视频监控基本知识

视频监控基本知识培训市场发展部2021/5/9内容二视频监控主要产品：摄像机视频监控主要产品：DVR、DVS三网络视频监控系统四新一代视频监控产品五数码监控技术的未来六一视频监控原理和技术2021/5/9第一章视频监控原理和技术第一节视频监控定义第二节视频监控系统组成第三节从模拟到数字第四节基本概念第五节编码和压缩原理及技术第六节视频监控中分辨率、码率的选择2021/5/91.1视频监控基本定义2021/5/9监控系统的基本功能2021/5/91.2视频监控系统基本组成前端各种类型的摄像机及其附属设备编码设备传输光端机路由器和交换机同轴电缆、光纤后端显示、记录、控制、管理设备采用独立的视频中心控制台或监控—报警中心控制台2021/5/91.3从模拟到数字2021/5/9第1代：模拟监控系统以视频矩阵为核心闭路电视，模拟价格贵，应用规模小管理，扩展功能弱存储容量小监控系统演进DVR第2代：以DVR核心采用单机硬盘存储增强了管理功能录像，回放，检索等功能规模受到限制视频矩阵第3代：以IP网为核心先进的视频压缩格式吸收互联网的各种新技术管理，运营，存储功能可规模部署2021/5/9模拟视频监控系统2021/5/9数字视频监控系统结构2021/5/9模拟和数字监控比较模拟监控组建跨区域监控系统成本高昂、实现难度大追加监控点难度较高图像存储成本高、长期保存图像质量下降严重不支持录像与检索双工操作数字监控可通过网络组建低成本跨区域监控系统一机多路，使用大容量硬盘可长期存储数字信号长期保存信号不失真采用智能检索，检索与录像可同时进行循环录像方式，节约人力2021/5/91.4基本概念图像（Image）视频（Video）时间上连续的图像组成视频：Image→Video视频中的某一幅图像称为一帧（Frame）帧率（FrameRate）FPS→每秒的帧数码流（BitStream）将图像压缩后形成的数据码率（BitRate）bps/Bps→对码流进行量化码率类型：定码率（CBR）、变码率（VBR）码流类型：视频流、音频流、复合流2021/5/9基本概念-图像2021/5/9扫描方式2021/5/9视频制式2021/5/9分辨率2021/5/9分辨率2021/5/91.5编码和压缩原理及技术2021/5/9为什么要压缩一幅CIF分辨率的图像，进行A/D转换后未经压缩的数据量是(RGB)：一帧：352×288×3字节＝304128字节（不包括文件头大小）一秒：304128字节×25帧/秒＝7603200字节/秒＝7.25MB/秒一小时：7.25M/秒×3600秒/小时＝25.5GB/小时一天：25.5GB/小时×24小时＝612GB/天……2021/5/9压缩的基本原理安防监控中的视频数据有极强的相关性，有大量的冗余信息压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉2021/5/9压缩标准2021/5/9监控中压缩标准的选择监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术对于最终用户而言，最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素2021/5/9MPEG-4MPEG-4的制定初衷主要针对视频会议、可视电话超低比特率压缩的需求。应用范围包括实时视听通信、多媒体通信、远地监测/监视、VOD、家庭购物/娱乐等

MPEG-4与前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它为多媒体数据压缩编码提供更为广阔的平台，它定义的是一种格式、一种框架，而不是具体算法，它希望建立一种更自由的通信与开发环境MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF、4CIF情况下，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。

MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现。对于中国企业来说还要面临高昂的专利费，目前规定：每台解码设备需要交给MPEG-LA0.25美元每台设备还需要按时间交费(4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年）2021/5/9H.264在ISO/IEC中的正式名称为：MPEG-4AVC标准；在ITU-T中的名称:H.264H264集中了以往标准的优点，并吸收了以往标准制定中积累的经验,采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广

