视频图像监控系统技术培训文档格式.doc
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1.视频监控系统结构
典型的电视监控系统主要由前端设备和后端设备这两大部分组成，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分控制设备。
前、后端设备有多种构成方式，它们之间的联系（也可称作传输系统）可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现。
如下图所示，电视监控系统由摄像机部分（有时还有麦克）、传输部分、控制部分以及显示和记录部分四大块组成。
在每一部分中，又含有更加具体的设备或部件。
1.1.主要组成部分
1.1.1.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的第一级的输出（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。
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。
这些也将在后面的有关章节中讨论。
1.1.2.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，由于需要有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。
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、幅频特性和相频特性方面有良好的性能。
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。
1.1.3.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。
控制部分主要由监控主机组成。
监控主机的能对摄像机、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。
监控主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。
还可以设置“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画面。
目前的监控主机还设有时间及地址的字符叠加功能，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。
监控主机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解码器，在解码器上将监控主机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）。
1.1.4.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。
在电视监视系统中，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。
个人认为，四分割或九分割较为合适。
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。
由于监视器或电视机已有成型的产品，大家都很熟悉，在此不作详述。
1.2.本地监控系统
本地监控系统中监控现场与监控中心的距离很近，一般不超过1km，采集的视频音频数据直接通过同轴电缆连接到监控中心的主机上，通过视频音频处理卡将数据直接在监控中心处理。
因此，这种系统的监视图像质量很好，清晰度高，且不具有延时。
适用场合：
本地图像监控系统适用于需要监控的对象与控制中心的距离很近，如：
一栋大楼，一所学校，小型厂区等。
1.3.网络监控系统
1.3.1.系统构成
图像采集与处理单元：
摄像机、云台、解码器等；
报警处理与数据采集单元：
红外传感器、烟感传感器、温湿度传感器等；
控制输出与数据输出单元：
灯光、报警电话、警铃、开关等；
现场监控中心单元：
网络视频服务器、网桥等；
总监控中心：
计算机、网络监控软件等；
1.3.2.系统结构示意图
1.3.3.系统特点
将视频、音频、数据信号由网络视频服务器处理后，通过网桥上光端机，再经光纤传至中心；
由于视频、音频、数据信号由现场计算机处理完毕，传至中心的是接TCP/IP方式处理的数字信号，因此监控中心不再需要其他图像监控硬件设备。
远端监控现场不需要计算机，现场可实现强大的监控工作；
由于采用的是以太网模式（TCP/IP），图像监控系统可以与其他系统（如：
综合自动化系统）共用相同的传输通道；
图像传输的延时比较小。
1.3.4.使用场合
一般用于远程图像监控。
比如电信与教育系统就侧重于视频服务器模式的分散式远程监控。
2.视频监控设备
2.1.摄像机
摄像机是获取监视现场图像的前端设备，它以面阵CCD图像传感器为核心部件，外加同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等。
