模拟监控系统的组成及原理

6.1.2　模拟监控系统的组成及原理

模拟监控系统通常由四大部分组成：

第一部分是图像生成部分，有各类摄像机及镜头并附加云台、解码器等；

第二部分是分配控制部分，有视频分配器、视频放大器、画面分割器、矩阵主机、操作键盘等；

第三部分是记录存贮部分，有各种录像机等；

第四部分是显示部分，有主显示器、监视器屏幕墙等。

此外，还有传输图像信号的视频同轴电缆、传输控制信号的双股或多股导线以及供电的电源设施。

图6.1给出了模拟监控系统的系统结构图。

图6.1　模拟监控系统结构

模拟监控系统技术比较成熟，广泛应用于大厦和住宅小区，其视频矩阵切换全部采用模拟开关实现，以确定模拟视频信号的传送通道。而显示图像信号使用的显示器、记录用的录像机、图像分割使用的分割器，都是模拟信号制式。模拟监控系统建设成本较低，安装使用方便，但图像清晰度和分辨率不高。

1）摄像机及镜头

摄像机的种类很多，有单管、双管、三管摄像机，有黑白和彩色摄像机，有一体化摄像机和高球摄像机，有电真空器件摄像机和固体器件摄像机等。固体器件摄像机中，又有CCD器件和MOS器件两种。在智能楼宇中，常用CCD摄像机。CCD是一种电荷耦合器件，使CCD输出视频信号的脉冲时序部分，又称摄像机的扫描电路。CCD输出信号是一个图像电压信号，应用这种固体器件制成的摄像机，具有重量轻、体积小、寿命长、不受磁场影响、抗震和抗撞击的特性，因此，应用比较广泛。

常用的电视监控摄像机的结构示于图6.2（a），图6.2（b）给出了摄像机镜头的焦距和视角示意图。

图6.2　常用电视监控摄像机及镜头特性

2）云台及解码器

云台是载负着摄像机做水平、俯仰运动的支撑平台。借助云台的运动，可以扩大摄像机的监控范围，可以对监视目标快速定位。云台的种类很多，有手动云台和电动云台，有室内型云台和室外型云台，有防爆云台、耐高温云台和特殊的水下云台等。

常用的室内型和室外型普通云台的结构，如图6.3所示。云台要完成水平和俯仰运动，需要安装2个交流电机，实现左右和上下运动。其主要特性从以下几个方面来衡量：

（a）室内型

（b）室外型

图6.3　普通云台结构

旋转范围——水平旋转范围一般为0°～350°，有限位开关达不到360°，但有一些特殊产品也可达360°；俯仰转动一般为±45°。

旋转速度——水平旋转速度一般为3°/s～10°/s，垂直旋转速度为4°/s左右。一些特殊设计的云台转速可达200°/s。

承载能力——云台的负载是摄像机、镜头和防护外罩，其重量并不很大。室内云台的承载重量一般为8kg，室外云台的承载重量为15～25kg。

解码器用于对控制信号译码，以驱动云台或镜台完成遥控动作。

3）视频分配器

在系统中，每台摄像机的视频图像信号都要传输给矩阵主机和画面分割器以及长时间录像机，这就需要把每台摄像机的信号一分为二，视频分配器就承担这一任务。

一路信号分成两路输出，有人会提出采取并接的方法。但对于视频信号不能用这种简单方法处理，原因在于视频信号传输要讲究匹配。在监控系统中，要求视频的任何接口、任何电缆的特性阻抗、输入阻抗、输出阻抗都是75Ω，这样才能防止能量反射达到阻抗匹配的要求。如果把输出并接，则输出阻抗将为（75/2）Ω，这叫做阻抗失配，使视频输出产生畸变、失真，严重时将导致系统无法工作。

采用视频分配器可以保证输入端口的阻抗为75Ω，两个输出端口的输出阻抗也是75Ω。视频分配器除了二分配器外，还有三分配器、四分配器可供选择。视频分配器内设有专门的电路板，安装了多节75Ω匹配网络，保证输入、输出阻抗均为75Ω，且都安装了BNC接头，以便与同轴视频电缆头对接。

