《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Introduction of Security Recording and Closed Circuit Television,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：Emily Harwood,“DIGITAL CCTV-A Security Professionals Guide,”Butterworth-Heinemann,Elsevier Inc.,2008Thomas Norman,“Integrated Security Systems Design-Concepts Specifications and Implementation,”Butterworth-Heinemann,Elsevier Inc.,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(Closed Circuit Television;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(cradle head)，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(VCR recorder)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(Digital Video Recorder)。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-lapse VCR)，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(network camera/IP camera)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(Internet browser)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(Video Server)。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(Network Video Recording)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 IP Internet 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(Digital Signal Processor)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(National Television Standards Committee)、歐洲使用的 PAL(Phase Alternating Line)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(Cathode Ray Tube,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(horizontal lines)。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(vertical synchronizing signal)，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(frame rate)，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(gray level),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(synchronizing pulses)，包括每條水平線之間的 horizontal blanking 及每張影像(image)間的 vertical sync，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(composite video signal)。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Composite video 有時稱為 CVBS 信號(Composite Video Blanking and Sync),p13,NTSC 電視信號-4,顯示器如電視機之映像管(picture tube)或 陰極射線管(Cathode Ray Tube;CRT)。跟據合成影像信號(composite video signal)來成影(偏轉線圈 deflection yoke 跟據信號電壓值產生電子束 electron beam 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(cradle head)鏡頭(lens)、變焦鏡頭(varifocal)CCD/CMOS 感光器紅外線攝影機(infrared cameras)夜視光放管(Image Intensifier,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(Video Cassette Recorder;VCR),p15,攝影機鏡頭(Lens),Camera Lens 分成 C-Mount(for larger image sensors)及 CS-Mount(for compact sensors)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(Charged Coupled Device;CCD)與 CMOS(Complementary Metal-Oxide Silicon)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:Automatic Gain Control，自動增益控制S/N:Signal-to-Noise ratio，信號噪聲比OSD:On Screen Display，字幕顯示BLC:Back Light Compensation，背景光補償EAS:Electronic Automatic Shutter，自動電子快門AWB:Automatic White Balance，自動白平衡EL:Electronic Light Control，電子亮度控制ATW:Automatic Tracking White balance，自動跟踪白平衡ALC:Automatic Light Control，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Picture tube 映像管,黑白 CRT,彩色 LCD,彩色 CRT,p20,CCTV Switch/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 x 4=120 frames 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(Duplex Recorder)矩陣式視訊切換器(matrix switcher)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(Digital Signal Processor;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 analog video 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 20,2 3,1,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 0255。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,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 2M bits/second，如 PC 使用硬碟計憶體容量 120G 表示 120G bytes(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(),p27,影像色域 RGB-2,在 digital color 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 1 byte 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 0255)Y=0.299R+0.587G+0.114B U=-0.147R-0.289G+0.436B V=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 CCIR601 YUV(4:2:2)多了 50%(x1.5),p31,解析度(Resolution)-1,影像解析度(image resolution)由畫素(pixel)決定，畫素愈高解析度越高。例如，影像輸出是1600 x 1200 pixels，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(Pixel Per Inch)或 DPI(Dot Per Inch)兩個名詞來表達Video Resolution:常看到的影像解析度有 D1,CIF,QCIF 等D1:Full resolution for TV，可以是704 576 TV PAL 704 480 TV NTSC(480 跟 NTSC TV 525 條掃瞄線不同)720 576 DVD-Video PAL 720 480 DVD-Video NTSC,p32,解析度(Resolution)-2,CIF(Common Intermediate Format)代表以下 Resolution352 288 PAL352 240 NTSCCIF 剛好是 1/4 的 D 1，又稱作 Quarter D1 QCIF(Quarter Common Intermediate Format)Resolution176 144 PAL176 120 NTSCQCIF剛好是 的CIF720i 720p 1080i 1080p 高清晰度電視(High Definition Television;HDTV)使用的 Resolution720 代表 1280 720 1080 代表 1920 1080 i 代表 interlaced p 代表 progressive,p33,影像壓縮技術-1,以 D1 品質 704480 TV NTSC 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 3 bytes=1,013,760 bytes=1.01 MB每秒 30 張影像(image)，等於 30 fps(frame per seconds)則表示攝影機每秒產生約 30 MB，每分鐘產生 1.8 GB。常用表示方式，影像資料量為 240Mbps，其中 bps(bits per second)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 2080 倍，適合靜態畫面的壓縮(Joint Photographic Experts Group)JPEG2000小波編碼(Wavelet)，壓縮畫質高於 JPEGM-JPEGMotion-JPEG，適合動態低 frame rate 畫面的壓縮MPEG1壓縮率約 100 倍，支援 320240(VCD),VHS品質(Motion Pictures Experts Group)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 720480(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 176144 12801024一般而言，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 MPEG4 part 10 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 frame rate。以 CCTV 的應用並不需達到 30 fps(frame per seconds)的必要。常見許多數位 CCTV 為節省影像儲存空間，設定以 3 7 fps 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 5 fps 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-1,數位影像儲存機(Digital Video Recorder;DVR)DVR 取代了過去的 Multiplexer 與 VCRDVR可以接多支類比式攝影機(analog camera)，做分割畫面，影像壓縮儲存(硬碟機)與回放。常見影像及聲音壓縮方式有JPEG，Motion-JPEG 及 比較新的 MPEG-4 或 H.264目前市場上以 4 channels(camera 數)或 16 channels 為主流DVR 主要兩類產品為 Stand-alone(CPU 加上影像壓縮、解壓縮 DSP 晶片)與 PC-based(一般 PC)，在產品特性上各有優缺點系統擴充容易且具彈性，可結合門禁安全等感測器或警報器支援位移偵測(motion detection)、自動郵件通知、簡訊通知內建網頁，透過網際網路 Internet，可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監控(包括影像及感測器讀取與 IO 控制),p38,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(),p39,DVR-3,DVR 設備?()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(motion detection)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？,