基于工业以太网的视频监控系统毕业设计.docx
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基于工业以太网的视频监控系统毕业设计
基于工业以太网的视频监控系统毕业设计
1前言:
1.1选题背景
随着世博会的到来以及平安城市的建设,视频监控正在以前所未有的速度走进我们的视野,并将在我们的生活中发挥越来越重要的作用。
视频监控以其直观可靠、经济实用的特点被越来越多的人推崇,它已在城市交通、智能建筑、小区建设、安全防范、运输调度、银行、煤矿、电力、石油等行业充分展示了其优势。
而网络技术的发展和成熟为视频监控创造了更为广阔的平台,对网络和视频监控的结合、研究和改进具有深远的现实意义。
将基于环境的视频监控信息接入互联网,可以把分散的信息集中起来,实时显示及存储,为监控人员提供实时、直观的视觉画面,从而便于统一管理。
把各分散的监控视频图像通过网络集中传递到中央监控室,不仅可以节省人力物力,还可以把工作人员从繁重的工作中解脱出来,将精力转向分析决策。
另外,还可以对系统性能和服务的异常,进行及时、准确地报警,提醒操作人员排除故障。
随着宽带互联网技术的广泛应用,图像压缩编码及流媒体技术的发展,系统处理能力的大幅提高,使网络视频监控技术得到迅速发展.目前,视频监控已不仅仅局限于安全防范,而是成为一种对各行各业行之有效的监督手段,它以直观、方便、信息内容丰富等特点被广泛应用在许多领域,比如教育、政府、医院、酒店、城市治安等,广泛地应用于工农业、交通、电力等的实时监控。
1.2视频监控系统发展史
视频监控系统的发展经历了三个不同阶段:
●模拟视频监控
●基于微机平台的多媒体监控
●基于基于工业以太网的视频监控系统
1.2.1模拟视频监控系统
模拟监控系统发展较早,目前常称为第一代监控系统。
主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机组成,摄像机采集的视频信号采用模拟方式传输,主要采用专用的视频电缆,传输距离不太远,适用于小范围监控。
发展成熟时期为上世纪90年代初及以前。
系统优点有:
·视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,质量最高;
·经过几十年的发展,技术成熟,系统功能强大、完善;
模拟视频系统存在的问题有:
·只适用于较小的地理范围;
·布线工程量大;
·与信息系统无法交换数据;
·监控仅限于监控中心,应用的灵活性较差;
·数据存储会耗费大量的存储介质(录像带),存储信息量有限;
·不易扩展。
[1]
模拟视频监控的一般结构图如图1-1
图1-1模拟视频监控系统组成示意图
1.2.2基于微机平台的多媒体监控
这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统,即模拟输入与数字压缩、显示和控制系统。
因为核心设备是数字设备,因此可以称为数字视频监控系统。
多媒体监控系统完全冲破了传统模拟监控系统的框框,它以高性能的多媒体工控机为核心,采用模块化结构,将主控端的全部设备集成于一体,另外,该系统还具有友好的人机交互界面和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,并可以受上一级的控制。
它一般采取以下结构:
在前端监控现场,有若干台摄像机,通过相应的线路连接到监控终端上,监控终端可以是一台PC机,也可以是专用的工控机。
监控终端除了可以处理摄像机传输过来的视频信号外,还可以利用视频压缩卡和通讯接口卡,利用通讯网络,将这些信号传输到一个或多个监控中心以便集中处理。
此种系统发展成熟时期为上世纪90年代中后期。
[2]
多媒体监控系统特点:
·视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式,质量较高
·系统功能较为强大、完善
·与信息系统可以交换数据
·应用的灵活性较好
·稳定性一般
DVR(DigitalVideoRecorder)是第二代多媒体监控系统的核心产品,采用微机和Windows平台,在计算机中安装视频压缩卡和相应的DVR软件,不同型号视频卡可连接1/2/4路视频,支持实时视频和音频,是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案,适合传统监控系统的改造,不适合新建的、又要求实现远程视频传输(超过1-2公里)的监控系统。
DVR系统从监控点到监控中心为模拟方式传输,与第一代系统相似存在许多缺陷,要实现远距离视频传输需铺设(租用)光缆、在光缆两端安装视频光端机设备,系统建设成本高,不易维护、且维护费用较大。
1.2.3基于嵌入式网络视频服务器/编解码器的网络化数字视频监控
随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高,以及各种实用视频信息处理技术的出现,视频监控进入了全数字化的网络时代,称为第三代视频监控系统,即全数字视频监控系统或网络数字监控系统,也就是基于基于工业以太网的视频监控系统。
第三代视频监控系统以网络为依托,以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心,以智能实用的图像分析为特色,引发了视频监控行业的技术革命。