4）矩阵主机

“矩阵”一词来自于工程数学，工程数学定义矩阵为由m×n个数按一定次序排成的而有m行n列的表：

其中，A叫做矩阵，a_mn叫做矩阵元素。

监控系统中的矩阵主机，要接受来自m台摄像机的图像信号，又要以不同的组合传送给监视器幕墙上的n台显示器，在矩阵主机内部需要配置m×n个电子开关，这一系统通常称为视频矩阵开关系统（Video Matrix Switching System）。视频矩阵开关原理在第一章中已经作过介绍。

视频矩阵开关系统控制主机，是电视监控系统的核心，外部要和系统的许多部件相连，如视频分配器、摄像机、解码器、监视器，有的系统还配有报警输入口、音频输入口，多个控制器或操作键盘以及打印机等设备。

矩阵主机多采用插板结构，具有数量不等的视频输入插板、视频输出插板，有报警功能的主机还设有报警接口插板。矩阵主机后面板安装了多路BNC接插座，前面板安装了多组编程及遥控按钮，有的还设有操作键盘。矩阵主机安装的主要部件及其功能是：

·视频输入插板。由多组BNC接插座组成，能接受来自各摄像机的视频信号，一般可接受8路输入。增加插板以后，可输入64路、128路等。

·视频输出插板。也由多组BNC接插座组成，它把切换后的图像信号送往监视器，一般有2～8路输出。

·报警接口插板。可输入8～64路报警信号，并由1路或多路输出。

·含微处理器的CPU板。对各路视频切换，对摄像机、镜头、云台动作实行程序控制。

·字符信号发生器。为监视器屏幕生成日期、时间、摄像机号、场所等文字信息。

·摄像机、镜头、云台控制板。接受操作键盘的指令，一般采用曼彻斯特码，用RS-232或RS-422接口实现通信。

·电源装置。可供主机使用的交、直流电源并设有各类保护器。

·控制键盘。用以实行编程和遥控；键盘设置有两种，一种是安装在主机的前面板上，另一种是单独设置，它们采用RS-232或RS-422接口进行通信。

5）画面分割器

视频信号分配器是把1台摄像机的图像信号分配给多台监视器；而画面分割器，则是把多台摄像机的图像信号，经过处理，送给1台监视器，并在这台监视器上分区显示出来。画面分割器有4画面、9画面、16画面等。现以4画面分割器为例来分析画面分割器的结构。

4画面分割器可以输入4台摄像机的信号，它能对4个视频信号同时进行数位处理，把每1个全画面缩小成屏幕的1/4大小并放置在指定位置，从而在监视器上组合成4画面实时图像。由于它对4幅画面同时处理，因此实时性好，没有延迟现象，可同时供监视器和录像机使用，如图6.4所示。

图6.4　4画面分割器连接

4画面分割器有黑白和彩色两种，画面上均可叠加显示摄像机机号、位置等数码和文字。具有双工性能的系统，在回放时可以放大4分割画面，当然也可只指定某一画面做2×2回放。

图6.5给出了AD-1572MIN/MIC后面板结构图，图中有4个BNC，75Ω输入口，有1个BNC，75Ω输出口。AD-1573则有2个输出口可供监视器、录像机同时使用。

图6.5　彩色4画面分割器后面板结构

6）模拟录像机

监控系统中经常使用的长时间录像机就是一种模拟录像机，长时间录像机一般有两种，一种是时滞长时间录像机，另一种是实时长时间录像机。

时滞长时间录像机一盘录像带能录960h（40d）、720h（30d）、168h（7d）等几种。所谓“时滞”是指录像中间有间隔，一幅画面到另一幅画面的间隔时间一般为5～30s，但也有长达5min的。在监控时，如果案发时间在2次记录的时间间隔内，则难以记录案情发生时的情况。时滞长时间录像机的优点是录像带使用时间长，免除频繁更换之劳；缺点是可能漏录重要情节，回放时图像不连续，画面像动画，分辨率低，黑白300线，彩色240线，视觉的适应性差。

实时长时间录像机一盘录像带可录24h，回放画面动作连续，分辨率也高于时滞机，黑白可达350线，彩色达300线。实时长时间录像机的录像速度可以改变，能适应突发事件的需要，平时以16.7帧/s速度做24h录像，遇有报警时可以50帧/s速度连续快录8h。为了有效地抑制噪声，它采用了4磁头结构。实时机在噪声、分辨率、监控适应性、画面连续性上均优于时滞机，它是模拟机的发展方向。

