電視監控系統解決方案 |
| 【作者/來自】李篤 【發表時間】2019-03-04
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1.概述 電視監控系統，又稱為監控系統、視頻監控系統，英文為CCTV（Closed Circuit Television閉路電視）。 電視監控系統能實時、形象、真實地反映被監視對象的畫面，獲得廣泛的應用，是人們在現代化管理中進行監視控制的一種極為有效的工具。 電視監控系統由前端設備、傳輸系統、后端設備三大部分組成：
前端設備指現場圖像、聲音、溫濕度等環境采集設備，如：攝像機、麥克風、溫濕度計等，以及現場動作、照明、聲音等執行設備，如鏡頭、云臺、防護罩、加熱器，雨刷、燈光、揚聲器等。 傳輸系統指前端設備、后端設備之間的聯系，包括電纜、光纖、微波等多種連接方式以及相關的設備。 后端設備指后端控制、顯示和記錄設備。 2.主要設備2.1前端設備電視監控系統的前端設備通常由攝像機、手動或電動鏡頭、云臺、防護罩、監 聽 器、報警探測器和多功能解碼器等部件組成，它們各司其職，并通過有線、無線或光纖傳輸媒介與中心控制系統的各種設備建立相應的聯系，傳輸視/音頻信號及控制、報警信號等。在實際的電視監控系統中，這些前端設備不一定同時使用，但實現監控現場圖像采集的攝像機和鏡頭是必不可少的。 攝像機攝像機是電視監控系統的最主要前端設備，是整個系統的“眼睛”。它布置在被監視場所的某一位置上，使其視場角能覆蓋整個被監視的各個部位。有時，被監視場所面積較大，為了節省攝像機所用的數量、簡化傳輸系統及控制與顯示系統，在攝像機上加裝電動可遙控的、可變焦距（變倍）鏡頭，使攝像機所能觀察的距離更遠、更清楚；有時還把攝像機安裝在電動云臺上，通過控制臺的控制，可以使云臺帶動攝像機進行水平和垂直方向的轉動，從而使攝像機能覆蓋的角度、面積更大。總之，攝像機就像整個系統的眼睛一樣，把它監視的內容變為圖像信號，傳送給控制中心的監視器上。 由于攝像部分是系統的最前端，并且被監視場所的情況是由它變成圖像信號傳送到控制中心的監視器上，所以從整個系統來講，攝像部分是系統的原始信號源。因此，攝像部分的好壞以及它產生的圖像信號的質量將影響著整個系統的質量。從系統噪聲計算理論的角度來講，影響系統噪聲的最大因素是系統中的第一級的輸出（攝像機的圖像信號輸出）信號信噪比的情況。所以，認真選擇和處理攝像部分是至關重要的。 在某些情況下，特別是在室外應用的情況下，為了防塵、防雨、抗高低溫、抗腐蝕等，對攝像機及其鏡頭還應加裝專門的防護罩，甚至對云臺也要有相應的防護措施。 因此，選擇電視監控系統中的攝像機，一般要看幾個主要的參數：分辨率、最低照度和信噪比等，另外還要考慮攝像機的附帶功能等。 2.2傳輸系統傳輸系統就是系統的信號通路。一般來說，傳輸系統單指的是傳輸前端圖像信號。但是，由于某些系統中除圖像外，還要傳輸聲音信號，同時，由于需要由后端控制中心通過控制臺對前端設備如攝像機、鏡頭、云臺、防護罩等進行控制，因而在傳輸系統中還包含有控制信號的傳輸，所以，傳輸系統傳輸包括圖像、聲音、控制信號等信號。 傳輸系統主要傳輸的內容是圖像信號。因此重點研究圖像信號的傳輸方式及傳輸中有關問題是非常重要的。