电视监控系统基本结构

电视监控系统基本结构

系统组成：摄像传输控制显示（记录）

系统功能：

摄像部分是安装在现场的，它包括摄像机、镜头、防护罩、支架和电动云台，它的任务是对被摄体进行摄像并将其转换成电信号。

传输部分的任务是把现场摄像机发出的电信号传送到控制中心，它一般包括线缆、调制与解调设备、线路驱动设备等。

显示与记录部分把从现场传来的电信号转换成图像在监视设备上显示，如果有必要，就用录像机录下来，所以它包含的主要设备是监视器和录像机。

控制部分则负责所有设备的控制与图像信号的处理。

系统规模：

小型电视监控系统一般摄像机数量＜10个。中型电视监控系统一般摄像机数量在10～100个范围内。监控系统可根据管理需要设置若干级管理的控制键盘及相应的监视器。大型电视监控系统

一般摄像机数量＞100个，它是将中型监控系统联网组合而成的，系统设总控制器和分控制器进行监控管理。

电视监控系统设备摄像机传输电缆控制设备显示终端录像机

1.摄像机根据摄像机的性能、功能、使用环境、结构颜色等有以下分类。

(1)按性能分类

①普通摄像机：工作于室内正常照明或室外白天。

②暗光摄像机：工作于室内无正常照明的环境里。

③微光摄像机：工作于室外月光或星光下。

④红外摄像机：工作于室内、外无照明的场所。

2)按功能分类

①视频报警摄像机：在监视范围内如有目标在移动时，就能向控制器发出报警信号。

②广角摄像机：用于监视大范围的场所。

③针**振摄像机：用于隐辟监视局部范围。

(3)按使用环境分类

①室内摄像机：摄像机外部无防护装置，使用环境有要求。

②室外摄像机：在摄像机外安装防护罩。内设降温风扇、遮阳罩、加热器、雨刷等。适应室外温、湿度等环境的变化。

(4)按结构组成分类

①固定式摄像机：监视固定目标。

②可旋转式：带旋转云台摄像机，可做上、下、左、右、旋转。

③球形摄像机：可做360°水平旋转，90°垂直旋转，预置旋转位置。

④半球形摄像机：吸顶安装，可做上、下、左、右旋转。

(5)按图像颜色分类

①黑白摄像机：灵敏度和清晰度高，但不能显示图像颜色。

②彩色摄像机：能显示图像颜色，灵敏度和清晰度在同种情况下比黑白摄像机低。

2.传输电缆

(1)同轴电缆用于传输短距离的视频信号，当传输黑白视频信号时，在5.5ＭＨz点不平坦度＞6ｄＢ时，需加均衡放大器。

(2)光缆当需要长距离传输视频及控制信号时，采用光缆传输。传输距离在几十公里内无需加中继器。

3.控制设备

(1)视频切换器具有画面切换输出，固定画面输出等功能。

(2)多画面分割控制器具有顺序切换、画中画、多画面输出显示回放影像，互联的摄像机报警显示，点触式暂停画面，报警记录回放，时间、日期、标题显示等功能。

(3)矩阵切换系统

①分区控制功能：对键盘、监视器、摄像机进行授权。·键盘到监视器：设定哪些键盘可以控制哪些监视器。·监视器到摄像机的分区：设定哪些监视器可显示哪些摄像机的图像。·键盘

到摄像机的分区：设定哪些键盘可调用哪些摄像机的图像。·键盘到摄像机控制的分区：设定哪些键盘可控制哪些摄像机的动作。

②分组同步切换。将系统中全部或部分摄像机分成若干组，每一组摄像机可以同步地切换到一组监视器上。

③任意切换。是指摄像机的任意组合，而且任一台摄像机画面的显示时间独立可调，同一台摄像机的画面可以多次出现在同一组切换中，随时将任意一组切换调到任意一台监视器上。

④任意切换定时自动启动。任意一组万能切换可编程在任意一台监视器上定时自动执行。

⑤报警自动切换。具有报警信号输入接口和输出接口，当系统收到报警信号时将自动切换到报警画面及启动录像机设备，并将报警状态输出到指定的监视器上。

⑥报警状态自动输出系统。可将报警状态自动输出到打印机和监视器上。

⑦报警处理。报警显示：·时序显示方式：时序显示多个报警点，每一点的显示时间独立可调。·固定显示方式：显示第一个报警点，直到确认为止。·双监视显示方式：多个报警点分组时序显示在一组监视器上。·报警复位：具有手动复位、延时自动复位、报警信号消失自动复位。

