《安全管理资讯系统》PPT课件.ppt

p1 安全管理資訊系統保全錄影與閉路電視概述IntroductionofSecurityRecordingandClosedCircuitTelevision 授課老師 卓世明 p2 目標 介紹保全系統中的錄影設備參考書 EmilyHarwood DIGITALCCTV ASecurityProfessional sGuide Butterworth Heinemann ElsevierInc 2008ThomasNorman IntegratedSecuritySystemsDesign ConceptsSpecificationsandImplementation Butterworth Heinemann ElsevierInc Jan 2007 p3 CCTV的演進 1 傳統的影像監控應用起源甚早 從1913年英國對被監禁的婦女參政權論者進行秘密攝影開始 到1961年倫敦運輸火車站第一次公開安裝視頻監控系統 閉路電視 ClosedCircuitTelevision CCTV 的發展已經具有悠久的歷史 英國不但是CCTV應用的發源地 也是監控產業最發達的國家 英國人已經對於街道上 商舖中的攝影機不以為意 習以為常傳統的類比式 analog CCTV系統主要包括前端的攝影機 camera 鏡頭 lens 雲臺 cradlehead 以及進行訊號傳輸的同軸電纜 coax cable 負責進行畫面分割處理 Quad 切換控制的影像處理器 multiplexer 用於對於多台攝影機進行切換 控制動作的矩陣 Matrix 以及後端用於監看畫面的監視器 monitor 以及用於儲存影像的錄像機 VCRrecorder 等 p4 CCTV的演進 2 在90年代末期 一種新的錄像儲存產品推出了 那就是DVR DigitalVideoRecorder 它的出現原因在於隨著半導體科技的發展 處理器 CPU 效能越來越快速價格也降到可接受的程度壓縮技術的逐漸成熟 MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4等 加上硬碟容量的增加與價格的降低可彈性增加數位輸入 輸出監控埠 DI DO 結合事件錄影讓數位技術有機會進入影像監控應用DVR以數位化的方式壓縮攝影機拍攝到的畫面 並將資料儲存到DVR的硬碟中 方便使用者後續隨時查詢硬碟中儲存的畫面 用來取代使用多年的延時磁帶錄影機 time lapseVCR 省去了使用者頻繁更換錄影帶的麻煩 畫質也比較不會因為磁帶使用次數過多 而導致畫面品質降低 p5 CCTV的演進 3 隨著網際網路 Internet 的進步 上網常用的乙太網路線 Ethernet網路纜線 或無線網路 WiFi 因此取代行之多年的CCTV常用的同軸電纜 一般DVR內建網頁 可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監視 包括影像及感測器讀取與IO控制 透過網路 Internet 將訊號傳輸出去 影像因此可以超越空間與距離的限制 做到無論何時何地 只要可以上網便可察看到想看的畫面 此一演進徹底顛覆了傳統CCTV的 閉路 概念 走向全新的網路環境網路攝影機 networkcamera IPcamera 2000年以後 開始被推廣 在攝影機拍攝到畫面 將畫面加以數位化壓縮的同時 使用者可以使用任何一台可以上網的電腦 PDA或手機中的網路瀏覽器 Internetbrowser 來遠端存取此一攝影機的影像 p6 CCTV的演進 4 為了解決一些舊有類比監控系統的升級問題 在不需更換舊設備的前提下 一種介於攝影機與DVR之間的產品誕生了 那就是影像伺服器 VideoServer 它可以連接傳統攝影機的視頻訊號 將類比訊號轉為數位訊號 透過網路介面便可進行遠端存取工作 影像伺服器可以說是不帶硬碟的DVR 也可以說是讓傳統類比攝影機變為網路型攝影機的升級工具 由於其可以讓既有的傳統類比攝影機不用淘汰 更換 是既有設備升級的理想解決方案隨著網路技術的發展 針對在網路環境使用特性 DVR系統又進一步發展成為具有網路功能的NVR NetworkVideoRecording 系統 與DVR系統相比 NVR系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存 備份儲存 還實現了影像的數位化傳播 影音串流 即NVR系統可以直接接到IPInternet中 