[13]
简单的说,基于基于工业以太网的视频监控系统就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。
系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。
此系统起步发展时期为2000年以后。
嵌入式系统是以应用为中心,,软硬件可裁减的适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统,亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。
嵌入式系统在视频监控中的应用使得整个系统向着小型化、多功能化方向发展,也是未来视频监控行业的一个方向。
网络数字视频系统与上述第一、二代系统相比具有明显的优势:
·利用现有的网络资源,不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备,轻而易举地实现远程视频监控。
·系统扩展能力强,只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点。
·维护费用低,网络维护由网络提供商维护,前端设备是即插即用、免维护系统。
·系统功能强大、应用灵活、采用大容光量磁盘阵列存盘器或盘存储器,全数字化录像方便于保存和检索。
·在网络中的每一台计算机,只要安装了客户端的软件,给予相应的权限就可成为监控工作站。
如图1-2为数字视频监控系统组成示意图。
图1-2数字视频监控系统组成示意图
1.3视频监控系统的发展方向
前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化是视频监控系统公认的发展方向,而数字化是网络化的前提,网络化又是系统集成化的基础,所以,视频监控的发展的最大特点就是数字化、网络化、智能化。
1.3.1数字化
视频监控系统的数字化是系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转化为数字状态,改变了“传统闭路电视系统以摄象机成像技术为中心”的结构,根本上改变了视频监控系统信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。
信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议,是视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接,并在统一的操作平台上实现管理和控制,这也是系统集成化的含义。
1.3.2网络化
视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡,集散式系统采用多层分级的结构形式,具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务的调度算法的快速响应,组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计,系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化,系统运行互为热备份,容错可靠等功能。
系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。
系统网络化将实现整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享,这也是系统集成化的一个重要概念。
1.3.3智能化
采用计算机为控制中心,通过系统软件实现控制界面的可视化,控制环境的多媒体化,可以方便地实现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警输入、联动输出录象的智能化控制,进而达到对事件的分析、统计、处理,实现视频监控的智能化管理。
[1]
1.4视频监控系统的应用现状
视频监控系统在国内的应用现状表现为:
应用相当广泛,前景非常美好,但标准化落后!
视频监控目前在很多领域已经有了广泛应用,市场规模也在迅速扩大,据《2007网络视频监控业务研究报告》显示:
2006年中国网络视频监控市场规模达18.24亿元,2007年中国网络视频监控市场规模将达到26.36亿元,网络视频监控将保持约38%的年增长率,预计2011年将达86.61亿元,而且会有越来越多的网络视频监控系统采用完全数字化技术,特别是在银行、交通、工业、零售业等行业市场。
以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术将获得长足发展。
[5]
在欧美等发达国家,视频监控的发展比较快,应用也十分广泛,但是它们的产品价格较高、带宽要求较大、培训和维护也很不方便,而且从国外引进的产品本地化程度较差,在功能、接口、使用环境等方面均或多或少地存在一些与我国国情及现场需要不太吻合的地方。
我国视频监控行业最初是由闭路电视监控(CCTV)逐渐发展起来的,已近二十年的历史,从简单模拟视频监控到现在的纯数字化网络视频监控,监控系统在国内目前应用已经相当广泛。
国内长城集团、网通电子商务有限公司、北京微电子技术有限责任公司等也自主开发了国产的数字视频监控系统。
