小区监控网络技术研究及小区监控系统硬件实现.docx
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小区监控网络技术研究及小区监控系统硬件实现
本科毕业设计论文
题目小区监控网络技术研究及小区视频监控技术硬件实现
专业名称通信工程
学生姓名呼杰
指导教师许哲
毕业时间2014年6月
设计
论文
毕业任务书
一、题目
小区监控网络技术研究及小区视频监控技术硬件实现
二、指导思想和目的要求
了解视频监控技术的发展过程及其原理，掌握小区网络监控原理架构，主要研究视频图像的采集、处理、传输及对图像检测处理的算法，并分析对比各种算法的优缺点，从而选取更好的、更适用的，并在开发板上验证其性能，通过论文的撰写培养了自己进行调查研究、查阅文献、收集整理资料、思考加工，在相关专业领域独立地进行科研的基本能力。
三、主要技术指标
1）从网络监控的相关知识入手，包括网络视频监控构成、系统模型及相关应用的分析和研究。
2）研究基于宽带网络的视频监控技术的典型算法，分析对比其优缺点。
3）主要研究分析监控系统中视频图像采集、分析处理、传输这一环节；其中有些是硬性指标：
视频输入输出：
1VP-P，阻抗75Ω，带宽：
10Hz-10MHz。
四、进度和要求
第3-4周：
查阅相关网络监控资料，确定方案，撰写开题报告；
第5-6周：
查阅相关资料，对小区监控方案进行具体的分析和设计；
第7-13周：
在开发板上进行模拟实践直至可以成功实现小区的视频监控；
第14-15周：
整理、完成毕业设计，并撰写论文；
第16-17周：
准备及完成毕业设计答辩。
五、主要参考书及参考资料
[1]潘国辉.智能网络视频监控技术详解与实践.清华大学出版社.2010.2.
[2]殷德军，秦兆海.安全防范技术与电视监控系统.电子工业出版社.2002.7.
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[4]平丽.图像平滑处理方法的比较研究[J].信息技术.2010.29
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[5]刘治群，杨万挺，朱强.几种图像增强算法的研究比较[J].合肥师范学院学报.2010,28（6）:
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[6]唐志文.浅析数字图像处理技术的研究现状及其发展方向[J].硅谷.2010，（5）:
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[8]刘颖慧.基于PLC的智能小区监控系统[J].机电一体化.2004.2,84-86.
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[11]戴琼海.宽带信息网络.清华大学出版社.2002.9.
[12]张红艳.智能小区计算机网络系统设计.山西电子技术.2002
（2）.
[13]曾曦，游志胜.DirectShow技术在视频监控中的应用.计算机时代.2003.3.
学生___________指导教师___________系主任___________
目录
第一章 绪论1
1.1小区监控研究的背景及意义1
1.2国内外现状1
1.3研究内容及论文章节安排2
第二章小区监控技术发展历程及实现原理和功能4
2.1小区监控技术发展历程4
2.1.1模拟视频监控系统4
2.1.2数字视频监控时代4
2.1.3智能网络视频监控时代5
2.2小区监控技术原理和功能5
2.2.1前端摄像机部分6
2.2.2网络传输环节8
2.2.3中心管理系统8
2.2.4显示系统8
第三章 基于宽带网络的小区视频监控系统10
3.1宽带接入技术原理10
3.1.1接入网概念10
3.1.2接入网的分类11
3.1.3宽带接入技术原理分析11
3.2智能住宅小区以太局域网设计研究18
3.3基于宽带网络的视频监控技术中的图像检测技术研究19
3.3.1检测构想19
3.3.2原始图像帧的提取21
3.3.3图像帧的分割与灰度化22
3.3.4图像帧运动特征的分析24
第四章图像的采集传输及分析处理26
4.1视频图像的采集26
4.2视频图像的分析整理27
4.3视频图像的传输方式30
4.3.1同轴电缆传输30
4.3.2双绞线传输31
4.3.3光纤传输32
4.3.4传输方式总结34
第五章总结与展望36
5.1课题总结36
5.2前景展望36
致谢38
参考文献39
毕业小结40
摘要
随着物联网、智能安防领域在近年来兴起，智能小区的研究也成为热点。
