智能传感技术大作业.docx
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智能传感技术大作业
全天候视频监控系统
姓名：
曹一聪
学号：
02125031
教师：
李甫
完成日期：
2014·4·7
目录
一、系统概述3
二、系统功能图4
三、组成设备4
四、CCD摄像机的工作原理简介5
1.CCD简介5
2.CCD摄像机的工作方式6
3.分辨率的选择6
4.成像灵敏度7
5.电子快门7
6.外同步与外触发7
五、光谱响应特性8
CCD芯片的尺寸8
彩色CCD摄像机9
1,工作原理：
9
2,CCD类别9
3三管CCD彩色摄像机的原理框图9
4,CCD的优势10
5,设计的难易程度11
六、红外CCD摄像机11
1,红外成像11
2,红外CCD摄像机工作原理11
3,系统设计12
七、微光CCD摄像机12
八、全天候视频监控系统主要功能14
九、特殊功能15
十、系统工作过程16
十一、总结16
一、系统概述
该全天候视频监控系统由摄像、传输、控制、监视、存储5大模块组成。
摄像机通过同轴电缆将所采集的数据传回控制主机，而控制主机可以对接收到的视频进行数据处理。
通过控制主机作为中间层，操作人员可向控制器发出指令，对摄像机的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作，并可通过控制主机实现在多路摄像机之间的切换。
操作人员通过读取存储数据，可以对录像数据进行回放、分析，对可用信息进行提取和采集，以便进一步处理。
二、系统功能图
三、组成设备
全天候视频监控系统产品包含视频矩阵，硬盘录像机，监控摄像机，镜头，支架。
视频监控系统组成部分包括监控前端、监控管理中心、PC客户端。
各组成部分的说明如下：
⏹监控前端：
用于采集被监控点的监控信息，并配备报警设备。
监控摄像头+本地监控管理中心。
监控摄像头包含彩色CCD摄像机，微光CCD摄像机，红外CCD摄像机。
原始视频信号传到计算机，经计算机处理后，以TCP/IP协议通过网络传至其他终端显示设备。
监控摄像机：
是用在安防方面的准摄像机，它的像素和分辨率比电脑的视频头要高，比专业的数码相机或dv低。
监控摄像机大多只是单一的视频捕捉设备很少具备数据保存功能。
监控摄像机从外型上主要区分为枪式、半球、高速球型，另外还有模拟监控和IP网络监控的区分，广泛应用于银行、交通、平安城市等多个安保领域。
⏹监控管理中心：
承担所有前端设备的管理、控制、报警处理、录像、录像回放、用户管理以及将监控视频上传到网络等工作。
⏹PC客户端：
在监控管理中心之外，也可以由PC机接到网络上进行远程监控。
四、CCD摄像机的工作原理简介
1.CCD简介
CCD是ChargeCoupledDevice（电荷耦合器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。
CCD器件及其应用技术的研究始于70年代，经过80年代的成长阶段、90年代的快速发展阶段，CCD制造工艺经历了各种改进，技术已比较成熟。
它作为一种新型光电转换器已被广泛应用，特别是在图像传感和非接触式测量领域的应用更为迅猛。
CCD具有体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、低噪声、寿命长、可靠性高、分辫力高；便于像素寻址和改变扫描速度，畸变小，几何重现性好；像元几何尺寸精确。
测量精度高；灵敏度高，动态范围宽，易与微光像增强器级联耦合；有数字扫描能力，可实现模拟和数字等不同形式输出；不同材料的CCD光谱响应可覆盖紫外、可见光、近红外、中红外等较宽的波段范围等特点，因而被广泛地被应用在微光电视摄像，信息存储和信息处理等方面。
与CMOS相比，亦有灵敏度高、分辨率高、噪声小、技术成熟等优势，因此具有非常广阔的应用前景。
CCD有两种基本类型：
一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。
CCD的突出特点以电荷为信号的载体，其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。
2.CCD摄像机的工作方式
被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波放大处理后，形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。
3.分辨率的选择
评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。
常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。
一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。
而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。
4.成像灵敏度
通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux（勒克斯），彩色摄像机多在1Lux以上。
0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。
与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。