⑧多个控制键盘输入接口。

⑨ＲＳ-485输出接口及控制输出接口。

(4)其它控制

①电动变焦镜头的控制。变焦镜头是在固定成像面的情况下能够连续调整焦距的镜头，它与电动旋转云台组合可以对相当广阔的范围进行监视，而且还可以对该范围内任意部分进行特写。对它的控制就是变焦、聚焦和光圈三种功能，每种有长短、远近或开闭两种控制，总计六种控制。

②云台的控制。电动旋转云台需要左右和上下四种控制，有些云台还有自动巡视功能，所以要增加云台自动控制。

③切换设备的控制。切换的控制一般要求和云台、镜头的控制同步，即切换到哪一路图像，就控制哪一路的设备。电视监控系统还有许多高级的控制。比如现在一些把云台、变焦镜头和摄像机封装在一起的一体化摄像机，它们配有高级的伺服系统，云台可以有很高的旋转速度，还可以预置监视点和巡视路径，这样，平时可以按设定的路线进行自动巡视，一旦发生报警，就能很快地对准报警点，进行定点的监视和录像。一台摄像机可以起到几个摄像机的作用。

4.显示终端及录像机

(1)显示终端(监示器)前端摄像机传送到终端的视频信号由监视器再现为图像。按功能的不同可分为图像监视器和电视监视器。

①图像监视器。它与电视接收机相比不含高频调谐、中频放大、检波、音频放大等电路。其特点是：视频带宽可达7～8ＭＨz，水平清晰度达500～600线以上。显像管框内的画面在水平和垂直方向的大小可以自由调整，以便于对图像的全部画面进行检查。

②电视监视器。这种监视器兼有图像监视器和电视接收机的功能。其特点是：可作为录像机的监视接收机，将广播电视信号转换为视频信号，在屏幕显示的同时送往录像机进行录像。作为录像机的录像信号重放时的图像显示设备。可以输入摄像机直接传送来的视频信号和音频信号，进行监视和**，并同时送往记录设备录音、录像。

(2)录像机录像机的工作原理是通过磁头与涂有强磁性材料的

磁带之间的作用，把视频和音频信号用磁信息方式记录在磁带上，并可将磁带上的磁信息还原为音视频电信号。电视监视系统中一般都采用长时间录像机，它除了以标准速度进行记录和重放之外，还具有下述功能：

①以标准速度记录的图像可以用慢速度或静像方式进行重放。

②以长时间记录的图像可以用快速或静像方式重放。

DVR的基本分类

DVR在发展初期由于百家争鸣、种类繁多，让业内相关人士颇有「眼花撩乱」之感，在经过一段时间的变化后，各种型态的分类也大致成形。根据台湾工业技术研究院光电工业研究所《光电产业发展剖析》报告中，大致将所有的DVR分成三个类别：

一．数字STB类型

STB指的是Set-top Box（一般译成：数字卫星接收器、机顶盒、电视上网机、随选视讯盒等，由于译名分歧，故在此以STB统称之）。数字STB类型的DVR在性质上属于功能整合性的讯号接收平台，以提供数字录像功能与接收数字广播及互动应用的讯号为主，可选择接收数字无线地面传播（Digital Terrestrial）、数字有线电视传播（Di gital Cable）、数字卫星传播（Digital Satellite）等不同种类的传播讯号。

