视频监控系统基础知识.docx

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视频监控系统基础知识

目录

前言………………………………………………………………………………………………1

第一章视频监控概述………………………………………………………………………………2

第一节视频监控系统的发展历程……………………………………………………………2

一、模拟视频监控……………………………………………………………………………2

二、数字视频监控……………………………………………………………………………3

三、第三代视频监控…………………………………………………………………………3

第二节视频监控系统的组成及作用…………………………………………………………4

一、前端采集部分…………………………………………………………………………4

二、传输部分…………………………………………………………………………………4

三、控制记录部分……………………………………………………………………………5

四、显示部分…………………………………………………………………………………5

第三节本章小结……………………………………………………………………………5

第二章视频监控系统的主要设备…………………………………………………………………6

第一节摄像机……………………………………………………………………………………6

一、摄像机的分类………………………………………………………………………………6

二、摄像机的部分主要参数……………………………………………………………………7

第二节摄像机的周边设备………………………………………………………………………8

一、云台…………………………………………………………………………………………8

二、防护罩及支架………………………………………………………………………………9

第三节视频信号传输…………………………………………………………………………10

一、视频压缩标准……………………………………………………………………………10

二、视频传输介质……………………………………………………………………………11

第四节监视器…………………………………………………………………………………13

第五节编解码器………………………………………………………………………………15

一、数字硬盘录像机…………………………………………………………………………15

二、网络视频服务器…………………………………………………………………………17

三、解码器……………………………………………………………………………………17

前言

视频监控是各行业重点部门或重要场所进行实时监控的物理基础，管理部

门可通过它获得有效数据、图像或声音信息，对突发性异常事件的过程进行及时的监视和记忆，用以提供高效、及时地指挥和调度、布置警力、处理案件等。

视频监控系统也是日常生产生活中和公安监控的重要辅助设备，应用十分广泛。

当前视频监控系统正由模拟化走向数字化，随着视频压缩技术和网络技术的发展，特别是计算机技、网络技术、系统集成技术的快速的发展，为视频监控技术的发展提供了更好的平台。

在2010年4月30日以及之前的30余天时间里，各地发生了5起校园血案，“校园安全”成为公众热门话题，社会对校园安全的重视程度也逐渐升级。

有效的技术防范手段，强大的应急联动机制，是有效的避免出现群体事件，抑制学校灾害事件的有效手段。

积极构建现代化的安全技术防范体系，形成以学校为主体的集人防、物防和技防于一体的校园治安防控体系，为师生提供了全方位的安全防范保障服务，是科技防范进校园的必然要求。

目前，数字化、网络化、智能化的综合网络视频监控系统应用正在兴起，它将为校园安全建设与安全防范管理带来重要的、完善的解决方案，为预防事故、安全管理、统一指挥提供有效的图像证据。

教育行业由于其网络基础设施的完善毫无例外的明显倾向于网络化监控。

第1章视频监控概述

第1节视频监控系统的发展历程

从技术角度出发，视频监控系统发展可以划分为第一代模拟视频监控系

（CCTV），到第二代基于“PC+多媒体卡”数字视频监控系统（DVR），和第三代完全基于IP网络视频监控系统（IPVS）。

1、模拟视频监控

在20世纪90年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。

图像传输用视频电缆，以模拟信号传输，传输距离不能太远，适合小范围内的监控，获得的监控图像在控制中心查看。

主要设备包括前段摄像机后端视频矩阵、监视器、录像机等，利用视频传输线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机对画面进行分割，采用控制键盘对图像进行控制等，录像采用使用磁带的长时间录像机。

传统的模拟监控系统有一定的劣势：

模拟视频信号传输的距离较短；

模拟视频监控范围比较局限，并且布线工程量大；

模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质，并且不易保存.

2、数字视频监控系统

1、DVR

20世纪90年代中期，基于PC的多媒体监控随着数字视频压缩编码技术的发展而产生。

系统在远端有若干个摄像机、各种检测和报警探头与数据设备，获取图像信息，通过各自的传输线路汇接到多媒体监控终端上，然后再通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。

监控终端机可以是一台PC机，也可以是专用的工业控制机。

这其实是半模拟--半数字的监控系统，目前在一些小型的、要求比较简单的场所用的比较广泛。

只是随着技术的发展，工控机变成了嵌入式的硬盘录像机，该机性能较好，可无人值守，还有网络功能。

2、DVS

“模拟-数字”监控系统（DVR）的延伸—DVS.DVS是以视频网络服务器和视频综合管理平台为核心的数字化网络视频监控系统。

它是基于嵌入式的网络数字监控系统,DVS把摄像机输出的模拟视频信号直接转换成数字信号。

嵌入式视频编码器的功能有视频编码、网络传输、自动控制等，这类系统可以直接连入以太网，省掉了各种复杂的电缆，具有灵活方便、即插即看等特点，使得监控范围达到前所未有的广度。

