监控系统培训教材.docx

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监控系统培训教材

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一、闭路监控系统组成

    典型的电视监控系统主要由前端设备和后端设备这两大部分组成，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分控制设备。

前、后端设备有多种构成方式，它们之间的联系（也可称作传输系统）可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现。

如图1-1所示，电视监控系统由摄像机部分（有时还有麦克）、传输部分、控制部分以及显示和记录部分四大块组成。

在每一部分中，又含有更加具体的设备或部件。

1.1主要设备

1.1.1摄像部分

    摄像部分是电视监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”。

它布置在被监视场所的某一位置上，使其视场角能覆盖整个被监视的各个部位。

有时，被监视场所面积较大，为了节省摄像机所用的数量、简化传输系统及控制与显示系统，在摄像机上加装电动的（可遥控的）可变焦距（变倍）镜头，使摄像机所能观察的距离更远、更清楚；有时还把摄像机安装在电动云台上，通过控制台的控制，可以使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动，从而使摄像机能覆盖的角度、面积更大。

总之，摄像机就像整个系统的眼睛一样，把它监视的内容变为图像信号，传送给控制中心的监视器上。

由于摄像部分是系统的最前端，并且被监视场所的情况是由它变成图像信号传送到控制中心的监视器上，所以从整个系统来讲，摄像部分是系统的原始信号源。

因此，摄像部分的好坏以及它产生的图像信号的质量将影响着整个系统的质量。

从系统噪声计算理论的角度来讲，影响系统噪声的最大因素是系统中的第一级的输出（在这里即为摄像机的图像信号输出）信号信噪比的情况。

所以，认真选择和处理摄像部分是至关重要的。

如果摄像机输出的图像信号经过传输部分、控制部分之后到达监视器上，那么到达监视器上的图像信号信噪比将下降，这是由于传输及控制部分的线路、放大器、切换器、等又引入了噪声的缘故。

除了上述的有关讨论之外，对于摄像部分来说，在某些情况下，特别是在室外应用的情况下，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。

这些也将在后面的有关章节中讨论。

1.1.2传输部分

    传输部分就是系统的图像信号通路。

一般来说，传输部分单指的是传输图像信号。

但是，由于某些系统中除图像外，还要传输声音信号，同时，由于需要有控制中心通过控制台对摄像机、镜头、云台、防护罩等进行控制，因而在传输系统中还包含有控制信号的传输，所以我们这里所讲的传输部分，通常是指所有要传输的信号形成的传输系统的总和。

如前所述，传输部分主要传输的内容是图像信号。

因此重点研究图像信号的传输方式及传输中有关问题是非常重要的。

对图像信号的传输，重点要求是在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声、失真（色度信号与亮度信号均不产生明显的失真），保证原始图像信号（从摄像机输出的图像信号）的清晰度和灰度等级没有明显下降等等。

这就要求传输系统在衰减方面、引入噪声方面、幅频特性和相频特性方面有良好的性能。

在传输方式上，目前电视监控系统多半采用视频基带传输方式。

如果在摄像机距离控制中心较远的情况下，也有采用射频传输方式或光纤传输方式。

对以上这些不同的传输方式，所使用的传输部件及传输线路都有较大的不同。

1.1.3控制部分

    控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心。

控制部分主要由总控制台（有些系统还设有副控制台）组成。

总控制台中主要的功能有：

视频信号放大与分配、图像信号的较正与补偿、图像信号的切换、图像信号（或包括声音信号）的记录、摄像机及其辅助部件（如镜头、云台、防护罩等）的控制（遥控）等等。

在上述的各部分中，对图像质量影响最大的是放大与与分配、较正与补偿、图像信号的切换三部分。

在某些摄像机距离控制中心很近、或对整个系统指标要求不高的情况下，在总控制台中往往不设较正与补偿部分。

但对某些距离较远，或由于传输方式的要求等原因，校正与补偿是非常重要的。

因为图像信号经过传输之后，往往其幅频特性（由于不同频率成分到达总控制台时，衰减是不同的，因而造成图像信号不同频率成分的幅度不同，此称为幅频特性）、相频特性（不同频率的图像信号通过传输部分后产生的相移不同，此称为相频特性）无法绝对保证指标的要求，所以在控制台上要对传输过来的图像信号进行幅频和相频的校正与补偿。

