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1、安全管理資訊系統安全管理資訊系統保全錄影保全錄影與與閉路電視概述閉路電視概述Introduction of Security Recording and Closed Circuit Television授課老師授課老師：1 1目標目標1.1.介紹保全系統中的錄影設備介紹保全系統中的錄影設備2.2.參考書：參考書：a.a.Emily Harwood, “DIGITAL CCTV - A Security Emily Harwood, “DIGITAL CCTV - A Security ProfessionalProfessional s Guide,” Butterworth-Heinema
2、nn, s Guide,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., 2008Elsevier Inc., 2008b.b.Thomas Norman, Thomas Norman, “ “Integrated Security Systems Integrated Security Systems Design - Concepts Specifications and Design - Concepts Specifications and Implementation,Implementation,” ” Butterworth-Heinemann, B
3、utterworth-Heinemann, Elsevier Inc., Jan. 2007Elsevier Inc., Jan. 2007 2 2CCTV 的演進的演進 - 1n n傳統的影像監控應用起源甚早，從傳統的影像監控應用起源甚早，從 1913 1913 年英國對被監禁的年英國對被監禁的婦女參政權論者進行秘密攝影開始，到婦女參政權論者進行秘密攝影開始，到 1961 1961 年倫敦運輸火年倫敦運輸火車站第一次公開安裝視頻監控系統，閉路電視車站第一次公開安裝視頻監控系統，閉路電視 (Closed (Closed Circuit Television; CCTV) Circuit Tel
4、evision; CCTV) 的發展已經具有悠久的歷史。英國的發展已經具有悠久的歷史。英國不但是不但是 CCTV CCTV 應用的發源地，也是監控產業最發達的國家，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、習以為常常n n傳統的類比式傳統的類比式 (analog) CCTV (analog) CCTV 系統主要包括前端的攝影機系統主要包括前端的攝影機 (camera)(camera)、鏡頭、鏡頭 (lens)(lens)、雲臺、雲臺 (cradle head)(cradle head)，以及進行訊號
5、，以及進行訊號傳輸的同軸電纜傳輸的同軸電纜 (coax-cable)(coax-cable)，負責進行畫面分割處理，負責進行畫面分割處理 (Quad)(Quad)、切換控制的影像處理器、切換控制的影像處理器 (multiplexer)(multiplexer)，用於對於多，用於對於多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣台攝影機進行切換、控制動作的矩陣 (Matrix)(Matrix)，以及後端用，以及後端用於監看畫面的監視器於監看畫面的監視器 (monitor) (monitor) 以及用於儲存影像的錄像機以及用於儲存影像的錄像機 (VCR recorder) (VCR recorder) 等等3
6、 3CCTV 的演進的演進 - 2n n在在 90 90 年代末期，一種新的錄像儲存產品推出了，那就是年代末期，一種新的錄像儲存產品推出了，那就是 DVR (Digital Video Recorder)DVR (Digital Video Recorder)。它的出現原因在於。它的出現原因在於隨著半導體科技的發展，處理器隨著半導體科技的發展，處理器 (CPU) (CPU) 效能越來越快速效能越來越快速價格也降到可接受的程度價格也降到可接受的程度壓縮技術的逐漸成熟壓縮技術的逐漸成熟 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 等等)
7、)加上硬碟容量的增加與價格的降低加上硬碟容量的增加與價格的降低可彈性增加數位輸入可彈性增加數位輸入、輸出監控埠輸出監控埠 (DI / DO)(DI / DO)，結合事件錄影，結合事件錄影讓數位技術有機會進入影像監控應用讓數位技術有機會進入影像監控應用n nDVR DVR 以數位化的方式壓縮攝影機拍攝到的畫面，並將資料儲以數位化的方式壓縮攝影機拍攝到的畫面，並將資料儲存到存到 DVR DVR 的硬碟中，方便使用者後續隨時查詢硬碟中儲存的硬碟中，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的畫面，用來取代使用多年的延時磁帶錄影機 (time-lapse (time-la
8、pse VCR)VCR)，省去了使用者頻繁更換錄影帶的麻煩，畫質也比較不，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會因為磁帶使用次數過多，而導致畫面品質降低4 4CCTV 的演進的演進 - 3n n隨著網際網路隨著網際網路 (Internet) (Internet) 的進步，上網常用的乙太網路線的進步，上網常用的乙太網路線 (Ethernet (Ethernet 網路纜線網路纜線) ) 或無線網路或無線網路 (WiFi) (WiFi) ，因此取代行之多，因此取代行之多年的年的 CCTV CCTV 常用的同軸電纜。一般常用的同軸電纜。一般 DVR
9、DVR 內建網頁，可以讓內建網頁，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 ( (包括影像及感包括影像及感測器讀取與測器讀取與 IO IO 控制控制) )。透過網路。透過網路 (Internet) (Internet) 將訊號傳輸出去。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，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傳統 CCTV CCTV 的閉路概念，走向全新的網路環境的閉路概念，走向全新的網路環境n n網
