多媒体视频监控系统.ppt

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1、第5章 多媒体视频监控系统 本章将对多媒体视频监控系统的架构、原理及其维护方法进行分析，并介绍其维护与日常故障的处理方法。5.1 数字视频编码标准 图像压缩编码标准主要有ITUR601,MJPEG,MPEG,H.263,H.264等几种。1ITUR601标准标准 ITUR601国际电传视讯联盟标准在视频信号的数字化进程中起重要作用 该标准采用分量编码，其中，亮度信号Y的采样频率为13.5 MHz，为525/60和625/50两系列三大现行电视制式行频公倍数（2.25 MHz）的6倍，而色度信号的采样频率则是亮度信号采样频率的一半，即RY和BY的采样频率都取为6.75 MHz（因人类视觉对彩色分

2、辨率不敏感）。无论对哪种制式，每行的样值数都为720个，两个色差信号的样值数则各为360个，由此形成 了 720360360的 采 样 结 构，简 记 作422格式。由于图像处理技术的发展，对数字视频存储的需求越小越好，因而在近几年中，某些新型录像机又提出了采用420与411两种采样格式，用以进一步降低数字视频码率。v由于420的采样结构是对色差信号进行轮换采样，相当于降低了信号的时间分辨率，因此虽在水平方向上每两个亮度样点对应一个Cr/Cb 样点，但在垂直方向上则是每两个Y样点含一行Cr/Cb 样点。而411的采样格式，是将对色差信号的采样频率进一步降低到亮度信号采样频率的1/4，相当于进一

3、步降低了色度信号的空间分辨率。在每个有效行内有720个亮度样点，只有180个色差样点。2MJPEG标准 作为运动静止图像压缩技术，MJPEG是较早使用的一种图像压缩编码标准，它将运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，可单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，进行精确到帧的编辑。但MJPEG只对帧内空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。3MPEG标准 vMPEG标准是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音/视频信号及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。MP4作为目前最新的数字视频标准之一（另外一种是H.264标准），也逐渐成为多媒体视频监控系统采用的主

4、流数字视频标准。MPEG1MPEG2MPEG4标准确定时间/年199219951999最大图像输出35228819201152720576默认图像输（PAL）352288720576720576最大音频取样/kHz489696最大音频声道288最大数据率/Mbps380510常用数据率1.38 Mb/s6.5 Mb/s880 kbps图像质量满意度一般非常好好编码硬件要求低高非常高解码硬件要求非常低一般高4H.263标准 vH.263是ITUT提出的作为H.324终端使用的视频编/解码建议。H.263经过不断的完善和多次的升级已经日臻成熟，如今已经大部分代替了H.261，而且由于其能在低带宽上

5、传输高质量的视频流而日益受到欢迎。5H.264标准 vH.264是ITUT的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组开发的一个新的数字视频编码标准，实际上是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。v在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50%左右的码率，在性能方面比目前根据MPEG4实现的视频格式提高33%左右，即H.264拥有更快的码速，其压缩速度与传输图像、声音及数据的速度更快，更适应多媒体视频监控系统对多媒体信息进行快速、高效处理的需要。v作为最新的图像视频压缩标准，H.264拥有高压缩效率、高质量的编码效果，还具有自适应延时约束与容错功能。vH.264支持分层设计，

6、支持高精度、多模式运动估计，支持基于44块的整数变换；支持统一的视频编码层（VCL），支持帧内预测，支持面向IP和无线环境。vH.264从设计上把视频的编码与传输分开，采用网络友好的结构和语法，形成视频编码层（VCL）与网络提取层（NAL）。其中，前者提供核心的高质量视频压缩，后者针对具体的网络传输环境把压缩数据进行环境封装，这样更利于封装打包和信息优先级控制，提高了其对不同网络的适应能力，这也是基于网络的视频监控系统将H.264标准作为其视频压缩标准的首选原因。5.2 多媒体监控系统 v 1物理结构v v多媒体监控系统是多媒体计算机与视频监控系统相结合的产物。按多媒体计算机与监控系统的融合程

7、度的高低，分为简单的多媒体监控系统和标准的多媒体监控系统。此分法也间接地反映了多媒体监控系统的发展过程：由早期简单的、传统监控系统主机外挂多媒体计算机到将多媒体计算机融入监控系统，使其形成一个统一的系统。2多媒体技术应用v多媒体监控系统的应用有两种形式。v（1）第一种形式v视频监控系统经过与多媒体计算机配合，由计算机操作平台开发出图形用户界面（GUI）。该系统为用户提供一个形象化的人机交互界面，还可在计算机操作平台上将视频监控与其他技术系统的各种不同的数据处理和控制功能进行集成。其结构为网络化分布式，即所谓前端控制功能（主要是图像信号的分配、切换和前端设备的控制）。v（2）第二种形式v直接输入