经过校正与补偿的图像信号，再经过分配和放大，进入视频切换部分，然后送到监视器上。

总控制台的另一个重要方面是能对摄像机、镜头、云台、防护罩等进行遥控，以完成对被监视的场所全面、详细的监视或跟踪监视。

总控制台上设有的录像机，可以随时把发生情况的被监视场所的图像记录下来，以便事后备查或作为重要依据。

目前，有些控制台上高设有一台或两台“长延时录像机”，这种录像机可用一盘60分钟带长的录像带记录长达几天时间的图像信号，这样就可以对某些非常重要的被监视场所的图像连续记录，而不必使用大量的录像带。

还有的总控制台上设有“多画面分割器”，如四画面、九画面、十六画面等等。

也就是说，通过这个设备，可以在一台监视器上同时显示出四个、九个、十六个摄像机送来的各个被监视场所的画面，并用一台常规录像机或长延时录像机进行记录。

上述这些功能的设置，要根据系统的要求而定，不一定都采用。

    目前生产的总控制台，在控制功能上，控制摄像机的台数上往往都做成积木式的。

可以根据要求进行组合。

另外，在总控制台上还设有时间及地址的字符发生器，通过这个装置可以把年、月、日、时、分、秒都显示出来，并把被监视场所的地址、名称显示出来。

在录像机上可以记录，这样对以后的备查提供了方便。

    总控制台对摄像机及其辅助设备（如镜头、云台、防护罩等）的控制一般采用总线方式，把控制信号送给各摄像机附近的“终端解码箱”，在终端解码箱上将总控制台送来的编码控制信号解出，成为控制动作的命令信号，再去控制摄像机及其辅助设备的各种动作（如镜头的变倍、云台的转动等）。

在某些摄像机距离控制中心很近的情况下，为节省开支，也可采用由控制台直接送出控制动作的命令信号——即“开、关”信号。

总之，根据系统构成的情况及要求，可以综合考虑，以完成对总控制台的设计要求或订购要求。

1.1.4显示部分

    显示部分一般由几台或多台监视器（或带视频输入的普通电视机）组成。

它的功能是将传送过来的图像一一显示出来。

在电视监视系统中，特别是在由多台摄像机组成的电视监控系统中，一般都不是一台监视器对应一台摄像机进行显示，而是几台摄像机的图像信号用一台监视器轮流切换显示。

这样做一是可以节省设备，减少空间的占用；二是没有必要一一对应显示。

因为被监视场所的情况不可能同时发生意外情况，所以平时只要隔一定的时间（比如几秒、十几秒或几十秒）显示一下即可。

当某个被监视的场所发生情况时，可以通过切换器将这一路信号切换到某一台监视器上一直显示，并通过控制台对其遥控跟踪记录。

所以，在一般的系统中通常都采用四比一、八比一、甚至十六比一的摄像机对监视器的比例数设置监视器的数量。

目前，常用的摄像机对监视器的比例数为四比一，即四台摄像机对应一台监视轮流显示，当摄像机的台数很多时，再采用八比一或十六比一的设置方案。

另外，由于“画面分割器”的应用，在有些摄像机台数很多的系统中，用画面分割器把几台摄像机送来的图像信号同时显示在一台监视器上，也就是在一台较大屏幕的监视器上，把屏幕分成几个面积相等的小画面，每个画面显示一个摄像机送来的画面。

