数字视频监控系统及其应用.pdf

第 3期 2 0 0 3年 6月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t o ma t i o n NO． 3 J u n ．2 0 0 3 ‘ Ⅲ ’ ’ 。 ’ 。‘ ’ i技 术 交流 - ◆． 1 ◆． _ ◆． _ ． ． ◆ ◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 3 0 0 3 1 0 3 数字视频监控系统及其应用* 刘 富强 ， 卢赤 班 同济大 学 电子 与信 息工 程 学 院 ， 上 海2 0 0 0 9 2 摘 要 介 绍 了视频 监控 的发展 现 状 ， 分析 了模 拟 视 频监 控 的缺 点 ，对 数 字视 频监 控 的 结构 和 特 点进 行 了分析 和 比较 ， 并 讨论 了数 字视 频 监控 的发展 趋 势 。 关键 词 模拟 视频 ；数 字视 频 ； 监 控 系统 中图分 类 号 T P 2 7 7 文 献标 识码 B Di g i t a l Vi d e o M o n i t o r i n g Sy s t e m a n d I t s Ap p l i c a t i o n LI U Fu q i a n g． LU Ch i ba n C o l l e g e o f El e c t r o n I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a Ab s t r a c t Af t e r br i e f e x p l a n a t i o n o f v i d e o mo n i t or i n g s ys t e m ’ S de v e l o p m e nt a nd s h o r t c o mi ng o f a n a l o g v i d e o mo n i t or i n g，t he c o n f i gu r a t i o n of d i g i t a l v i d eo mo n i t o r i ng wa s i n t r o d u c e d i n t hi s p a p e r a s we l l a s c ha r a c t e r i s t i c s a nd d e v e l o pme nt d i r e c t i o n． Ke y wo r d sa n a l o g v i d eo ，d i gi t a l v i d e o，c o nt r o l a n d mo ni t o r i n g s y s t e m 0 引 言 视 频监 控 系统 的发 展 大致 经历 了 3个 阶段 。在 9 0年代初 以前 ， 主要是以模拟设备 为主的闭路电视 监控系统 ， 称为第一代视频监控 系统 模拟视频监控 系统 ； 9 0年代中期 ， 随着计算机处理能力 的提高和 视频技术的发展 ， 人们利用计算机 的高速数据处理 能力进 行 视频 的 采 集 和 处 理 ， 从 而 大 大提 高 了 图象 质量 ， 增 强 了视 频监 控 的功 能 ， 这种 基于 多媒 体计 算 机的系统称为第二代视频监控 系统 模拟 与数字混 合监控系统 ， 或准数字视频监控 系统 。9 0年代末 ， 随着 网络带 宽 、 计 算 机 处 理 能 力 和 存 储 容 量 的 迅 速 提高 ， 以及 各 种实 用视 频信 息 处理 技术 的出现 ， 视 频 监控进 入 了全 数 字 化 的 网 络 时代 ， 称 为 第 三 代 视 频 监控 系统 数 字视 频监 控 系统 。第 三代 视频 监控 系 收 稿 日期 2 0 0 3 0 30 6 *基金项 目 上海市 自然科学基金 资助项 目 0 2 z d 1 4 1 0 5 作者简介 刘富强 1 9 6 5一 ， 教授 ， 1 9 8 7年毕业 于天津大学 电子 工程系 ， 1 9 9 6年在中国矿业大学获博 士学 位 ， 研究方 向 多媒体 信息 处理与传输。已发表论文 6 0多篇 ， 出版 专著 2部， 获 省部级科 技进 步奖 6项 、 国家发明专利 1项 。 统以网络为依托 ， 以数字视频 的压缩 、 传输 、 存储和 播放为核心， 以智能实用的图象分析为特色， 引发 了 视 频 监控 行业 的技 术 革命 。 