使儲存下來的視訊信息可以通過網路方便的進行瀏覽 網路化視訊監視系統從一開始就是針對在網路環境下使用而設計的 因此它克服了DVR無法透過網路獲取監視內容的缺點 用戶可以透過網路中的任何一部電腦來觀看 錄製和管理即時的視訊檔案 p7 CCTV的演進 5 CCTV相關大事1839發明照相機 靜態 底片 19世紀末 發展成攝影機 動態 底片 1920黑白電視 TV 問世 1960初期 黑白真空管 Tube TV攝影機問世 動態 電子訊號 1962美國RCA公司發表全世界第一台VCR Tape 電子訊號 1980s發展出半導體元件 Solid State CCD攝影機1990s影像產品開始數位化 安全監視產業蓬勃發展2001美國911事件 安全監視成為受重視之必要產業2006影像處理晶片DSP DigitalSignalProcessor IC帶動安全監視系統產業快速轉變與發展 p8 我們生活在類比影像的世界 1 電視 TV 的出現 讓影像產生了另類應用 如同人類視覺與聽覺系統 使用攝影機 camera 將生活周遭環境與活動之影像 video 及聲音 audio 轉換到TV 看得懂 的信號 此一信號便可顯示於TV上 閉路電視 CCTV 系統因此產生不同於TV的廣播系統 保全用途的攝影機 Camera 透過傳輸煤介 如同軸電纜 coax cable 將拍攝到的影音信號傳送到不同地點來顯示 display 或錄影 record p9 我們生活在類比影像的世界 2 TV 看得懂 的信號分為美日等國使用的NTSC NationalTelevisionStandardsCommittee 歐洲使用的PAL PhaseAlternatingLine 及法國等國使用的SECAM等三類 這三類皆為類比式 analog 信號 p10 NTSC電視信號 1 以NTSC系統為例 影像 video 顯示規則 以每秒30張的連續的 照片 image 顯影於顯示器 CathodeRayTube CRT 陰極射線管 造成人類視覺上的動態影像的效果 卡通影片原理 影像顯示以掃描方式成影顯示器上 每張影像 image 掃描分為525水平線 horizontallines 顯示器以交錯 Interlace 掃描方式 首先掃描顯示單數線 1 3 5 525 接著掃描顯示雙數線 2 4 6 524 每張影像掃描後 會有一垂直同步信號 verticalsynchronizingsignal 用來同步顯示器的顯示基準 p11 NTSC電視信號 2 Camera同樣以每秒30次 framerate 每次525水平線掃瞄來轉換拍攝到的影像以黑白影像為例 Camera鏡頭讓 看到 的光線進到它的感光器 Sensor 感光器將 感受 到的光能轉為電壓特性之信號 不同的電壓值代表不同灰度 graylevel p12 NTSC電視信號 3 如此Camera產生一黑白影像 Video 以不同電壓值來代表灰度等同與Camera 看到 的黑白明亮度 brightness有時稱luminance或luma Camera同時產生同步信號 synchronizingpulses 包括每條水平線之間的horizontalblanking及每張影像 image 間的verticalsync 以利顯示器能知道顯示位置以上的信號有時稱為合成影像信號 compositevideosignal 在彩色信號部份除了luminance Y 與同步信號外 還包括代表色調信號 hue 與飽和度 saturation 信號 YUV或YCbCr信號Compositevideo有時稱為CVBS信號 CompositeVideoBlankingandSync p13 NTSC電視信號 4 顯示器如電視機之映像管 picturetube 或陰極射線管 CathodeRayTube CRT 跟據合成影像信號 compositevideosignal 來成影 偏轉線圈deflectionyoke跟據信號電壓值產生電子束electronbeam來讓螢幕顯影 p14 常見傳統CCTV周邊零件與設備 攝影機 cameras 轉動雲台 cradlehead 鏡頭 lens 變焦鏡頭 varifocal CCD CMOS感光器紅外線攝影機 infraredcameras 夜視光放管 ImageIntensifier I2 ICCD 照明器 illuminator 探照燈 顯示器 monitor 切換器 switch 包括Switcher Multiplexer卡式錄放影機 VideoCassetteRecorder