二．PC-based类型

PC-based类型的DVR其应用平台为一般的PC、手提电脑等。在P C内装置一片或多片影像撷取卡，利用软件进行影像压缩并执行影像编辑功能，系统较不稳定。

三．单机（Standalone）类型

单机型的DVR乃重新利用CPU及RAM来开发设计，采用专属的软

件程序，研发成本较高。采用硬件压缩，品质稳定，不会有死机的问题产生，且在影像储存速度、分辨率及影像画质上都有较大的改善。这类型的产品只单纯提供数字录放影功能，而不附加其它如广播讯号接收、上网际网络等功能。由于应用在安全监视领域的产品多属于上述的第2类及第3类，因此本文将仅就这两个类型做探讨。PC-bas ed类型与单机类型系统孰优孰劣的争议，到目前为止仍无法下定论。目前虽以PC-based的DVR占市场多数，但据观察，两种类型的产品将各自产生市场区隔。1995年即投入DVR领域发展的日本Ikega mi公司，其海外部经理Yasuhiko Saito就指出：「DVR市场将朝向两个不同方向发展，一方面，由于RTOS(Real time Operation Sys tem，实时操作系统)在运作时的可靠性，预料会有很大的发展；但另一方面，对强调可联网工作的DVR产品，Windows操作系统则因为操作简单而将成为另一种主流」。

DVR的技术目前仍不断在发展中，而其中的关键技术在于操作系统及影像压缩技术。

一．操作系统

1. 以Windows为操作接口

对于以PC为主要架构的DVR来说，Windows平台以其使用简单、应用普遍等特点而名列各种操作系统名单的榜首。韩国3R集团总裁Sung-Ik Chang表示：「目前大多数DVR及其相关产品的厂商都采用基于Windows的操作系统；尤其在美国这样的大市场，用户为了日后维护方便，多倾向于使用基于Windows的DVR产品」。韩国D igital Logic公司海外市场部经理Jonathan Kim也说：「我们认为W indows操作系统是最适合DVR系列产品的。因为Windows是目前

较通用的操作系统，因此具备较高的支持性，不论任何地方Window s都可以支持大部分相关产品」。

此外，Windows在软件升级方面，也强于其它操作系统。由于近年来IT产业与安防产业密切相关，因此当数字技术在IT产业日进万里的同时，相关技术发展势必影响安全产业。Windows之所以会被众多厂商所爱用，乃是因为它具有强大的可升级性。厂商认为，由于D VR系统不可能长期停留在固定水平，因此可升级性势必成为系统发展的关键点。如果考量汰旧成本，一旦用户对于既有系统产生更高的要求或者原有的系统暴露出一些缺陷，大部分的用户不太可能去买一套全新的系统来替换，如此一来，产品的升级就成为首要的解决方案。尽管供货商认为，系统的稳定性取决于用户的实际操作方式，然而，Windows操作系统本身的不稳定性，仍令使用者相当质疑。有厂商就表示，如果只单纯使用监控系统，Windows 98系统相当稳定；但如果在Windows平台上同时运行别的程序，系统不稳定、甚至死机就无可避免。

2. 以Linux为操作接口

IT业界中Windows和Linux操作平台的激烈竞争也延烧到安防产业。Linux是一种可多人使用的作业环境，可让多位使用者在同一时间内同时使用计算机主机的资源。Linux提供完整的多人(Multiuser)、多任务(Multitasking)及多行程(Multiprocessing)环境，可由网络上下载使用。由于其原始程序代码（Source Code）是公开的，因此可以任意开发、修改，故Linux的使用者并不须烦恼缺乏需要的应用程序，加速了研发的速度，且系统本身以及大部分的应用程序是免费的，让开发者省下大笔的研发费用。此外，对硬件需求较低的Linux，可令

使用者节省更多的硬件成本投入，整体产品成本随之降低。随着网际网络的盛行，全球使用Linux的人愈来愈多，也吸引了无数的开发人员投入改良核心、发展应用软件以及硬件周边驱动程序的行列，使L inux功能和完整性日益扩大，成为各方注目焦点。