国内高校也在监控系统的研发方面发挥着重要的作用,如上海交通大学、复旦大学、东南大学和北京航空航天大学等都在多媒体数字视频监控系统领域有丰硕的成果。
在行业标准的制定上,我国还处在起步阶段。
目前,从事国内视频监控国家标准或行业标准的标准化组织主要是中国通信标准化协会IP与多媒体通信技术委员会(CCSA-TC1)和全国安全防范报警系统标准化技术委员会(简称全国安防标委会,CSBTS/TC100)。
前者于2006年5月份完成了《基于IP网络的公众视频监控业务的研究》研究报告,并以此研究报告的工作为基础,开始了一系列标准的起草和审批稿工作。
后者作为标准发布的权威,在国家标准方面,目前制定了各类安防设备(比如:
入侵探测器、视频安防监控数字录像设备等)的技术规范以及一些系统工程设计规范。
在行业标准方面,制定了《报警传输系统的要求》系列标准、《视频安防监控系统》系列标准等。
这些标准对国内系统具有很大的影响力。
1.5工业以太网简介
1985年,IEEE802.3被采纳为以太网标准,西门子公司在SINECH1名下引入应用在工业中的以太网。
这就是工业以太网的诞生。
开发工业以太网是很有必要的,因为应用在工业环境中的以太网和应用在办公环境中的以太网有着本质的区别。
现今的自动化设备都必须能够使用以太网进行连接。
真正的问题是:
到底是通过Internet协议直接连接,还是通过已有的工业网络间接连接。
以太网本身不能够保证两台设备可以进行通讯,需要应用层互相兼容才可以。
当几十年前以太网出现的时候,它被认为不能够用于工业自动化网络。
但其在自动化领域的应用却越来越多,设备级网络中以太网兼容产品的使用也越来越广泛。
以太网正在迅速成为一种通用的网络系统接口。
以太网常用于IT部门以及办公室环境之中,可以说是无处不在。
它易于安装和维护,价格也要便宜的多,并且很容易获得。
在工业网络的应用场合下,以太网的一大优势是它能使整个企业———从生产车间到会议室通过一个网络形成一套统一的标准,使得在世界上任何一个角落都能获得所需的数据。
在过去的十年间,这项优势已经促使以太网标准有了很多的改进,尤其是在决策、速度和优先级方面。
可以说已经没有任何理由阻碍以太网成为构建确定、开放和廉价的自动化网络的解决方案。
传统的工业自动化设备生产商明显都是以太网的拥护者。
例如,Rockwell自动化、西门子以及其他一些企业宣称他们百分之七十到八十的自动化产品都是应用于以太网之上的。
主要的工业以太网通信标准
当今主要应用的工业以太网通信标准如下:
(1)EtherNet/IP
EtherNet/IP使用与DeviceNet和ControlNet相同的用户层和应用层,即控制和信息协议(CIP),这使这三种网络能完全地互操作
(2)EtherCAT
EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)规定的全双工快速以太网通信是基于主/从原则的,其中主站发起所有的传输。
为了传递实时性能,Ether-CAT在一个标准的以太网报文中封装了大量以太网命令。
(3)Profinet
Profinet协议规定在快速以太网上的全双工通信,并支持星型、线型和环型拓扑。
Profinet-IRT通过使用集成了控制通信的2一或4一口智能切换器,支持以太网中基于TCP/IP通信的确定性通信。
(4)EthernetPowerlink
EthernetPowerlink(EPL)设备使用没有特殊芯片的COTS以太网硬件。
但是,为了实现最小的循环时间和抖动,建议在EPL节点安装附加的处理器,单独执行EPL网洛堆栈。
EPL支持任何拓扑,网络由标准的类型2集线器所建立。
由于EPL是在共享IEEE802.3介质上运行的硬RT协议,它使用主站设备控制介质访问,因此避兔了冲突。
(5)SercosIII
SereosIII不要求使用任何附加的集线器或切换器,它支持环型或线型拓扑。
每个网络包括一个主站和多个从站。
[13]。
1.6论文结构
本文将根据煤矿现场的实际情况设计一个网络视频监控系统,并在介绍项目实施过程之前,着重了解相关技术、掌握系统设备的选择、分析系统的结构和功能。
第一章为前言部分,主要说明了选题背景,概括的介绍了视频监控系统的历史、发展和现状,并对未来做了展望。
以及工业以太网的现状、发展和应用。
第二章主要介绍了实现网络视频监控所需要的相关技术,包括CCD技术、光纤传输、图像压缩和多媒体等技术。
第三章主要介绍了工业以太网的详细情况,现状和发展。
第四章介绍典型视频监控系统包含的主要设备,重点介绍各设备的功能和参数。
第五章主要介绍了当前情况下工业以太网的所面临的安全问题,分析问题及其解决方案。
第六章针对兖矿集团鲍店矿视频系统方案,介绍项目实施的意义和要求,系统组成和结构以及系统的安装。
第七章为本文的总结部分,描述了系统运行状况和系统的改进扩展,并对本文做出最后的总结。
2视频监控系统关键技术
2.1CCD技术
CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件)是一种新型的固体成像器件,它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片,是由MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。