VCR p15 攝影機鏡頭 Lens CameraLens分成C Mount forlargerimagesensors 及CS Mount forcompactsensors 兩類影像感光器 sensor 可區分為2 3 2 3吋 1 2 1 3 以及1 4 等 尺寸越大 光圈Iris變大 搭配的鏡頭價格越昂貴 容易對焦 快門變快減少晃動機會 1 2吋使用的鏡頭可以適用於1 2 1 3 和1 4 的影像感測器上 但是不可以使用在2 3 的影像感測器 如果在尺寸較大的影像感測器上搭配較小感測器使用的鏡頭 影像就會出現黑色邊角 p16 攝影機感光器 Sensor 1 攝影機感光器分為電荷耦合元件 ChargedCoupledDevice CCD 與CMOS ComplementaryMetal OxideSilicon 兩種CCD感光器原則上分為三層 第一層是微型鏡頭 作用是接受外來光線 第二層是分色濾色片 以分解色彩的組成 以及將光源轉換成電子訊號 並送至處理影像晶片的第三層 感光匯流層 而基本上CCD上的感光元件越多 攝影機的解析度越高 照出來的品質也就越佳 所謂幾萬畫素 就是CCD的解析度 而這個解析度指的是相機的CCD上有多少感光元件CMOS感光器是一種紀錄光線變化半導體 利用矽與鍺這兩種元素 使得帶負電與帶正電的半導體達到互補效應產生電流 即可被處理晶片記錄與解讀成影像 CMOS的成本低 耗電需求少 不過相較於CCD而言 CMOS較容易產生雜點 這是在價格與品質之間的兩種選擇 p17 攝影機感光器 Sensor 2 CCD與CMOS感光元件之優缺點比較 p18 鏡頭常用術語 AGC AutomaticGainControl 自動增益控制S N Signal to Noiseratio 信號噪聲比OSD OnScreenDisplay 字幕顯示BLC BackLightCompensation 背景光補償EAS ElectronicAutomaticShutter 自動電子快門AWB AutomaticWhiteBalance 自動白平衡EL ElectronicLightControl 電子亮度控制ATW AutomaticTrackingWhitebalance 自動跟踪白平衡ALC AutomaticLightControl 自動亮度控制PTZ Pan Tile Zoom 水平 上下轉動 縮放功能 p19 顯示器 Monitor 不同的顯示器 Monitor LCD液晶顯示器TFT LCD薄膜液晶顯示器CRT陰極射線管Picturetube映像管 黑白CRT 彩色LCD 彩色CRT p20 CCTVSwitch QUAD CCTV常使用於大樓或社區監控 顯示器或錄影設備的數量一般少於攝影機的數量切換器 switch 可用於此一應用 可自動或手動選擇單一顯示或錄影的攝影對象四分割器 Quad 是將4個影音信號同時進行處理 將每個單一畫面壓縮成 畫面大小 在監視器上組合成4分割畫面顯示 顯示及錄影皆以4分割畫面處理 另有9及16割等不同組合 p21 CCTV多工器 Multiplexer 多工器 multiplexer 也是多畫面分割方式顯示 惟錄影可以保持每台攝影機的全時錄影 或以編碼方式儲存 例如4路錄影可以每秒30 x4 120frames速度錄影 因此 回播時可以針對某一攝影對象取出影像進行播放 多工器有時也稱為雙工錄影設備 DuplexRecorder 矩陣式視訊切換器 matrixswitcher 則是一種可以將多路Cameras影像切換到多台顯示器的設備 p22 數位影像的時代 傳統的類比式 analog CCTV發展出許多應用隨著半導體數位科技的發展 數位信號處理器 DigitalSignalProcessor DSP 效能越來越快速 價格愈來愈便宜 數位式 digital CCTV漸漸成型 原先analogvideo因此大量被討論數位化壓縮技術的逐漸成熟 MPEG 1 MPEG 2 MPEG 4等 讓數位式CCTV更成為未來主流探討影像數位化前 我們先從數位資料表示法談起 p23 0與1的數位資料 1 我們習慣使用十進位 Decimal 來表示一個數 基本數字為0 1 9十個 計算方式以10為基礎 如1023 1 103 0 102 2 101 3 100電腦世界裡使用二進位 Binary 來表示 基本數字只有0 1二個 計算方式以2為基礎 如1010 1 23 0 22 1 21 0 20 23 1 p24 