此外，Linux是以网络环境为基础的操作系统，具有完整的网络功能，使用者可以在Linux下以单机连上Internet，也可架设局域网络（LA N）；还可以以Linux架设各种Server，提供在Internet以及Intran et的邮件、FTP、Web...各种服务。在这样的趋势之下，Linux成为DVR制造商跃跃欲试的操作系统。有些供货商甚至表示Linux比Wi ndows更适合应用在DVR上。韩国Eastern Info-Com公司海外市场部协理Hyoksang Kwon即表示：「由于Windows较不稳定，且价格颇高，相形之下，Linux看起来是最有发展潜力的主流操作系统」。实际上，现在就下「Linux作为DVR的操作系统会优于Windows」这样的结论仍嫌太早。据其它制造商反应，Linux在兼容性方面仍存在着一些问题，如打印机支持、Internet联接等方面，都不如Windo ws。此外，对于已习惯使用Windows应用程序的使用者而言，刚开始会不适应Linux的作业方式；而针对Linux可读取Windows的档案，但目前Linux仍有无法让Windows系统读取档案的缺点，加上Linux为后来崛起之操作系统，故在目前维护人员并非十分充足的情形下，许多使用厂商在选择使用Linux系统时也会有一定的心理障碍。

3. 以RTOS为操作接口

对于单机型或非PC-based的DVR来说，RTOS（Real Time Oper ation System）是最佳的操作系统，目前市面上这种类型的供货商以韩国和日本为主。许多韩国厂商如3R、Korea Computer Technolo

gies、Kodicom、Artinix等认为，单机型DVR具有高经济效益、稳定性高及与既有的安防控制器有高兼容性等特点，因此在前一阵子都陆续推出了单机型的DVR。对于日本厂商而言，会致力于发展单机型DVR主要是基于对图像清晰度的考量，目前，大多数PC-based DVR的图像品质都不如单机型的DVR。

然而，单机型DVR目前面临的最大挑战在于联网功能。在联网工作普及的今天，已有越来越多的用户使用网络，韩国Digital Logic公司的Jonathan Kim即表示：「当我们谈论单机型DVR时，经常遗漏掉网络化的远程控制部分。但DVR系统如果不能和网络衔接，坦白说，那就不能称为DVR系统」。部份西方的制造商也有相同的观点，例如美国、德国、英国以及其它北欧国家，已经将网络功能视为是数字CCTV产品的关键。英国Dedicated Micros执行总经理Mik e Fawcett举例说明：「英国的化工、制药厂采用了具备网络功能的DVR设备，除了节省大量人力的开销外，更可以在任何地方监看工作人员和生产线状况，因此节省不少成本」。可联网的特性让用户可以透过LAN/WAN、Internet等网络进行远程监看。这个特性已被预测成为将来CCTV市场的主流。为了让产品具备联网功能，单机型D VR制造商陷入「价格vs.功能」的两难局面。韩国Korea Compute r Technology公司总经理Y. H. Min指出：「为了让DVR具备联网功能，我们必须在单机型DVR中添加某些芯片。为此，我们必须增加投资金额及成本，在价格竞争日益剧烈的情况下，成本的增加对我们相当不利」。

二．压缩技术

现阶段DVR所采用的压缩技术以JPEG、MPEG1、MPEG2为主。严格说起来，这些压缩技术都未必能完全符合长时间录像的需求。

1. JPEG

JPEG的压缩倍数为20~80倍，适合静态画面的压缩，分辨率没有选择的余地。以往的JPEG压缩技术是直接处理整个画面，所以要等到整个压缩档案传输完成才开始进行解压缩成影像画面，而这样的方式造成传输一个高解析画面时须耗时数十秒甚至数分钟。而新一代的JPEG是采取渐层式技术，先传输低解析的图档，然后再补送细部之资料，使画面品质改善。这种方式所需的时间虽然与原先的方式一样，但由于可以先看到画面，所以使用者会觉得这种方式较好。

2. MPEG1及MPEG2

而MPEG1、MPEG2在影像移动不大的情况下其压缩倍数约为100倍（一般VCD、DVD约为35倍），若从VCD、DVD的规格来看，MPEG1的分辨率为320 ×240（或以下），MPEG2则通常为720 ×480。MPEG1、MPEG2是传送一张张不同动作的局部画面。

