安全管理資訊系統 監視 錄影概述 Introduction of Video Surveillance Networks

1. 安全管理資訊系統監視錄影概述Introduction of Video Surveillance Networks 授課老師：卓世明

2. 目標 • 介紹數位時代的監視錄影設備 • 參考書： • Emily Harwood, “DIGITAL CCTV - A Security Professional’s Guide,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., 2008

3. 不同的監視錄影 - 1 • 類比式 CCTV (第一代) • 類比式 CCTV Cameras + 同軸電纜 (coax-cable) + 類比式錄影帶錄影 • 使用人工監看 (monitor) 或回播 (playback) coax-cable 卡式錄放影機 Video Cassette Recorder (VCR) 類比式監視器(Analog Monitor) 多工器 (Multiplexer)

4. 不同的監視錄影 - 2 • 影像數位化 ( e 化，第二代) • 類比式 CCTV Cameras + DVR (影像數位化 + 儲存 + 網路) • 使用數位技術處理影像。如影像壓縮及事件錄影 (如移動偵測啟動錄影) (Image Source: Mobotix) Alarm I/O Monitor coax-cable coax-cable 網路 Ethernet DVR (含 Multiplexer) Cameras

5. 不同的監視錄影 - 3 • 網路數位化 (第三代) • 數位方式：IP camera + 網路錄影設備 (Networking Video Recording; NVR) • 使用影像處理整合平台 (影像壓縮執行於 IP camera) 進行多功能影像分析與資料庫整合，如門禁管制與車輛追蹤等 (Image Source: MIT CSAIL)

6. 技術與產品 Integration IP-Cam/NVR DVR 智慧與整合 Tape/CCTV 網路時代 影像數位化 類比時代 時間 不同的監視錄影 - 4 • 監視錄影設備的改變 (www.ASMAG.com)

7. DVR (Digital Video Recorder) - 1 • 數位影像儲存機 (Digital Video Recorder; DVR) 用來取代了傳統的 CCTV 中的 Multiplexer 與 VCR • DVR 可以接多支類比式攝影機 (analog camera)，可做分割畫面，影像壓縮儲存與回放 (playback) • 常見影像及聲音壓縮方式有 JPEG，Motion-JPEG 及 比較新的 MPEG-4 或 H.264 • 可選擇不同的錄影每秒張數 (frame rate, fps) • 目前市場上以 4 channels (camera 數) 或 16 channels 為主流 • 內建儲存記憶體 (硬碟機，hard disk) 以儲存影像。當儲存量超過記憶體容量，自動覆蓋 (rollback) 舊有的影像

8. DVR (Digital Video Recorder) - 2 • DVR 主要兩類產品為嵌入型 (embedded，或稱 stand-alone) 與 PC 型 (PC-based) 兩種，在產品特性上各有優缺。前者使用簡單 CPU 加上影像壓縮、解壓縮 DSP 晶片，所以功能固定，但價格較低；後者功能擴充彈性大，價格較高 • DVR 可使用位移偵測 (motion detection) 來驅動事件前後時區之錄影。如此可減少 DVR 不必要之錄影量。如某一事件發生前五分鐘到事件發生後一小時間的錄影儲存。位移偵測常用兩種方式 • 可使用如磁簧開闢或紅外線感測器來當驅動事件 • 也可使用影像分析技術 (軟體)。選擇某一區塊或全部影像，分析並檢查影像重大變化

9. DVR (Digital Video Recorder) - 3 • DVR 常含許多保全擴充功能，如讀取周邊感測器或控制某些開關 (IO) 和警報器 (Alarm)。與這些周邊 IO 接連方式主要使用直接信號線 DI/DO (Digital In / Digital Out) 或 RS485 或無線電等通信方式 • 通信方式以後再做介紹 • 內建網頁，透過網際網路 Internet，可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端即時監視 (影像部份) 或歷史影像調閱。另網頁也可顯示感測器狀態與 IO 控制 • 有 PTZ (Pan, Tile & Zoom) 功能 Camera，一般也可透過網頁設計來控制 DVR 之 RS485 來輸出 Camera 雲台轉動鏡頭方向與焦距調整的信號

10. DVR (Digital Video Recorder) - 4 • DVR 實例 • PTZ (Pan, Tile, Zoom) 表示可控制 Camera 水平垂直旋轉與遠近變焦 (www.signalsync.com)

11. DVR (Digital Video Recorder) - 5 • DVR 設備注意事項 (www.secom.com.tw) • 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 ？