10、路攝影機網路攝影機 (network camera / IP camera) 2000 (network camera / IP camera) 2000 年以後，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的同時，使用者可以使用任何一台可以上網的電腦、PDA PDA 或或手機中的網路瀏覽器手機中的網路瀏覽器 (Internet browser) (Internet browser) 來遠端存取此一攝來遠端存取此一攝影機的影像影機的影像5 5CCTV 的演進的演進 - 4n n為了解
11、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，一種介於攝影機與前提下，一種介於攝影機與 DVR DVR 之間的產品誕生了，那就是影像之間的產品誕生了，那就是影像伺服器伺服器 (Video Server)(Video Server)。它可以連接傳統攝影機的視頻訊號，將類。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伺服器可以說是不帶硬碟的 DVRDVR，也可以說是讓傳統類比攝影機，也可以說是讓傳
12、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機不用淘汰、更換，是既有設備升級的理想解決方案n n隨著網路技術的發展，針對在網路環境使用特性，隨著網路技術的發展，針對在網路環境使用特性，DVR DVR 系統又進系統又進一步發展成為具有網路功能的一步發展成為具有網路功能的 NVR (Network Video Recording) NVR (Network Video Recording) 系系統。與統。與 DVR DVR 系統相比，系統相比，NVR NVR 系統不但實
13、現了遠端影像檔案的數位系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存化儲存 ( (備份儲存備份儲存) )，還實現了影像的數位化傳播，還實現了影像的數位化傳播 ( (影音串流影音串流) )。即。即 NVR NVR 系統可以直接接到系統可以直接接到 IP Internet IP Internet 中，使儲存下來的視訊信息可中，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，因此它克服了對在網路環境下使用而設計的，因此它克服了 DVR DVR 無法透過網路無法透過網路獲取監視內容的缺點，用戶
14、可以透過網路中的任何一部電腦來觀看、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錄製和管理即時的視訊檔案6 6CCTV 的演進的演進 - 5n nCCTV CCTV 相關大事相關大事 1839 1839 發明照相機發明照相機 ( (靜態，底片靜態，底片) )。19 19 世紀末，發展成攝影機世紀末，發展成攝影機 ( (動態動態, , 底片底片) ) 1920 1920 黑白電視黑白電視 (TV) (TV) 問世。問世。1960 1960 初期，黑白真空管初期，黑白真空管 (Tube) (Tube) TV TV 攝影機問世攝影機問世 ( (動態，電子訊號動
15、態，電子訊號) ) 1962 1962 美國美國 RCA RCA 公司發表全世界第一台公司發表全世界第一台 VCR (TapeVCR (Tape，電子訊號，電子訊號) ) 1980s 1980s 發展出半導體元件發展出半導體元件 (Solid-State ) CCD (Solid-State ) CCD 攝影機攝影機 1990s 1990s 影像產品開始數位化，安全監視產業蓬勃發展影像產品開始數位化，安全監視產業蓬勃發展 2001 2001 美國美國 911 911 事件，安全監視成為受重視之必要產業事件，安全監視成為受重視之必要產業 2006 2006 影像處理晶片影像處理晶片 DSP (D
16、igital Signal Processor) IC DSP (Digital Signal Processor) IC 帶動安帶動安全監視系統產業快速轉變與發展全監視系統產業快速轉變與發展7 7我們生活在類比影像的世界我們生活在類比影像的世界 - 1n n電視電視 (TV) (TV) 的出現，讓影像產生了另類應用。如同人類視覺與聽覺的出現，讓影像產生了另類應用。如同人類視覺與聽覺系統，使用攝影機系統，使用攝影機 (camera) (camera) 將生活周遭環境與活動之影像將生活周遭環境與活動之影像 (video) (video) 及聲音及聲音 (audio) (audio) 轉換到轉換到
17、 TV TV “ “看得懂看得懂” ” 的信號。此一信號便的信號。此一信號便可顯示於可顯示於 TV TV 上。閉路電視上。閉路電視 (CCTV) (CCTV) 系統因此產生系統因此產生n n不同於不同於 TV TV 的廣播系統，保全用途的攝影機的廣播系統，保全用途的攝影機 (Camera) (Camera) 透過傳輸煤透過傳輸煤介，如同軸電纜介，如同軸電纜 (coax-cable)(coax-cable)，將拍攝到的影音信號傳送到不同地，將拍攝到的影音信號傳送到不同地點來顯示點來顯示 (display) (display) 或錄影或錄影 (record)(record)8 8我們生活在類比影像
18、的世界我們生活在類比影像的世界 - 2n nTV TV “ “看得懂看得懂” ” 的信號分為美日等國使用的的信號分為美日等國使用的 NTSC (National NTSC (National Television Standards Committee)Television Standards Committee)、歐洲使用的、歐洲使用的 PAL (Phase PAL (Phase Alternating Line) Alternating Line) 及法國等國使用的及法國等國使用的 SECAM SECAM 等三類。這三類皆為等三類。這三類皆為類比式類比式 (analog) (analog)
