安全管理資訊系統保全錄影與閉路電視概述 Introduction of Security Recording and Closed Circuit Television

安全管理資訊系統保全錄影與閉路電視概述Introduction of Security Recording and Closed Circuit Television 授課老師：卓世明

目標 • 介紹保全系統中的錄影設備 • 參考書： • Emily Harwood, “DIGITAL CCTV - A Security Professional’s Guide,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., 2008 • Thomas Norman, “Integrated Security Systems Design - Concepts Specifications and Implementation,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., Jan. 2007

CCTV 的演進 - 1 • 傳統的影像監控應用起源甚早，從 1913 年英國對被監禁的婦女參政權論者進行秘密攝影開始，到 1961 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 (Closed Circuit Television; CCTV) 的發展已經具有悠久的歷史。英國不但是 CCTV 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、習以為常 • 傳統的類比式 (analog) CCTV 系統主要包括前端的攝影機 (camera)、鏡頭 (lens)、雲臺 (cradle head)，以及進行訊號傳輸的同軸電纜 (coax-cable)，負責進行畫面分割處理 (Quad)、切換控制的影像處理器 (multiplexer)，用於對於多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣 (Matrix)，以及後端用於監看畫面的監視器 (monitor) 以及用於儲存影像的錄像機 (VCR recorder) 等

CCTV 的演進 - 2 • 在 90 年代末期，一種新的錄像儲存產品推出了，那就是 DVR (Digital Video Recorder)。它的出現原因在於 • 隨著半導體科技的發展，處理器 (CPU) 效能越來越快速 • 價格也降到可接受的程度 • 壓縮技術的逐漸成熟 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 等) • 加上硬碟容量的增加與價格的降低 • 可彈性增加數位輸入、輸出監控埠 (DI / DO)，結合事件錄影讓數位技術有機會進入影像監控應用 • DVR 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 DVR 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 (time-lapse VCR)，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

CCTV 的演進 - 3 • 隨著網際網路 (Internet) 的進步，上網常用的乙太網路線 (Ethernet 網路纜線) 或無線網路 (WiFi) ，因此取代行之多年的 CCTV 常用的同軸電纜。一般 DVR 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 (包括影像及感測器讀取與 IO 控制)。透過網路 (Internet) 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，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 CCTV 的「閉路」概念，走向全新的網路環境 • 網路攝影機 (network camera / IP camera) 2000 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的同時，使用者可以使用任何一台可以上網的電腦、PDA 或手機中的網路瀏覽器 (Internet browser) 來遠端存取此一攝影機的影像

CCTV 的演進 - 4 • 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 DVR 之間的產品誕生了，那就是影像伺服器 (Video Server)。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，影像伺服器可以說是不帶硬碟的 DVR，也可以說是讓傳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機不用淘汰、更換，是既有設備升級的理想解決方案 • 隨著網路技術的發展，針對在網路環境使用特性，DVR 系統又進一步發展成為具有網路功能的 NVR (Network Video Recording) 系統。與 DVR 系統相比，NVR 系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存 (備份儲存)，還實現了影像的數位化傳播 (影音串流)。即 NVR 系統可以直接接到 IP Internet 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對在網路環境下使用而設計的，因此它克服了 DVR 無法透過網路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

CCTV 的演進 - 5 • CCTV 相關大事 • 1839 發明照相機 (靜態，底片)。19 世紀末，發展成攝影機 (動態, 底片) • 1920 黑白電視 (TV) 問世。1960 初期，黑白真空管 (Tube) TV 攝影機問世 (動態，電子訊號) • 1962 美國 RCA 公司發表全世界第一台 VCR (Tape，電子訊號) • 1980s 發展出半導體元件 (Solid-State ) CCD 攝影機 • 1990s 影像產品開始數位化，安全監視產業蓬勃發展 • 2001 美國 911 事件，安全監視成為受重視之必要產業 • 2006 影像處理晶片 DSP (Digital Signal Processor) IC 帶動安全監視系統產業快速轉變與發展