H.264创造性多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术，使用了更精细的分象素运动矢量（1/4、1/8)和新的环路滤波器，使压缩性能大大提高H.264主要有以下几大优点：高效压缩：与H.263+和MPEG4SP相比，最高减小50%比特率延时约束方面有很好的柔韧性容错能力编/解码的复杂性可伸缩性解码全部细节：没有不匹配（MPG-4采用浮点运算，进行整形变换时高质量应用网络友善2021/5/91.6分辨率、码率的选择目前监控行业中主要使用以下分辨率：QCIF、CIF、DCIF、4CIFQCIF主要用于窄带环境，如手机监控；CIF是监控行业的主流分辨率，它的优点是存储量较低、图像质量较好，能在普通宽带网络中传输，价格也相对低廉。缺点是图像质量不能满足高清晰的要求。4CIF是标清分辨率，它的优点是图像清晰。缺点是存储量高，带宽要求很高，价格也较高DCIF图像清晰度介于CIF与4CIF之间，是兼顾清晰度和存储成本的过渡选择下一代高清数码监控的分辨率选择：720p、960p下一代超高清数码监控的分辨率选择：UXGA、1080p2021/5/9码率的选择不同分辨率对应不同的码率范围，通常而言，码率与图像质量成正比关系如果码率小于该范围，则图像质量较差如果码率大于该范围，则显得浪费2021/5/9通过码率计算录像文件大小2021/5/9第二章视频监控的主要产品：摄像机第一节摄像机基本概念第二节图像传感器第三节摄像机的分类第四节摄像机的关键指标第五节镜头知识2021/5/92.1摄像机基本概念组成：主要由镜头、影像传感器（CCD/CMOS）、ISP(ImageSignalProcessor)及相关电路组成工作原理：被摄物体经镜头成像在影像传感器表面，形成微弱电荷并积累，在相关电路控制下，积累电荷逐点移出，经过滤波、放大后输入DSP进行处理，最后形成视频信号（CVBS）输出2021/5/9CCD（ChargedCoupledDevice）电荷耦合器件优点：灵敏度，信噪比，成像质量缺点：成本、动态范围、功耗、制造加工代表厂家：SONY、Sharp、Panasonic、富士、Philips、KodaCMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互补金属氧化物半导体优点：成本、动态范围、功耗缺点：灵敏度、信噪比、成像质量代表厂家：Aptina(Micron)、OmniVision、PixelCam2.2图像传感器分类2021/5/9CCD的诞生2021/5/9第一台数码相机2021/5/92.3摄像机的分类按图像色彩分：彩色（Color）（彩色自动转黑白）、黑白（B/W）；按传感器分：CCD、CMOS按分辨率分：超高解、高解、低解按灵敏度（最低照度）分：普通型、月光型、星光型、红外照明型按传感器大小分：1"、2/3"、1/2"、1/3"、1/4"；按供电电源分：直流12V、交流24V、交流220V；按同步方式分：内同步、外同步按镜头接口分：C卡口、CS卡口、M12。按摄像机结构分：枪机、半球、迷你、针孔、飞碟、防暴、一体型按输出信号类型分：模拟摄像机、网络摄像机、数字摄像机（ITU656）按特殊功能分：宽动态摄像机、强光抑制……2021/5/92.4摄像机的关键性能指标传感器类型分辨力（解析度）最低照度信噪比（S/N）自动增益控制（AGC）白平衡（WB）同步方式电子快门（ES）其它2021/5/9摄像机的关键性能指标——传感器传感器类型：CCD、CMOS传感器（靶面）尺寸：1/2”，6.4×4.8mm，对角线8mm；1/3”，4.8×3.6mm，对角线6mm；1/4”，3.2×2.4mm，对角线4mm。