这样可以大大节省监视器，并且操作人员观看起来也比较方便。

但是，这种方案不宜在一台监视器上同时显示太多的分割画面，否则会使某些细节难以看清楚，影响监控的效果。

个人认为，四分割或九分割较为合适。

    为了节省开支，对于非特殊要求的电视监控系统，监视器可采用有视频输入端子的普通电视机，而不必采用造价较高的专用监视器。

监视器（或电视机）的屏幕尺寸宜采用14英寸至18英寸之间的，如果采用了“画面分割器”，可选用较大屏幕的监视器。

放置监视器的位置应适合操作者观看的距离、角度和高度。

一般是在总控制台的后方，设置专用的监视架子，把监视器摆放在架子上。

监视器的选择，应满足系统总的功能和总的技术指标的要求，特别是应满足长时间连续工作的要求。

由于监视器或电视机已有成型的产品，大家都很熟悉，在此不作详述。

    随着电子技术及网络技术的发展，基于数字的应用产品及方案相应而出。

以数字技术为基础的影像资料有其高保真、重复利用、快捷查询、存取简单等特点，越来越受到用户的关注；随着网络技术的进步，网络应用涉及到机关、学校、企业乃至居民小区等各个领域，网络化数字化的监控方案被普遍接受使用。

    目前，数字视频压缩编码技术日益成熟和迅猛发展，基于网络的数字化监控有两种方案：

一种是基于数字硬盘录像机+视频压缩卡的多媒体监控。

多媒体监控系统一般采用以下结构：

在远端监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端上，多媒体监控终端可以是一台PC机，也可以是专用的工业机箱组成多媒体监控终端。

除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系统利用视频压缩卡和网络接口卡，通过数字网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。

但在许多实际应用中，用PC机无法适应现场的使用环境，无法实现无人值守，而且，系统的稳定性和可*性不够。

是传统模拟技术向数字化技术转化的过渡性技术。

    另一种是基于嵌入式技术的远程网络视频监控（嵌入式IP-VIDEO技术）。

随着芯片技术的发展，出现了各种各样的网络视频编解码器（相当与一个数模转换设备），这些体积紧凑的硬件设备采用具有嵌入式系统的DSP芯片，对模拟音视频信号进行编码、压缩，并通过内置的网络接口可以接入各种形式的用户网络中，可以实现网络用户远程对监控前端进行实时监控。

其主要的原理是：

网络视频服务及控制器内置一个嵌入式芯片，采用嵌入式实时操作系统。

摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过网络线路进行视频信号的传送。

联入网络的用户可以通过微机直接观看摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作，并可以根据需要对相关摄像机的内容进行录象。

该方案把视频压缩集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆，安装方便（仅需设置一个IP地址）。

是最新的数字化监控技术，符合目前技术发展的趋势，实现了两网合一（监控网、计算机局域网合一），但造价稍高。

二、监控主要设备技术参数

摄影机（CAMERA）

用光电原理，将景物摄取并配合监视器显像。

例如。

模拟嘴巴，相对于MICROPHONE，由喇叭输出；模拟眼睛，相对于CAMERA，由监视器输出。

依材质可分为下列几种:

a.      CMOS:

省电，便宜，照度不好

b.      CCD:

主流

c.      MOS:

过时

d.      VIDICOM:

光导管，过时

CCD与CMOS比较

　ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件）为数字相机中可记录光线变化的半导体）          ＣＭＯＳ（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体）

照度      5~0.00001Lux      5~3Lux

分辨率      330~600TVLines      330~420TVLines

对比      较佳                较差

解像度      较佳                较差

颜色像位      可调整                不可调整

色彩浓度      较浓（可调整）      较淡（不可调整）

噪声比      40dB                46dB

电子快门      1/60~1/100,000sec      1/60~1/2,000sec

消耗功率      70~300mA                20~50mA

CCD摄像机的分类

安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件（chargecoupleddeice）的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机组件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、部受磁场影响、具有抗震东和撞击之特性而被广泛应用。

1.依成像色彩划分

（1）彩色摄像机：

适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。

因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。

（2）黑白摄像机：

是用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。

2.依摄像机分辨率划分

（1）影像像素在25万像素（pixel）左右、彩色分辨率为330-420线、黑白分辨率380-450线左右的低档型。

（2）影像在38万点以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率，600线以上的高分辨率。

3.依摄像机灵敏度划分

（1）普通型：

正常工作所需照度为1~3Lux

（2）月光型：

正常工作所需照度为0.1Lux左右

（3）星光型：

正常工作所需照度为0.01Lux以下

（4）红外照明型：

原则上可以为零照度，采用红外光源成像。

参考环境照度：

环镜      照度

夏日阳光下      100000Lux

阴天室外      10000Lux

电视台演播室      1000Lux

距60W台灯60cm桌面      300Lux

室内日光灯      100Lux

黄昏室内      10Lux

20cm处烛光      10-15Lux

夜间路灯      0.1Lux

低照度摄像机在中国市场的演进过程低照度摄像机在中国市场的演进简单分为以下三步：

白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）；低速快门（SLOWSHUTTER）及超感度摄像机（EXVIEWHAD）。

