安防监控系统 本文主要针对从事安防工作的人员 包括技术人员 营销人员和与安防有关的人员 对监控系统做一个整体的了解和剖析 前言 我国安全技术防范行业 简称安防行业 的发展历程 将其分为三个阶段 1979 1983年为起步阶段 1984 1996年为发展阶段 1997年后为提高阶段 即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段 第一章监控系统的发展 二 传统模拟监控系统 定义 闭路电视监控系统是基于民用闭路电视为标准 产品的一门技术 传输的信号是模拟视频信号 特点 早期的监控主要以摄像机与监视器 电视 一对一监视系统为主 保安人员进行实时监看 弊病 造价高 施工复杂 资源浪费及安装场所需空间大等 分配器作用 将一路视频信号分为多路 一般常见的有1分2 1分4 1分8等 如一路图像需要同时在办公室和门卫室显示 这样就需要将信号分成两路到两个不同地理位置的地方显示 1 视频分配器 作用 将多个摄像机在一台监视器 电视 上显示 也可设定一个时间 让多个摄像机图像在一台监视器 电视 上轮流显示 优点 降低成本 监视器 电视 价格较高 节约空间 点对点显示 需要相当大的房间摆设大数量的显示设备 2 视频切换器 3 视频分割器 作用 将多个视频信号以4 9 16的分格形式显示在一起 也可以单独显示某一路视频信号 而不需要轮流显示多个画面 4 视频模拟矩阵 作用 整合了视频分配器和视频切换器的功能 通过内部调度在有限的显示设备上 对前端监控点图像进行有序的调度 实现在一个监控环境内更好的显示出该区域内的所有监控点图像 功能举例 前端64路摄像机输入 后端4个监视器输出 实现 后端监视器上可以任意选择前端图像显示 前端任意一路图像可同时显示在后端4台监视器上 前端64路图像可同时在4台监视器上实现轮巡 可以将前端64路图像任意分4组 每组图像在一台监视器上进行轮巡 5 总结 传统模拟监控系统存在一下不足 传输部分 传统的视频信号线传输距离受限 使得监控系统的铺设范围受限 在分布较广的区域 需要建立多个监控点 无法统一调度 管理 录象存储 传统的监控系统是采用磁带录像机进行录像 存储系统相当庞大 只有在安防要求相当高的地方才能消费如此高的产品 三 数字化监控系统 数字化监控系统是在计算机 计算机网络技术的飞速发展下孕育而生的 将视频信号转化为数字信号进行传输 储存 在降低了成本的同时 使得监控系统能适应更多更大的使用环境 1 硬盘录像机 视频服务器 作用 将前端的各个视频信号转化为数字信号 在录像机内进行存储 可灵活的将这些画面显示在录像机的显示设备上 另外 录像机具备了网络特性 用户可以通过网络对分布在广大区域的录像机进行访问 随时随地监看到前端录像机的画面 整体结构图 2 IP摄像机 优点 IP摄像机区别于传统的摄像机 主要是视频输出信号的不同 他不需要借鉴转换设备 IP摄像机转换信号格式是在摄像机内的IP模块里进行的 IP模块也相当于一个物理网卡 在设定IP地址后 可以通过网络来访问 第二章摄像机基础及目前主流产品 一 摄像机结构及原理 1 摄像机的基本结构 注 图中的每个部分就是一个零器件 组合起来就是一个整体 一个可用的 机器 也就是一个 方案 各零器件功能定义 CCD ChargeCoupledDevices 电荷耦合器件 CCD就相当与人的眼睛 通过其肝光点把光影像转成电子信号 V Driver 能产生不同的脉波 将CCD感光点上的电子信号转换出来 即通常说的CCD的驱动 CDS AGC CCD出来的讯号 在这颗晶片内做处理后 送进DSP 数字信号处理器 DSP DigitalSignalProcessor 也就是数字信号处理器 主要针对算法运算而产生的一种MCU 在摄像机中是进行颜色 亮度 白平衡等运算 运算后又把信号转换成模拟信号输出 也就是视频输出 2 主流方案 方案主要是针对DSP来说的 把DSP和CCD搭配起来就是我们所说的方案 目前摄像机市场上应用比较多占主流地位的是SONY和SHARP生产的DSP SONY主要有以下几种方案 1 SS 1 CXD2163BR SS 1可接高解CCD ICX408AK 超低照度ICX258AK NTSC 和ICX409AK 超低照度ICX259AK PAL 还可以接低解CCD ICX404AK