我們生活在類比影像的世界 - 1 • 電視 (TV) 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 (camera) 將生活周遭環境與活動之影像 (video) 及聲音 (audio) 轉換到 TV “看得懂” 的信號。此一信號便可顯示於 TV 上。閉路電視 (CCTV) 系統因此產生 • 不同於 TV 的廣播系統，保全用途的攝影機 (Camera) 透過傳輸煤介，如同軸電纜 (coax-cable)，將拍攝到的影音信號傳送到不同地點來顯示 (display) 或錄影 (record)

我們生活在類比影像的世界 - 2 • TV “看得懂” 的信號分為美日等國使用的 NTSC (National Television Standards Committee)、歐洲使用的 PAL (Phase Alternating Line)及法國等國使用的 SECAM 等三類。這三類皆為類比式 (analog) 信號

NTSC 電視信號 - 1 • 以 NTSC 系統為例，影像 (video) 顯示規則，以每秒 30 張的連續的 “照片”(image) 顯影於顯示器 (Cathode Ray Tube, CRT; 陰極射線管)。造成人類視覺上的動態影像的效果 (卡通影片原理) • 影像顯示以掃描方式成影顯示器上。每張影像 (image) 掃描分為 525 水平線 (horizontal lines)。顯示器以交錯 (Interlace) 掃描方式，首先掃描顯示單數線 (1, 3, 5, …, 525)，接著掃描顯示雙數線 (2, 4, 6, …, 524)。每張影像掃描後，會有一垂直同步信號 (vertical synchronizing signal)，用來同步顯示器的顯示基準

NTSC 電視信號 - 2 • Camera 同樣以每秒 30 次 (frame rate)，每次 525 水平線掃瞄來轉換拍攝到的影像 • 以黑白影像為例，Camera 鏡頭讓 “看到” 的光線進到它的感光器 (Sensor)，感光器將 “感受” 到的光能轉為電壓特性之信號。不同的電壓值代表不同灰度 (gray level)

NTSC 電視信號 - 3 • 如此 Camera 產生一黑白影像 (Video)，以不同電壓值來代表灰度等同與 Camera “看到” 的黑白明亮度 (brightness 有時稱 luminance 或 luma)。Camera 同時產生同步信號 (synchronizing pulses)，包括每條水平線之間的 horizontal blanking 及每張影像 (image) 間的 vertical sync，以利顯示器能知道顯示位置 • 以上的信號有時稱為合成影像信號 (composite video signal)。在彩色信號部份除了 luminance (Y) 與同步信號外，還包括代表色調信號 (hue) 與飽和度 (saturation) 信號  YUV 或 YCbCr 信號 • Composite video 有時稱為 CVBS 信號 (Composite Video Blanking and Sync)

NTSC 電視信號 - 4 • 顯示器如電視機之映像管 (picture tube) 或陰極射線管 (Cathode Ray Tube; CRT)。跟據合成影像信號 (composite video signal) 來成影 (偏轉線圈 deflection yoke 跟據信號電壓值產生電子束 electron beam 來讓螢幕顯影)

常見傳統 CCTV 周邊零件與設備 • 攝影機 (cameras)，轉動雲台 (cradle head) • 鏡頭 (lens) 、變焦鏡頭 (varifocal) • CCD / CMOS 感光器 • 紅外線攝影機 (infrared cameras) • 夜視光放管 (Image Intensifier, I2 , ICCD) • 照明器 (illuminator, 探照燈) • 顯示器 (monitor) • 切換器 (switch) 包括 Switcher, Multiplexer • 卡式錄放影機 (Video Cassette Recorder; VCR)

攝影機鏡頭 (Lens) • Camera Lens 分成 C-Mount (for larger image sensors) 及 CS-Mount (for compact sensors) 兩類 • 影像感光器 (sensor) 可區分為 2/3“ (2/3 吋)、1/2”、1/3“以及 1/4“等，尺寸越大 (光圈 Iris 變大)，搭配的鏡頭價格越昂貴 (容易對焦、快門變快減少晃動機會)。1/2 吋使用的鏡頭可以適用於 1/2"、1/3" 和 1/4“的影像感測器上，但是不可以使用在 2/3" 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的鏡頭，影像就會出現黑色邊角