12. 乙太網路 (Ethernet) ADSL 數據機 Ethernet 網路基礎架構 - 1 • 一個網路最簡單的形式是由兩台或更多台連結的電腦組成，每一台電腦裝有一個網路介面設備叫做網路介面卡 (NIC 或網路卡)。一般此介面卡使用乙太網路 (Ethernet) 之網路線連結 • 電腦可以連結到網際網路 (Internet)，使用媒介可能是電話線 (ADSL)、同軸電纜 (Cable Modem)、或是來自行動電話 (GPRS 或 3G) 和無線區域網路 (Wi-Fi 無線網路)。這部份後面介紹 單一電腦 Internet (外網)

13. 交換器 Switch Ethernet Ethernet LAN (內網) 網路基礎架構 - 2 • 大多數電腦並非全然為 Internet 的直接成員，而是屬於區域網路 (Local Area Network; LAN) 的內網成員，如學校網路或辦公室網路 • LAN 通常包含一個交換器或者一個集線器，做為與電腦之間的一個連接點 • 集線器 (hub) 是連結網路元件的簡單設備，傳送資料封包到所有其他連結的設備 • 交換器 (switch) 比集線器更聰明一些，能過濾並傳送資料到指定的地點

14. Internet 網路基礎架構 - 3 • LAN 可以透過某一連接器來連結外網 (Wide Area Network; WAN 廣域網路，即泛稱的 Internet) • 路由器 (router) 是一個特殊的通信處理器，用來阻隔內、外網，在不同的網路中替封包選擇路徑，確保訊息能傳送到正確的位址 • 防火牆 (firewall) 是一個比 router 更有智慧的通信處理器，除了具備 router 功能外，還可過濾內、外網上電腦的不必要通信 網際網路 ADSL 數據機 防火牆 Switch Ethernet … LAN (內網) Internet (外網)

15. 網路基礎架構 - 4 • 網路的速度，常使用網路頻寬 (bandwidth) 來表示。在不同的網路中，有不同的網路頻寬 • 一般內網常有穩定 100M bps (bits per seconds) 以上之網路頻寬；但外網 (Internet) 頻寬卻在 10M bps 以下，而且不穩定 • 網路頻寬愈大通常可以傳輸更多的影音量，但它不全然代表網路速度。如同開車在六線道之高速公路不全然一定會比兩線道之快速公路來得快，端視公路使用量 • 在影音數位化時，也使用影音頻寬來表示，如 1.5M bps 的 VCD 影音。其原因便在於影音是被考慮如何在網路上傳輸

16. 網路基礎架構 - 5 • 網路上的電腦或設備使用某一 IP address (地址) 來定址，如同我們的住家使用不同地址一樣。這裡的 IP 指 Internet Protocol。一個 IP address 為一個 4 bytes 的位置 (新的定址已經擴充到 6 bytes) • 通常我們使用全球資訊網 (World Wide Web; www) 來定址。如 Internet 上的 www.google.com其實真實的 IP address 為209.85.175.99四個 bytes (每個 bytes: 0 ~ 255) • 許多情況下，網路上的電腦並沒有固定的 IP address，而是動態地址 (dynamic address)。一般內網上的電腦常是動態地址，所以，外網上的電腦卻不容易連結到此一內網的電腦  換言之，內網電腦設計上容易連結到外網 (即 “上網”)，但外網上的電腦卻不容易連結到某一內網內的電腦

17. Internet DVR 之可能網路架構 - 1 • DVR 影像儲存於 DVR 本身。影像可由內網 (LAN) 或外網 (WAN, 即 Internet) 的電腦來瀏覽 Monitor 內網 個人電腦 CCD Camera LAN (內網) Switch … Ethernet Cable DVR 防火牆 網際網路 Internet (外網) 遠端 個人電腦

18. DVR 之可能網路架構 - 2 • 當 DVR 提供網路介面時，影像可由內網 (LAN) 電腦來顯示 • 由於一般內網 (LAN) 網路速度 (或頻寬) 甚大於影像頻寬，所以，使用內網電腦來顯示影像，可如同使用顯示器 (monitor) 的顯示效果 • 如果 DVR 是可以被外網連結時，則可以使用外網電腦來觀看 DVR 影像 • 由於一般外網 (WAN) 網路速度 (或頻寬) 小於影像頻寬，所以影像顯示無法得到如同使用顯示器，得到即時的效果

