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1、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., 2008 Thomas Norman, “Integrated Security Systems Design - Concepts Specificati
2、ons 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
3、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 (CP
4、U) 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)
5、 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
6、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，
7、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 18
8、39 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
9、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 (N
10、ational 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 (horizon
11、tal 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
12、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 lumina
13、nce (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
14、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),Camer
15、a 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
16、,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
17、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
18、 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 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 /
19、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
20、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,因為 10000000000 (2 的 10 次方) 等於數值 1024，因此習慣使用 K (千)、 M (百萬)、G (十億) 為單位來表示 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
21、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 (http:/en.wikipedia.org/wiki/RG
22、B_color_model),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 R
23、GB - 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
24、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 (satur
25、ation)，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
26、.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
27、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 Resolution 352 288 PAL 352 24
28、0 NTSC CIF 剛好是 1/4 的 D 1，又稱作 Quarter D1 QCIF (Quarter Common Intermediate Format) Resolution 176 144 PAL 176 120 NTSC QCIF剛好是 的CIF 720i 720p 1080i 1080p 高清晰度電視 (High Definition Television; HDTV) 使用的 Resolution 720 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
29、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
30、 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 JPEG M-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 Expert
31、s 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
32、。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 - 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 (,p38,DVR - 3,DVR 設備 ? (.tw/infomation.asp?id=139&act=1) 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 ？,