目前 在 国 内第二 代视 频 监 控 系统 渐渐 占据 主 导 地 位 ， 煤 矿 中视 频 监 控 还 处 于第 一 阶段 ， 并往 第 二 阶段过 渡 ， 所 以本 文重 点 介绍 国 内第 二代 视频 监控 系 统 的构成 。 1模拟 视 频监 控 到 目前为止 ， 模拟视频监控 系统 的技术 已经很 成熟。典型的模拟视频监控系统一般 由图象摄像部 分 、 图象传输部分 一般采用电缆或光缆 、 系统控制 部 分 视频 矩 阵切 换 、 动作 控 制 、 字符 发生 等 和 显示 记录部分组成。但传统的模拟闭路电视监控 系统仍 有其 局 限性 1 通常只适合于小范围的区域监控 。有线模 拟视频信号的传输距离有限 ， 若采用同轴电缆 ， 当传 输距离 大于 1 0 0 0 m 时， 信号容 易产生衰耗 、 畸变、 群延时， 并且易受干扰 ， 使 图象质量下降 。双绞线传 输的距离更短。这就决定了模拟视频监控只适合于 单个大楼 、 小的居民区以及其它小范围的场所 ； 2 布 线 工 程 量 大 ， 系 统 的 扩 展 能 力 差 。对 于 维普资讯 3 2 工矿 自动化 2 0 0 3年 6月 已经 建 好 的系统 ， 如 要 增加 新 的监 控 点 ， 往往 是牵 一 发而动全身， 新的设 备也 很难添加到原有的系统之 中 ； 3 模拟视频监控系统大多采用 录像机作为存 储工具 ， 磁带作为存储介质 ， 这种方法不仅记录信息 量有限 ， 数据的存储会耗 费大量的存储介质 如录像 带 ， 而且磁带易变形 ， 磁头 、 磁带 间磨损 大， 加上采 用模拟信号方式记录读取 ， 失真严重 ， 重放 的音像质 量远不能满足现场 的要求 ， 查询取证十分烦琐 。 2数 字 视频 监控 系统 2． 1 数 字视 频监 控 系统 的概 念 数 字视 频 监 控 系统 是 计 算 机 为 中心 、 数 字 视 频 处理技术 为基 础 ， 利用 图象 数据 压 缩 的 国际标 准 J P E G、 MP E G1 或 MP E G 4 ， 综合利用图象传感器 、 计算机网络 、 自动控制和人工智能等技术 的一种新 型监控系统 ， 其 系统组成 如图 1所示 。数字视频监 控系统将摄像头获得的模拟电视和视频信号转变为 数字视 频 信 号 以便 于 计 算 机 处 理 ， 或 者 由 数 字摄 像 头直接输出数字视频信号 ， 在计算 机显示 器上显示 多路活动图象的同时， 可将 各路信 号分别存储于计 算机的硬盘 内。在实时情况下 ， 每路信号在监视 、 记 录 、 回放 时 都 能 达 到最 大 为 2 5帧 ／ s 的 活 动 图 象 的 效 果 。 图 1 数 字 视 频 监 控 系 统 组 成 示 意 图 数字视频监控系统除 了具有传统闭路电视监视 系统的所有功能外 ， 还具有远程视频传输与 回放 、 自 动异常检测与报警 、 结构化的视频数据存储等功能。 与数 字视 频监 控 系统 相 关 的主要 技 术有 视频 数 据压 缩 、 视频 的分 析 与理 解 、 视频 流 的传 输 与 回放和 视频 数据 的存 储 。视 频 是 在 时 间 上 近 似 连 续 的 图 象 序 列 。在数 字 图象 处 理 中 ， 把 照 片 这类 单 幅 的 图 象称 为静 态 图象 简 称 图象 ， 而 把 电视 图 象这 类 连续 图 象称 为运动 图 象或 视频 。 数字视频信号具有频谱效率高、 抗干扰能力强、 失真少等模拟信号无法 比拟 的特 点 ， 同时也 具有信 号处 理数 据量 大 、 占用 频率 资 源 多的 问题 ， 正是 这 个 原因， 造成数字视频监控系统虽然具有很多的优点， 却迟 迟难 以实 用化 。只有 对数 字视 频 信号 实 现有 效 的 压缩 ， 实 现其 压 缩功 能 的芯 片 成熟 化 ， 并 具 有实 用 性 ， 使之在通信和存储方面的成本与模拟信号基本 相同时， 它的其它优点才能表现出来 ， 数字视频监控 系统才 有 可能 全 面 发展起 来 。在 D TV、 HD T V 巨 大 市场的拉动下 ， 与数字 电视相关 的各 种数字视 频技 术得到了迅速发展 ， 相应 的技术标准 、 各种算法和专 用芯片 、 处理 、 记录和展示图象信号的设备相继制定 和开发完成 。所有这些都促进 了数字视频监控系统 的迅 速 发展 。 2 ． 