對圖像信號的傳輸，重點要求是在圖像信號經過傳輸系統后，不產生明顯的噪聲、失真（色度信號與亮度信號均不產生明顯的失真），保證原始圖像信號（從攝像機輸出的圖像信號）的清晰度和灰度等級沒有明顯下降等等。這就要求傳輸系統在衰減方面、引入噪聲方面、幅頻特性和相頻特性方面有良好的性能。 在傳輸方式上，目前電視監控系統多半采用視頻基帶傳輸方式。如果在攝像機距離控制中心較遠的情況下，也有采用射頻傳輸方式或光纖傳輸方式。對以上這些不同的傳輸方式，所使用的傳輸設備及傳輸線路都有較大的不同。 2.3后端設備控制設備控制設備是整個系統的“心臟”和“大腦”，是實現整個系統功能的指揮中心。控制設備主要由總控制臺（有些系統還設有副控制臺）組成。總控制臺中主要的功能有：視頻信號放大與分配、圖像信號的較正與補償、圖像信號的切換、圖像信號（或包括聲音信號）的記錄、攝像機及其輔助部件（如鏡頭、云臺、防護罩等）的控制（遙控）等等。在上述的各部分中，對圖像質量影響最大的是放大與與分配、校正與補償、圖像信號的切換三部分。在某些攝像機距離控制中心很近、或對整個系統指標要求不高的情況下，在總控制臺中往往不設校正與補償部分。但對某些距離較遠，或由于傳輸方式的要求等原因，校正與補償是非常重要的。因為圖像信號經過傳輸之后，往往其幅頻特性（由于不同頻率成分到達總控制臺時，衰減是不同的，因而造成圖像信號不同頻率成分的幅度不同，此稱為幅頻特性）、相頻特性（不同頻率的圖像信號通過傳輸部分后產生的相移不同，此稱為相頻特性）無法絕對保證指標的要求，所以在控制臺上要對傳輸過來的圖像信號進行幅頻和相頻的校正與補償。經過校正與補償的圖像信號，再經過分配和放大，進入視頻切換部分，然后送到監視器上。 總控制臺的另一個重要方面是能對攝像機、鏡頭、云臺、防護罩等進行遙控，以完成對被監視的場所全面、詳細的監視或跟蹤監視。 總控制臺，在控制功能上，控制攝像機的臺數上往往都做成積木式的。可以根據要求進行組合。另外，在總控制臺上還設有時間及地址的字符發生器，通過這個裝置可以把年、月、日、時、分、秒都顯示出來，并把被監視場所的地址、名稱顯示出來。在錄像機上可以記錄，這樣對以后的備查提供了方便。 電視監控系統對電動云臺、電動變焦鏡頭、防護罩和電源的控制功能，根據控制中心與受控中心間的距離及受控設備的數量，可以采取不同的控制方式： 顯示設備顯示設備一般由一臺或多臺監視器（或帶視頻輸入的普通電視機）組成。它的功能是將傳送過來的圖像一一顯示出來。在電視監視系統中，特別是在由多臺攝像機組成的電視監控系統中，一般都不是一臺監視器對應一臺攝像機進行顯示，而是幾臺攝像機的圖像信號用一臺監視器輪流切換顯示。這樣做一是可以節省設備，減少空間的占用；二是沒有必要一一對應顯示。因為被監視場所的情況不可能同時發生意外情況，所以平時只要隔一定的時間（比如幾秒、十幾秒或幾十秒）顯示一下即可。當某個被監視的場所發生情況時，可以通過切換器將這一路信號切換到某一臺監視器上一直顯示，并通過控制臺對其遙控跟蹤記錄。所以，在一般的系統中通常都采用四比一、八比一、甚至十六比一的攝像機對監視器的比例數設置監視器的數量。常用的攝像機對監視器的比例數為四比一，即四臺攝像機對應一臺監視輪流顯示，當攝像機的臺數很多時，再采用八比一或十六比一的設置方案。另外，在攝像機臺數很多的系統中，用畫面分割器把幾臺攝像機送來的圖像信號同時顯示在一臺監視器上，也就是在一臺較大屏幕的監視器上，把屏幕分成幾個面積相等的小畫面，每個畫面顯示一個攝像機送來的畫面。