處理通過(guò)平衡對(duì)稱方式傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：布線簡(jiǎn)易、成本低廉、抗共模干憂性能強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：只能解決1km以內(nèi)監(jiān)控圖像傳輸，而且一根雙絞線只能傳輸一路圖像，不適合應(yīng)用在大中型監(jiān)控中；雙絞線質(zhì)地脆弱抗老化能力差，不適于野外傳輸；雙絞線傳輸高頻分量衰減較大，圖像顏色會(huì)受到很大損失。6、

寬頻共纜傳輸

解決幾公里至幾十公里監(jiān)控信號(hào)傳輸?shù)淖罴呀鉀Q方案，采用調(diào)幅調(diào)制、伴音調(diào)頻搭載、fsk數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制等先進(jìn)技術(shù)，可將四十路監(jiān)控圖像、伴音、控制及報(bào)警信號(hào)集成到“一根”同軸電纜中雙向傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：充分利用了同軸電纜的資源空間，四十路音視頻及控制信號(hào)在同一根電纜中雙向傳輸、實(shí)現(xiàn)寬頻共纜“一線通”；施工簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，大量節(jié)省材料成本及施工費(fèi)用；頻分復(fù)用技術(shù)解決遠(yuǎn)距傳輸點(diǎn)位分散，布線困難監(jiān)控傳輸問(wèn)題；射頻傳輸方式只衰減載波信號(hào)，圖像信號(hào)衰減很小，亮度、色度傳輸同步嵌套，保證圖像質(zhì)量達(dá)到4.5級(jí)以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；采用75ω同軸不平衡方式傳輸使其具有非常強(qiáng)抗干擾能力，電磁環(huán)境復(fù)雜場(chǎng)合仍能保證圖像質(zhì)量。其缺點(diǎn)是：采用弱信號(hào)傳輸，寬頻調(diào)制端需外加ac220v交流電源，但目前大多監(jiān)控點(diǎn)都具備這個(gè)條件。8.5視頻存儲(chǔ)視頻監(jiān)控存儲(chǔ)的發(fā)展磁帶機(jī)計(jì)算機(jī)帶采集卡

DVR(Digital

Video

Recorder)IPSANVM視頻監(jiān)控存儲(chǔ)的特點(diǎn)

1）編碼器或采集服務(wù)器以流方式寫入數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)圖像和畫面，存儲(chǔ)的文件類型為流媒體文件，因此檢索服務(wù)器也會(huì)以流方式來(lái)讀取已存儲(chǔ)的視頻文件。

2）數(shù)據(jù)讀寫操作的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。由于攝像頭一般都是7*24

小時(shí)工作的，即使采集后視頻數(shù)據(jù)采用分段保存，寫入操作的持續(xù)也有可能長(zhǎng)達(dá)2-6

個(gè)小時(shí)，后期回放時(shí)也需要相同的時(shí)間。存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)中有必須要有足夠的帶寬。

3）由于視頻采集過(guò)程中，視頻文件格式一般都不會(huì)發(fā)生變化，且碼率保持恒定，因此視頻監(jiān)控系統(tǒng)的讀寫操作還具有碼率恒定，也就是帶寬恒定的特點(diǎn)。4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)的讀寫方式與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)和文件服務(wù)器存儲(chǔ)采用的小數(shù)據(jù)塊讀寫或文件傳輸讀寫方式與有著根本的區(qū)別，因此視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能采用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等常用的存儲(chǔ)設(shè)備。

5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)必須支持大容量，且容量具有高擴(kuò)展性。存儲(chǔ)空間計(jì)算

比特率是指每秒傳送的比特(bit)數(shù)。單位為bps(BitPerSecond)，比特率越高，傳送的數(shù)據(jù)越大。比特率表示經(jīng)過(guò)編碼(壓縮)后的音、視頻數(shù)據(jù)每秒鐘需要用多少個(gè)比特來(lái)表示。比特率越高，音、視頻的質(zhì)量就越好，但編碼后的文件就越大;如果比特率越少則情況剛好相反。

碼流(DataRate)是指視頻文件在單位時(shí)間內(nèi)使用的數(shù)據(jù)流量，也叫碼率。同樣分辨率下，視頻文件的碼流越大，壓縮比就越小，畫面質(zhì)量就越高。

上行帶寬就是本地上傳信息到網(wǎng)絡(luò)上的帶寬。上行速率是指用戶電腦向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

下行帶寬就是從網(wǎng)絡(luò)上下載信息的帶寬。下行速率是指用戶電腦從網(wǎng)絡(luò)下載信息時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

傳輸帶寬計(jì)算

比特率大小×攝像機(jī)的路數(shù)=網(wǎng)絡(luò)帶寬至少大小監(jiān)控點(diǎn)的帶寬是要求上行的最小限度帶寬(監(jiān)控點(diǎn)將視頻信息上傳到監(jiān)控中心);監(jiān)控中心的帶寬是要求下行的最小限度帶寬(將監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息下載到監(jiān)控中心);例：電信2Mbps的ADSL寬帶，理論上其上行帶寬是512kbps=64Kb/s，其下行帶寬是2Mbps=256KB/s