19、 信號信號9 9NTSC 電視信號電視信號 - 1n n以以 NTSC NTSC 系統為例，影像系統為例，影像 (video) (video) 顯示規則，以每秒顯示規則，以每秒 30 30 張的連續張的連續的的 “ “照片照片” ” (image) (image) 顯影於顯示器顯影於顯示器 (Cathode Ray Tube, CRT; (Cathode Ray Tube, CRT; 陰陰極射線管極射線管) )。造成人類視覺上的動態影像的效果。造成人類視覺上的動態影像的效果 ( (卡通影片原理卡通影片原理) )n n影像顯示以掃描方式成影顯示器上。每張影像影像顯示以掃描方式成影顯示器上。每張影
20、像 (image) (image) 掃描分為掃描分為 525 525 水平線水平線 (horizontal lines)(horizontal lines)。顯示器以交錯。顯示器以交錯 (Interlace) (Interlace) 掃描方式，掃描方式，首先掃描顯示單數線首先掃描顯示單數線 (1, 3, 5, (1, 3, 5, , 525), 525)，接著掃描顯示雙數線，接著掃描顯示雙數線 (2, (2, 4, 6, 4, 6, , 524), 524)。每張影像掃描後，會有一垂直同步信號。每張影像掃描後，會有一垂直同步信號 (vertical (vertical synchronizin
21、g signal)synchronizing signal)，用來同步顯示器的顯示基準，用來同步顯示器的顯示基準1010NTSC 電視信號電視信號 - 2n nCamera Camera 同樣以每同樣以每秒秒 30 30 次次 (frame (frame rate)rate)，每次，每次 525 525 水水平線掃瞄來轉換拍平線掃瞄來轉換拍攝到的影像攝到的影像n n以黑白影像為例，以黑白影像為例，Camera Camera 鏡頭讓鏡頭讓 “ “看到看到” ” 的光線進到的光線進到它的它的感光器感光器 (Sensor)(Sensor)，感光器，感光器將將 “ “感受感受” ” 到的到的光能轉為電
22、壓特性光能轉為電壓特性之信號。不同的電之信號。不同的電壓值代表不同灰度壓值代表不同灰度 (gray level)(gray level)1111NTSC 電視信號電視信號 - 3n n如此如此 Camera Camera 產生一黑白影像產生一黑白影像 (Video)(Video)，以不同電壓值來代表灰度，以不同電壓值來代表灰度等同與等同與 Camera Camera “ “看到看到” ” 的黑白明亮度的黑白明亮度 (brightness (brightness 有時稱有時稱 luminance luminance 或或 luma)luma)。Camera Camera 同時產生同步信號同時產生
23、同步信號 (synchronizing (synchronizing pulses)pulses)，包括每條水平線之間的，包括每條水平線之間的 horizontal blanking horizontal blanking 及每張影像及每張影像 (image) (image) 間的間的 vertical syncvertical sync，以利顯示器能知道顯示位置，以利顯示器能知道顯示位置n n以上的信號有時稱為合成影像信號以上的信號有時稱為合成影像信號 (composite video signal)(composite video signal)。在。在彩色信號部份除了彩色信號部份除了 l
24、uminance (Y) luminance (Y) 與同步信號外，還包括代表色調與同步信號外，還包括代表色調信號信號 (hue) (hue) 與飽和度與飽和度 (saturation) (saturation) 信號信號 YUV YUV 或或 YCbCr YCbCr 信號信號n nComposite video Composite video 有時稱為有時稱為 CVBS CVBS 信號信號 (Composite Video Blanking and Sync) (Composite Video Blanking and Sync) 1212NTSC 電視信號電視信號 - 4n n顯示器如電視
25、機之映像管顯示器如電視機之映像管 (picture tube) (picture tube) 或或 陰極射線管陰極射線管 (Cathode (Cathode Ray Tube; CRT)Ray Tube; CRT)。跟據合成影像信號跟據合成影像信號 (composite video signal) (composite video signal) 來來成影成影 ( (偏轉線圈偏轉線圈 deflection yoke deflection yoke 跟據信號電壓值產生電子束跟據信號電壓值產生電子束 electron beam electron beam 來讓螢幕顯影來讓螢幕顯影) )1313常見
26、傳統常見傳統 CCTV 周邊零件與設備周邊零件與設備n n攝影機攝影機 (cameras)(cameras)，轉動雲台，轉動雲台 (cradle head)(cradle head)n n鏡頭鏡頭 (lens) (lens) 、變焦鏡頭變焦鏡頭 (varifocal)(varifocal) n nCCD / CMOS CCD / CMOS 感光器感光器n n紅外線攝影機紅外線攝影機 (infrared cameras)(infrared cameras)n n夜視光放管夜視光放管 (Image Intensifier, I(Image Intensifier, I2 2 , ICCD), IC
27、CD)n n照明器照明器 (illuminator, (illuminator, 探照燈探照燈探照燈探照燈) )n n顯示器顯示器 (monitor)(monitor)n n切換器切換器 (switch) (switch) 包括包括 Switcher, MultiplexerSwitcher, Multiplexern n卡式錄放影機卡式錄放影機 (Video Cassette Recorder; VCR)(Video Cassette Recorder; VCR)1414攝影機鏡頭攝影機鏡頭 (Lens)n nCamera Lens Camera Lens 分成分成 C-Mount (for