攝影機感光器 (Sensor) - 1 • 攝影機感光器分為電荷耦合元件 (Charged Coupled Device; CCD) 與 CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) 兩種 • CCD 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 CCD 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 CCD 的解析度；而這個解析度指的是相機的 CCD 上有多少感光元件 • CMOS 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流，即可被處理晶片記錄與解讀成影像。CMOS 的成本低，耗電需求少；不過相較於 CCD 而言，CMOS 較容易產生雜點，這是在價格與品質之間的兩種選擇

攝影機感光器 (Sensor) - 2 • CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較

鏡頭常用術語 • AGC : Automatic Gain Control，自動增益控制 • S/N : Signal-to-Noise ratio，信號噪聲比 • OSD : On Screen Display，字幕顯示 • BLC : Back Light Compensation ，背景光補償 • EAS : Electronic Automatic Shutter，自動電子快門 • AWB : Automatic White Balance，自動白平衡 • EL : Electronic Light Control，電子亮度控制 • ATW : Automatic Tracking White balance，自動跟踪白平衡 • ALC : Automatic Light Control，自動亮度控制 • PTZ : Pan, Tile & Zoom，水平、上下轉動 & 縮放功能

顯示器 (Monitor) • 不同的顯示器 (Monitor) • LCD 液晶顯示器 • TFT-LCD 薄膜液晶顯示器 • CRT 陰極射線管 • Picture tube 映像管彩色 CRT 黑白 CRT 彩色 LCD

CCTV Switch/QUAD • 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於攝影機的數量 • 切換器 (switch) 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 • 四分割器 (Quad) 是將 4 個影音信號同時進行處理，將每個單一畫面壓縮成 ¼畫面大小，在監視器上組合成 4 分割畫面顯示。顯示及錄影皆以 4 分割畫面處理。另有 9 及 16 割等不同組合

CCTV 多工器 (Multiplexer) • 多工器 (multiplexer) 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；或以編碼方式儲存，例如 4 路錄影可以每秒 30 x 4 = 120 frames 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 (Duplex Recorder) • 矩陣式視訊切換器 (matrix switcher) 則是一種可以將多路 Cameras 影像切換到多台顯示器的設備

數位影像的時代 • 傳統的類比式 (analog) CCTV 發展出許多應用 • 隨著半導體數位科技的發展，數位信號處理器 (Digital Signal Processor; DSP) 效能越來越快速，價格愈來愈便宜，數位式 (digital) CCTV 漸漸成型。原先 analog video 因此大量被討論數位化 • 壓縮技術的逐漸成熟 (MPEG-1 / MPEG-2 / MPEG-4 等)讓數位式 CCTV 更成為未來主流 • 探討影像數位化前，我們先從數位資料表示法談起

0 與 1 的數位資料 - 1 • 我們習慣使用十進位 (Decimal) 來表示一個數，基本數字為 0, 1, …, 9 十個。計算方式以 10 為基礎。如 1023 = 1× 103 + 0× 102 + 2× 101 + 3× 100 • 電腦世界裡使用二進位 (Binary) 來表示，基本數字只有 0, 1 二個。計算方式以 2 為基礎。如 1010 = 1× 23 + 0× 22 + 1× 21 + 0× 20 2 3 1

0 與 1 的數位資料 - 2 • 簡單的二進位數字表示 0 ~ 7 • 每個 0 或 1 位置，我們稱為位元 (bit, b)。每 8 個位元，我們稱為位元組 (byte, B)。4 個 bits 可以表示 0 ~ 15 數值，8 個 bits (1 個 bytes) 可以表示 0~255。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

0 與 1 的數位資料 - 3 • 因為 10000000000 (2 的 10 次方) 等於數值 1024，因此習慣使用 K (千)、 M (百萬)、G (十億) 為單位來表示 • 在通信裡，習慣使用 bit 為單位；在記憶體表示上，習慣使用 byte 為單位。如 ADSL 的通信頻寬 2M 表示 2M bits/second，如 PC 使用硬碟計憶體容量 120G 表示 120G bytes (或 2GB)

影像色域 RGB - 1 • 對一種顏色進行編碼的方法統稱為 “顏色空間”或 “色域”。簡單的說，世界上任何一種顏色的 “顏色空間” 都可定義成一個固定的數字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是眾多顏色空間的一種。採用這種編碼方法，每種顏色都可用三個變量來表示：紅色、綠色以及藍色的強度。 RGB 是最常見記錄及顯示彩色圖像方案 • 在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色 CCD 攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得 RGB (http://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model)