智能小区，城市内在一个相对独立的区域、统一管理、特征相似的住宅楼群构成的住宅小区实施的建筑智能化，智能化住宅小区是指通过利用现代通信网络技术、计算机技术、自动控制技术等，通过有效的传输网络，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息服务系统、住宅小区服务的管理集成系统，使小区与每个家庭能达到安全、舒适、温馨和便利的生活环境。
本论文首先对智能住宅小区的内涵、特征以及国内外发展现状进行简要阐述后，给出了一个一般意义上的小区智能化系统组成框架；其次对其实现原理及功能进行详细的阐述，并提出一个基于宽带网络的小区视频监控系统；然后重点针对其中的主要环节（由摄像头采集的视频图像传送至单片机进行分析整理，然后传送至显示屏）进行详细的分析与设计；最后，期望在开发板上模拟实践可以成功实现小区的视频监控。
关键词：
智能小区，视频监控技术，图像采集，传输网络
ABSTRACT
Withtheinternetofthings,smartsecurityfieldintheriseinrecentyears,researchofintelligentcommunityhasbecomeahotspot.Intelligentcommunity,Englishexpressionforintelligentresidentialdistrict.Intelligentbuildingcitywithinarelativelyindependentregional,unifiedmanagement,similarresidentialbuildingsconstitutetheimplementationofintelligentresidential,residentialreferstotheuseofmoderncommunicationnetworktechnology,computertechnology,automaticcontroltechnology,througheffectivetransmissionnetwork,theestablishmentofaresidentialcomprehensivepropertymanagementcenterandsecuritysystem,informationservicesystem,residentialcommunityservicemanagementsystemintegration,smallandeachfamilycanbesafe,comfortable,warmandconvenientlivingenvironment.
Firstly,theconnotationofintelligentresidentialquartersofthecharacteristicsanddevelopmentstatusathomeandabroadarebrieflydescribed,theintelligentsystemofageneralframework;secondly,adetailedexpositionofitsimplementprincipleandfunction,andputsforwardasmallvideomonitoringsystembasedonwidebandnetwork;thenthekeyaccordingtothemainpartofit（transmittedbythecameratocollectvideoimagestochipanalysis,andthensenttothedisplayscreen）carriedoutadetailedanalysisanddesign;finally,expectsimulationpracticeinthedevelopmentboardcansuccessfullyrealizevideomonitoringarea.
KEYWORDS:
intelligentresidentialdistrict,videosurveillancetechnology,imageacquisition,transmissionnetwork
第一章 绪论
1.1小区监控研究的背景及意义
自九十年代起，随着互联网的兴起和个人计算机的普及，互联网用户数量及以IP为代表的数据业务呈爆炸性增长，同时出现了大量新型的业务需求，如视频会议、电子商务、VOD视频点播等。
这些新的业务需求对网络带宽提出了新的要求。
由于光纤通信和密集波分复用技术的进步，及ATM技术、MPLS技术、 Tbps级路由器的出现，为传输网和交换网的升级换代提供了及时的手段，带宽的瓶颈落在了接入网上。
随着基于不同传输媒介的不同系统及其多种方案的出现和发展，如基于双绞线、基于数字电力线、基于无线、基于同轴电缆和基于光纤的系统，接入网宽带化得到了空前的发展。