有效像素例如：1/3”SONYSuperHADCCD有效像素规格有：500（水平）×582（垂直），PAL制式752（水平）×582（垂直），PAL制式2021/5/9摄像机的关键性能指标——分辨力标示摄像机清晰度的参数，通常用水平电视线（TVL）来表示现阶段常见的分辨力参数有420TVL或以下，低解480~530TVL，高解540TVL以上，超高解2021/5/9摄像机的关键性能指标——最低照度标示摄像机能够正常输出图像的最低照度值，有时被称为“灵敏度”，单位：Lux摄像机的最低照度参数通常由三部分组成，例如：以摄像机正常工作照度范围划分：普通型：1~3Lux月光型：0.1Lux左右星光型：0.01Lux以下红外型：0Lux，采用红外照明2021/5/9摄像机的关键性能指标——信噪比标示摄像机输出信号中的信号与噪声之比，用S/N表示，单位为dB计算公式：信噪比性能直接决定了摄像机在低照度条件下的输出图像质量（噪点）2021/5/9摄像机的关键性能指标——自动增益AGC（AutoGainControl）将来自CCD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，并自动根据信号电平调整增益幅度优点是提升了摄像机的动态范围，缺点是将噪声一同放大2021/5/9摄像机的关键性能指标——其它关键指标白平衡同步方式电子快门背光补偿（BLC）宽动态（WD）日夜转换（D/N）强光抑制2021/5/92.5镜头的种类2021/5/9镜头分类2021/5/9镜头的关键指标像面尺寸F值（光圈值）焦距接口类型CSC2021/5/9第三章视频监控主要产品：DVR、DVS第一节PC式硬盘录像机（PC-DVR）第二节嵌入式硬盘录像机（DVR）第三节DVR的关键技术第四节嵌入式视频服务器（DVS）2021/5/93.1PC式网络硬盘录像机系统构成兼容/工控PC机+视频采集或压缩卡+普通/较可靠的操作平台+应用软件2021/5/9PC式硬盘录像机特点PC平台在数字视频技术发展的早期阶段成为首选的载体PC-DVR的核心要素是视音频压缩（采集）板卡，它决定了整套系统的技术体系架构及性能PC式DVR具有兼容性好，软件开发周期短，易扩展、易操作，一机多用等特点PC式DVR中影响整套系统稳定性的环节较多，例如主板、显卡、压缩卡、操作系统、应用软件等等2021/5/9视频卡分类2021/5/93.2DVRDVR：DigitalVideoRecoder数字视频网络硬盘录像机功能：模数转换、编码存储、检索及回放（VOD）连接CVBS系统及IP系统提供控制界面2021/5/9PC-DVR与嵌入式DVR的比较PC式DVR（PC-DVR）在处理性能和功能方面有优势，适于小规模应用嵌入式DVR（E-DVR）优势主要在可靠性方面，性能随着IC技术的进步而不断提升；适于各种规模的应用2021/5/93.3DVR的关键技术视频编码技术硬盘记录技术网络传输技术应用技术2021/5/9关键技术之一：视频编码技术2021/5/9关键技术之一：视频编码技术（续）任何视频编码的效率都是与视频源有关的，针对不同的视频源，视频编码效率是不一样的现有的视频编码算法，不是很适合数码监控中的视频编码，需要对现有的视频编码算法进行重新组合和/或改进解码图像质量与视频输入源的图像质量（信噪比等）以及视频编码算法有极大的相关性为提高视频输入源的图像质量，解决方案是：选择高质量的前端图像输入设备增加DVR视频图像的自适应处理功能2021/5/9关键技术之二：硬盘记录技术硬盘录像机这样快速普及，主要原因是管理和使用方便，如无需人工对硬盘进行管理（不存在象磁带那样堆放的负担）、可快速检索、提供人性化的回放操作等目前硬盘是为计算机设计的，用于硬盘录像还存在一些问题：记录数据的关联性、错误恢复能力、硬盘的使用寿命等，DVR专用硬盘的问世一定程度上改善了这一状况，但还有很大的提升空间在硬盘管理上还需要做很多工作，目前已使用的硬盘休眠技术、磁盘预分配技术、冻结保护技术、低寻道技术、硬盘故障预警和报警等，还需要做更多的工作2021/5/9DVR的存储管理技术磁盘管理技术硬盘休眠技术SMART技术文件管理技术磁盘空间预分配双分区表低寻道技术分区表冻结保护索引帧重叠技术2021/5/9关键技术之二：硬盘记录技术（续）2021/5/9关键技术之三：网络传输技术有效传输：目前的IPv4技术，是为数据业务设计的，用于流媒体的传输，在有效和实时上有些勉强，需要RTP/RTCP协议，给予适当的补救协议支持：各领域的监控业务要求不同，需采用不同的传输协议，如TCP、UDP、点播、多播、SIP等等网管功能：对于网络监控，端设备的在线保活及业务功能实施状态的信息传递已成为必须具备的功能网络电视技术可应用于网络监控中，但不能照搬。