影像色域 RGB - 2 • 在 digital color 的世界裡，所有的顏色都可以用這 RGB 三個顏色去混合出來，也就是用不同比例的 RGB 可以混合出所有的顏色 • 例如分別使用 1 個 bytes 代表不同的 R (Red)、G (Green)、B (Blue) 亮度值。換言之，每個點的 R、G、B 的亮度可以各別 1 byte 表示 256 色 (0 ~ 255)，例如 0 紅 + 0 綠 + 0 藍  黑色 (沒有顏色) 255 紅 + 0 綠 + 0 藍  紅色 (當然) 255 紅 + 255 綠 + 0 藍  黃色 (紅 + 綠)

影像色域 RGB - 3 • 以彩色 CCD 攝影機為例，進行影像 (image) 取像時，以每張影像 720 × 480 個點來各別取像。每個點取得一組 RGB 的表示值 • 但 RGB 缺乏與早期黑白顯示系統的相容性。也就是 RGB 三色影像是無法被黑白電視所接受的 (播放)。因此，大多電子電器廠商普遍採用的做法是，將 RGB 轉換成 YUV顏色空間，以維持相容性，再根據需要換回 RGB 格式，以便在顯示器上顯示彩色圖形

影像色域 YUV (YCrCb) - 1 • YUV（亦稱 YCrCb）是一種顏色編碼方法。RGB 經過矩陣變換電路可以得到亮度信號 Y 和兩個色差信號 R-Y（即U）、B-Y（即V），最後發送端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 YUV 色彩空間表示 • 採用 YUV 色彩空間的重要性是它的亮度信號 Y 和色度信號 U、V 是分離的。如果只有 Y 信號分量而沒有 U、V 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 YUV 空間正是為了用亮度信號 Y 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 • Y 表示明亮度 (luminance 或 luma)，也就是灰階值；而 U 和 V 表示的則是色度 (chrominance 或 chroma)，作用是描述影像色彩 (hue) 及飽和度 (saturation)，用於指定像素的顏色

影像色域 YUV (YCrCb) - 2 • “亮度” 是透過 RGB 輸入信號來建立的，方法是將 RGB 信號的特定部分疊加到一起。“色度” 則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用 Cr 和 Cb 來表示。其中，Cr 反映了RGB 輸入信號紅色部分與 RGB 信號亮度值之間的差異。而 Cb 反映的是 RGB 輸入信號藍色部分與 RGB 信號亮度值之同的差異 • YUV與RGB相互轉換的公式如下 (RGB取值範圍均為 0~255) Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B • 與 RGB 視頻信號傳輸相比，YUV 最大的優點在於只需佔用較少的頻寬 (RGB要求三個獨立的視頻信號同時被傳送)。RGB (4:4:4) 的需要頻寬比 CCIR601 YUV (4:2:2) 多了 50% (x1.5)

解析度 (Resolution) - 1 • 影像解析度 (image resolution) 由畫素 (pixel) 決定，畫素愈高解析度越高。例如，影像輸出是1600 x 1200 pixels，相乘約等於 2 百萬畫素的影像 (即所謂兩百萬畫素數位相機) • 影像解析度也可用 PPI (Pixel Per Inch) 或 DPI (Dot Per Inch) 兩個名詞來表達 • Video Resolution : 常看到的影像解析度有 D1, CIF, QCIF 等 • D1 : Full resolution for TV，可以是 • 704 × 576 TV PAL • 704 × 480 TV NTSC (480 跟 NTSC TV 525 條掃瞄線不同) • 720 × 576 DVD-Video PAL • 720 × 480 DVD-Video NTSC

解析度 (Resolution) - 2 • CIF (Common Intermediate Format) 代表以下 Resolution • 352 × 288 PAL • 352 × 240 NTSC • CIF 剛好是 1/4 的 D 1，又稱作 Quarter D1 • QCIF (Quarter Common Intermediate Format) Resolution • 176 × 144 PAL • 176 × 120 NTSC • QCIF剛好是 ¼的CIF • 720i 720p 1080i 1080p 高清晰度電視 (High Definition Television; HDTV) 使用的 Resolution • 720 代表 1280 × 720 • 1080 代表 1920 × 1080 • i 代表 interlaced • p 代表 progressive