这种CCD芯片借助于必要的光学系统和合适的外围驱动与处理电路,可以将景物图像,通过输入面空域上逐点的光电信号转换、存储和传输,在其输出端产生一时序视频信号,并经末端显示器同步显示一幅人眼可见的图像。
所以CCD首先是一种微型图像传感器,其次,它还可以用于模拟信号处理、数字信号存储等技术领域。
[9]
2.1.1CCD工作原理
CCD从结构上可分为线阵和面阵CCD两种。
光敏元排列为一行的称为线阵CCD,而面阵CCD器件象元排列为一平面,它包含若干行和列的结合。
1.线阵CCD工作原理和结构特点
线阵CCD原理性结构如图2-1所示。
图2-1线阵CCD原理性结构
主要部件有:
(1)像敏和电荷存储单元:
在信号栅电压作用下,各单元感受光照,产生光生电荷并存储。
各存储单元之间相互隔离,防止储存电荷向邻近单元渗漏。
(2)CCD读出寄存器:
在转移栅电压作用下,各存储单元在一行周期内存储的电荷全部送入读出寄存器,读出寄存器受时钟信号控制,依次将存储电荷转移到输出端输出,产生视频图像信号。
读出寄存器通常分成两路,交错排列,使相邻存储单元的电荷分别送两路寄存器,两路寄存器分别由两路时钟信号控制。
在线阵CCD里,像感和存储单元呈线状排列,可以摄取和读出一维图像信号,如果加上光机扫描,可摄取缓变或固定的二维图像,因此常用于实物或图形尺寸的精确检测、图像传真和航空摄像等。
2.面阵CCD工作原理和结构特点
面阵CCD根据工作方式不同通常可分为三类。
(1)行转移型(LT方式):
这种方式的选行时钟驱动电路比较复杂,且由于光敏区和转移区共用,很难防止图像模糊,因而不实用。
(2)帧转移型(FT方式):
如图2-2a所示。
这种方式的光敏区和存储区占有相同大小的芯片面积,但时钟电路简单。
在帧逆程期间,各单元像感电荷送到相应的存储器储存,在行逆程期间,某行存储电荷转移至水平读出寄存器输出。
(3)行间转移型(ILT方式):
如图2-2b所示。
这种方式的光敏单元彼此分开,各个光敏单元的信号电荷包括通过转移栅转移到不照光的垂直方向的转移移位寄存器中,然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到输出寄存器中,这种方式的时钟电路稍复杂一些。
[13]
(a)FT方式(b)ILT方式
图2-2面阵摄像器件的构成方式
2.1.2CCD摄像机及主要技术参数
CCD的一个主要应用就是CCD摄像机,被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD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。
CCD芯片就像人的视网膜,是摄像头的核心。
目前我国尚无能力制造,市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生产的芯片,现在韩国也有能力生产,但质量就要稍逊一筹。
因为芯片生产时产生不同等级,各厂家获得途径不同等原因,造成CCD采集效果也大不相同。
在购买时,应根据不同的用途选择相应参数的CCD摄像机。
以下就对CCD相机的参数做简单介绍:
1.CCD的尺寸
CCD芯片已经开发出多种尺寸,目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。
在购买摄像头时,特别是对摄像角度有比较严格要求的时候,CCD靶面的大小,CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。
1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm高9.6mm,对角线16mm。
2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm高6.6mm,对角线11mm。
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm高4.8mm,对角线8mm。
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm高3.6mm,对角线6mm。
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm高2.4mm,对角线4mm。
2.水平分辨率
评估摄像机分辨率的指标,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。
分辨率与CCD和镜头有关,还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关,通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。
频带越宽,图像越清晰,线数值相对越大。
3.最低照度
最低照度是对摄像机灵敏度的表征,或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。
照度的单位是勒克斯(LUX),数值越小,表示需要的光线越少,摄像头也越灵敏。
黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯),彩色摄像机多在1Lux以上。
4.电子快门