近年来，新型的低成本MOS图像传感器有了较快速的发展，基于MOS图像传感器的摄像机已开始被应用于对图像质量要求不高的可视电话或会议电视系统中。
由于MOS图像传感器的分辨率和低照度等到主要指标暂时还比不上CCD图像传感器，因此，在电视监控系统中使用摄像机仍为CCD摄像机。
摄像机具有黑白和彩色之分，由于黑白摄像机具有高分辨率、低照度等优点，特别是它可以在红外光照下成像，因此在电视监控系统中，黑白CCD摄像机仍具有较高的市场占有率。
顺便指出，在各商家列出的闭路电视监控器材清单中的摄像机通常都是不带镜头的（一体化摄像机除外），因此在实际应用中，应根据监控现场的实际环境及用户要求，为摄像机配合适的镜头（详见本章第2-2节）。
2.1.1.CCD摄像机的主要参数
在电视监控系统中选择摄像机，一般要看几个主要的参数，即分辨率、最低照度和信噪比等，另外还要考虑摄像机的附带功能及价格和今后服务等因素。
以下对摄像机的几个主要参数作一介绍。
A、CCD尺寸及像素数
CCD尺寸指的是CCD图像传感器感光面的对角线尺寸，早期的CCD尺寸比较大，为lin、2/3in和1/2in等几种，因而近年来用于电视监控摄像机的CCD尺寸以1/3in为主流。
像素数指的是摄像机CCD传感器的最大像素数，有些给出了水平及垂直方向的像素数，如500H*582V，有些则组出了前两者的乘积值，如30万像素。
对于一定尺寸的CCD芯片，像素数越多则意味着每一像素单元的面积越小，因而由该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。
例如，在电视监控摄像机中使用的CCD传感器的像素有的已达到48万像素。
B、分辨率
分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（应比摄像机的分辨率高）上能够看到的最多线数。
当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相间的线条。
工业监视用摄像机的分辨率通常在380~460线之间，广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。
C、低照度
照度是反映光照强度的一种单位，物理意义是照射到单位面积上的光通量。
单位是每平方米的流明（lm）数，也叫勒克斯（lx）：
1lx＝1lm/m2
lm是光通量的单位，定义是纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60cm2的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量。
各种光源的亮度
光源
照度
直射太阳光
105
阴天
103
傍晚
10
月亮光
10-1
星光
10-3
低照度指的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。
测定此参数时，还应特别注明镜头的最大相对孔径。
例如，使用F1.2的镜头，当被景物的光亮度值低到0.04lx时，摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%，即达到350mV（标准视频信号最大幅700mV），则称此摄像机的最低照度为0.04lx/F1.2。
被摄景物的光亮度值再低，摄像要输出的视频信号的幅值就达不到350mV了，反映在监视器的屏幕上，将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。
2.1.2.摄像机的附带功能
除了上述介绍的基本参数外，各品牌的摄像机大都还有一些附带的功能，如自动光圈接口、电子快门、自动增益控制、逆光补偿、线锁定同步及外同步等，下面简要介绍一下。
A、电动光圈接口
目前在市场上见到的标准CCD摄像机大都带有驱动自动光圈镜头的接口，其中有些只提供一种驱动方式（通常为视频驱动方式），也就是说，它只能配接VD型的自动光圈镜头，有些则可同时提供两种驱动方式（视频驱动和直流驱动）供用户选择，因此，它可以配接任何自动光圈镜头。
这里，视频驱动（VideoDriver，简称VD）方式是指摄像机将视频信号电平输出到自动光圈镜头的内部，再由其内部的驱动电路输出控制电压，使镜头光圈调整电动机转动；
直流驱动（DCDriver，简称DD）方式则是指摄像机内部增加了镜头光圈电动机的驱动电路，可以直接输出直流控制电压到镜头内的光圈电动机并使其转动，因此，具有直流驱动接口的摄像机的成本就稍许高一些（因为增加了一部分电路），但所选配的自动光圈镜头则因其内部不含有驱动电路而体积稍小一些，价格也就低一些。
B、电子快门电子快门（ElectronicShutter）是比照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。
由于CCD感光的实质是信号电荷的积累，则感光时间越长，信号电荷的积累时间就越长，输出信号电流的幅值也就越大。
通过调整光生信号电荷的积累时间（即调整时钟脉冲的宽度），即可实现控制CCD感光时间的功能。