另外摄像的灵敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.参考环境照度：
夏日阳光下100000Lux阴天室外10000Lux电视台演播室1000Lux距60W台灯60cm桌面300Lux室内日光灯100Lux黄昏室内10Lux 20cm处烛光10-15Lux夜间路灯0.1Lux
5.电子快门
电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。
有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。
6.外同步与外触发
外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。
为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号（C-sync）或复合视频信号。
外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。
五、光谱响应特性
CCD器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um左右。
其响应峰值为绿光（550nm），分布曲线如右图所示。
夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。
由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。
彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。
CCD芯片的尺寸
CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更
小些。
在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。
芯片规格成像面大小（宽X高）对角线1/26.4x4.8mm8mm1/34.8x3.6mm6mm
彩色CCD摄像机
1,工作原理：
被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。
2,CCD类别
CCD彩色摄像机根据结构的不同又可以分为三类：
三管式、两管式、单管式。
由于本系统使用的是三管式CCD，故这里以三管CCD彩色摄像机为例，介绍CCD彩色摄像机的结构原理。
CCD彩色摄像机的设计主要包括光学系统、定时系统、CCD驱动器、信号处理和重合校正等几个方面，这里主要介绍其基本组成与工作原理。
3三管CCD彩色摄像机的原理框图
三管CCD彩色摄像机由光学系统（包括成像镜头和分光棱镜）、三个片状面阵CCD和机体内的驱动电路、同步控制电路、信号处理电路等构成，如图7-35所示。
三片CCD分别位于分光棱镜分出的红（R）、绿（G）、蓝（B）光的像面上，并分别称为CCD（R）、CCD（G）、CCD（B）。
驱动器发出适当的驱动脉冲分别送到R、G、B的CCD中，使其分别输出UR、UG、UB信号。
这三路信号分别竟采样保持电路（图中1）、自动白电平平衡电路（图中2）和信号处理电路（图中3）进行彩色处理后，送至编码器，输出全电视信号。
上述各电路均在同步控制电路的控制下同不工作。
为使摄像机能在较宽的光照范围内工作，将R、G、B信号经矩阵电路分出光强信号送至自动光圈电路，以控制马达实现自动光圈。
另外，矩阵电路输出的图像信号经轮廓校正电路（图中4）送至信号处理电路，获得亮度Y信号后送给编码器。
4,CCD的优势
CCD彩色摄像机内的驱动器、采样保持电路、自动白电平平衡电路、信号处理电路、补偿电路、矩阵电路、同步控制电路及编码电路等均由体积很小的集成电路构成。
所以，CCD彩色摄像机的体积和重量基本取决于光学系统的体积和重量，这是电子束管摄像机无法比拟的。
5,设计的难易程度
在CCD彩色摄像机中采用的面阵CCD常为二相或三相（也有采用四相驱动的）。
CCD摄像管所需要的驱动脉冲因摄像管本身的类型而异，即使同一类型的摄像管，驱动脉冲的时间关系也不相同，因此难以对CCD管驱动器电路作统一介绍。
不过驱动器只是按照给定的时间关系形成，需要的脉冲系列由脉冲数字电路产生。
掌握CCD摄像管的工作原理，并参照一般脉冲数字电路书籍中介绍的有关方法、理论，设计具有不同驱动脉冲输出的驱动电路并不困难。
六、红外CCD摄像机
1,红外成像
红外线与可见光一样，具有能够被物体反射、折射和吸收的特性。
根据光学定律，不同物体对不同波长红外光的反射和吸收各不相同，因此用红外光也能获得被观测物体的清晰图像。
红外摄像是红外技术和摄像技术巧妙结合的产物，在光电转换之前的部分属于红外技术，光电转换之后的部分便是摄像技术。
2,红外CCD摄像机工作原理
3,系统设计
太阳照射到目标上，反射回来的射线经滤光镜把可见光和不需要的红外线滤掉，剩下有用的红外线，经红外光学镜头聚焦，成像在摄像机的红外探测器阵列上，完成对目标红外辐射的探测，并将光生电荷注入到CCD寄存器中去，由CCD完成延时、积分、扫描、传输等信号处理工作，得到一串反映红外图像的视频信号。
摄像技术部分将红外图像视频信号转变为电视信号送给监视器，便可看到目标物的图像。
在火灾探测技术中，为了对火灾图像进行自动识别，还需要对红外图像视频信号用计算机进行数字图像处理或用录像机对现场进行录像。
七、微光CCD摄像机
微光图像传感器是20世纪60年代发展起来的微光夜视技术。