电子快门控制摄像机CCD的累积时间,当电子快门关闭时,对NTSC摄像机,其CCD累积时间为1/60秒;对于PAL摄像机,则为1/50秒。
当摄像机的电子快门打开时,对于NTSC摄像机,其电子快门以261步覆盖从1/60秒到1/10000秒的范围;对于PAL型摄像机,其电子快门则以311步覆盖从1/50秒到1/10000秒的范围。
当电子快门速度增加时,在每个视频场允许的时间内,聚焦在CCD上的光减少,结果将降低摄像机的灵敏度,然而,较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应,这将大大地增加摄像机的动态分辨率。
5.白平衡
白平衡,就是在不同的光线条件下,调整好红、绿、蓝三原色的比例,使其混合后成为白色。
使摄影系统能在不同的光照条件下得到准确的色彩还原。
白平衡只用于彩色摄像机,其用途是实现摄像机图像能精确反映景物状况,实质是确定了基准色。
6.同步
内同步:
用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。
外同步:
使用一个外同步信号发生器,将同步信号送入摄像机的外同步输入端。
电源同步(线性锁定,linelock):
用摄像机AC电源完成垂直推动同步。
7.自动增益控制
所有摄像机都有一个将来自CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大量即增益,等效于有较高的灵敏度,可使其在微光下灵敏,然而在亮光照的环境中放大器将过载,使视频信号畸变。
为此,需利用摄像机的自动增益控制(AGC)电路去探测视频信号的电平,适时地开关AGC,从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作,此即动态范围,即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度,从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。
8.背景光补偿
通常,摄像机的AGC工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的,但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标,则此时确定的AGC工作点有可能对于前景目标是不够合适的,背景光补偿有可能改善前景目标显示状况。
当背景光补偿为开启时,摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其AGC工作点,此时如果前景目标位于该子区域内时,则前景目标的可视性有望改善。
9.光谱响应特性
CCD对于不同波长的光的响应度是不相同的。
光谱响应特性表示CCD对于各种单色光能的相对相应能力,其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。
通常把响应度等于峰值响应的50%所对应的波长范围称为光谱响应范围。
由于大多数CCD的象元都是P-N结光电二极管结构,因此对蓝光的响应度都比较高。
[9]
2.2传输介质
传输介质是网络中连接收发双方的物理通道,也是通信中实际传送信息的载体。
传输介质的选择在视频监控系统中也是重要的一环。
不同的传输介质,其特性也各不相同。
他们不同的特性对网络中数据通信质量和通信速度有较大影响!
这些特性有:
1、物理特性。
说明传播介质的特征;
2、传输特性。
包括信号形式、调制技术、传输速度及频带宽度等内容;
3、连通性。
采用点到点连接还是多点连接;
4、地域范围。
网上各点间的最大距离;
5、抗干扰性。
防止噪声、电磁干扰对数据传输影响的能力;
6、相对价格。
以元件、安装和维护的价格为基础;
网络传输介质从开始的铜电缆,到同轴电缆,到双绞线,到光纤,多种特性都有明显的提高。
目前用得最多的是同轴电缆和双绞线。
但是光纤也在迅猛的发展中,远距离传输中优势明显。
2.2.1同轴电缆
同轴电缆的结构如图2-6所示,它由内导体、绝缘层、外导体及外部保护层组成。
内导体由一层绝缘体包裹,位于外导体的中轴上,它或是单股实心线或是绞合线(通常是铜制的)。
外导体也由绝缘曾包裹,或是金属包层或是金属网。
同轴电缆的最外层是能够起保护作用的塑料外皮,即外部保护层。
同轴电缆外导体的结构使其不仅能够充当导体的一部分,而且还能起到屏蔽的作用。
这种屏蔽,一方面能防止外部环境造成的干扰,另一方面能阻止内层导体的辐射能量干扰其他导线。
图2-3同轴电缆结构示意图
同轴电缆既可以传输模拟信号又可以传输数字信号。
在长途传输模拟信号过程中,大约每隔几千米就需要使用放大器,频率越高,放大器的间距就越小。
传输数字信号时,大约每千米就需要使用中继器,数据传输速率越高中继器的间距就越小。
与双绞线相比,同轴电缆抗干扰能力强,能够应用于频率更高、数据传输速率更快的情况。
对其性能造成影响的主要因素来自衰减损耗和热噪声,采用频分复用技术时,还会受到交调噪声的影响。
虽然目前同轴电缆大量被光纤取代,但它仍广泛应用于有线电视和某些局域网中。
目前得到广泛应用的同轴电缆只要分为50Ω电缆和75Ω
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