28、 larger image sensors) C-Mount (for larger image sensors) 及及 CS-CS-Mount (for compact sensors) Mount (for compact sensors) 兩類兩類n n影像感光器影像感光器 (sensor) (sensor) 可區分為可區分為 2/32/3“ “ (2/3 (2/3 吋吋) )、1/21/2” ”、1/31/3“ “以及以及 1/41/4“ “ 等，尺寸越大等，尺寸越大 ( (光圈光圈 Iris Iris 變大變大) )，搭配的鏡頭價格越昂貴，搭配的鏡頭價格越昂貴 ( (容易容易對焦、快
29、門變快減少晃動機會對焦、快門變快減少晃動機會) )。1/2 1/2 吋使用的鏡頭可以適用於吋使用的鏡頭可以適用於 1/21/2、1/3 1/3 和和 1/41/4“ “ 的影像感測器上，但是不可以使用在的影像感測器上，但是不可以使用在 2/3 2/3 的的影像感測器。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的鏡頭，影像就會出現黑色邊角 1515攝影機感光器攝影機感光器 (Sensor) - 1n n攝影機感光器分為電荷耦合元件攝影機感光器分為電荷耦合元件 (Charged Coupled Device;
30、 (Charged Coupled Device; CCD) CCD) 與與 CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) 兩種兩種n nCCD CCD 感光器原則上分為三層。第一層是微型鏡頭，作用是接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。而基本上感光匯流
31、層。而基本上 CCD CCD 上的感光元件越多，攝影機的上的感光元件越多，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，就是解析度越高，照出來的品質也就越佳。所謂幾萬畫素，就是 CCD CCD 的解析度；而這個解析度指的是相機的的解析度；而這個解析度指的是相機的 CCD CCD 上有多少上有多少感光元件感光元件n nCMOS CMOS 感光器是一種紀錄光線變化半導體；利用矽與鍺這兩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。流，即可被處理晶片記
32、錄與解讀成影像。CMOS CMOS 的成本低，的成本低，耗電需求少；不過相較於耗電需求少；不過相較於 CCD CCD 而言，而言，CMOS CMOS 較容易產生雜較容易產生雜點，這是在價格與品質之間的兩種選擇點，這是在價格與品質之間的兩種選擇1616攝影機感光器攝影機感光器 (Sensor) - 2n nCCD CCD 與與 CMOS CMOS 感光元件之優缺點比較感光元件之優缺點比較感光元件感光元件CCDCMOS設計單一感光器感光器連結放大器靈敏度同樣面積下較高感光開口小低成本線路品質影響良率 高整合製程 低解析度結構複雜度低 高新技術擺脫面積限制，可達全片幅雜訊比單一放大器主控 低多元放大
33、器，誤差大 高耗能比需外加電壓導出電荷 高畫素直接放大 低反應速度慢快個別畫素定址無有製造機具特殊訂製機台可以使用記憶體或處理器製造機1717鏡頭常用術語鏡頭常用術語n nAGC : Automatic Gain ControlAGC : Automatic Gain Control，自動增益控制，自動增益控制n nS/N : Signal-to-Noise ratioS/N : Signal-to-Noise ratio，信號噪聲比，信號噪聲比n nOSD : On Screen DisplayOSD : On Screen Display，字幕顯示，字幕顯示n nBLC : Back Li
34、ght Compensation BLC : Back Light Compensation ，背景光補償，背景光補償n nEAS : Electronic Automatic ShutterEAS : Electronic Automatic Shutter，自動電子快門，自動電子快門n nAWB : Automatic White BalanceAWB : Automatic White Balance，自動白平衡，自動白平衡n nEL : EL : Electronic Light Control Electronic Light Control，電子亮度控制，電子亮度控制n nATW
35、: Automatic Tracking White balanceATW : Automatic Tracking White balance，自動跟踪白平衡，自動跟踪白平衡n nALC : Automatic Light ControlALC : Automatic Light Control，自動亮度控制，自動亮度控制n nPTZ : Pan, Tile & ZoomPTZ : Pan, Tile & Zoom，水平水平、上下轉動上下轉動 & & 縮放功能縮放功能1818顯示器顯示器 (Monitor)n n不同的顯示器不同的顯示器 (Monitor)(Monitor)LCD LCD 液
36、晶顯示器液晶顯示器TFT-LCD TFT-LCD 薄膜液晶顯示器薄膜液晶顯示器CRT CRT 陰極射線管陰極射線管Picture tube Picture tube 映像管映像管 黑白 CRT彩色 LCD彩色 CRT1919CCTV Switch/QUADn nCCTV 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於攝影機的數量n n切換器切換器 (switch) (switch) 可用於此一應用，可自動或手動選擇單一顯示或可用於此一應用，可自動或手動選擇單一顯示或錄影的攝影對象錄影的攝影對象n n四分割器四分