D、背光补偿背光补偿（Back–lightCompensation）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（如从第80行~200行的中心区域）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。
2.1.3.摄像机的使用
摄像机的使用很简单，通常只要正确安装镜头、连通信号电缆，接通电源即可工作。
但在实际使用中，如果不能正确地安装镜头并调整摄像机及镜头的状态，则可能达不到预期使用效果。
以下简要介绍摄像机的正确使用方法。
A、安装镜头
摄像机必须配接镜头才可使用，一般应根据应用现场的实际情况来选配合适的镜头，如定焦镜头或变焦镜头、手动光圈镜头或自动光圈镜头、标准镜头或广角镜头或长焦镜头等。
另外还应注意镜头与摄像机的接口，是C型接口还是CS型接口（这一点要切记，否则用C型镜头直接往CS接口摄像机上旋入时极有可能损坏摄像机的CCD芯片）。
安装镜头时，首先去掉摄像机及镜头的保护盖，然后将镜头轻轻旋入摄像机的镜头接口并使之到位。
对于自动光圈镜头，还应将镜头的控制线连接到摄像机的自动光圈接口上，对于电动两可变镜头或三可变镜头，只要旋转镜头到位，则暂时不需校正其平衡状态（只有在后焦聚调整完毕后才需要最后校正其平衡状态）。
B、调整镜头光圈与对焦
关闭摄像机上电子快门及逆光补偿等开关，将摄像机对准欲监视的场景，调整镜头的光圈与对焦环，使监视器上的图像最佳。
如果是在光照度变化比较大的场合使用摄像机，最好配接自动光圈镜头并作摄像机的电子快门开关置于OFF。
如果选用了手动光圈则应将摄像机的电子快门开关置于ON，并在应用现场最为明亮（环境光照度最大）时，将镜头光圈尽可能开大并仍使图像为最佳（不能使图像过于发白而过载），镜头即调整完毕。
装好防护罩并上好支架即可。
由于光圈较大，景深范围相对较小，对焦距时应尽可能照顾到整个监视现场的清晰度。
当现场照度降低时，电子快门将自动调整为慢速，配合较大的光圈，仍可使图像满意。
在以上调整过程中，若不注意在光线明亮时将镜头的光圈尽可能开大，而是关得比较小，则摄像机的电子快门会自动调在低速上，因此仍可以在监视器上形成较好的图像；
但当光线变暗时，由于镜头的光圈比较小，而电子快门也已经处于最慢（1/50s）了，此时的成像就可能是昏暗一片了。
C、后焦距的调整
后焦距也称背焦距，指的是当安装上标准镜头（标准C/CS接口镜头）时，能使被摄景物的成像恰好成在CCD图像传感器的靶面上，一般摄像机在出厂时，对后焦距都做了适当的调整，因此，在配接定焦镜头的应用场合，一般都不需要调整摄像机的后焦。
在有些应用场合，可能出现当镜头对焦环调整到极限位置时仍不能使图像清晰，此时首先必须确认镜头的接口是否正确。
如果确认无误，就需要对摄像机的后焦距进行调整。
根据经验，在绝大多数摄像机配接电动变焦镜头的应用场合，往往都需要对摄像机的后焦距进行调整。
后焦距调整的步骤如下：
a、将镜头正确安装到摄像机上。
b、将镜头光圈尽可能开到最大（目的是缩小景深范围，以准确找到成像焦点）。
c、通过变焦距调整（Zoom
In）将镜头推至望远（Tele）状态，拍摄10m以外的一个物体的特写，再通过调整聚焦（Focus）将特写图像调清晰。
d、进行与上一步相反的变焦距调整（Zoom
Out）将镜头拉回至广角（Wide）状态，此时画面变为包含上述特写物体的全景图像，但此时不能再作聚焦调整（注意：
如果此时的图像变模糊也不能调整聚焦），而是准备下一步的后焦调整。
e、将摄像机前端用于固定后焦调节环的内六角螺钉旋松，并旋转后焦调节环（对没有后焦调节环的摄像机则直接旋转镜头而带动其内置的后焦环），直至画面最清晰为止，然后暂时旋紧内六角螺钉。
f、重新推镜头到望远状态，看看刚才拍摄的特写物体是否仍然清晰，如不清晰再重复上述第a、b、c步骤。
g、通常只需一两个回合就可完成后焦距调整了。
h、旋紧内六角螺钉，将光圈调整到适当的位置。
2.2.镜头
镜头是电视监控系统中必不可少的部件，镜头与CCD摄像机配合，可以将远距离目标成像在摄像机的CCD靶面上。
镜头的种类繁多，从焦距上分类，可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头；
从视场的大小分类，可分为广角、标准、远摄镜头；
从结构上分类，还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头（指光圈、焦距、聚焦这三者均可变）等类型。
由于镜头选择得合适与否，直接关系到摄像质量的优劣，因此，在实际应用中必须合理选择镜头。
2.2.1.镜头的参数
镜头的光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数，一般在镜头所附的说明书中都有注明，以下分别介绍。
A、成像尺寸
镜头一般可分为25.4mm（lin）、16.9mm（2/3in）、12.7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等几种规格，它们分别对应着不同的成像尺寸，选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。