這樣可以大大節省監視器，并且操作人員觀看起來也比較方便。但是，這種方案不宜在一臺監視器上同時顯示太多的分割畫面，否則會使某些細節難以看清楚，影響監控的效果。四分割或九分割較為合適。 為了節省開支，對于非特殊要求的電視監控系統，監視器可采用有視頻輸入端子的普通電視機，而不必采用造價較高的專用監視器。監視器（或電視機）的屏幕尺寸宜采用14英寸至18英寸之間的，如果采用了“畫面分割器”，可選用較大屏幕的監視器。 放置監視器的位置應適合操作者觀看的距離、角度和高度。一般是在總控制臺的后方，設置專用的監視架子，把監視器擺放在架子上。 監視器的選擇，應滿足系統總的功能和總的技術指標的要求，特別是應滿足長時間連續工作的要求。 記錄設備后端通常采用錄像機作為記錄設備，隨時把發生情況的被監視場所的圖像記錄下來，以便事后備查或作為重要依據。 早期，大多采用一臺或多臺常規錄像機或長延時錄像機，用錄像帶對前端攝像機傳輸的被監視場所的圖像進行連續記錄。通常采用多畫面分割器，如四畫面、九畫面、十六畫面等，在一臺監視器上同時顯示出四個、九個、十六個攝像機送來的各個被監視場所的畫面，并用一臺常規錄像機或長延時錄像機進行記錄。 現在，基本采用硬盤錄像機進行記錄。 ·壓縮功能：能對輸入的模擬視音頻信號進行數字化采樣，然后對采樣數據進行壓縮； ·錄像功能：能把數字化后壓縮的視音頻信號記錄到硬盤上，并具備多種錄像觸發方式，如手動錄像、定時（計劃）錄像、報警錄像、移動偵測錄像等等； ·放像功能：能把記錄在硬盤上的視音頻信號在模擬監視器上或電腦顯示器上回放； ·備份功能：能把記錄在硬盤上的視音頻信號通過USB接口或1394接口備份到各種移動介質上； ·網絡功能：能數字化后壓縮的視音頻信號或記錄在硬盤上的視音頻信號通過網口輸出； ·云臺、鏡頭控制功能：能通過鍵盤、面板或網絡控制云臺、鏡頭； ·報警輸入輸出：能接受、處理和輸出報警信號，即具備報警聯動功能。 不同廠商設計、生產的硬盤錄像機并不一定具備上面所列的所有功能，也有可能具備上面所沒有列出的功能。 在硬盤錄像機中，錄像功能和很多其它功能相關聯，如放像功能、網絡功能、備份功能等等，因此采用什么樣的錄像技術，直接關系到整個硬盤錄像機的性能和硬盤故障率。錄像技術分兩個方面：一是采用什么樣的文件系統，這通常與采用的操作系統有關，不容易自主選擇；二是在已選定文件系統的條件下，應用系統如何發揮文件系統的優勢，同時避免其弱點對整個系統造成影響。 目前PC-based DVR一般基于Windows系統，文件系統一般采用NTFS或FAT32；而Embedded DVR所采用的文件系統則與廠商選擇的嵌入式操作系統有密切的關系。目前Embedded DVR中所采用的嵌入式操作系統有pSOS、Embedded Linux、vxWorks等等，而采用的文件系統則有較多種類，如MS-DOS兼容文件系統、UNIX兼容文件系統、Windows兼容文件系統，還有各種專有的文件系統等等。選定哪一種文件系統作為嵌入式硬盤錄像機中的文件系統，取決于很多因素，如公司的研發能力、財力、文件系統本身的特性等。應該說，選擇任何一種文件系統都不會妨礙嵌入式硬盤錄像機中錄像功能的實現。有的公司甚至自己組織開發文件系統來滿足需求，這樣做可能會花費較長的時間來穩定，從而使設備上市的時間延長；另外，這種做法不符合現代社會分工越來越細、越來越專業的潮流，很難做到像專業軟件廠商推出的文件系統那樣穩定可靠。 