时滞长时间录像机的典型产品如日本松下公司的AG-TL350；实时长时间录像机有日本三洋公司的SRT-500P，国产NV-TJ515CMC 4磁头录像机等。国产DV-K58302-M64h高清晰度长时间录像机，采用E-240录像带，录像时间长达64h；具有循环记录、定时记录、报警记录、紧急记录等多种记录功能。若使用E-180带可选多种记录方式，即3h、12h、24h、36h；配备有DLC-4磁头系统，并具有磁头自动清洗装置；用中文、英文、法文、西班牙文显示；有记录锁定和故障自控功能；清晰度黑白350线以上，彩色300线以上；具有遥控和屏幕菜单设置功能等。

一台录像机往往可以适应多台摄像机图像记录的需要，在录制时采用时分的方法把1～n台摄像机的图像记录下来。例如有4台摄像机在工作，在A时段依次录制1、2、3、4号机；B时段再依次录制1、2、3、4号机。回放时，若要察看3号机的图像，录像机可把A时段的3号图像、B时段的3号图像，先后呈现在显示器上。因此，回放的图像呈动画片状态，而不是连续图像。

7）监视器

监视器是监控系统的终端设备，所有被摄体的图像最终都要在监视器上显现。

监视器分黑白监视器、彩色监视器、大屏幕监视器和监视器屏幕墙几种。监视器与广播电视接收机相似，但其结构没有高频头、中频放大和伴音通道，只有视频输入、外同步、场同步和行同步。黑白监视器是常用的传统监视设备，其主要特点是分辨率高，结构简单，图像比较清晰。衡量黑白监视器的主要性能指标有视频频带宽度、水平分辨率、屏幕尺寸等。视频频带宽度一般的为8MHz，高清晰度监视器可达10MHz以上，频带宽度越宽，图像的细节越清楚，监视器的清晰度越高；分辨率是监视器的重要质量指标，它反映了监视器重现图像细节的能力，通常以水平的分辨率来衡量，并以行扫描线数来表示，水平中心分辨率中等质量的为600线，高分辨率监视器可达800线以上，水平分辨率线数越多，重现图像的清晰度也越高；屏幕尺寸用显像管荧屏对角线的长度来衡量，有大、中、小型之分：51cm（20in）以上为大型监视器；31cm～47cm（12～18in）为中型监视器；23cm（9in）为小型监视器。

随着彩色CCD摄像机的普遍使用，彩色监视器的使用也越来越普遍。彩色监视器中最重要的是使用了解码器把彩色全电视信号恢复成亮度信号和红（R）、绿（G）、蓝（B）3色信号，以获得彩色图像的重现。彩色监视器的清晰度一般在300～370线之间，高清晰度彩色监视器可达370～500线；其频带宽度一般为6MHz，理论上讲，6MHz的频带可以通过480线的图像信号，实际上由于彩色显像管的限制，往往达不到这个水平。因此，要选用高质量的显像管才能发挥出系统的潜力。注意，如果摄像机是400线的清晰度，那么用来显示该系统的监视器，它的清晰度应该是400线或稍高于这一数值，否则将不能充分发挥系统应有的性能指标。

大屏幕监视器应用于一些特殊的重要场合。这类监视器属于当代最引人注目的一种科技成果，其中有CRT投影机、液晶光阀超级投影机、等离子体显示机等。CRT投影机是采用高亮度显像管产生彩色图像，再利用光学镜头把图像投射到大屏幕上，它具有较高的清晰度，模拟信号可达600线以上，数字信号最高可达2 500×2 000像素。近期日本索尼公司推出的多台CRT投影机组成的无缝拼接电视墙产品，分辨率可达1 600×1 280像素。液晶光阀超级投影机可产生高亮度、高对比度、高分辨率的画面，模拟信号清晰度可达1 000线，数字信号显示点阵达1 920×1 035像素。等离子体显示机是利用自身发光型器件制成的监视器，厚度很薄，只有8～15cm，可以挂在墙上，能够实现40～60in大屏幕显示，能够显示1 670万种不同颜色，其中红、绿、蓝各256色，是一种大型化、轻型化、多色化的现代监视设备。

监视器屏幕墙是把多台监视器组合在一起形成的监视器群体，许多大厦、小区的监控中心一般常设有这种屏幕墙。由于监视器内的显像管多为电磁控制器件，为了避免相互影响，监视器外壳要采用钢板制品，从而起到电磁屏蔽的作用。在大型监控系统屏幕墙上，安装的监视器有时多达二三十台。