视频监控系统基础知识

1、目 录 1 2 2 2 3 3 4 4 4 5 55 6 6 6 7 8 8 910 10 111315I 15 17 17II前言视频是各行业重点部门或重要场所进行的物理基 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

2、 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

3、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。- 0 -第一章视频监控概述第一节 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)。一、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、

4、录像机等，利用视频传输线 将来自摄像机的视频连接到监- 1 -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 .二、数字视频监控系统1、DVR20 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

5、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 -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

6、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 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。 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。 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。三、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

7、浏览器可支持直接 访问摄 像机。这些摄- 3 -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记录控制前端设备传输设备终端设备显示第二节 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、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

8、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；- 4 -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

9、,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；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。- 5 -三、控制与记录部

10、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。四、显示部分显示部分一般由几台或多台组成，目前正逐步取代 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- 6 -系(CCTV

11、) ，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。第二章视频监控系统的主要设备第一节 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- 7 -摄像机可以根据不同的划分方式

12、，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- 8 -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

13、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 （Automatic Gain Control ）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（Charge coupled Device）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 A

14、GC ，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。- 9 -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

15、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-10-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

16、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-11-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

17、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

18、。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-12-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。防护罩云台支架图 2.2 带防护罩、云台和支

19、架的摄像机第四节 视频信号传输一、视频信号压缩标准-13-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、MPEGMPEG（Moving Pictures Experts Group）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

20、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。52、H.264H.264 是在 MPEG-4 技术的基础之上建立起来的， H.264 的压缩-14-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

21、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： 在带宽较低的情况下提供高 质量。H.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。6二、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。61、同

22、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-15-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： 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

23、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。 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。 传输距离远，传输效果好。 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：-16- 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。 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。 对于干扰特强的地方，如电厂、变电站等地方，建议选用

24、屏蔽网 线，或在普通网线外套金属管。73、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： 传输距离 长，现在单模光纤每公里衰减可做到0.2dB0.4dB 以下，是同轴电缆每公里损耗的 1% 。 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。 传输质 量高，由于光 纤传输 不像同 轴电缆 那样需要相当-17-多的中

25、 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。 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

26、 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-18-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

27、 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 2.3 CRT 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-19-内企业生产的专业液晶监视器主要有以下分 类及特点： 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。 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。 液晶监视器增

28、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。 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）、-20-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

29、优缺点：LCD 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。 DLP 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。PDP 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 ，

30、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。9-21-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Digital Video Recorder（硬盘录像机），即如图 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、图像储存、检索、备份、以及网络传递 、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

31、品。目前市面上主流的DVR 采用的 压缩技术有、H.264、，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、2 路、4 路、6 路、9 路、路、16 路、32 路等；总的来说，按系统结构可以分 为两大类：基于PC架构的 PC式 DVR 和脱离 PC架构的嵌入式 DVR 。在这里讲讲 PC-22-式 DVR 和嵌入式 DVR 。1、PC 式硬盘录像机（DVR ）这种架构的DVR 以传统 的 PC 机为基本硬件，以 Win98、Win2000、WinXP 、Vista、Linux 为基本软件，配备图像采集或 图像采集压缩卡，编制软件成为一套完整的系 统。PC 机是一种通用的平台，PC 机的硬件更新 换代速度快，因而 PC 式 DVR 的产品性能提升较容易，同时软件修正、升级也比较方便。PC 式 DVR 各种功能的 实现都依靠各种板卡来完成，比如 视音频压缩卡、网卡、声卡、显卡等，这种插卡式的系 统在系统装配、维修、运输中很容易出 现不可靠的问题，不能用于工业控制领域，只适合于对可靠性要求不高的商用办公环境。2、嵌入式硬盘录像机（EM-DVR ）嵌入式系 统一般指非 PC 系统，