当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小，而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4个角上出现黑角。
B、焦距
在实际应用中，经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机能看清多么宽的场景等问题，这实际上由所选用的镜头的焦距来决定，因为焦距决定了摄取图像的大小，用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之，配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小。
当然，被摄物体成像的清晰度还与所选用的CCD摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。
理论上，任何一种镜头均可拍摄很远的物体，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD单元（像素）物理尺寸的限制，当成像小到小于CCD传感器的一个像素大小时，便不再能形成被摄物体的像，即使成像有几个像素大小，该像也难以辨识为何物。
当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离，则可根据下两式估算所选取配镜头的焦距：
f=hD/H
f=vD/V
式中，D为镜头中心到被摄物体的距离；
H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸；
v为靶面成像的高度；
h为靶面成像的水平宽度。
成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的，举个例子来说，用同一支摄像机对同一个停车场进行监视，选用短焦距镜头可以对整个停车场的全景进行监视并看到出入口外的车辆进出，但却不能看清该辆车的牌照号码（该车在监视器屏幕上仅占据了很小的面积）；
而选用长焦距镜头虽可以看清该辆车的牌照号码（该车占据了屏幕上的大部分面积），却又不能监视到整个停车场的全貌。
因此当需要既监视全景以要看清局部时，一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头。
当然，在选定了镜头的前提下，选用高分辨率的摄像机及监视器则可以在被监视物体成像尺寸较小时也能看清局部细节。
C、视场角
镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。
镜头的焦距f越短，其视场角越大，或者，摄像机靶面尺寸h或v越大，其视场角也越大。
如果所选择的镜头的视场角太小，可能会因出现监视死角而漏监；
而若所选择的镜头的视场角太大，又可能造成被监视的主体画面尺寸太小，难以辨认，且画面边缘出现畸变。
因此，只有根据具体的应用环境选择视场角合适的镜头，才能保证既不出现监视死角，又能使被监视的主体画面尽可能大而清晰。
下表列出了几种常用镜头的水平视场角
焦距/mm
镜头尺寸/in
2.8
3.5
4.0
4.8
6.0
8.0
12.0
16.0
25.0
1/3
86.3
67.4
62.0
52.2
42.3
32.6
22.1
17.1
10.6
1/2
94.6
69.4
57.1
42.6
29.7
22.6
14.2
2/3
59.2
30.8
19.4
1
27.8
在实际应用中，经常听到有用户提出诸如某摄像机能够“看多远”之类的问题，比如100m、500m甚至1km远外的物体还能否在监视器上清晰地显示出来。
有了前面关于镜头的成像尺寸、焦距及视场角等概念后，这个问题就不难解释了，即“看多远”问题与许多因素有关。
比如说，用某定焦镜头可以看清100m远处的钞票的面值。
一般来说，镜头焦距越长，“看”得就越远，但同时视场角却变小，结果观看的范围变窄了。
举个简单的例子，若用标准镜头刚好看清远处某人的基本特征（是男或是女），则换用长焦距镜头则可能看清其面部特征（是否有痣或疤），但却无法看见该人穿的是什么裤子和鞋（这部分已经“涨”出了画面），而换用广角镜头则只可能看到画面中有人（连男女都分辨不出），但却可看清该人在整个监视场景中的所处的位置，周围还有什么别的人物或参照物。
因此，关于“看多远”的较为科学的说法应该是“在屏幕上成的像大小可对应于实际观测距离处多高或多宽的景物”。
例如，用8mm镜头观测10m远处的景物，如果该处有10个人站成一排则刚好可横向充满整个监视器屏幕。
D、接口
镜头的安装方式有C型安装和CS型安装两种。
图2-4画出了这两种镜头的接口部位示意图。
其中上半部为CS型镜头，下半部为C型镜头。
在电视监控系统中常用的镜头是C型安装镜头（in32牙螺纹座），这是一种国际公认的标准。
这种镜头安装部位的口径是25。
在实际应用中，如果误对CS型镜头加装接圈后安装到CS接口摄像机上，会因为镜头的成像面不能落到摄像机的CCD靶面上而不能得到清晰的图像，而如果对
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