8、模拟视频信号，数字化后进行图像压缩，然后进行存储、传输及相关的处理，即所谓中心端处理。其实质为数字视频记录（DVR）和远程监控设备。DVR具有图像识别与特征提取能力，通过图像分析实现运动物体的探测和报警；控制相关的机构，使视频监控更智能化。这种形式是以图像的中心端处理为主的形式。v以上形式正在逐渐融合，将成为未来视频监控系统控制器的主要工作模式。5.2.1 外挂多媒体监控系统 v计算机中增加一块图像采集卡和声卡，图像采集卡和声卡可分别接受由视、音频矩阵切换主机第一路输出端口传来的视/音频信号，采用画中画形式在屏幕上显示视频画面，并通过与声卡连接的外接式音箱放出监听的声音。这样，通过操作鼠标，就

9、可以在计算机屏幕上打开视频窗口，通过选择摄像机通道号再单击控制按钮，就可以对照视频窗口，对远端摄像机的云台及电动镜头进行全方位控制。但整个系统的前端解码器仍是通过RS485总线与系统主控制器直接连接。5.2.2 标准多媒体监控系统 v1标准多媒体监控系统的结构v标准多媒体监控系统采用模块式结构，包括主机和前端解码器。其主机部分由视频矩阵切换卡、音频矩阵切换卡、通信控制卡、图像采集卡、声卡、网络通信卡及内置式调制解调器（又称Modem卡）等构成，并统一装置在工控机的机箱里。各功能模块间建立了必要的内在联系，故各功能模块间的冲突得以消除，所以系统的集成度、稳定性都有很大的提高，功能也更加完善。现在

10、的标准多媒体监控系统，在控制方式上采用的是包含数字压缩图像传输的TCP/IP网络分控（1）视频矩阵切换卡 v其基本功能与普通视频矩阵切换器相同，也由多路模拟开关集成电路构成，可将任一输入端口的视频信号切到任一视频输出端口，实现了视频的分配及切换放大。由于该卡要实现对多路信号的切换，而插卡后面板的有限面积上不能提供过多的视频输入/输出接口，因此，该插卡的后面板上只有一个多针脚的“female”型D型连接器，并由外接的“male”型D型连接器引出多根视频电缆并配接视频BNC座。每个视频矩阵切换卡各配有这种具有16个视频输入/输出接口的视频BNC座。v与普通视频切换器不同的是，视频矩阵切换卡具有计算

11、机ISA总线接口并直接接受计算机指令的控制，其控制速度达到了107 s。v此外，视频矩阵切换卡上的电路部分采用视频差分放大，使视频干扰降低到一定程度。标准视频矩阵切换卡含有1616视频矩阵和扩展接口，小型系统也可选用44或88的矩阵卡。切换卡之间简单的并联或跳线设置，可方便地扩展视频输入/输出路数，还不会影响扩展后切换开关的控制速度。（2）音频矩阵切换卡 音频矩阵切换卡的结构和功能 音频矩阵切换卡的结构与视频矩阵切换卡基本相同，能完成音频信号的分配与切换放大，还能一直确保与对应的视频图像进行同步切换。音频矩阵切换卡的设置 原则上，网络分控有多少路声音就需设置多少块声卡，也有的利用其左、右声道各

12、传送一路音频信号，从而使声卡的数量减少了50%。然而在实际工程中，有的监视点只观察图像，有的监视点只监听声音，所以系统中摄像机的数量与监听头的数量并不要求完全一致，需结合实情相应设置。（4）通信控制卡的功能 v通信控制卡提供RS485通信接口，同时也是ISA总线插卡，主要用于与前端解码器进行半双工通信。RS485通信的传输方式为平衡差分输入/输出，其通信速度与抗干扰性均较高。RS485在总线上只用于控制指令的传输，所以其对线路没有太高的要求。v此外，通信卡上还设有硬件发送和接收缓冲区，提高了通信线路中数据的可靠性。（5）图像采集卡的功能 v图像采集卡接收视频矩阵切换卡输出的视频信号，并实时对其

13、数字化处理，再交由计算机后期处理。这样，通过软件就可以实现对视频图像的显示、静态存储、实时捕捉和报警等功能。在系统中，把切换卡的输出交由视频卡处理，使其拥有对每路视频输入的图像激活、显示、存储、捕捉和视频报警等能力。v摄像机的图像可经视频采集卡在显示器上开窗显示，还能省去传统的监视器。此外，一台计算机可以插入多块图像采集卡，因而可以同时对多路图像进行采集处理，使系统拥有多画面同屏实时显示的能力。（6）声卡的功能与应用 v 声卡的功能v声卡的功能是指对声音信号的采集与输出。在多媒体监控系统的主机上，声卡的采集功能与图像采集卡的功能基本相同，即接受从音频矩阵切换卡输出的音频信号，然而，它却多出一个