37、割器 (Quad) (Quad) 是將是將 4 4 個影音信號同時進行處理，將每個單一個影音信號同時進行處理，將每個單一畫面壓縮成畫面壓縮成 畫面大小，在監視器上組合成畫面大小，在監視器上組合成 4 4 分割畫面顯示。顯分割畫面顯示。顯示及錄影皆以示及錄影皆以 4 4 分割畫面處理。另有分割畫面處理。另有 9 9 及及 16 16 割等不同組合割等不同組合2020CCTV 多工器多工器 (Multiplexer)n n多工器多工器 (multiplexer) (multiplexer) 也是多畫面分割方式顯示。惟錄影可以保持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
38、式儲存，例如每台攝影機的全時錄影；或以編碼方式儲存，例如 4 4 路錄影可以路錄影可以每秒每秒 30 x 4 = 120 frames 30 x 4 = 120 frames 速度錄影。因此，回播時可以針對某一速度錄影。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)(Duplex Recorder)n n矩陣式視訊切換器矩陣式視訊切換器(matrix switcher)(matrix switcher)則是一種可以將多則是一種可以將多路路 Cameras Cameras 影
39、像影像切換到多台顯示器切換到多台顯示器的設備的設備2121數位影像的時代數位影像的時代n n傳統的類比式傳統的類比式 (analog) CCTV (analog) CCTV 發展出許多應用發展出許多應用n n隨著半導體數位科技的發展，數位信號處理器隨著半導體數位科技的發展，數位信號處理器 (Digital (Digital Signal Processor; DSP) Signal Processor; DSP) 效能越來越快速，價格愈來愈效能越來越快速，價格愈來愈便宜，數位式便宜，數位式 (digital) CCTV (digital) CCTV 漸漸成型。原先漸漸成型。原先 analog
40、analog video video 因此大量被討論數位化因此大量被討論數位化n n壓縮技術的逐漸成熟壓縮技術的逐漸成熟 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 等等) )讓數位式讓數位式 CCTV CCTV 更成為未來主流更成為未來主流n n探討影像數位化前，我們先從數位資料表示法談起探討影像數位化前，我們先從數位資料表示法談起22220 與與 1 的數位資料的數位資料 - 1n n我們習慣使用十進位我們習慣使用十進位 (Decimal) (Decimal) 來表示一個數來表示一個數，基本數基本數字為字為 0, 1, 0, 1,
41、 , 9 , 9 十個十個。計算方式以計算方式以 10 10 為基礎為基礎。如如 10231023 = = 1 1 10 103 3 + + 0 0 10 102 2 + + 2 2 10 101 1 + + 3 3 10 100 0n n電腦世界裡使用二進位電腦世界裡使用二進位 (Binary) (Binary) 來表示來表示，基本數字只有基本數字只有 0, 1 0, 1 二個二個。計算方式以計算方式以 2 2 為基礎為基礎。如如 10101010 = = 1 1 2 23 3 + + 0 0 2 22 2 + + 1 1 2 21 1 + + 0 0 2 20 02 3123230 與與
42、1 的數位資料的數位資料 - 2n n簡單的二進位數字表示簡單的二進位數字表示 0 70 7n n每個每個 0 0 或或 1 1 位置，我們稱為位元位置，我們稱為位元 (bit, b)(bit, b)。每。每 8 8 個位元，我們稱為個位元，我們稱為位元組位元組 (byte, B)(byte, B)。4 4 個個 bits bits 可以表示可以表示 0 15 0 15 數值，數值，8 8 個個 bits (1 bits (1 個個 bytes) bytes) 可以表示可以表示 02550255。依此類推，我們可以將所有十進位數依此類推，我們可以將所有十進位數值互相轉換二進位表示值互相轉換二進
43、位表示數值二進位表示數值二進位表示0000041000100015100120010601103001170111Bit 數二進位表示範圍Bit 數二進位表示範圍40 15240 1677721580 255320 4294967296160 65535640 18446744624240 與與 1 的數位資料的數位資料 - 3n n因為因為 10000000000 (2 10000000000 (2 的的 10 10 次方次方) ) 等於數值等於數值 10241024，因此習慣使用，因此習慣使用 K (K (千千) )、 M (M (百萬百萬) )、G (G (十億十億) ) 為單位來表示為
44、單位來表示n n在通信裡，習慣使用在通信裡，習慣使用 bit bit 為單位；在記憶體表示上，習慣使用為單位；在記憶體表示上，習慣使用 byte byte 為單位為單位。如如 ADSL ADSL 的通信頻寬的通信頻寬 2M 2M 表示表示 2M bits/second2M bits/second，如，如 PC PC 使使用硬碟計憶體容量用硬碟計憶體容量 120G 120G 表示表示 120G bytes (120G bytes (或或 2GB)2GB)2525影像色域影像色域 RGB - 1n n對一種顏色進行編碼的方法統稱為對一種顏色進行編碼的方法統稱為 “ “顏色空顏色空間間” ”或或 “
45、 “色域色域” ”。簡單的說，世界上任何一。簡單的說，世界上任何一種顏色的種顏色的 “ “顏色空間顏色空間” ” 都可定義成一個固定都可定義成一個固定的數字或變量。的數字或變量。RGBRGB（紅、綠、藍）只是眾多（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顏色都可用三個變量來表示：紅色、綠色以紅色、綠色以及藍色的強度。及藍色的強度。 RGB RGB 是最常見記錄及顯示彩是最常見記錄及顯示彩色圖像方案色圖像方案n n在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色攝影機或彩色 C