文件系統選定后，可供開發人員發揮的平臺就確定了。各個嵌入式硬盤錄像機廠商在選定平臺上應用系統中的錄像模塊設計的合理與否，直接決定了嵌入式硬盤錄像機推向市場后的表現。例如，有的廠商用刪除老文件的方式來達到循環錄像的目的。為了使文件刪除的時間盡可能短，就采用了每分鐘生成一個碼流文件的方式錄像；還有的廠商則采用每小時生成一個文件的方式來錄像。這些方式的共同弱點是不能保證嵌入式硬盤錄像機的長時間穩定運行。因為壓縮芯片輸出的碼流位率變化是比較大的，這就導致每分鐘、每小時產生的文件的大小都不一樣，而且可能相差很大，長時間運行后就會導致硬盤上充滿碎片，從而使系統運行效率急劇下降。這就是目前市場上有些品牌的嵌入式硬盤錄像機初期安裝時表現良好，但是過一段時間后就容易發生丟資料、壞硬盤的現象的原因。為解決這一問題，有公司如海康威視提出了磁盤預分配技術，保證在硬盤循環記錄過程中，永不出現碎片。 文件系統對磁盤的管理，有一套鏈表構成的文件檢索機制，包括FAT表和目錄區，如果關機的時候，正在寫修改的FAT表或目錄區，這個FAT表扇區或目錄扇區被破壞，就會導致一組磁盤文件丟失。在硬盤錄像機的使用過程中，幾乎在不停地寫硬盤，如果非正常關機，出現FAT表扇區或目錄扇區被破壞的概率非常高，這也是為什么非正常關機次數多了，無論PC式硬盤錄像機還是嵌入式硬盤錄像機，經常找不到記錄文件的原因。為解決這個問題，先進的DVR廠商提出了FAT表和目錄區凍結技術，保證在非正常關機過程中，不會導致FAT表和目錄區被破壞。 硬盤錄像機中，一般會有多個硬盤，在錄像時，多路圖像同時盡量記錄在一個硬盤上，一方面延長硬盤壽命，同時也降低硬盤錄像機的功耗。 3.分類3.1中小型電視監控系統通常的電視監控系統規模都不大，功能也相對簡單，但其適用的范圍非常廣。所監視的對象也不僅僅限于想到的人、商品、貨物或車輛，有些還涉及到對諸如天然氣罐、高爐的監視，有些則需要對工廠的煙囪及排污管道進行監視。電視監控系統可以自成體系，也可以與防盜報警系統或出入口控制系統組合，構成綜合保安監控系統。 3.1.1 簡單的定點監控系統最簡單的定點監控系統就是在監視現場安置定點攝像機（攝像機配接定焦鏡頭），通過同軸電纜將視頻信號傳輸到監控室內的監視器。例如，在小型工廠的大門口安置一臺攝像機，并通過同軸電纜將視頻信號傳送到廠辦公室內的監視器（或電視機）上，管理人員就可以看到哪些人上班遲到或早退，離廠時是否攜帶了廠內的物品。若是再配置一臺錄像機，還可以把監視的畫面記錄下來，供日后檢索查證。 這種簡單的定點監控系統適用于多種應用場合。當攝像機的數量較多時，可通過多路切換器、畫面分割器或系統主機進行監視。如： 3.1.2 簡單的全方位監控系統全方位監控系統是將前述定點監控系統中的定焦鏡頭換成電動變焦鏡頭，并增加可上下左右運動的全方位云臺（云臺內部有兩個電動機），使每個監視點的攝像機可以進行上下左右的掃視，其所配鏡頭的焦距也可在一定范圍內變化（監視場景可拉遠或推進）。很顯然，云臺及電動鏡頭的動作需要由控制器或與系統主機配合的解碼器來控制。 最簡單的全方位監控系統與最簡單的定點監控系統相比，在前端增加了一個全方位云臺及電動變焦鏡頭，在控制室增加了一臺控制器，另外從前端到控制室還需多布設一條多芯（10芯或12芯）控制電纜。