2数 字视 频监 控 系统 的 结构 和性 能 目前 大部 分 的数 字视 频 监控 系 统还 是通 过 图象 采集卡将模拟摄像头传输过来的模拟视频图象转换 为数字视频图象信号 ， 因此 图象采集卡是数字视频 监控系统中的关键设备 ， 其 质量 和性 能的好坏 直接 影响整个系统的可靠性和稳定性。还可以直接采用 数字摄像机直接传输数字化后并经过压缩编码 的数 字视频 图象流 ， 通过网络将视频流传输到计算机 中。 这 种数 字摄 像 机还 可 以就 地 输 出 控 制 信 号 ， 控 制 云 台解码 器 。计 算 机 是 数 字 视 频 监 控 系 统 的 核 心 ， 配 备有大屏幕显示器、 大容量硬盘和光盘刻录机。 数字视频监控 系统直接输 入模拟视频信号 ， 数 字化后进行图象压缩 ， 然后进行存贮 、 传输及相关控 制处 理 。一 般单 台计 算 机数 字 视频 监控 系统 具 有 以 下 性能 视 频输 入 1 ～1 6路 Vi d e o ； 视 频 制式 P A L、 NT S C； 压 缩 记 录标 准 MP E G1或 MP E G 4 ； 图象 分 辨率 3 5 2 X 2 8 8 ， 7 6 8 X 5 7 6 ； 每 路 图象 帧 数 2 5帧 ／ s ， 最 大显 示 和 压 缩 帧 数 4 0 0帧 , I s ； 预 览 功 能 可 实 现 1 、 4 、 9 、 1 6路 实 时 预 览 ； 字 符 叠 加 可 在 左 上 角 或 右 上角显示用户定义的英文或 中文说明； 录像功能 可 实现 最 大 1 6路 实 时 录 像 ， 可 以 同时 显 示 1 、 22 、 3 X 3、 4 X 4路视频 图象； 图象播放 可 以进行任一路 图象 的 回 放 ， 速 度 可 调 ； 占用 磁 盘 空 间 视 频 6 0 ～ 6 0 0 M ／ 路 h o 2 ． 3数 字视 频监 控 系统 与模 拟视 频监 控 系统 比较 数 字 视频 监控 系统与 模 拟视 频监 控 系统 在性 能 等 各 方面 的 比较 见表 1 。 3数 字 视频 监 控 的发展 趋 势 在许多数字视频设备 中具有 图象识别和特征提 取 的功 能 ， 通 过 图象 分析 实现 远 动探 测和 报 警 、 控 制 维普资讯 第 3期 刘富 强等 数 字视 频监 控 系统 及 其应 用 3 3 表 1 数字视频监控 系统与模拟 视频监 控系统性能 比较 表 相 关 的机 构 ， 使 电视 监 控 更 具 智 能化 。这 些 将 成 为 今后多媒体数字视频监控系统 的主要形式 。 1 图象探 测将 成 为 防人 侵 报警 探 测 的 主要 手 段 ， 报警系统误报率高这一问题将会随之解决 。 2 摄像机将不再是 电视监控系统唯一 的 或 主要 的 信 源 。 由 于 图象 处 理 功 能 和能 力 的提 高 将 促使新的成像技术的出现和实用化 ， 如毫米波成像 、 超声波成像等。 3 数 字输 出摄像 机 的 出现 将 产 生真 正 的 数字 视频监控系统。以采集信息为 目的的电视监控系统 实现真正的数字化还有一个过程 ， 但这是必然的趋 势。数字电视监控 系统将是完 全实 时的、 载有极丰 富信息 、 具 有多 种 功能 的 系统 。 4 电视 监 控 将 与 网 络 结 合 起 来 ， 成 为 一 种 开 放 的 、 可 自由生成 的 系 统 。 电视 数 字 化 解 决 了数 据 压缩的问题 ， 使之便于通信 ， 可以利用各种公共信息 网络 电话 网、 综合数据网 、 有线 电视 网 来传送 ， 这 就使 电视 监控 系统 成 为 一 种 可 以无 所 不 到 的 、 开放 的 、 可以根据要求 自动生成的系统。为其应用展 开 了极其广阔的前景。 参考文献 [ 1 ] 刘富强 ， 钱建生 ， 曹国清 ． 多媒 体 图象 技术及 应用 [ M] ． 北京 人 民邮电 出版社 ， 2 0 0 0 ． 1 0 ． [ 2 ] 张海 亮 ． 浅议 电视 信 号 的 数 字 化 与码 率 压 缩 [ D K] ． ht t p． ／ ／www． a nf a n g． ne t ． c n． [ 3 ] 周 纯 乔． 视 频 监控 系统 的 现 状 与 发 展 [ DK] ． h t t p ／ ／ www． a n f a ng． n e t ． c n [ 4 ] 李波 ． 数字视频监 控系统 多一双 眼睛看世 界[ DK] ． ht t p ／／ www ． a nf a n g． ne t ． c n． 维普资讯