14、输出功能来。声卡用于接收音频矩阵切换器输出的来自摄像机现场的声音信号，并经过外接的扬声器发出音响。v 声卡的应用v实际应用时，声卡的线路输出信号可作为另一块音频矩阵切换卡的输入源，以实现双向对讲功能。由于新型多媒体系统主机支持多块声卡并行工作，故可实现多路声音信号的网上传输。因此，利用声卡的线路输出并与音频矩阵切换卡配合，即拥有主控与前端、主控与分控、前端与分控的多路交叉、双向对讲的功能。（7）解码器 v解码器属于前端设备，但与多媒体系统主机连接的解码器比传统矩阵解码器具有较多的功能，因此它也是最小单元的系统。解码器主要包括8路报警、6路无源触点、3路220 V有源触点可控开关、8选1控制模拟

15、数据通路和1路RS485通信接口及云台镜头控制接口。实现这些功能的核心是单片机电路，用单片机进行编、解码操作。解码器中还装有小型监控程序，一旦发生报警，会自动产生相关动作，启动本地报警连动装置，并将报警信息编码后经RS485总线传回到控制中心。通过跳线的不同接法，解码器的6路无源触点可以选择接入12 V,6 V,3 V等不同的电压或不接入电压。因此，解码器的6路输出接口既可以输出不同的电压，又可以作为无源开关使用。v解码器的报警接口为模拟接口，通过8位A/D转换器接入单片机系统。因而单片机可以辨别出接口的256种变化量。对于普通的报警控头，采用三线制能够有效辨别报警控头的电源线，地线，数据线的

16、断路、短路和数据线上的报警状态。对于温度探测器、压力探测器等模拟量输出型探测器，可以识别出各种温度、湿度、压力等的变化，从而实现对环境因素的监视和控制，为今后的功能扩展奠定坚实的物质基础。2基于网络的多媒体分控 v通过硬件接口及软件设置，多媒体视频监控系统可适用于多种网络环境。在以太网环境下，通过TCP/IP通信协议即可实现网络多级分控，网络上的任何授权客户端都可以通过系统主机来调看任意监视现场的图像，并向前端解码器发布指令，对云台镜头进行控制。多个监视现场的图像可以在同一网络分控端的屏幕上同时显示出来。v通过软件设置，多媒体视频监控系统还具有多种与外设的通信方式及接口，以快速方便地实现不同的

17、通信控制要求，如通过RS485或RS232通信及控制。当然，如果本系统的多媒体计算机没有联网，通过RS485总线仍可实现分控功能。3标准多媒体监控系统的结构特点 v标准多媒体监控系统，采用以分布式结构、高性能多媒体工控机为核心的中心控制设备，完全代替了传统视频监控系统的中心控制端设备。和外挂多媒体监控系统相比，它有两个特点：v 具有友好的人机交互界面；v 具有基于网络的多级分控能力，每一级都有自我管理和控制的功能，并可受上一级的控制。5.3 多媒体监控系统软件 v多媒体监控系统是软件、硬件结合的统一体。从理论上讲，在保证硬件系统物理连接的基础上，通过正确的软件设置，它拥有以下功能。1控制软件的

18、功能 v（1）基本记录功能v多媒体监控系统所监视的图像、声音、报警数据都能实时、有效地记录在计算机的硬盘上，供将来以多种检索方式来检索事件发生的时间、地点及内容，并且有清晰的图像与可辨的声音。v此外，多媒体监控系统还提供完整的值班记录、布（撤）防记录、报警记录、动（静）态视频图像记录，并可由系统的打印机打印成书面资料，为管理者在将来处理事件时提供多方面、第一手的信息。（2）分级授权控制功能 v为防止系统被非法使用，提高系统的安全保密性能，多媒体监控系统对安装者、系统管理员及各级操作员可分别授予不同的权限，进行分权限控制与管理。其授权安装者可以使用系统软件对整个系统进行任意设置，如安排各监控区域

19、图层，布置摄像机、报警器的位置，以及对整个系统的初始化设置等。其编程窗口拥有非常强的系统编程设置能力，可把本机设置为系统的主控制器或某个级别的分控制器，设置警卫联动、分控制器的控制范围、系统规模、系统运行的特性参数等。（3）电子地图功能 v 双击监听器图标则自动切换到该监听器所处位置的画面，还能监听监听器拾取的现场声音；v 双击报警器图标则能够反映该报警器的当前状态，并同时弹出关联的图像，形象直观，操作简便；v 双击摄像机图标，就自动切换到该图标对应摄像机的视频图像。v该软件还可生成电子地图，又称监控区域图，用来显示被监控区域的地形全貌和现场摄像机、监听器、报警器的图标，并使系统的布局更加合理