3、数字化视频监控的优势

①数字化视频可以在计算机网络（局域网或广域网）上传输图像数据，不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性。

　②数字化视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线。

③数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘、U盘中，查询十分简便快捷。

3、第三代视频监控

　　第三代视频监控是完全使用IP技术的视频监控系统。

该系统优势是摄像机内安装Web服务器，并提供以太网接口，摄像机内集成了各种协议，通过普通浏览器可支持直接访问摄像机。

这些摄像机生成JPEG或MPEG-4数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视等。

更具高科技含量的是可以通过3G网络实现无线传输，用户可以通过笔记本、手机、PDA等无线终端随处查看视频。

[1]

第2节视频监控系统的组成及作用

　　视频监控系统由摄像机部分、传输部分、控制记录以及显示部分四大块组成，其系统组成如图１．１所示。

在每一部分中，又含有更加具体的设备或部件。

图1.1视频监控系统的组成

一、前端采集部分

在视频监控前端是由摄像机负责对画面进行采集，摄像部分是监控系统的

前沿部分，是整个系统的“眼睛”。

在被监视场所面积较大时，在摄像机上加装变焦距镜头，使摄像机所能观察的距离更远、更清楚；还可把摄像机安装在云台上，可以使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动;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。

摄像机有黑白、彩色之分。

按摄像机外形来分有半球、普通枪机、球机等，球机有匀速球、高速球和智能高速球等，也还有集成了网络协议的网络摄像机。

[2]

二、传输部分

目前，在监控系统中用的传输介质是同轴电缆、双绞线、光纤等。

同轴电缆直接传输模拟信号,其优点是：

短距离传输图像信号损失小，造价低廉,系统稳定。

缺点是：

传输距离短，300米以上无法保证图像质量；一路视频信号需布一根电缆，传输控制信号需另布电缆；其布线量大、维护困难、可扩展性差，适合小系统。

双绞线一般是指网线，其抗干扰能力远比同轴电缆好，而且通过对视频信号的处理，其传输的图像信号也比同轴电缆清晰，同一根网线相互之间不会发生干扰。

其优点是：

布线简易、成本低廉、抗干忧性能强。

其缺点包括：

只能解决1Km以内监控图像传输，不适合应用在大中型监控中；双绞线质地脆弱抗老化能力差，不适于野外传输。

光缆代替同轴电缆、双绞线进行视频信号的传输，给电视监控系统增加了高质量、远距离传输的有力条件。

3、控制与记录部分

　　控制与记录部分负责对摄像机及其辅助部件（如镜头、云台）的控制，并对图像、声音信号的进行记录。

目前DVR的技术很成熟，它可以记录图像和声音，还可以进行画面分割切换、控制前端云台等功能。

采集到的视频数据可存储在磁盘阵列中，记录时间可以更长。

4、显示部分

　　显示部分一般由几台或多台监视器组成，目前液晶监视器正逐步取代传

统的CRT监视器，在摄像机数量不是很多，要求不是很高的情况下，一般直接将监视器接在硬盘录像机上即可。

专用监视器价格较贵，也可用普通电视机替代，但电视机不适宜24小时开机。

第三节本章小结

　本章主要介绍了视频监控系统的发展历程：

从模拟视频监控系（CCTV），

到数字视频监控系统（DVR）和第三代完全基于IP网络视频监控系统。

也简单介绍了视频监控系统的组成即前端采集部分,传输部分、显示控制部分。

第2章视频监控系统的主要设备

第1节摄像机

在视频监控系统中，摄像头是最前端、最基础、投资数量最大的一个产品，也是最关键设备，它负责对监视区域进行摄像并转换成电信号，再进一步用于传输，其质量直接影响视频监控系统的整体应用，同时还关系到工程造价。

严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的。

[4]