影像壓縮技術 - 1 • 以 D1 品質 704×480 TV NTSC 的影像為例，如果用 R、G、B 三色表示則一張影像 (image) 會產生的資料量為 704 × 480 × 3 bytes = 1,013,760 bytes = 1.01 MB 每秒 30 張影像 (image)，等於 30 fps (frame per seconds) 則表示攝影機每秒產生約 30 MB，每分鐘產生 1.8 GB。常用表示方式，影像資料量為 240Mbps，其中 bps (bits per second) 表示位元率，即每秒多少 bits 的資料量 • 如此龐大資料量，對數位影像的實現，好像是不可行。影像壓縮技術因此產生。例如，使用 200 倍壓縮率的 MPEG-4 技術可以讓 240Mbps 的資料量大大的縮為 1.2Mbps • 壓縮技術不但可以降低影像儲存容量，進而降低儲存成本，同時也降低傳送信號量

影像壓縮技術 - 2 • 不同的壓縮標準 • JPEG 壓縮率比為 20~80 倍，適合靜態畫面的壓縮 (Joint Photographic Experts Group) • JPEG2000小波編碼 (Wavelet)，壓縮畫質高於 JPEG • M-JPEG Motion-JPEG，適合動態低 frame rate 畫面的壓縮 • MPEG1 壓縮率約 100 倍，支援 320×240 (VCD), VHS品質 (Motion Pictures Experts Group) 動態畫面及聲音壓成每秒 1.5Mbps的數位媒體 • MPEG2 壓縮率約 50 倍，支援 720×480 (DVD) 動態畫面及聲音壓成每秒 2 ~ 10Mbps數位媒體 • MPEG4 壓縮率可達 450 倍，解析度 176×144 ~ 1280×1024 一般而言，同 DVD 畫值但只要 ½ ~ 1/3 的大小 • H.263 低碼率 (小畫面) 視頻編碼標準，如 3G 手機常用 • H.264 等同於 MPEG4 part 10 的標準

影像壓縮技術 - 3 • 目前，數位 CCTV 以 MPEG-4 及 H.264 的壓縮效果表現最好 • 除了影像壓縮方法外，降低資料量的另一方法是降低 frame rate。以 CCTV 的應用並不需達到 30 fps (frame per seconds) 的必要。常見許多數位 CCTV 為節省影像儲存空間，設定以 3 ~ 7 fps 為主 • 不同的壓縮標準，JPEG 和 MPEG 最大不同是，前者以每張影像 (image) 各自壓縮，後者則是多張 images 的結合壓縮。因此，當考慮 5 fps 以下的影像時，M-JPEG 相對是不錯的選擇

影像壓縮技術 - 4 • 影像壓縮方法與常見應用

DVR - 1 • 數位影像儲存機 (Digital Video Recorder; DVR) • DVR 取代了過去的 Multiplexer 與 VCR • DVR可以接多支類比式攝影機 (analog camera)，做分割畫面，影像壓縮儲存 (硬碟機) 與回放。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 • 目前市場上以 4 channels (camera 數) 或 16 channels 為主流 • DVR 主要兩類產品為 Stand-alone (CPU 加上影像壓縮、解壓縮 DSP 晶片) 與 PC-based (一般 PC)，在產品特性上各有優缺點 • 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 • 支援位移偵測 (motion detection)、自動郵件通知、簡訊通知 • 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監控 (包括影像及感測器讀取與 IO 控制)

DVR - 2 • DVR 實例 • PTZ (Pan, Tile, Zoom) 表示可控制 Camera 水平垂直旋轉與遠近變焦 (http://www.signalsync.com/eng/nproduct01.html)

DVR - 3 • DVR 設備 ? (http://www.secom.com.tw/infomation.asp?id=139&act=1) • 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？

安全管理資訊系統保全錄影與閉路電視概述 Introduction of Security Recording and Closed Circuit Television