傳輸帶寬計(jì)算舉例（前端監(jiān)控點(diǎn)）CIF格式每路攝像頭的比特率為512Kbps，10路攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：

512Kbps×10≈5120Kbps=5Mbps(上行帶寬)

D1格式每路攝像頭的比特率為1.5Mbps，10路攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：

1.5Mbps×10=15Mbps(上行帶寬)

720P(100萬(wàn)像素)的視頻格式每路攝像頭的比特率為2Mbps，10路攝像機(jī)所需的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：2Mbps×10=20Mbps(上行帶寬)

1080P(200萬(wàn)像素)的視頻格式每路攝像頭的比特率為4Mbps，10路攝像機(jī)所需的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：4Mbps×10=40Mbps(上行帶寬)

CIF、QCIF、D1概念CIF是CommonIntermediateFormat的縮寫，即通用影像傳輸視頻會(huì)議（videoconference）中常使用的影像傳輸格式，分辨率有352x288像素，影像傳輸可達(dá)每秒30frame，符合ITUH.261視頻會(huì)議資料傳輸協(xié)定。分辨率：352x288像素傳輸速度：每秒30frame。QCIF：Quartercommonintermediateformat，四分之一CIF?？梢院?jiǎn)單理解為分辨率上看水平和垂直像素均為一半，即：176*144像素。D1:(4CIF)：四倍CIF,可以簡(jiǎn)單理解為分辨率上看水平和垂直像素均為2倍,704*576像素。CIF格式所需帶寬：512Kbps×50=25600Kbps=25Mbps(下行帶寬)

D1格式所需帶寬：1.5Mbps×50=75Mbps(下行帶寬)

720P(100萬(wàn)像素)的視頻格式的所需帶寬：

2Mbps×50=100Mbps(下行帶寬)

1080P(200萬(wàn)像素)的視頻格式的所需帶寬：4Mbps×50=200Mbps(下行帶寬)

傳輸帶寬計(jì)算舉例（監(jiān)控中心）

存儲(chǔ)空間計(jì)算

所需存儲(chǔ)空間的大小=碼流大小(單位：KB/s;即：比特率÷8)×3600(單位：秒;1小時(shí)的秒數(shù))×24(單位：小時(shí);一天的時(shí)間長(zhǎng))×30(保存的天數(shù))×50(監(jiān)控點(diǎn)要保存攝像機(jī)錄像的總數(shù))÷0.9(磁盤格式化的損失10%空間)注：存儲(chǔ)單位換算1TB=1024GB;1GB=1024MB;1MB=1024KB

50路存儲(chǔ)30天的各視頻格式存儲(chǔ)空間大小為CIF視頻格式：

64×3600×24×30×50÷0.9=8789.1GB≈9TBD1視頻格式：

192×3600×24×30×50÷0.9=26367.2GB≈26TB720P(100萬(wàn)像素)視頻格式：

256×3600×24×30×50÷0.9=35156.3GB≈35TB

1080P(200萬(wàn)像素)視頻格式：

512×3600×24×30×50÷0.9=70312.5GB≈69TB9.6視頻顯示監(jiān)控顯示器是閉路監(jiān)控系統(tǒng)（cctv）組成部分，是監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分，是監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出，有了監(jiān)控顯示器的顯示我們才能觀看前端送過(guò)來(lái)的圖像。監(jiān)控顯示器的發(fā)展經(jīng)歷了黑白到彩色，從閃爍到不閃爍，從CRT（陰極射線管）到LCD（液晶）的發(fā)展過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都發(fā)生了很大的質(zhì)的飛躍。從黑白到彩色，使得監(jiān)控圖像的單調(diào)世界邁向了五彩繽紛、色彩斑斕、圖像逼真的世界。關(guān)于監(jiān)控顯示器

監(jiān)控顯示器按尺寸分：15/17/19/20/22/26/32/37/40/42/46/52/57/65/70/82寸。按色彩分：彩色，黑白監(jiān)控顯示器。按材質(zhì)分：CRT，LED，DLP,LCD等。按掃描方式分：純平，逐行掃描等。按屏幕分：純平，普屏，球面等。按品牌分：創(chuàng)維監(jiān)控顯示器，TCL監(jiān)控顯示器，三星監(jiān)控顯示器，TYL監(jiān)控顯示器，GSBA監(jiān)控顯示器，創(chuàng)視紀(jì)監(jiān)控顯示器，TVlogic監(jiān)控顯示器等。按類型分：液晶監(jiān)控顯示器，背投CRT監(jiān)控顯示器，等離子監(jiān)控顯示器。關(guān)于監(jiān)控顯示器液晶監(jiān)控顯示器清晰度高、省電、壽命長(zhǎng)（可達(dá)8萬(wàn)小時(shí)）、維護(hù)費(fèi)用低，缺點(diǎn)是拼接的時(shí)候有拼縫，現(xiàn)在40、42、46寸的液晶監(jiān)視器拼接縫隙大概是6～7mm左右。背投的特點(diǎn)是無(wú)拼縫，缺點(diǎn)是體積大、耗電、壽命短（一般5000小時(shí)要換燈泡）亮度低（中間亮四周暗）。CRT該產(chǎn)品正被其余三種產(chǎn)品所替代。等離