46、CD CCD 攝影機進行取像，然後把攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得後得 RGBRGB()()2626影像色域影像色域 RGB - 2n n在在 digital color digital color 的世界裡，所有的顏色都可以用這的世界裡，所有的顏色都可以用這 RGB RGB 三個三個顏色去混合出來，也就是用不同比例的顏色去混合出來，也就是用不同比例的 RGB RGB 可以混合出所可以混合出所有的顏色有的顏色n n例如分別使用例如分別使用 1 1 個個 bytes bytes 代表不同的代表不同的 R (Red)R (Re
47、d)、G (Green)G (Green)、B (Blue) B (Blue) 亮度值亮度值。換言之，每個點的換言之，每個點的 R R、G G、B B 的亮度可以各的亮度可以各別別 1 byte 1 byte 表示表示 256 256 色色 (0 255)(0 255)，例如，例如 0 0 紅紅 + 0 + 0 綠綠 + 0 + 0 藍藍 黑色黑色 ( (沒有顏色沒有顏色) ) 255 255 紅紅 + 0 + 0 綠綠 + 0 + 0 藍藍 紅色紅色 ( (當然當然) ) 255 255 紅紅 + 255 + 255 綠綠 + 0 + 0 藍藍 黃色黃色 ( (紅紅 + + 綠綠) )272
48、7影像色域影像色域 RGB - 3n n以彩色以彩色 CCD CCD 攝影機為例，進行影像攝影機為例，進行影像 (image) (image) 取像時，以每張取像時，以每張影像影像 720 480 720 480 個點來各別個點來各別取像取像。每個點取得一組每個點取得一組 RGB RGB 的的表示值表示值n n但但 RGB RGB 缺乏與早期黑白顯示系統的相容性。也就是缺乏與早期黑白顯示系統的相容性。也就是 RGB RGB 三三色影像是無法被黑白電視所接受的色影像是無法被黑白電視所接受的 ( (播放播放) )。因此，大多電子因此，大多電子電器廠商普遍採用的做法是，將電器廠商普遍採用的做法是，將
49、 RGB RGB 轉換成轉換成 YUVYUV 顏色空間，顏色空間，以維持相容性，再根據需要換回以維持相容性，再根據需要換回 RGB RGB 格式，以便在顯示器上格式，以便在顯示器上顯示彩色圖形顯示彩色圖形2828影像色域影像色域 YUV (YCrCb) - 1n nYUVYUV（亦稱（亦稱 YCrCbYCrCb）是一種顏色編碼方法。）是一種顏色編碼方法。RGB RGB 經過矩陣變換經過矩陣變換電路可以得到亮度信號電路可以得到亮度信號 Y Y 和兩個色差信號和兩個色差信號 R-YR-Y（即（即U U）、）、B-B-Y Y（即（即V V），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，），最後發送端
50、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用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的 YUV YUV 色彩空間表示色彩空間表示n n採用採用 YUV YUV 色彩空間的重要性是它的亮度信號色彩空間的重要性是它的亮度信號 Y Y 和色度信號和色度信號 U U、V V 是分離的。如果只有是分離的。如果只有 Y Y 信號分量而沒有信號分量而沒有 U U、V V 信號分量，那信號分量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用 YUV YUV 空空間正是為了用亮度信號間正是為了用亮度信號 Y Y 解決彩色
51、電視機與黑白電視機的相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容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號n nY Y 表示明亮度表示明亮度 (luminance (luminance 或或 luma)luma)，也就是灰階值；而，也就是灰階值；而 U U 和和 V V 表示的則是色度表示的則是色度 (chrominance (chrominance 或或 chroma)chroma)，作用是描述影，作用是描述影像色彩像色彩 (hue) (hue) 及飽和度及飽和度 (saturation)(saturation)，用於指定像素的顏色，用於指定像素的顏色2929影像色
52、域影像色域 YUV (YCrCb) - 2n n“ “亮度亮度” ” 是透過是透過 RGB RGB 輸入信號來建立的，方法是將輸入信號來建立的，方法是將 RGB RGB 信號信號的特定部分疊加到一起。的特定部分疊加到一起。“ “色度色度” ” 則定義了顏色的兩個方面則定義了顏色的兩個方面 色調與飽和度，分別用色調與飽和度，分別用 Cr Cr 和和 Cb Cb 來表示。其中，來表示。其中，Cr Cr 反映了反映了RGB RGB 輸入信號紅色部分與輸入信號紅色部分與 RGB RGB 信號亮度值之間的差異。而信號亮度值之間的差異。而 Cb Cb 反映的是反映的是 RGB RGB 輸入信號藍色部分與輸
53、入信號藍色部分與 RGB RGB 信號亮度值之同信號亮度值之同的差異的差異n nYUVYUV與與RGBRGB相互轉換的公式如下相互轉換的公式如下 (RGB(RGB取值範圍均為取值範圍均為 0255)0255)Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100BV = 0.615R - 0.515G - 0.100B n n與與 RGB RGB 視頻信號傳輸相
54、比，視頻信號傳輸相比，YUV YUV 最大的優點在於只需佔用較最大的優點在於只需佔用較少的頻寬少的頻寬 (RGB(RGB要求三個獨立的視頻信號同時被傳送要求三個獨立的視頻信號同時被傳送) )。RGB RGB ( (4:4:4) 4:4:4) 的需要頻寬比的需要頻寬比 CCIR601 YUV (CCIR601 YUV (4:2:2) 4:2:2) 多了多了 50% (x1.5)50% (x1.5)3030解析度解析度 (Resolution) - 1n n影像解析度影像解析度 (image resolution) (image resolution) 由畫素由畫素 (pixel) (pixel)