一、白天彩色/晚上黑白（昼夜型摄像机COLOR/MONO）。

    此类摄像机目前在市场上仍有其特定的需求群。

昼夜（COLOR/MONO）摄像机的照度在国内市场上最低标示数值甚至为0LUX，我们不禁要问：

“摄像机乃光学原理制成，0照度下如何成像？

”白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）摄像机是利用黑白影像对红外线感度较高的特点，在一定的光源条件，利用线路切换的方式将影像由彩色转为黑白，以便于搭配红外线。

在彩色/黑白线路转换的技术演进过程中，此类摄像机已采用单一CCD（彩色）设计，在白天或光源充足时为彩色摄像机，当夜晚降临或光源不足时（一般在1LUX～3LUX）即利用数字电路将彩色信号消除掉，成为黑白影像，且为了搭配红外线，亦拿掉了彩色摄像机不可缺的红外线滤除器，真正的“低照度摄像机”应指摄像机本身（所采用的组件,技术）可达到的功能,而白天彩色/晚上黑白的摄像机因受限于CCD感度,本身并无法改变,只是利用线路切换及搭配红外光的方式将功能提升,不能算是低照度摄像机。

二、低速快门（SLOW/SHUTTER）。

    此类的摄影机获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加CCD在单帧图像的爆光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。

这种方式也可以获得较低的照度指针，但是需要降低图像的连贯程度，所以选择这种摄像机时要注意尽可能不要同云台一起使用，否则会造成丢失画面的现象。

在获得低照度下图像上还有一些其它的办法，但都不能从根本上解决照度问题。

此类摄像机又称为（画面）累积型摄像机，是利用计算机内存的技术，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来，成为一个影像清晰的画面，运用SLOWSHUTTER技术降低摄像机照度至0.008LUX/F1.2（×128），并且画面能够累积的帧数（128帧）是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。

此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆，夜间生物活动观察，夜间军事海岸线监视等，属性较静态场所的监视。

三、超感度摄像机（EXVIEW/HAD）。

    一般的超低照度摄像机大都采用ExviewHAD技术，采用ExviewHADCCD的摄像机，对外界光线的敏感程度会大大提高，在近红外区域，其感度可以提高到普通摄像机的4倍。

因此，即使在非常暗的环境下，这种摄像机通常可以看到人眼看不到的物体，这一技术的出现受到了监控市场的欢迎，对各种光照环境下均可表现出最佳的效果，特别是配合专用的红外照明设备，可以得到高清晰度的黑白图像，实现0照度的监控（完全无光的情况下）。

在近红外760mm-1100mm的近红外区域，如果配合合适波长的红外照明，就可以实现清晰的黑白图像。

超感度摄像机（EXVIEW/HAD），又称24小时摄像机，其彩色照度可达0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX（亦可搭配红外线以达0LUX）不仅能清晰的辩识影像，更是实时连续的画面。

4.按摄像组件的CCD靶面的大小划分

（1）      l”靶面尺寸为宽12.7mmX高9.6mm,对角线16mm

（2）      2/3”靶面尺寸为宽8.8mmX高6.6mm,对角线11mm

（3）      1/2”靶面尺寸为宽6.4mmX高4.8mm,对角线8mm

（4）      1/3”靶面尺寸为宽4.8mmX高3.6mm,对角线6mm

（5）      1/4”靶面尺寸为宽3.2mmX高2.4mm,对角线4mm

5.按电源频率划分

（1）      欧规（50Hz）:

彩色PAL黑白CCIR

（2）      美规（60Hz）:

彩色NTSC黑白EIA

6.按外型样式划分

（1）      传统标准型　：

　枪型

（2）      机板型　：

　鱼眼，针孔镜头

（3）      伪装型　：

　半球型，　灯饰型，　侦烟型等

（4）      子弹型

（5）      简单型（机板型加铁壳）

（6）      一体型　：

　一体机，　红外线型

7.按制程划分

（1）      ANALOG：

模拟信号处理

（2）      ASP：

半数字信号处理

（3）      DSP：

数字信号处理

8.按电源系统划分

有AC110，AC220，AC240，AC24V，DC12V

9.同步系统

（1）      内同步

（2）      外同步　：

　LINELOCK,SYNC同步,VBS同步,HD,VD同步等

镜头（LENS）

在电视监控系统中如何根据现场被监视环境，正确选用摄像机镜头是非常重要的，因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求（就画面范围或图像细节而言），所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。

    摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种，就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。

下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。

1、      手动、自动光圈镜头的选用

    手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。

    对于在环境照度恒定的情况下，如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内，均可选用手动光圈镜头，这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度，一次性整定镜头光圈大小，获得满意亮度画面即可。

    对于环境照度处于经常变化的情况，如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗及大堂内等，均需选用自动光圈镜头（必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机），这样便可以实现画面亮度的自动调节，获得良好的较为恒定亮度的监视画面。

对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及VIDEO控制两种，即直流电压控制及视频信号控制。

这在自动光圈镜头的类型选用上，摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上，以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上，三者注意协调配合好即可。

2、      定焦、变焦镜头的选用

    定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。

      在镜头规格（镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等）一定的情况下，镜头焦距与镜头视场角的关系为：

镜头焦距越长，其镜头的视场角就越小；在镜头焦距一定的情况下，镜头规格与镜头视场角的关系为：

镜头规格越大，其镜头的视场角也越大。

所以由以上关系可知：

在镜头物距一定的情况下，随着镜头焦距的变大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小，但画面细节越来越清晰；而随着镜头规格的增大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大，但其画面细节越来越模糊。

在镜头规格及镜头焦距一定的前提下，CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。

    镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角，且图像水平视场角大于图像垂直视场角，通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。

对于一般变焦（倍）镜头而言，由于其最小焦距通常为6.0mm左右，故其变焦（倍）镜头的最大视场角为45°左右，如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中，其监视死角必然增大，虽然可通过对前端云台进行操作控制，以减少这种监视死角，但这样必将会增加系统的工程造价（系统需增加前端译码器、云台、防护罩等），以及系统操控的复杂性，所以在这种环境中，不宜采用变焦（倍）镜头。

    在开阔的被监视环境中，首先应根据被监视环境的开阔程度，用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度，以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下，应尽量考虑选用长焦距镜头，这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。

在这种环境中也可考虑选用变焦（倍）镜头（电动三可变镜头），这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定，在选用时也应考虑两点：

（1）在调节至最短焦距时（看全景）应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求；

（2）在调节至最长焦距时（看细节）应能满足观察被监视场景画面细节的要求。

通常情况下，在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求，而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中，可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可（一般情况下，镜头倍数越大，价格越高，可在综合考虑系统造价允许的前提下，适当选用高倍数变焦镜头）。

正确选用镜头焦距的理论计算

    摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数，镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化（其变化关系如前所述），覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算：

（1）f=u·D/U

（2）f=h·D/H

f：

镜头焦距、U：

景物实际高度、H：

景物实际宽度、D：

镜头至景物实测距离、u：

图像高度、h：

图像宽度

举例说明：

    当选用1/2″镜头时，图像尺寸为u=4.8mm，h=6.4mm。

镜头至景物距离D=3500mm，景物的实际高度为U=2500mm（景物的实际宽度可由下式算出H=1.333·U，这种关系由摄像机取景器CCD片决定）。

将以上参数代入公式

（1）中，可得f=4.8·3500/2500=6.72mm，故选用6mm定焦镜头即可。

用于决定摄影机所观测之视角，根据不同需求，使用不同焦距之镜头以得到最佳视角。

其它镜头规格说明

1．      IMAGE  FORMAT  

如镜头为1/3″,所以只能用在1/3″、1/4″或1/5″以下的CAMERA上,1/2″的CAMERA就不能使用,否则摄取之景物在莹幕上的边缘会被遮盖。

2．      MOUNT

目前镜头有C及CSM