0與1的數位資料 2 簡單的二進位數字表示0 7每個0或1位置 我們稱為位元 bit b 每8個位元 我們稱為位元組 byte B 4個bits可以表示0 15數值 8個bits 1個bytes 可以表示0 255 依此類推 我們可以將所有十進位數值互相轉換二進位表示 p25 0與1的數位資料 3 因為10000000000 2的10次方 等於數值1024 因此習慣使用K 千 M 百萬 G 十億 為單位來表示在通信裡 習慣使用bit為單位 在記憶體表示上 習慣使用byte為單位 如ADSL的通信頻寬2M表示2Mbits second 如PC使用硬碟計憶體容量120G表示120Gbytes 或2GB p26 影像色域RGB 1 對一種顏色進行編碼的方法統稱為 顏色空間 或 色域 簡單的說 世界上任何一種顏色的 顏色空間 都可定義成一個固定的數字或變量 RGB 紅 綠 藍 只是眾多顏色空間的一種 採用這種編碼方法 每種顏色都可用三個變量來表示 紅色 綠色以及藍色的強度 RGB是最常見記錄及顯示彩色圖像方案在現代彩色電視系統中 通常採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像 然後把取得的彩色圖像信號經分色 分別放大校正後得RGB http en wikipedia org wiki RGB color model p27 影像色域RGB 2 在digitalcolor的世界裡 所有的顏色都可以用這RGB三個顏色去混合出來 也就是用不同比例的RGB可以混合出所有的顏色例如分別使用1個bytes代表不同的R Red G Green B Blue 亮度值 換言之 每個點的R G B的亮度可以各別1byte表示256色 0 255 例如0紅 0綠 0藍 黑色 沒有顏色 255紅 0綠 0藍 紅色 當然 255紅 255綠 0藍 黃色 紅 綠 p28 影像色域RGB 3 以彩色CCD攝影機為例 進行影像 image 取像時 以每張影像720 480個點來各別取像 每個點取得一組RGB的表示值但RGB缺乏與早期黑白顯示系統的相容性 也就是RGB三色影像是無法被黑白電視所接受的 播放 因此 大多電子電器廠商普遍採用的做法是 將RGB轉換成YUV顏色空間 以維持相容性 再根據需要換回RGB格式 以便在顯示器上顯示彩色圖形 p29 影像色域YUV YCrCb 1 YUV 亦稱YCrCb 是一種顏色編碼方法 RGB經過矩陣變換電路可以得到亮度信號Y和兩個色差信號R Y 即U B Y 即V 最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼 用同一信道發送出去 這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U V是分離的 如果只有Y信號分量而沒有U V信號分量 那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像 彩色電視採用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題 使黑白電視機也能接收彩色電視信號Y表示明亮度 luminance或luma 也就是灰階值 而U和V表示的則是色度 chrominance或chroma 作用是描述影像色彩 hue 及飽和度 saturation 用於指定像素的顏色 p30 影像色域YUV YCrCb 2 亮度 是透過RGB輸入信號來建立的 方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起 色度 則定義了顏色的兩個方面 色調與飽和度 分別用Cr和Cb來表示 其中 Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異 而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之同的差異YUV與RGB相互轉換的公式如下 RGB取值範圍均為0 255 Y 0 299R 0 587G 0 114BU 0 147R 0 289G 0 436BV 0 615R 0 515G 0 100B與RGB視頻信號傳輸相比 YUV最大的優點在於只需佔用較少的頻寬 RGB要求三個獨立的視頻信號同時被傳送 RGB 4 4 4 的需要頻寬比CCIR601YUV 4 2 2 多了50 x1 5 p31 解析度 Resolution 