55、 決定，畫素愈決定，畫素愈高解析度越高。例如，影像輸出是高解析度越高。例如，影像輸出是1600 x 1200 pixels1600 x 1200 pixels，相乘，相乘約等於約等於 2 2 百萬畫素的影像百萬畫素的影像 ( (即所謂兩百萬畫素數位相機即所謂兩百萬畫素數位相機) )n n影像解析度也可用影像解析度也可用 PPI (Pixel Per Inch) PPI (Pixel Per Inch) 或或 DPI (Dot Per DPI (Dot Per Inch) Inch) 兩個名詞來表達兩個名詞來表達n nVideo Resolution : Video Resolution : 常
56、看到的影像解析度有常看到的影像解析度有 D1, CIF, QCIF D1, CIF, QCIF 等等n nD1 : Full resolution for TVD1 : Full resolution for TV，可以是，可以是n n704 576 TV PAL 704 576 TV PAL n n704 480 TV NTSC 704 480 TV NTSC (480 (480 跟跟 NTSC TV 525 NTSC TV 525 條掃瞄線不同條掃瞄線不同) )n n720 576 DVD-Video PAL 720 576 DVD-Video PAL n n720 480 DVD-Vid
57、eo NTSC720 480 DVD-Video NTSC3131解析度解析度 (Resolution) - 2n nCIF (Common Intermediate Format) CIF (Common Intermediate Format) 代表以下代表以下 ResolutionResolutionn n352 288 PAL352 288 PALn n352 240 NTSC352 240 NTSCn nCIF CIF 剛好是剛好是 1/4 1/4 的的 D 1D 1，又稱作，又稱作 Quarter D1Quarter D1 n nQCIF (Quarter Common Inter
58、mediate Format) ResolutionQCIF (Quarter Common Intermediate Format) Resolutionn n176 144 PAL176 144 PALn n176 120 NTSC176 120 NTSCn nQCIFQCIF剛好是剛好是 的的CIFCIFn n720i 720p 1080i 1080p 720i 720p 1080i 1080p 高清晰度電視高清晰度電視 (High Definition (High Definition Television; HDTV) Television; HDTV) 使用的使用的 Resolut
59、ionResolutionn n720 720 代表代表 1280 720 1280 720 n n1080 1080 代表代表 1920 1080 1920 1080 n ni i 代表代表 interlaced interlaced n np p 代表代表 progressiveprogressive3232影像壓縮技術影像壓縮技術 - 1n n以以 D1 D1 品質品質 704480 TV NTSC 704480 TV NTSC 的影像為例的影像為例，如果用如果用 R R、G G、B B 三色表示則一張影像三色表示則一張影像 (image) (image) 會產生的資料量為會產生的資料量
60、為704 704 480 480 3 bytes = 1,013,760 bytes 3 bytes = 1,013,760 bytes = 1.01 MB = 1.01 MB每秒每秒 30 30 張影像張影像 (image)(image)，等於等於 30 30 fps fps (frame per seconds) (frame per seconds) 則表示攝影機每秒產生約則表示攝影機每秒產生約 30 MB30 MB，每分鐘產生每分鐘產生 1.8 GB1.8 GB。常。常用表示方式用表示方式，影像資料量為影像資料量為 240Mbps240Mbps，其中其中 bpsbps (bits pe
61、r (bits per second) second) 表示位元率表示位元率，即每秒多少即每秒多少 bits bits 的資料量的資料量n n如此龐大資料量如此龐大資料量，對數位影像的實現對數位影像的實現，好像是不可行。影像好像是不可行。影像壓縮技術因此產生。例如壓縮技術因此產生。例如，使用使用 200 200 倍壓縮率的倍壓縮率的 MPEG-4 MPEG-4 技術可以讓技術可以讓 240Mbps 240Mbps 的資料量大大的縮為的資料量大大的縮為 1.2Mbps1.2Mbpsn n壓縮技術不但可以降低影像儲存容量，進而降低儲存成本，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
62、降低傳送信號量同時也降低傳送信號量3333影像壓縮技術影像壓縮技術 - 2n n不同的壓縮標準不同的壓縮標準 JPEGJPEG壓縮率比為壓縮率比為 2080 2080 倍，適合靜態畫面的壓縮倍，適合靜態畫面的壓縮(Joint Photographic Experts Group)(Joint Photographic Experts Group) JPEGJPEG20002000小波編碼小波編碼 (Wavelet)(Wavelet)，壓縮畫質高於，壓縮畫質高於 JPEGJPEG M-JPEGM-JPEGMotion-JPEGMotion-JPEG，適合動態低，適合動態低 frame rate
63、frame rate 畫面的壓縮畫面的壓縮 MPEG1MPEG1壓縮率約壓縮率約 100 100 倍，支援倍，支援 320240 (VCD), 320240 (VCD), VHSVHS品質品質(Motion Pictures Experts Group)(Motion Pictures Experts Group)動態畫面及聲音壓成每秒動態畫面及聲音壓成每秒 1.5Mbps1.5Mbps 的數位媒體的數位媒體 MPEG2MPEG2壓縮率約壓縮率約 50 50 倍，支援倍，支援 720480 (DVD)720480 (DVD)動態畫面及聲音壓成每秒動態畫面及聲音壓成每秒 2 10Mbps2 10