19. IP-Cam (網路攝影機) - 1 • IP-Cam (IP Camera) 或稱網路攝影機 (network camera)。為一種結合單一鏡頭 (或兩個鏡頭) 與影像壓縮處理單元之 camera，並使用網路來傳輸影像。這裡的 IP 指使用 Internet Protocol 的通信協定 • 網路包括使用有線的 Ethernet 及無線區域網路 (wireless LAN, WiFi network) 兩種。通信方式與通信協定， 以後再做進一步介紹 • IP-Cam 一般有 • 標準型、紅外線型 • 半球型、高速球型 (speed dome) • 戶外型、防暴型 • 迷你型 • …

20. IP-Cam (網路攝影機) - 2 • 一般 IP-Cam 含有 DVR 的功能，但與 DVR 不同之處為 • DVR 使用同軸電纜 (coax-cable) 連接多台傳統 cameras 之分離設備，IP-Cam 內建 camera 之單一設備 • 一般 DVR 提供顯示器 (monitor) 介面 (cable) 來做多分割畫面監看，IP-Cam 使用網路介面，在其它地點使用 PC 來監看 • DVR 影像儲存於 DVR 本身 (硬碟機)，所以網路功能並不一定是其主要重點。IP-Cam 本身無儲存設備，所以 IP-Cam 可能提供合適網路傳輸的環境 (一般 DVR 不會做如此改善)，讓 IP-Cam 更容易使用網路瀏覽或使用網路端影像儲存器 (Network Video Recording; NVR) 來儲存影像 • DVR 自成一簡單而獨立的保全系統，但 IP-Cam 則可結合 NVR 等網路伺服器 (Server) 設備成一整合型系統

21. Switch 內網 個人電腦 Ethernet IP-Cam Internet 防火牆 網際網路 IP-Cam 遠端 個人電腦 IP-Cam 之網路簡單應用 - 1 • IP-Cam 本身無儲存設備，所以，當沒其他網路上的設備進行影像儲存時，IP-Cam 只是一個 camera 而已 • IP-Cam 可以由內網電腦來 “監看”(即顯示) 或儲存影像 LAN (內網) Internet (外網)

22. IP-Cam 之網路簡單應用 - 2 • 如果 IP-Cam 是接在某個固定 IP address 時，而且當網路頻寬足夠時，IP-Cam 的影像可由遠端個人電腦 (或具網路功能的 PAD 及手機) “監看” 時，影像可由外網某一電腦或設備來儲存影像 • IP-Cam 只是一個 camera：當在許多網路上應用，固定式 IP address 並不是垂手可得，而是動態的。此時，IP-Cam 的影像便無法被 “監看” 或儲存 • 一種彈性做法是，IP-Cam 主動對某一網路上設備進行影音 (影像 + 錄音) 上傳，以達影音儲存的目的。此某一網路上設備通稱為 NVR (Network Video Recording) • 目前多數 IP-Cam 皆只含內網功能，不含與外網 NVR 連結的功能

23. IP-Cam NVR 群組 網際網路 NVRs … Ethernet Internet Streaming Server 遠端 個人電腦 PDA 3G 手機 IP-Cam/NVR 之網路架構 - 1 • IP-Cam 則可結合 NVR 等網路伺服器 (Server) 達到影音隨時與隨地監視目標 (http://512dsl.hinet.net/VRS/)

24. IP-Cam/NVR 之網路架構 - 2 • IP-Cam 可放於某一可以連結到 Internet 的位置，包括直接由數據機連結 或於某一內網 (LAN) 連結到 Internet 的位置。IP-Cam 主動上傳影音到 NVR • NVR 等網路伺服器 (Server) 設備為一群組電腦。這些電腦接於對外 (Internet) 網路頻寬甚大於影像頻寬的位置，並置放於大型機房裡。NVR 主要負責影像儲存