因为网络电视的需求特点鲜明，容易出标准，而网络监控的需求复杂，规模大小不一，所以宜选择符合监控业务要求的相关技术，如实时控制切换技术、QoS、各安防子系统的集成技术，具有安防特点的视频内容管理与分发技术等等2021/5/9关键技术之三：网络传输技术（续）端到端时延主要包括IP链路上的传输时延、DVR编码时间、终端解码时间以及接入时间等，在网络传输时，由于缓冲区的调度也会产生延时，后者甚至比前者还严重，需要仔细的调度时延指标应包括传输时延、时延抖动、丢包率等参数公安部669标准规定的网络性能指标要求如下：2021/5/9关键技术之四：应用技术个性化应用技术平台技术智能监控技术2021/5/9个性化应用技术移动侦测字符叠加报警联动同步回放电子放大……2021/5/9DVR主要解决的问题模数转换、编码存储、检索及回放（VOD）连接CVBS系统及IP系统提供控制介面2021/5/93.4DVS主要解决的问题前端模数转换、编码连接CVBS系统及IP系统尽可能缩短CVBS传输距离提供缓存2021/5/9第四章网络视频监控系统第一节网络监控技术第二节几种典型的网络视频监控系统第三节网络视频监控发展趋势2021/5/94.1网络监控技术技术：视频编解码技术、系统集成技术、TCP/IP技术、软件开发技术、流媒体技术组成：网络、服务器、电视墙功能：图像与声音调度、设备运行状态监测、用户管理、视频流管理与传输等等传输：视频线、双绞线、光缆（传输的是视频数字信号）2021/5/94.2典型的网络化视频监控2021/5/9模拟接入方式的模数混合型系统2021/5/9全数字视频监控系统架构2021/5/94.3网络视频监控系统的发展2021/5/9第五章新一代视频监控产品第一节IP摄像机第二节网络视频录像机（NVR）第三节混合型网络视频录像机（HDVR）第四节磁盘存储阵列2021/5/95.1IP摄像机的发展趋势2021/5/9IP摄像机的关键技术视频处理技术视频编码技术网络传输技术2021/5/9IP摄像机的优势支持百万像素以上的高清开放式的IP系统，降低总体拥有成本（TCO）安装成本低，设备管理可达通道级兼顾未来对智能应用的需要2021/5/95.2网络视频录像机（NVR）NVR是NetVideoRecorder的缩写,其主要功能是对网络音视频数据进行集中存储和检索NVR也分为PC-NVR和嵌入式NVR两种主要工作原理：2021/5/95.3混合型网络硬盘录像机（H-DVR）H-DVR（HybridDVR）混合型DVR或复合DVR；可同时接入模拟摄像机和网络摄像机H-DVR=DVR+NVR2021/5/9混合型DVR的典型应用2021/5/9NVR与H-DVR对比2021/5/9H-DVR解决的问题兼顾CVBS系统及IP系统模数转换、编码及存储IP前端接入及存储支持高清用嵌入式系统来接入IP延续DVR的使用模式2021/5/95.4磁盘存储阵列2021/5/9附：存储产品的典型应用方案NAS：编码器直存方式适用于小规模存储扩展IP-SAN：平台集中存储方式适用于较大规模的集中存储管理2021/5/9网络扩展存储（编码器直存方式）2021/5/9集中存储（IPSAN）2021/5/9第六章数码监控技术的未来第一节趋势及预测第二节新技术发展概况2021/5/96.1现有监控系统的不足清晰度不足对用户的业务助益有限海量录像数据利用效率低下主要用于事后，难以实现预警2021/5/9“让我们看得更清楚”美国权威IT市场调研公司MultiMediaIntelligence的总裁马克·柯尔斯坦提到了推动视频监控设备市场发展的四大技术因素:“百万像素摄像机、高性能编解码器、强大的分析技术、以及便于从闭路电视（CCTV）迁移到IP/联网视频监控的所有底层技术。”D1硬盘录像机在许多重要的监控场合正在迅速取代CIF格式的硬盘录像机产品金融、教育、平安城市等重点项目对视频监控产品的清晰度也提出了更高的要求2021/5/9当前安防世界的形势趋势终端智能高清视像以视频为基础的应用程序和服务无线视频10G网络IP在大型项目开放式架构百万像素的趋势数字+网络+集成2021/5/9网络化必然趋势在2008年各大安防公司均已重点推出了IP化监控产品，表明网络监控已经成为行业热点视频的IP化技术进步及设备性价比的提升带来了网络视频的普及化应用。网络化监控的发展改变了目前的行业监控的应用模式。1234网络传输环境逐渐改善，网络视频监控的规模应用进入实施阶段。2021/5/96.1新