64、Mbps 數位媒體數位媒體 MPEG4MPEG4壓縮率可達壓縮率可達 450 450 倍，解析度倍，解析度 176144 12801024176144 12801024一般而言，同一般而言，同 DVD DVD 畫值但只要畫值但只要 1/3 1/3 的大小的大小 H.263H.263低碼率低碼率 ( (小畫面小畫面) ) 視頻編碼標準，如視頻編碼標準，如 3G 3G 手機常用手機常用 H.264H.264等同於等同於 MPEG4 part 10 MPEG4 part 10 的標準的標準3434影像壓縮技術影像壓縮技術 - 3n n目前，數位目前，數位 CCTV CCTV 以以 MPEG-4 MP
65、EG-4 及及 H.264 H.264 的壓縮效果表現最好的壓縮效果表現最好n n除了影像壓縮方法外，降低資料量的另一方法是降低除了影像壓縮方法外，降低資料量的另一方法是降低 frame rateframe rate。以以 CCTV CCTV 的應用並不需達到的應用並不需達到 30 fps (frame per seconds) 30 fps (frame per seconds) 的必要。的必要。常見許多數位常見許多數位 CCTV CCTV 為節省影像儲存空間，設定以為節省影像儲存空間，設定以 3 7 fps 3 7 fps 為主為主n n不同的壓縮標準，不同的壓縮標準，JPEG JPEG
66、和和 MPEG MPEG 最大不同是，前者以每張影像最大不同是，前者以每張影像 (image) (image) 各自壓縮，後者則是多張各自壓縮，後者則是多張 images images 的結合壓縮。因此，當的結合壓縮。因此，當考慮考慮 5 fps 5 fps 以下的影像時，以下的影像時，M-JPEG M-JPEG 相對是不錯的選擇相對是不錯的選擇3535影像壓縮技術影像壓縮技術 - 4n n影像壓縮方法與常見應用影像壓縮方法與常見應用不同格式VCDSVCDDVDDivX / XviD畫面規格(NTSC)352x240480x480720x480320x240, 640x480等壓縮方式MPEG
67、-1MPEG-2MPEG-2MPEG-4畫面播出速率29.97fps29.97fps30fps30fps 或其他資料流頻寬1.15Mbps (video) 224Kbps (Audio)2.6Mbps (video) 224Kbps (Audio)3.5 12 Mbps根據需求自訂3636DVR - 1n n數位影像儲存機數位影像儲存機 (Digital Video Recorder; DVR)(Digital Video Recorder; DVR) DVR DVR 取代了過去的取代了過去的 Multiplexer Multiplexer 與與 VCRVCR DVRDVR可以接多支類比式攝影
68、機可以接多支類比式攝影機 (analog camera)(analog camera)，做分割畫面做分割畫面，影像壓縮儲存影像壓縮儲存 ( (硬碟機硬碟機) ) 與回放。常見影像及聲音壓縮方式有與回放。常見影像及聲音壓縮方式有JPEGJPEG，Motion-JPEG Motion-JPEG 及及 比較新的比較新的 MPEG-4 MPEG-4 或或 H.264H.264 目前市場上以目前市場上以 4 channels (camera 4 channels (camera 數數) ) 或或 16 channels 16 channels 為主流為主流 DVR DVR 主要兩類產品為主要兩類產品為
69、Stand-alone (CPU Stand-alone (CPU 加上影像壓縮、解壓縮加上影像壓縮、解壓縮 DSP DSP 晶片晶片) ) 與與 PC-based (PC-based (一般一般 PC)PC)，在產品特性上各有優缺點，在產品特性上各有優缺點 系統擴充容易且具彈性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可結合門禁安全等感測器或警報器支援位移偵測支援位移偵測 (motion detection)(motion detection)、自動郵件通知、簡訊通知、自動郵件通知、簡訊通知 內建網頁，透過網際網路內建網頁，透過網際網路 InternetInternet，可以讓遠端
70、使用者透過網，可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監控路瀏覽方式進行遠端監控 ( (包括影像及感測器讀取與包括影像及感測器讀取與 IO IO 控制控制) )3737DVR - 2n nDVR DVR 實例實例 PTZ (Pan, Tile, Zoom) PTZ (Pan, Tile, Zoom) 表示可控制表示可控制 Camera Camera 水平垂直旋轉與遠水平垂直旋轉與遠近變焦近變焦 ()()3838DVR - 3n nDVR DVR 設備設備 ? ? ()()是否具剪線發報機制是否具剪線發報機制 ？是否具有前置錄影功能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確保
71、被剪線之前還能拍攝到歹徒之畫面 ？是否具有位移偵測是否具有位移偵測 (motion detection)(motion detection) 功能功能 ？是否能夠遠端連線是否能夠遠端連線 ？是否具有斷電復歸功能是否具有斷電復歸功能 ？儲存容量是否足夠儲存容量是否足夠 ？擴充的方便性如何擴充的方便性如何 ？硬碟備份是否方便硬碟備份是否方便 ？畫質是否清晰畫質是否清晰 ？ 解析度是否足夠解析度是否足夠 ？是否具有可依時間、事件等多重的搜尋機制是否具有可依時間、事件等多重的搜尋機制 ？n n攝影機設備攝影機設備 ? ?室外室外鏡頭是否具防水功能鏡頭是否具防水功能 ？夜夜間鏡頭是否有遠紅外線照明間鏡頭是否有遠紅外線照明 ？ 攝攝影機畫質是否清晰影機畫質是否清晰 ？ 攝影機明亮度是否足夠攝影機明亮度是否足夠 ？ 3939