如： 3.1.3 低成本全方位監控系統用分控鍵盤替代云臺鏡頭控制器，這樣系統的連接線就顯得比較簡單。當有報警時，自動地把報警的現場攝像機切換出來，并記錄。在成本方面，要低于使用系統主機/矩陣切換器的系統。 3.1.4 具有小型主機的監控系統多大的系統才需配用系統主機并沒有嚴格的限制。一般來說，當監控系統中的全方位攝像機數量達到3~4臺以上時，就可考慮使用小型系統主機。雖然用多臺單路控制器或一臺多路（如4路或6路）控制器也可以實現全方位攝像機的控制，但這樣所需的控制線纜數量較多（每一路至少要一根10芯電纜），而且線纜的長度將過長（長線電阻造成的電壓降可能會導致云臺及電動鏡頭動作遲緩甚至不動作），整個系統也會顯得零亂。 一般來說，使用系統主機會增加整個監控系統的造價，這是因為系統主機的造價要比普通切換器高，而與之配套的前端解碼器的價格也比普通單路控制器高。但從布線考慮，各解碼器與系統主機之間是采用總線方式連接的，因此系統中線纜的數量不多（只需要一根兩芯通信電纜）。另外，集成式的系統主機大都有報警探測器接口，可以方便地將防盜報警系統與電視監控系統整合于一體。當有探測器報警時，該主機還可自動地將主監視器畫面切換到發生警情的現場攝像機所拍攝的畫面。 3.1.5 具有聲音監聽的監控系統電視監控系統中還常常需要對現場聲音進行監聽（例如：銀行柜員制監控系統），因此從系統結構上看，整個電視監控系統由圖像和聲音兩個部分組成。由于增加了聲音信號的采集及傳輸，從某種意義上說，系統的規模相當于比純定點圖像監控系統增加了一倍，而且在傳輸過程中還應保證圖像與聲音信號的同步。 3.2大中型電視監控系統大中型電視監控系統的監視點數增多，除了包含有大量的全方位監視點外，還常常與防盜報警系統集成為一體。由于匯集在中心控制室的視音頻信號多，往往需要多種視音頻設備進行組合，很多系統還需要多個分控制中心（或分控點），因此系統相對龐大。 3.2.1 大中型電視監控系統釋義從原理上說，大中型電視監控系統與前述的中小型電視監控系統是一樣的。這里所謂的“大中型”可有兩層含義： 一是指系統的規模大，如前端攝像機的數量及中心控制端設備的數量都很多，中心控制室的場面也很龐大，往往還要有一面龐大的監視器墻，能同時顯示出大小不等的十幾個甚至幾十個實時監控現場的畫面，另外還在很多相關部門設有分控系統，有時還會與防盜報警系統或門禁刷卡系統聯動； 二是系統的復雜程度高，作業難度大，傳輸條件惡劣，使得十幾個點的監控系統比普通超市或寫字樓中的同十個甚至上百個點的監控系統的施工與調試還難。 3.2.2多主機多級電視監控系統常規的電視監控系統一般只有一臺主機，即使是大中型系統，也不外乎是增加攝像機的數量和增加分控系統的數量。但是對某些特殊應用的場合，這種單臺主機加若干臺分控器的實現方法是不能滿足用戶需要的。以某大型工廠的監控系統為例，用戶要求在其每一個相對獨立的廠區都安裝一套閉路電視監控系統，各廠區內有獨立的監控室，管理人員可以對本系統進行任意操作控制。而整個工廠還要建立一個大型監控系統，將各廠區的子系統組合在一起，并設立大型電視監控中心，在該中心可以任意調看一廠區中某一個攝像機的圖像，并對該攝像機的云臺及電動變焦鏡頭進行控制。這就提出了由各廠區的多臺主機共同組成大型電視監控系統的要求。 