NTSC 和ICX405AK PAL 2 SS 11 CXD3141或CXD3142 这款DSP只能接低解的CCD 3142比3141多了镜像功能 3 SS HQ1 CXD3172AR 是520线机子用的DSP 能接高低解的CCD 4 SS 11X CXD4103R 是SONY目前最新的DSP 解决了SS HQ1的发热问题 可接高低解的CCD 5 SHARP38603A 接SHARP低解CCD 3 CCD介绍 CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件 由于CCD器件具有诸多优点 灵敏度高 光谱响应宽 动态范围大 空间自扫描 抗震动 抗磁场 体积小 无残影等 CCD能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移 也可将储存之电荷取出使电压发生变化 因此是理想的摄像元件 是代替摄像管传感器的新型器件 1 CCD尺寸 CCD尺寸指CCD上的感光面积的大小 目前采用的芯片大多数为1 3 和1 4 在对摄像角度有比较严格要求的时候 CCD靶面的大小 CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度 在相同的光学镜头下 成像尺寸越大 视场角越大 1英寸 尺寸为宽12 7mm 高9 6mm 对角线16mm 2 3英寸 尺寸为宽8 8mm 高6 6mm 对角线11mm 1 2英寸 尺寸为宽6 4mm 高4 8mm 对角线8mm 1 3英寸 尺寸为宽4 8mm 高3 6mm 对角线6mm 1 4英寸 尺寸为宽3 2mm 高2 4mm 对角线4mm 2 CCD的辨别 简单好用的方法从外表上辨别SONY和SHARP的CCD的方法 CCD的表面上下两排金属的接点 缺门牙是SONY的特征 其中少两个门牙的是1 3SONY 少一个门牙的是1 4SONY 没缺门牙的是SHARP的CCD 松下的也没有缺门牙 只是金属线条比SHARP粗 SONYCCD SHARPCCD 3 SONYEXVIEWHADCCD 索尼在1998年新开发的 EXVIEWHADCCD 技术 主要是用来处理夜间光线不足的情况 他可以将传统CCD未能有效利用的近红外线光 有效转换成为映像资料而用 使得可视光范围扩充到红外线 让感亮度能大幅提高 利用 EXVIEWHADCCD 组件时 在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片 而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时 会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分 也可被收集到传感器内 所以影响画质的杂讯也会大幅降低 镜头是摄像机的第一道关口 他的作用是光信号 可见光与非可见光 成像在摄像机的CCD上 4 镜头 1 镜头主要的参数 焦距 从焦点到透镜中心的距离 即焦距长度 焦距长短与成像大小成正比 与视角大小成反比 焦距长短与景深成反比 与透视感的强弱成反比 光圈 用来调整摄像机的进光量 F表示镜头的孔径 较小的F值表示较大的光圈 景深 当某一物体聚焦清晰时 从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的 焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深 视频驱动 将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈 这种视频输入型镜头内包含有放大器电路 用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制 直流驱动 利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈 这种镜头内只包含电流计式光圈马达 摄像机内没有放大器电路 有效距离 不同尺寸的镜头 最佳的成像距离 一般为镜头尺寸的1 5 2 0倍 2 固定镜头 固定镜头指焦距是固定不可调节的镜头 根据光圈的不同可分为手动固定光圈镜头 直流驱动固定光圈镜头和视频驱动固定光圈镜头 