一、摄像机的分类

摄像机可以根据不同的划分方式，可以分类如下：

枪机

按外形分球机

红外一体机

按传感器类型分：

CCD摄像机、CMOS摄像机

按功能分：

普通型摄像机、日夜型摄像机、红外摄像机

按清晰度分：

标清摄像机、高清摄像机

按传输方式分：

模拟摄像机、网络摄像机

二、摄像机的部分主要参数

1、镜头

镜头是摄像机的眼睛，为了适应不同的监控环境和要求，需要配置不同规格的镜头。

比如在室内的重点监视，要进行清晰且大视场角度的图像捕捉，得配置广角镜头；在室外的停车场，既要看到停车场全貌，又要能看到汽车的细部，这时候需要广角和变焦镜头。

2、清晰度

清晰度是由摄像器件像素大小决定的，摄像器件的像素越多，得到的图像越清晰，清晰度越高，说明摄像机档次越高。

3、最低照度

最低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。

最低照度越小，摄像机档次越高。

4、自动增益控制（AGC）

AGC（AutomaticGainControl）即自动增益控制的缩写。

所有摄象机都有一个将来自电耦合器件CCD（ChargecoupledDevice）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，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。

为此，需利用摄象机的自动增益控制（AGC）电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。

5、背光补偿（BLC）

也称作逆光补偿或逆光补正，它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。

当引入背光补偿功能时，摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测，通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。

由于子区域的平均电平很低，AGC放大器会有较高的增益，使输出视频信号的幅值提高，从而使监视器上的主体画面明朗。

此时的背景画面会更加明亮，但其与主体画面的主观亮度差会大大降低，整个视场的可视性得到改善。

改善效果如图2.1所示。

图2.1使用背光补偿后的效果

6、电子快门（ES）

ES（Electronic　Shutter）即电子快门的缩写，是对比照相机的机械快门功能提出一个术语，它相当于控制CCD图像传感器的感光时间。

根据人眼的视觉暂留特性，为了确保看到的图像是连续的，实际应用中，因为环境中光线可能会很强，这个时候可能会需要控制进光量，就需要控制快门速度，速度越快时，光线能够进入的时间就越少，进光量就越少，相对来说，图像就会显得比较暗，反之快门速度越慢，图像就会越亮。

第二节摄像机的周边设备

一、云台

摄像机的云台是两个交流电机组成的安装平台，可以水平或者垂直的运动，可以通过控制系统在远程控制其转动以及移动的方向的。

云台有如下分类：

按安装环境分为室内和室外型，主要区别是室外云台密封性能好，能够防水、防尘，且负载大。

按安装方式划分为吊装和侧装，吊装云台是安装在天花板侧装云台是安装在墙壁上。

按照承载重量分为轻载云台、中载云台和重载云台。

二、支架及护罩

1、支架

普通支架有短的、长的、直的、弯的，根据不同的要求选择不同的型号。

室外支架主要考虑负载能力是否合乎要求，再有就是安装位置，很多室外摄像机安装位置特殊，有的安装在电线杆上，有的安装在铁架上。

制作支架的材料有塑料、金属镀铬、压铸。

支架多种多样，依使用环境不同和结构不同，主要有以下类型：

天花板顶基支架，一端固定在天花板上，另一端为可调节方向的球形旋转头或可调倾斜度平台，以便摄象机对准不同的方位。

有直管圆柱形和Ｔ形之分。

墙壁安装型支架，一端固定在墙壁上，其垂直平面用于安装摄象机或云台，对于无云台的摄象机系统，其摄象机可以直接固定在支架上，也可以固定在支架上的球形旋转接头或可调倾斜平台上。

墙用支架加上安装连板可构成墙角支架，墙角支架加上圆柱安装连板，可将其安装在圆柱杆上。

2、防护罩

防护罩主要分为室内和室外两种，功能主要是防尘、防破坏。

防护罩能保证雨水不进入防护罩内部侵蚀摄像机。

有的室外防护罩还带有排风扇、加热板、雨刮器，可以更好的保护设备。

摄象机防护罩的选择，首先是要包容所使用的摄象机加镜头，并留有适当的富余空间，其次是依据使用环境选择适合的防护罩类型，在此基础上，将包括防护罩及云台在内的整个摄像前端之重量累计，选择具有相应承重值的支架。

还要看整体结构，安装孔越少越利于防水，再看内部线路是否便于联接，最后还要考虑外观、重量、安装座等等。

防护罩的材料主要有铝质、合金、挤压成型、不锈钢等。

为了更好的保护摄像机，在室内或者室外安装时，都尽可能安装防护罩，需要对摄像机进行转动时，需安装云台。

根据不同的安装位置会选择不同的支架。

其安装效果示意图如图2.2所示。

图2.2带防护罩、云台和支架的摄像机

第4节视频信号传输

一、视频信号压缩标准

目前比较流行的基于MPEG-4或H.264的标准，图像数据压缩之后通过Internet网络传输数据。

下面介绍两种常见的视频压缩技术标准：

1、MPEG

MPEG（MovingPicturesExpertsGroup）即“动态图象专家组”的英文缩写，MPEG1技术被广泛的应用于VCD，而MPEG2标准则用于广播电视和DVD等，而MPEG4于1999年初正式成为国际标准，它是一个适用于低传输速率应用的方案。