微光夜视技术使人眼的夜间视觉能力得到进一步提高，从而使人们能够在伸手不见五指的黑夜，通过夜视仪器看到远处的景物目标。
目前世界各国已研制出多种微光夜视CCD，并大量用于国防、公安、医疗影像和天文观测等各个部门。
其中，微光CCD是目前应用最广泛、最有前途的微光夜视图像传感器件。
图像传感器产生于20世纪40年代，当时图像传感器的光电灵敏度还很低，不能满足夜视要求。
后来人们利用电子增强技术，制成了级联式的像增强器，通过这种像增强器可以观测照度低于0.1lx的景物。
这种由像增强器构成的能够直接通过荧光屏观测微光景物图像的仪器称为直视夜视仪。
直视夜视仪对提高部队夜间战斗力以及部队的快速反应能力等意义重大。
但是，直视夜视仪的荧光屏只能够一两个人观看，并无法对图像进行技术处理，无法进行远距离传输，更无法保留图像。
为了适应现代战争的需要，夜视仪应能够实时地将图像传输到后方指挥系统，并能存储、保留图像。
20世纪60年代初，将像增强器与真空电子束摄像管有机地组合在一起，研制出了第一代微光图像传感器，又称为微光电视摄像管。
微光电视摄像管与直视夜视仪相比具有如下特点：
①便于利用图像处理技术，提高显示图像的品质；②可以实现图像的远距离传输或远距离遥控摄像；③可与光电自动控制系统构成电视跟踪转置，直接用于武器制导、指挥发射等领域，并具有较强的抗干扰能力和快速反应能力；④可供多人、多地点同时观察；⑤可录像并长期保存。
虽然微光电视摄像管在体积、重量、能耗、成本、使用维护等方面不如直视夜视仪，但由于上述5个方面的特点，使它越来越受到重视，并被广泛用于国防、公安、医疗影像和天文观测等各个领域。
微光电视摄像管在军事装备上被广泛地应用，从而进一步促进了它的发展，不同级联方式、不同结构、不同观察距离的微光电视摄像系统不断出现。
尤其是20世纪70年代以后，随着CCD摄像器件的不断完善和性能的不断提高，CCD摄像器件也被用来做微光电视摄像管。
由于CCD具有固体摄像器的许多特点，从而使CCD微光电视摄像管成为最新和最具前途的一类产品。
目前，已有两种微光CCD摄像管，即增强型（I-CCD）和累积型（TDI-CCD）摄像管。
它们的最低光照度已达到10-6lx，分辨率为510TVL。
例如德国SIM安全与电子系统公司推出的SIM-CCD在10-6lx下工作，具有很宽的动态范围，可以在10-5~10-8lx照度范围内工作。
该机由CCD和微通道板增强器构成，分辨率高达510TVL。
美国加利福尼亚州Xybion电子系统公司最近推出了TDI-CCD微光摄像机，采用砷化镓增强器，可以工作在低于10-6lx的照度下。
德国B&M光谱公司研制的CCD微光摄像系统制冷温度在-75℃~-150℃的低温下，微光特性可以高达10-11lx。
八、全天候视频监控系统主要功能
●本地录像，保存一定时间段内的本地视频监控录像资料，并能方便地查询、取证，为事后调查提供依据。
●远程视频监控监控人员可远程任意调取存储的监控图像，并可远程发出控制指令，录像资料的智能化检索、回放、调整摄像机镜头焦距、进行巡视或局部细节观察。
●权限管理为保证上网人员的隐私和录像资料的安全，系统具有操作权限管理，系统登录、操作进行严格的权限控制，保证系统的安全性。
●随时随地的监控录像功能，无论身在何处，任何密码授权的用户通过身边的电脑联网连接到监控网点，可以看到任意监控网点的即时图像并根据需要录像，避免了地理位置间隔原因造成监督管理的不便。
●安全性高，图像掩码技术，防止非法篡改录像资料；只有授权用户才可以进行录像备份，有效防止恶意破坏；强大日志管理功能，保证了专用系统的安全使用。
服务器端和客户端之间所传输的数据，全部经过加密。
九、特殊功能
●多画面的监控效果
可根据需要选择任意显示模式，随需控制摄像机的镜头角度，调整显示画面的视频与音频效果，极大的方便了监控者对远程监控视频的集中查看
●特定的电视墙显示模式
通过设定，保持用户的计算机屏幕操作与电视墙实际显示相一致；提供灵活方便的周期循环等显示模式，为客户实现理想的查看方案
●灵活的报警联动方式
可灵活设置报警触发条件，提供事件触发报警的远程提示及联动功能。
如以屏幕提示、发送email、报警联动、指定录像等各种方式将报警信息发给其他用户
●多样的录制策略
系统提供默认、自定义和智能三种录制策略；提供录像资料文件的定时上传备份、检索查询等一系列管理功能；响应用户点播录像文件的要求，授权用户可在线观看或下载存档
●特别的移动侦测功能
通过分析和对比图像数据的变动来确定现场发生的行为。
通过对监控源地点的图像变化分析来实现监控系统的一系列联动操作
十、系统工作过程
本地监控管理中心向控制器发送控制命令，选择需要控制的摄像机，对摄像机的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作。
除了对设备的控制，本地监控管理中心还可以实时读取三路视频数据，并同时做图像处理，当发现异常时，向异常报警系统发送报警信息。
同时，本地监控管理中心支持接受远程监控终端的控制。
监视器同时显示三路摄像机的视频信息，以供本地工作人员实时监测目标环境。
录像机将三路摄像机拍摄的视频信息记录并存储到存储设备中，以供后期的回放，查询等。
十一、总结
本全天候视频监控系统可以实现24小时视频监控，并且通过将三路不同种类摄像机的优点结合起来，发挥其各自的长处，使得我们在任意时刻都能获取到高质量的视频信息，有效地提高的视频监控的效率和质量。
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