接入网宽带化的发展，反过来又推动了新业务需求的产生和发展。
小区的视频监控就是其中之一。
智能视频监控（IVS：
IntelligentVideoSurveillance）是计算机视觉领域中近几年来新兴起的一个应用方向,它是利用计算机视觉技术对视频信号进行处理、分析和理解，并对视频监控系统进行控制，从而提高视频监控系统智能化水平。
智能视频监控系统在民用和军事领域中都有着极大的应用前景。
目前虽然在银行、商店、车站、港口、小区等一些公共场所普遍架设了监控摄像机，但实际的监控任务仍需要较多的人工工作来完成。
在很多情况下，目前的视频监控系统所提供的信息是没有经过任何分析的视频裸数据，这就不能充分发挥监控系统应有的实时主动的监督作用。
另一方面，为了防止和阻止犯罪，对无人值守的视频监控系统的需求量日益上升，这类系统的主要目标是减少对繁琐人工的依赖，自动完成对复杂环境中人和车辆等进行实时观测以及对感兴趣的对象的行为进行分析和描述。
要完成这些任务，需要涉及到智能视频监控中许多核心技术，本文所要论述的是关于小区监控视频图像检测技术的研究。
1.2国内外现状
计算机视觉成为一门独立的学科，至少可以从美国麻省理工学院Marr教授
这一代人所做的奠基工作开始，因此已有20至30年的历史。
上世纪50年代初期，美国开发了自动地形识别跟踪系统（ATRAN）。
进入70年代后，各种自适应跟踪方法被相继提出，随着相关理论与技术的不断发展，目标跟踪技术无论从应用还是研究上都取得了巨大进展。
到目前，美国、欧洲和日本等发达国家己发展到自动化视觉监控，正迅速向全数字智能视觉监控技术发展。
在美国、英国等国家已经开展了大量相关项目的研究。
1997年美国国防高级研究项目署设立了以卡内基梅隆大学为首、麻省理工学院等高校参与的视觉监控重大项目VSAM（VisualSurveillanceandMonitoring）；英国雷丁大学，已开展了对车辆和行人的跟踪及其交互作用识别的相关研究；美国ARDA机构在2003年开始主持一项高级研究计划VACE（VideoAnalysisandContentExtraction）。
2008年，朴次茅斯建立了一个“智能”闭路监控网络，以提前将可疑行为报告给操作人员。
由智能闭路监控公司（SmartCCTVLtd）开发，这套系统称为“Perceptrak”，至目前国际上的智能识别与分析产品中，最有代表性的美国Identix公司研制的ARGUS人脸监控系统。
我国对于视觉监控技术的研究起步较晚，而把此技术应用于小区监控之中的几乎没有。
目前，在国内的研究机构中，中国科学院北京自动化研究所下属的模式识别国家重点实验室在视频监控研究中处于领先地位，取得了诸多成果。
近十几年来，国内的许多大学和研究机构也相继开展相关研究，如：
北京航空航天大学机器人实验室、中科院计算机所、浙江大学人工智能研究所、华中科技大学图像所等等。
另外，近年来湖北莲花山计算机视觉研究院，在视频分析、图像语义解析等方面也取得了一定成果，他们研发的智能视频分析系统通过网络摄像头自动识别和跟踪行人、车辆等目标，检测复杂的行为事件，并且采用三维定标可以输出目标的物理位置、速度和运动方向。
1.3研究内容及论文章节安排
本论文的各章节内容安排如下：
第一章阐述了本论文的课题背景和研究意义，并对视频监控的国内外发展现状进行了介绍，最后对本论文的主要工作和各章内容安排进行了说明。
第二章介绍了小区监控技术的发展历程及其实现的原理和功能。
第三章介绍了小区监控系统的一般框架和技术基础，首先提出了基于宽带网络的小区视频监控系统，在此基础上详细阐述了宽带接入技术原理和基于宽带网络的视频监控技术中的图像检测技术研究。
第四章从三方面重点分析基于宽带网络视频监控技术中的图像检测技术，首先是图像的采集，其次是图像的传输，最后是图像的分析处理。
第五章对本论文进行了总结和展望。
第二章小区监控技术发展历程及实现原理和功能
2.1小区监控技术发展历程
视频监控技术按照主流设备发展过程，可以分为3个大的阶段，即20世纪70年代开始的模拟视频监控阶段、20世纪90年代的数字视频阶段及近几年兴起的智能网络视频监控阶段。
2.1.1模拟视频监控系统
早期的视频监控系统所有部件都是模拟设备，称为模拟系统。
模拟视频监控系统﹝也称为闭路电视监控系统﹞具有技术成熟、性能稳定、操作性好等优点，至今已经存在并发展了30多年。
随着计算机技术、多媒体技术、网络技术、存储技术与视频技术的不断融合，视频监控系统的组成、构架发生了根本变化，模拟系统正在慢慢退出历史舞台。
模拟视频监控系统虽然风光不再，但是其在安防监控的历史上写下了厚重的一笔。