它采用基于对象的编码理念，即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然后再对不同的对象分别解码，从而组合成所需要的视频和音频。

这样既方便我们对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法，可以方便的实现对于各种对象的操作及编辑，并且又有利于不同数据类型间的融合。

MPEG4技术的编码对象就是运动图像中的音频和视频，我们称为“AV对象”，而持续的AV对象叠加在一起就形成了AV场景。

[5]

2、H.264

H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。

H.264标准的主要目标是：

与其它现有的视频编码标准相比，在相同的带宽下提供更加优秀的图象质量。

其主要优点如下：

①在带宽较低的情况下提供高质量。

②H.264能够在不同的环境使用不同的传输和播放速率，提供了更多的错误处理工具，能够更好的控制甚至杜绝丢包和误码。

[6]

2、传输介质

监控系统中，信号的传输是整个系统非常重要的一环，需要传输的信号主要有两个，一个是视频信号，一个是控制信号。

其中视频信号的是从前端的摄像机传向控制中心;而控制信号则是从控制中心流向前端的摄像机（包括云台等受控对象）。

目前，在监控系统中用的传输介质是同轴电缆、双绞线、光纤等方式，对于不同场合、不同的传输距离，需要选择不同的传输介质。

[6]

1、同轴电缆传输

　视频基带信号也就是通常讲的视频信号，它的带宽是0-6MHZ，一般来讲，信号频率越高，衰减越大，一般设计时只需考虑保证高频信号的幅度就能满足系统的要求，一般来讲，75-3电缆可以传输150米、75-5电缆可以传输300米、75-7电缆可以传输500米，对于传输更远距离，可以采用视频放大器等设备，对信号进行放大和补偿，可以传输2-3公里。

2、双绞线传输

双绞线在这里一般指的是超五类网线，该传输介质与使用同轴电缆相比，其优势越来越明显：

①布线方便，线缆利用率高。

一根普通超五类网线，内有4对双绞线，可以同时都用来传输视频信号，一共可以传输四路，且信号间干扰较小，而且网线比同轴电缆更好铺设。

②价格便宜，性价比高。

普通超五类网线的价格相当与75-3视频线，室外防水超五类网线的价格相当与75-5视频线，但网线却能够在同一时间传输多路信号。

③传输距离远，传输效果好。

④抗干扰能力强。

双绞线传输采用差分传输方法，其抗干扰能力大于同轴电缆。

双绞线虽然具有以上优点，但是在使用中也应当注意一些问题：

①一般选用国产超五类网线，每根网线内有8芯，每芯的直流电阻值应小于15欧/100米。

②室外布线，尽可以选用室外阻水网线，虽然价格高了些，但可靠性可以保证。

③对于干扰特强的地方，如电厂、变电站等地方，建议选用屏蔽网线，或在普通网线外套金属管。

[7]

3、光纤传输

用光缆代替同轴电缆、双绞线进行视频信号的传输，给电视监控系统增加了高质量、远距离传输的有力条件。

先进的传输手段、稳定的性能、较高的可靠性和多功能的信息交换网络还可为以后的信息高速公路奠定良好的基础。

其传输的优点：

　　①传输距离长，现在单模光纤每公里衰减可做到0.2dB～0.4dB以下，是同轴电缆每公里损耗的1%。

　　②传输容量大，通过一根光纤可传输几十路以上的信号。

如果采用多芯光缆，则容量成倍增长。

这样，用几根光纤就完全可以满足相当长时间内对传输容量的要求。

　　③传输质量高，由于光纤传输不像同轴电缆那样需要相当多的中继放大器，因而没有噪声和非线性失真叠加。

加上光纤系统的抗干扰性能强，基本上不受外界温度变化的影响，从而保证了传输信号的质量。

　　④抗干扰性能好，光纤传输不受电磁干扰，适合应用于有强电磁干扰和电磁辐射的环境中。

目前常用的光纤按模式分有两大类：

多模光纤和单模光纤。

多模光纤用于视频图像传输时，只能满足最远3～5km左右的传输距离，并且对视频光端机的带宽（针对模拟调制）和传输速率（针对数字式）有较大的限制，一般适用于短距、小容量、简单应用的场合。