1 影像解析度 imageresolution 由畫素 pixel 決定 畫素愈高解析度越高 例如 影像輸出是1600 x1200pixels 相乘約等於2百萬畫素的影像 即所謂兩百萬畫素數位相機 影像解析度也可用PPI PixelPerInch 或DPI DotPerInch 兩個名詞來表達VideoResolution 常看到的影像解析度有D1 CIF QCIF等D1 FullresolutionforTV 可以是704 576TVPAL704 480TVNTSC 480跟NTSCTV525條掃瞄線不同 720 576DVD VideoPAL720 480DVD VideoNTSC p32 解析度 Resolution 2 CIF CommonIntermediateFormat 代表以下Resolution352 288PAL352 240NTSCCIF剛好是1 4的D1 又稱作QuarterD1QCIF QuarterCommonIntermediateFormat Resolution176 144PAL176 120NTSCQCIF剛好是 的CIF720i720p1080i1080p高清晰度電視 HighDefinitionTelevision HDTV 使用的Resolution720代表1280 7201080代表1920 1080i代表interlacedp代表progressive p33 影像壓縮技術 1 以D1品質704 480TVNTSC的影像為例 如果用R G B三色表示則一張影像 image 會產生的資料量為704 480 3bytes 1 013 760bytes 1 01MB每秒30張影像 image 等於30fps frameperseconds 則表示攝影機每秒產生約30MB 每分鐘產生1 8GB 常用表示方式 影像資料量為240Mbps 其中bps bitspersecond 表示位元率 即每秒多少bits的資料量如此龐大資料量 對數位影像的實現 好像是不可行 影像壓縮技術因此產生 例如 使用200倍壓縮率的MPEG 4技術可以讓240Mbps的資料量大大的縮為1 2Mbps壓縮技術不但可以降低影像儲存容量 進而降低儲存成本 同時也降低傳送信號量 p34 影像壓縮技術 2 不同的壓縮標準JPEG壓縮率比為20 80倍 適合靜態畫面的壓縮 JointPhotographicExpertsGroup JPEG2000小波編碼 Wavelet 壓縮畫質高於JPEGM JPEGMotion JPEG 適合動態低framerate畫面的壓縮MPEG1壓縮率約100倍 支援320 240 VCD VHS品質 MotionPicturesExpertsGroup 動態畫面及聲音壓成每秒1 5Mbps的數位媒體MPEG2壓縮率約50倍 支援720 480 DVD 動態畫面及聲音壓成每秒2 10Mbps數位媒體MPEG4壓縮率可達450倍 解析度176 144 1280 1024一般而言 同DVD畫值但只要 1 3的大小H 263低碼率 小畫面 視頻編碼標準 如3G手機常用H 264等同於MPEG4part10的標準 p35 影像壓縮技術 3 目前 數位CCTV以MPEG 4及H 264的壓縮效果表現最好除了影像壓縮方法外 降低資料量的另一方法是降低framerate 以CCTV的應用並不需達到30fps frameperseconds 的必要 常見許多數位CCTV為節省影像儲存空間 設定以3 7fps為主不同的壓縮標準 JPEG和MPEG最大不同是 前者以每張影像 image 各自壓縮 後者則是多張images的結合壓縮 因此 當考慮5fps以下的影像時 M JPEG相對是不錯的選擇 p36 影像壓縮技術 4 影像壓縮方法與常見應用 p37 DVR 2 DVR實例PTZ Pan Tile Zoom 表示可控制Camera水平垂直旋轉與遠近變焦 p38 DVR 3 DVR設備 tw infomation asp id 139 act 1 是否具剪線發報機制 是否具有前置錄影功能 確保被剪線之前還能拍攝到歹徒之畫面 是否具有位移偵測 motiondetection 功能 是否能夠遠端連線 是否具有斷電復歸功能 儲存容量是否足夠 擴充的方便性如何 硬碟備份是否方便 畫質是否清晰 解析度是否足夠 是否具有可依時間 事件等多重的搜尋機制 攝影機設備 室外鏡頭是否具防水功能 夜間鏡頭是否有遠紅外線照明 攝影機畫質是否清晰 攝影機明亮度是否足夠