25. IP-Cam/NVR 之網路架構 - 3 • IP-Cam 影音上傳 NVR 與儲存 • IP-Cam 可以主動方式透過網路儲存其影音，並存於 NVR 的儲存設備 (硬碟機矩陣)。通常，NVR 的硬碟機矩陣可達儲存上百部 IP-Cam 一個月的影音資料 • NVR 使用固定 IP address，所以 IP-Cam 可以很容易將影音傳到 NVR 來儲存 • 當 IP-Cam 的網路無法連結 NVR 時，IP-Cam 具備了暫存部份影像之能力，在網路連通後，自動回補未上傳之影像 • IP-Cam 影音上傳至 NVR 時，使用兩者皆 “看得懂” 而特殊的網路協定 (protocol) 進行影音串流 (audio/video streaming)。這些協定可以得到比較好的網路環境適應方法，因此，利於影音傳送

26. IP-Cam/NVR 之網路架構 - 4 • IP-Cam 之影音監看 • Internet 上遠端電腦 (或具網路功能的 PAD 及手機) 可由 NVR 直接下載 (”監看”) 某一 IP-Cam 之 “對應影像” • NVR 群組中的串流伺服器 (streaming server)，負責影音瀏覽時，影音串流到瀏覽者的功能 • 影音下載則使用另外的網路協定進行影音串流，以利影像瀏覽。有時，這樣的協定會對特殊的瀏覽對象進行影像解稀度調整，如對 PC 使用 D1 畫質 (640 × 480)，對手機則是 QCIF 畫質(176 × 120)  IP-Cam/NVR 是為網路 (Internet) 環境特殊設計的

27. IP-Cam/NVR 之網路架構 - 5 • 網路上的任何電腦 (或具網路功能的 PAD 及手機)，邏輯上，可以直接瀏覽某一部 IP-Cam 的 “即時” 或歷史影音。其實，這工作是透過串流伺服器 (streaming server) 瀏覽 NVR 中的儲存影像，而非真正到 IP-Cam 去瀏覽影音 • 所以，當 NVR 的網路頻寬足夠時，IP-Cam 的影音，邏輯上，可以同時提供許多電腦 (或具網路功能的 PAD 及手機) 同時瀏覽 IP-Cam 的 “即時” 或歷史影音 • 這裡的 “即時” 指的是影音從錄影到瀏覽時，某一時間的延遲，包括網路處理與存取 NVR 串流所需等的時間，並無法保證做到百分之百的即時性。一般來說，幾秒或幾十秒的延遲是可能的

28. IP-Cam 伺服器群組 網際網路 DNS / Web Server Ethernet Event Server (DB) Internet 遠端 個人電腦 NVRs PDA … 3G 手機 Streaming Server IP-Cam/NVR 之整合型架構 - 1 • NVR 等網路伺服器 (Server) 可以結合更多的伺服器群組設備組成一整合型系統 (http://512dsl.hinet.net/VRS/)

29. IP-Cam/NVR 之整合型架構 - 2 • IP-Cam 除了進行影音錄影工作外，還可以結合設計不同感測器 (sensors)，來達到更多的保全目的 • 因此，伺服器群組中，還可包含了某些功能整合用的電腦 • 網站伺服器 (web server) 負責提供某一部 IP-Cam 的特殊個人化網頁，以管理 IP-Cam 與其對應使用者。使用者可以由此入口網站看到自己安裝的所有 IP-Cam 影音與各種感測器 (sensor) 狀態與記錄 • 事件伺服器 (event server) 負責提供 IP-Cam 傳來的非影音事件處理。如某些安裝於 IP-Cam 身上的磁簧開關 (reed switch) 在警介模式被開啟時，事件伺服器可以主動傳手機簡訊給 IP-Cam 使用者。如此，使用者可以採取進一步的行動 • 資料庫伺服器 (Database; DB server) 負責提供所有 IP-Cam 與使用者的資料管理

30. 監視錄影的改變 - 1 • 從傳統 CCTV 到整合型監視錄影，已經從保全產業發展到技術相當高的安全產業 • 從整個 IP-Cam/NVR 架構可以看到，監視錄影或安全產業已經漸漸朝向更具智慧 (intelligent) 及整合 (integration) 的道路 • 智慧 (intelligent) 的 達成，包括 camera 前端的各種感測器 (sensors) 與警報輸 出的設計，還有前 、後端影像處理與 分析技術的結合

31. 監視錄影的改變 - 2 • 整合 (integration) 的達成，因著網際網路 (Internet) 的成熟與資訊工業 (Information Technology; IT) 技術的快速發展 • 整個監視錄影安全產業的發展，一個重要的議題是資訊安全與個人私密的問題是否可以做到