单模光纤由于有着优异的特性和低廉的价格已经成为当前光通信传输的主流，但其设备价格比多模光端机高。

[8]

第五节监视器

监视器作为视频监控系统中的终端显示部分，发挥着重要的作用，把图像最大限度真实地显示出来，以供监控人员作为工作依据，它的好坏直接影响到整个监视系统的效果。

监视器的发展经历了黑白到彩色，从普通到不闪烁，从CRT（阴极射线管）到LCD（液晶）的发展过程，每个过程都发生了很大的飞跃。

从黑白到彩色，使得监控的单调图像迈向了逼真的世界；从普通到不闪烁，给监控工作人员带来了健康。

1、CRT监视器

普通的50HZ系列产品、有不同尺寸的屏幕：

14英吋、15英吋、25英吋等.普通的监视器如图2.3所示，其图像分辨率低，层次不分明，色彩不鲜艳，还原出来的图像就不那么真实逼真。

其主要的缺点是图像闪烁，尤其是组成屏幕墙时显得更为严重，长时间地观看会造成眼睛的疲劳和影响注意力，造成漏情。

图2.3CRT监视器

2、液晶系列

由于液晶具有十分明显的优点和越来越低的价格，液晶监视器越来越多地在监控系统使用，液晶监视器如图2.4所示。

目前国内企业生产的专业液晶监视器主要有以下分类及特点：

①按尺寸分包括小型、中型和大型三种：

小型一般包括17”19”20”；中型包括：

22”26”32”，37”，40”，42”，46”；大型包括：

52”，55”，70”，82”等更大尺寸。

②除了按尺寸分类外，还有根据采用的液晶屏的特点分为：

普通和高亮；普通和高分辨率。

③液晶监视器增加了DVI（数字视频接口），满足了前端数字视频信号的传输应用。

还有的液晶监视器将DVI接口升级为HDMI（高清晰度多媒体接口），HDMI接口的特点传输距离远，速度更快，支持更高带宽的数字信号传输。

④超薄超轻设计，使用方便、美观、能耗低、无辐射、节能环保等优点。

随着技术的发展液晶屏的使用寿命可达6万小时以上。

图2.4液晶监视器

3、大屏幕拼接系统

目前采用的大屏幕拼接墙主要有LCD（液晶）、DLP（背投）、PDP（等离子）三种，已经成为各种大型集中监控指挥中心的大面积、高清晰、多画面的大型终端显示系统，如图2.5所示。

[9]三种拼接系统各有其优缺点：

①LCD液晶拼接系统具有高清、高亮、高色域；可任意选择拼接组合；维护成本极低，稳定运行时间长；坚固，美观和很薄的墙体设计；灵活多变的拼接显示功能；不会灼伤。

其主要缺点是有拼接缝。

②DLP背投拼接系统：

显示单元尺寸有多种可选，有50寸、60寸、67寸、80寸、84寸；拼接缝为0.5MM,在较远距离时看不出拼缝，可认为是实现了无缝拼接；屏幕不会灼伤；智能数字色彩调整；智能数字亮度调整；防尘/散热技术等特点。

其主要的缺点是亮度低，色彩饱和度差，箱体厚，灯泡寿命短，维护使用成本高。

③PDP等离子拼接亮度和对比度很好，图像的色彩饱和度很高，拼接缝一般为5MM，比液晶拼接的要小得多，拼接墙可以做得很薄。

但是，等离子拼接墙最大的缺点是面板灼伤严重，尤其是在长时间显示静止图像的情况下，面板会被留下明显的图像。

另一个缺点是屏幕寿命仅有5000-10000小时。

[9]

图2.5无缝液晶大屏幕

第六节编解码器

一、数字硬盘录像机

DigitalVideoRecorder（硬盘录像机），即数字视频录像机如图2.6所示，采用硬盘录像，故常常被称为硬盘录像机，也被称为DVR。

DVR采用的是数字记录技术，在图像处理、图像储存、检索、备份、以及网络传递、远程控制等方面也远远优于模拟监控设备，DVR代表了电视监控系统的发展方向，是目前市面上电视监控系统的首选产品。

目前市面上主流的DVR采用的压缩技术有MPEG-2、MPEG-4、H.264、M-JPEG，而MPEG-4、H.264是国内最常见的压缩方式；从摄像机输入路数上分为1路、