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1、西京学院本科毕业设计（论文）1 绪 论随着数字技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高，对区域的监控提出了更高的要求，再加上现在安全事故的频频发生，以及犯罪技术的不断提高，因此利用计算机通信、自动控制等技术，研究设计区域的安全防范系统具有十分重要的意义。本设计研究了区域安全防范系统的结构组成，研究和设计了西京学院工程舫的数字智能监控系统，通过应用软件的运用，在不同的区域实现防盗入侵等自动警情检测、报警功能。与其他安防监控系统相比，我所设计的监控系统多应用传感器识别技术及先进的网络通信技术。这些技术将使系统将更合理、更高效、更快捷的为广大师生提供舒适的工作和生活环境，为广大师生人身财产安全提供更好
2、的保障。同时也为学校的有序管理、资产安全、提供了强有力的技术保证。安全技术防范是以安全防范技术为先导，以人力防范为基础，以技术防范和实体防范为手段，所建立的一种具有探测、延迟、反应有序结合的安全防范服务保障体系。他是以预防损失和预防犯罪为目的的一项公安业务和社会公共事业。 以前，我校的安全防范主要是采用人防，即人力防范手段（人防）是利用人们自身的传感器（眼、耳等）进行探测，发现妨害或破坏安全的目标，做出反应；用声音警告、恐吓、设障、武器还击等手段来延迟或阻止危险的发生，在自身力量不足时还要发出求援信号，以期待做出进一步的反应，制止危险的发生或处理已发生的危险。安全技术防范有两种不同的理解和解释
3、。对于公安执法部门而言，安全技术防范就是利用安全防范技术开展安全防范工作的一项公安业务；而对于单位来说，安全技术防范就是利用安全防范技术为社会公众提供一种安全服务的产业。安全技术防范作为社会公共安全科学技术的一个分支，具有其相对独立的技术内容和专业体系。根据我国安全防范行业的技术现状和未来发展，可以将安全防范技术按照学科专业、产品属性和应用领域的不同进行如下分类： 术 视频监控技术 术 术 术 术 实体防护技术 防爆安检技术 术 术 2 数字智能监控系统组成2.1监控系统的发展阶段以视频信号传输和处理方式划分，视频监控系统经历了三个阶段：第一代 全模拟视频监控系统 特点：用模拟设备传输模拟信号
4、，采用录像带保存图像信息。 优点：图像质量高；技术成熟，系统功能强大、完善，传输成本低。 缺点：必须使用专用设备，通过专用线路才能监视；无法与信息系统交换数据，监控仅限于监控中心，应用灵活性差，不易扩展；第二代 模拟/数字混合监控方式（DVR)特点：不同视频卡可连接多路视频，支持实时视频和音频，采用硬盘保存视频信息。 优点：视频、音频信号质量高；系统功能比较强大；可以与信息系统交换数据；应用的灵活性好；成本比较低性价比高；可以在不同地点授权监控。 缺点：不适合远距离传输，维护难度大。 目前市场主流应用模式为第二代模拟/数字混合监控方式 第三代 全数字化的网络监控方式 特点：前端摄像机采集的信号
5、可以传到网上，网络用户可以通过浏览器观看网络服务器上的摄像机图像，还可以控制摄像机、云台、镜头的动作，对系统进行设置，采用矩阵磁盘阵列保存信息。 优点：可以直接连入局域网，节省电缆；安全方便；适用于各种视频监控系统应用模式；布线灵活，成本低；图像处理灵活，不受数量和地域限制。 缺点：不适用大范围、大画面要求的细节监控；网络摄像成本高；可靠性没有保证。前端采集部分控制主机显示与记录传输部分图2.1视频监控系统组成监控系统的组成：前端设备主要包括摄像机及与之配套的镜头、云台、防护罩、解码驱动器等，是整个系统的眼睛，作用为将所监视目标的光信号变为电信号。前端设备及产生的图像信号的质量影响着整个系统的
6、质量。也是影响系统噪声的最大因素。传输部分传输部分是系统的信号通路，传输的信号包括图像信号和控制中心通过控制台对摄像机等前端设备进行控制的信号。后端设备 主要包括控制部分和显示记录设备。 控制部分包括视频矩阵主机（完成视频切换和云台镜头控制功能）、操作键盘、各种控制通信接口、电源和与之配套的控制台、电视墙。显示和记录设备主要包括监视器、录像机、多画面分割器等。2.2 成像原理视频监控系统的关键是要将可见光转换成电信号，数字化处理后，送入计算机进行图像信息的处理，如：压缩、储存、回放、传输等。成像的原理有两种：CCD， 电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影
7、像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。 图：2.2 CCD工作原理CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像。 CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD
8、两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。 CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相
9、应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。 CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就
10、构成了一幅完整的画面。 CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。 衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸2，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再
11、增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。 CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目，将分别叙述如下； 1. 感光二极管（Photodiode） 2. 并行信号寄存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。 3. 并行信号寄存器（Transfer Register）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。 4. 信号放大器：用于放大微弱电信号。 5. 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。 CCD摄像机的工作方式 被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，C
12、CD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。 分辨率的选择 评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。 一旦电量被集中并保持在像素的结构中，就一定会使在物理上与像素分离的侦测放大器得到电
13、量，当一个像素的电量移动时，同时相对应的像素的电量都会移动。电量对电压的转换并输出放大 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文是互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive P
14、ixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS）,又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线（Column bus）连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与
15、此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。主动式像素结构(Active Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式,如图2所示. 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40%50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。2.3 摄像机分类摄像机的主要功能是把光信号转化成电信号，补光方式有工艺照明、侧部LED、红外线等。其分类可以为如下几类：a.按外观分为半球形、枪式、针孔形等。b.按清晰度分为半清和全高清摄像机。c.按成像色彩分为彩色和黑白摄相机。黑白一般适用于光线不足或夜间无法安装照明设备的地区。d.按照灵敏度分为普通灵敏度、高灵敏度和红外型摄像机。e.按焦距分为变焦和定焦。图为各种常见型号的摄像头