20、、直观，最大限度地避免疏漏。电子地图最主要的优势还在于操作者利用鼠标能任意选择需要监控的对象。（4）实时多画面显示功能 多媒体监控系统在显示器屏幕上可同时打开16个视频窗口，并在每个窗口叠加上汉字标识。在屏幕的右侧有一排输入编号按钮，可选择分割画面中的视频编号。单击任意一个视频窗口，便打开该视频窗口，若双击该窗口，该窗口便放大为满屏显示。系统定时切换的时间间隔可任意设定。当选定的视频信号源少于16路时，整个屏幕还能软分割，使选定的所有画面整齐叠放而满屏；当输入的视频信号源多于16路时，还能多屏显示。（5）视/音频信号动态录制功能 v多媒体控制软件还拥有视/音频信号动态录制功能。报警发生时，系统

21、便可自动录制自定时间长短的录像至硬盘，图像大小可达325288像素，速率可达25帧/秒。每段录像均拥有对应的文件名与时间信息，所以在将来需要时，可按照对应的录像文件名与时间信息调阅当时的音像资料。（6）视频报警功能 v 传统报警功能v为满足用户对安全防护的需求，多媒体控制软件一般都具有视频报警功能。当设定区域内的画面内容发生变化时，可自动触发报警器报警，摄像机自动切换到该报警现场，摄取现场图像内容，并传输至中心控制端的监视器上，同时启动24 h录像机或DVR等设备记录事件发生时现场的图像、声音及时间数据等多媒体信息。v 报警前录像功能v此外，为更进一步了解突发事件的“前因后果”，需要系统最好能

22、提供突发事件前段时间的多媒体信息（主要是图像与时间信息）。对此，最新的多媒体监控软件还能提供报警前录像功能，即在系统发生报警后，能将报警前段时间的图像“记录在案”。实际上是把报警发生前十几分钟的图像进行缓存（暂存于大的帧缓冲存储器里面），且不断循环刷新，供需要时从帧缓冲存储器中连续地读出与记录数据，实现报警前的录像功能。（7）视频冻结功能 v多媒体监控软件的视频冻结功能可使当前暂时不需要的视频图像静止，以便更好地观察、传输与选用存储图像信息。5.4 系统控制软件的设置 v由于采用的硬件板卡不同，所以监控系统的软件是兼容的，因此，需要将多媒体监控系统的软、硬件结合起来，才能构成一个完整的系统。若

23、得不到硬件的支持，想仅通过拷贝系统软件来控制系统正常运行是不行的。5.4.1 系统控制软件的功能 v多媒体监控系统软件可以对各摄像机传来的图像进行各种控制处理，包括图像放大、图像局域放大、调试调节、色度调节、对比度调节、图像柔化、图像轮廓增强等。v直接通过扫描仪对实际区域图进行扫描或者借助计算机人工绘制监控区域图，再将监控区域的平面图输入计算机，就可以形成“电子地图”。这样，在计算机的显示器上便以该电子地图为桌面，以小图标形式标明各摄像机、监听头、报警探头的位置。小图标相当于屏幕按钮，关联着一段特定功能的应用子程序。单击这些小图标时，就会弹出对应图标的响应。如单击某摄像机图标，则该摄像机所摄取

24、的画面便经视频矩阵的切换在计算机屏幕上的图像窗口中显示出来，可满屏显示，也可小窗口显示。如果右击该图标，则可进入该摄像机的参数设定界面（如设置图像的亮度、对比度、饱和度及色调），还可以设定该摄像机的地理位置标识信息及其他报警联动相关参数。【本章小结】v通过本章学习，掌握数字视频信号的标准及传输方法。在此基础上认识外挂式及标准式多媒体视频监控系统的架构与控制方法，区别两者在应用层次上的差异。复习思考题5 v1视频信号的数字化处理需要哪几个步骤？v2什么是预测编码？v3什么是熵编码？v4什么是变换编码？v5什么是ITUR601标准？v6MPEG2与MPEG4视频压缩的主要差别是什么？v7MPEG4的主要特点是什么？v8H.264与MPEG4有什么关系？其主要特点是什么？v9多媒体视频监控系统有哪两种类型？v10请分别画出外挂式多媒体与标准多媒体两种视频监控系统的基本架构图，并分析其在架构及应用多媒体技术层次上的差异。v11标准多媒体视频监控系统的中心控制端由哪几部分构成？是如何进行控制的？