该视频监控系统由模拟摄像机、多画面分割器、视频矩阵、模拟监视器和磁带录像机﹝VCR﹞等构成，摄像机的图像经过同轴电缆﹝或其他介质﹞传输，并由VCR进行录像存储，由于VCR磁带的存储容量非常有限，因此VCR需要经常地更换磁带以实现长期存储，自动化程度很低，另外VCR的视频检索效率十分低下。
2.1.2数字视频监控时代
数字视频监控时代的标志性产品是硬盘录像机，简称DVR。
硬盘录像机起始于20世纪90年代，在本世纪初得到大规模应用，硬盘录像机的出现将磁带录像机﹝VCR﹞送上了末路。
硬盘录像机实质是集音视频编码压缩、网络传输、视频存储、远程控制、解码显示等各种功能于一体的计算机系统，其主要组成是视频采集卡、编码压缩程序、存储设备、网络接口及软件体系等。
早期的DVR主要进行数字化视频存储，在网络传输、软件应用、虚拟矩阵等方面的功能并不完善，因此在实际项目应用中，通常DVR与模拟矩阵配合使用，系统的控制和切换仍然由矩阵完成，而DVR仅仅代替了磁带录像机，实现对视频的数字化录像。
DVR经过不断发展、升级，在网络支持、虚拟矩阵、软件应用等功能上逐步加强，在一些项目中，可以以DVR为系统核心设备，以网络为支撑，实现视频监控系统的虚拟矩阵切换、存储、控制、管理等功能。
DVR实质上是半模半数的设备，DVR视频采集卡的A2D芯片将模拟信号转换成数字信号，之后编码压缩，然后写到硬盘录像机的硬盘中，而远端客户可以通过网络访问硬盘录像机的视频资源。
2.1.3智能网络视频监控时代
智能网络视频监控技术在近几年得到广泛的应用和发展，其监控系统的主要构成是网络摄像机﹝IPC﹞、视频编码器﹝DVS﹞、网络录像机﹝NVR﹞、视频内容分析﹝VCA﹞单元，中央管理平台﹝CMS﹞、解码设备﹝Decoder﹞、存储设备等。
智能网络视频监控系统采用完全分布式架构，系统架设在网络上，不受地域空间的限制，利用智能管理软件可以实现视频资源的管理、整合、配置、传输、调用、存储、报警、集成等。
2.2小区监控技术原理和功能
视频监控系统是由摄像、传输、控制、显示、录像登记5大部分组成。
摄像机通过同轴视频电缆将视频图像传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到各监视器及录像设备，同时可将需要传输的语音信号同步录入到录像机内。
通过控制主机，操作人员可发出指令，对云台的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作，并可通过控制主机实现在多路摄像机及云台之间的切换。
利用特殊的录像处理模式，可对图像进行录入、回放、处理等操作，使录像效果达到最佳。
它是基于计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术及计算机网络技术，将现场的影像通过前端数字采集设备（IP摄像机）采集并进行数字压缩，生成数字信号，再通过网络将这些图像数据包传送至后端的存储设备（IP-SAN）,在硬盘中生成按一定规则约定的图像文件。
通过网络上传的数据包也可直接通过数字解码设备，将这些图像数据包还原成模拟图像，输出至大屏进行图像显示。
图2-1小区监控原理图
现将其主要分为四大部分进行简要阐述：
2.2.1前端摄像机部分
网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音控制器、网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。
镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，与模拟摄像机相同。
图像传感器有CMOS和CCD两种模式。
CMOS既互补性金属氧化物半导体，而CMOS主要是利用硅和锗这两种元素做成的半导体。
下图为网络摄像机的结构图：
图2-2网络摄像机结构图
通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本功能。
这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影响。
CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。
不像由二极管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。
这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。
网络摄像机作为网络视频产品的新兴代表，具有其自身的优势就是使用便捷。
CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传输电路构成。
光电二极管把光转换成电荷，再经转化电路传送和输出。