由于各主機的內部結構和工作原理是一樣的，因此，相對于普通的矩陣主機來說，這種多主機系統的各個主機都增加了地址標識碼，可以被上一級主機選調，各攝像機的圖像則經過二級或三級切換被選調到主中心控制室的監視器上。 4.架構電視監控系統經歷了本地模擬信號監控系統、基于PC插卡的數字監控系統、基于嵌入式技術的網絡數字監控系統等發展過程。 4.1本地模擬信號監控系統本地圖像監控系統主要由攝像機、視頻矩陣、監視器、錄像機等組成，利用模擬視頻線將來自攝像機的視頻連接到監視器上，利用視頻矩陣主機，采用鍵盤進行切換和控制，錄像采用使用磁帶的長時間錄像機；遠距離圖象傳輸采用模擬光纖，利用光端機進行視頻的傳輸。 傳統的模擬閉路電視監控系統有很多局限性：首先，有線模擬視頻信號的傳輸對距離十分敏感；其次，有線模擬視頻監控無法聯網，只能以點對點的方式監視現場，并且使得布線工程量極大；另外，有線模擬視頻信號數據的存儲會耗費大量的存儲介質（如錄像帶），查詢取證時十分煩瑣。 4.2基于PC插卡的數字監控系統基于PC機的遠程圖像監控系統由PC機插視頻卡構成，在監控現場，有若干個攝像機，各種檢測、報警探頭與數據設備，通過各自的傳輸線路，匯接到監控終端機上，該終端可以是一臺PC機，也可以是專用的工業機箱。 基于PC的視頻監控系統終端功能較強，便于現場操作。但穩定性不好，視頻前端(如CCD等視頻信號的采集、壓縮、通訊)較為復雜，可靠性不高，PC機也需專人管理，特別是在環境或空間不適宜的監控點，這種方式不理想。 4.3基于嵌入式技術的網絡數字監控系統基于嵌入技術的監控系統不需處理模擬視頻信號的PC，而是把攝像機輸出的模擬視頻信號通過嵌入式視頻編碼器直接轉換成IP數字信號。嵌入式視頻編碼器具備視頻編碼處理、網絡通信、自動控制等強大功能，直接支持網絡視頻傳輸和網絡管理，使得監控范圍達到前所未有的廣度。除了編碼器外，還有嵌入式解碼器、控制器、錄像服務器等獨立的硬件模塊，它們可單獨安裝，不同廠家設備可實現互連。 數字化視頻監控的優點是克服了模擬電視監控的局限性： 首先，數字化視頻可以在計算機網絡(局域網或廣域網)上傳輸圖像數據，基本上不受距離限制，信號不易受干擾，可大幅度提高圖像品質和穩定性； 其次，數字視頻可利用計算機網絡聯網，網絡帶寬可復用，無須重復布線；另外，數字化存儲成為可能，經過壓縮的視頻數據可存儲在磁盤陣列中或保存在光盤中，查詢十分簡便快捷。 基于嵌入式設備的監控系統的優點是：由于這種系統的硬件是一個同處理器和操作系統捆綁較為緊密、功能專一、專門設計的獨立的設備，不像插卡系統那樣受通用計算機系統中其它軟件硬件的影響，因此性能上更穩定，且便于安裝、維護，易于實現系統的模塊化設計，便于管理、維護。 基于嵌入式系統的監控應用結構中，前端采用模擬攝像機，通過網絡視頻編碼器，將模擬視頻經過數字化、壓縮、打包等過程變成基于網絡協議的視頻流或采用一體化的網絡攝像機，在視頻監控的前端完成網絡化、數字化，視頻流通過網絡進行傳輸，發送到視頻需求者。視頻的使用者可利用軟件進行解碼，在PC機上進行顯示和處理，也可通過硬件解碼，解出模擬視頻信號輸出到監視器，利用鍵盤進行控制，利用分布在網絡上的服務器或其他類型的網絡存儲設備根據需要進行錄像，利用網管系統代替視頻矩陣。由于沒有監控中心的概念，任何授權的用戶都可根據權限進行視頻監控、錄像。 |
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