主要尺寸如下 可变镜头一般分为二可变镜头和三可变镜头 主要是以可变项目来定义的 在这里引入一个行业里常用的术语 该镜头是多少倍的 这个倍数指的是该可变镜头最大尺寸和最小尺寸的商 如8 5 51mm的镜头 大概就是6倍 3 可变镜头 5 滤光片 定义 是安装在CCD前的一个滤镜 滤除光线中的无用光 保证接收的图像不会受到影响 分类 滤光片的材质根据优劣分为水晶和玻璃两种 水晶内部结构紧密 均匀 较好的避免光传播过程中的折射 反射现象 因此被做为高档产品使用 二 摄像机发展 摄像机在整个发展过程中 根据实际使用的需求 技术在不断的进步 总体说来应该分为以下几个方面的提高 从黑白摄像机到彩色摄像机 彩色摄像机的清晰度从420 480至540线不断的提高 彩转黑摄像机的产生 宽动态摄像机的出现 超低照度摄像机的诞生 红外一体化摄像机 一体化摄像机 1 最低照度最低照度也称为灵敏度 是CCD对环境光线的敏感程度 或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线 照度的单位是勒克斯 LUX 数值越小 表示需要的光线越少 摄像头也越灵敏 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 1 摄像机重要参数 2 白平衡物体颜色会因投射光线颜色产生改变 在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温 例如以钨丝灯 电灯泡 照明的环境拍出的照片可能偏黄 一般来说 CCD没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变 所以通过白平衡的修正 它会按目前画像中图像特质 立即调整整个图像红绿蓝三色的强度 以修正外部光线所造成的误差 有些摄像机除了设计自动白平衡或特定色温白平衡功能外 也提供手动白平衡调整 3 背光补偿BlackLightCompensation不可见光补偿 逆光补偿通常 摄像机的AGC工作点是通过对整个视场的内容做平均来确定的 但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标 则此时确定的AGC工作点有可能对于前景目标是不够合适的 背景光补偿有可能改善前景目标显示状况 当背景光补偿为开启时 摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其AGC工作点 此时如果前景目标位于该子区域内时 则前景目标的可视性有望改善 4 自动增益 AGC AutomaticGainControl自动增益控制自动增益控制摄像机输出的视频信号必须达到电视传输规定的标准电平0 7V 即 为了能在不同的景物照度条件下都能输出的标准视频信号 必须使放大器的增益能够在较大的范围内进行调节 这种增益调节通常都是通过检测视频信号的平均电平而自动完成的 实现此功能的电路称为自动增益控制电路 简称AGC电路 具有AGC功能的摄像机 在低照度时的灵敏度会有所提高 但此时的噪点也会比较明显 这是由于信号和噪声被同时放大的缘故 5 信噪比 S NRatio Signal to NoiseRatio信号杂讯比 信噪比是信号电压对于噪声电压的比值 通常用符号S N来表示 由于在一般情况下 信号电压远高于噪声电压 比值非常大 信噪比的单位用DB来表示 一般摄像机给出的信噪比值均是在AGC 自动增益控制 关闭时的值 因为当AGC接通时 会对小信号进行提升 使得噪声电平也相应提高 信噪比的典型值为45 55db 若为50db 则图像有少量噪声 但图像质量良好 若为60db 则图像质量优良 不出现噪声 2 宽动态摄像机 所谓宽动态 就是把问题集中在解决逆光环境下所产生的问题 现在我们通过一个实例说明这个问题 高速快门 低速快门 背光补偿 宽动态 注 目前所谓宽动态机 基本上只有三种 松下SDIII 索尼SS 2方案及PIXIMC MOS方案 1 红外一体机的形成及原理 3 红外一体化摄像机 在大多数监控场合 都要求24小时的实时监控 然而在夜间环境下 不可能每个地方都有充足的灯光来提供摄像机所需要的光源 如何在夜间看到物体 监控行业里出现了两种不同的解决方式 A SONY公司从