A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。
经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或者标准进行编码压缩。
编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化，便于在计算机系统、网络以及万维网上不失真的传输上述信号。
控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。
如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合二为一。
网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台等。
网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。
如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。
2.2.2网络传输环节
网络传输子系统主要实现前端网络摄像机及存储设备NVR和中心管理子系统之间的数据和图像信息的传输，包括中心管理子系统对前端设备到控制、设置和维护等。
该传输网络可以采用光纤通讯、数据专线、宽带网络、光纤网络、无线GPRS/CDMA/3G等方式。
2.2.3中心管理系统
通过网络访问前端监控点的实时图像，可随意查看任一图像；通过网络TCP/IP协议进行联网监控，监控中心可对所辖的各前端设备进行联网监控，中心可以进行图像显示、语音对讲、远程电器设备的开关控制、远程控制报警系统布撤防区，以及远程数据下载、打印、刻录录像数据用；在监控中心都能够对所有监控点图像进行集中存储和检索，同时支持统一的管理；在监控中心电视屏幕墙上能实时监控所辖网点的现场图像监控情况，通过操作实时监控到前端的任一路图像，电视频幕墙按各功能区域等方式进行分类显示，对各分类画面进行实时分割监控，并可随时进行视角切换。
对各个监控环节尤其是一些重点部位进行定点监控，其他画面可进行分割显示或轮训显示；监控中心可通过网络实时监控到所有前端任何地方的突发事件报警信息，如火灾、盗警和事件纠纷等，当某处发生报警警情时，报警信息自动上传到监控中心，同时与报警信号联动的现场图像同时传送至监控中心并在屏幕上自动弹出显示并进行中心录像，在电子地图上明显显示报警位置，同时有声音、图像或灯光告警；系统设计本着先进可靠原则，在满足现有需求同时，系统还应具备灵活的接口，可在未来根据需求方便的进行扩展。
2.2.4显示系统
前端网络摄像机的图像通过网络上传到中心，通过解码设备将数字图像信号转换成模拟图像信号，输出到电视墙上的显示设备，进行图像显示。
表2-1监控系统的基本功能
主要功能
业务对象
功能要求
监视
视频源
实时、清晰
控制
控制信令
报警及时、云镜操作灵活
管理
用户命令
存储、检索、回放、认证、维护等
第三章 基于宽带网络的小区视频监控系统
3.1宽带接入技术原理
3.1.1接入网概念
根据我国接入网技术体制的定义，接入网是由业务节点接口（SNI）和相关用户——网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传送设施）所组成的为传送数据或电信业务提供所需传送承载能力的实施系统。
接入网可以被看作与业务和应用无关的传送网。
如图3-1所示，按入网所覆盖的范围由三个接口定界。
网络侧经由业务节点接口SNI与业务节点SN相连。
业务节点可以是电信交换机，也可以是路由器或特定配置情况下的点播电视和广播电视业务节点等。
业务节点接口是连接接入网和业务节点的开放接口，包括目前广泛应用的与窄带交换设备相连的V5接口，还有高速以太网接口及其它开放接口。
用户侧经由用户——网络接口（UNI）与用户终端设备（TE）或用户驻地网相连。
用户网络接口可以是ISDN接口、ATM接口，也可以是以太网接口或其它接口。
用户终端可以是计算机、普通电话机或其它电信终端设备，用户驻地网可以是局域网或其它专用通信网，还有一个接口Q用于与网络管理系统相连。
3.1.2接入网的分类
接入网的分类有多种方法，常见的分类方法有以下两种：
1）根据支持业务能力的不同，可以分为宽带接入和窄带接入。
宽带与窄带的一般划分标准是用户网络接口上的速率，即将用户网络接口上最大接入速率超过2Mbps的用户接入称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制。
窄带接入系统是基于支持传统的64Kbps的电路交换业务发展而来的，对以IP为主流的高速数据业务支持能力
升级会员 