3. MPEG4

至于压缩倍数为450倍(静态图像可达800倍)，分辨率输入可从320×240到1280 ×1024的MPEG4，则是专为移动通信设备(例如移动电话)在英特网实时传输音/视频讯号而制定的最新MPEG标准。MP

EG4和MPEG以往的版本相比，最大不同之处在于MPEG4使用「图层」(layer)方式，能够智能化选择影像的不同之处，在压缩下个别编辑画面，使图文件容量大幅缩减，而加速音/视频的传输。有人认为MPEG4的出现，对于DVR厂商而言无疑是一大福音，然而也有厂商认为，MPEG4规格虽已定出，但实际应用于DVR的技术上却尚未成熟，现阶段无论以软、硬件来实现都有待突破（详情《技术篇─MPEG4压缩技术于DVR的应用》一文）。

对于哪种压缩方式较适用于DVR产品的看法，厂商的意见相当分歧。韩国3R公司的Sung-IK Chang具体指出：「大体来说，压缩技术采用两种方法，一种是intraframe，另一种是Interframe。Interfram e可区分每幅影像的差异，并只传送影像不同的部分，H.263和MP EG是这种格式的代表。而Intraframe方式则把一个动画分解成若干个固定的画面一幅一幅的传输，以Wavelet 和Motion JPEG为此方式的代表。从传输效率考量，Interframe在性能上要远远优于Intrafr ame；而且，Interframe技术在画面变动较小情况下，能提供相当不错的画质」。然而，安全产品的用户必须考虑到图象画质的问题，在这一点上MPEG较Wavelet和JPEG要逊色。Digital Logic公司的Jonathan Kim就表示：「我们承认MPEG4在视频压缩方面比较优秀，但MPEG系列皆存在着图象干扰和画面扭曲失真的情况。如果用户想购买存储量大的DVR，他可以考虑MPEG压缩格式；但如果用户希望能有良好的画质，则应该考虑其它的压缩方式；至于那种方式好，则取决于客户需求」。Eastern Info-com公司的Hyoksang认为：「图象清晰度，和图象的压缩率、CPU以及其它相关硬件的负载是成反比的，由于MPEG4具有极高的压缩率，因此导致图象的不

清晰，要达到安防产业对于图象要求的标准，还有很大的改进空间」。DM公司的执行总裁Mike Fawcett进一步指出：「对于静止的画面，不论用JPEG方式压缩还是MPEG方式压缩，传输的速度都是一样的。然而，如果物体是呈现运动状态，则MPEG格式不会立即反应传输，这是因为MPEG格式传输的速度较慢，或者监控中的场景容易出现干扰」。他认为，JPEG压缩技术不论在图象画质还是在传输速度上，都更加适合安防产业。他说：「我认为JPEG的品质较好，较具有竞争力，也较安全」。随着DVR技术的不断发展、存储容量逐步扩大，用户会对画质的要求必然越来越高。英国Visionfactory

董事长David Beanland表示：「尽管JPEG和Wavelet格式的图象需要占用较大的存储空间，但这种压缩技术在DVR产业仍然是主流。毫无疑问地，DVR的存储容量会逐步扩展，存储容量达200GB以上的DVR最慢会在2、3年后出现于市面上。一旦容量问题得到解决，使用者便会将焦点放在图象的画质，而MPEG压缩技术方式将会被淘汰」。Beanland也同时质疑MPEG压缩技术录制的图象是否能作为可靠的法庭证据，目前在欧美市场还值得商榷。现任职于飞利浦公司，具有14年经验的Alan Everid则认为对于DVR产品而言，Wa velet是最好的压缩方式。主要原因在于Wavelet移除了图象的高频成分(high frequency components)，仅保留单帧图象信号。这个特点，特别适用于画面变更频繁的场合，例如多画面分时显示。不过，Wavelet虽然符合安防产业的图象要求，但在考量联网与否的因素下，读者需注意Wavelet并非现行的IT网络所普遍支持的格式，所以在联网的使用上会有所限制。