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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

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目標1. 介紹保全系統中的錄影設備2. 參考書：

a. Emily Harwood, “DIGITAL CCTV - A Security Professional’s Guide,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., 2008b. Thomas Norman, “Integrated Security Systems Design - Concepts Specifications and Implementation,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., Jan. 2007

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CCTV CCTV 的演進 的演進 - 1- 1 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 Circ(Closed Circuit Television; CCTV) uit Television; CCTV) 的發展已經具有悠久的歷史。英國不的發展已經具有悠久的歷史。英國不但是 但是 CCTV CCTV 應用的發源地，也是監控產業最發達的國家，英應用的發源地，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 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，以及進行訊號傳輸的同軸電纜 訊號傳輸的同軸電纜 (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，用於對於多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣 多台攝影機進行切換、控制動作的矩陣 (Matrix)(Matrix) ，以及後端，以及後端用於監看畫面的監視器 用於監看畫面的監視器 (monitor) (monitor) 以及用於儲存影像的錄像以及用於儲存影像的錄像機 機 (VCR recorder) (VCR recorder) 等等

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CCTV CCTV 的演進 的演進 - 2- 2 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 DVR (Digital Video Recorder)(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 )) 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、輸出監控埠 可彈性增加數位輸入、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

DVR 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 到 DVR DVR 的硬碟中，方便使用者後續隨時查詢硬碟中儲存的畫面，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 用來取代使用多年的延時磁帶錄影機 (time-lapse VCR)(time-lapse VCR) ，省去，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用次數過多，而導致畫面品質降低

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CCTV CCTV 的演進 的演進 - 3- 3 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，因此取代行之多年的 多年的 CCTV CCTV 常用的同軸電纜。一般 常用的同軸電纜。一般 DVR DVR 內建網頁，可以內建網頁，可以讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監視 讓遠端使用者透過網路瀏覽方式進行遠端監視 (( 包括影像及包括影像及感測器讀取與 感測器讀取與 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 顛覆了傳統 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 網路攝影機 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 或手機中的網路瀏覽器 或手機中的網路瀏覽器 (Internet browser) (Internet browser) 來遠端存取此一來遠端存取此一攝影機的影像攝影機的影像

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CCTV CCTV 的演進 的演進 - 4- 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 下，一種介於攝影機與 DVR DVR 之間的產品誕生了，那就是影像伺服器 之間的產品誕生了，那就是影像伺服器 (Vi(Video Server)deo Server) 。它可以連接傳統攝影機的視頻訊號，將類比訊號轉為數。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 帶硬碟的 DVRDVR ，也可以說是讓傳統類比攝影機變為網路型攝影機的升，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，隨著網路技術的發展，針對在網路環境使用特性， DVR DVR 系統又進一步系統又進一步發展成為具有網路功能的 發展成為具有網路功能的 NVR (Network Video Recording) NVR (Network Video Recording) 系統。與 系統。與 DVR DVR 系統相比，系統相比， NVR NVR 系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存 系統不但實現了遠端影像檔案的數位化儲存 ((備備份儲存份儲存 )) ，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 系統可以系統可以直接接到 直接接到 IP Internet IP Internet 中，使儲存下來的視訊信息可以通過網路方便的中，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 設計的，因此它克服了 DVR DVR 無法透過網路獲取監視內容的缺點，用戶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

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CCTV CCTV 的演進 的演進 - 5- 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

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我們生活在類比影像的世界 我們生活在類比影像的世界 - 1- 1 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 (vide(video) o) 及聲音 及聲音 (audio) (audio) 轉換到 轉換到 TV “TV “ 看得懂” 的信號。此一信號便看得懂” 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 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) 透過傳輸透過傳輸煤介，如同軸電纜 煤介，如同軸電纜 (coax-cable)(coax-cable) ，將拍攝到的影音信號傳送到不，將拍攝到的影音信號傳送到不同地點來顯示 同地點來顯示 (display) (display) 或錄影 或錄影 (record)(record)

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

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NTSC NTSC 電視信號 電視信號 - 1- 1 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 張的連張的連續的 “照片” 續的 “照片” (image) (image) 顯影於顯示器 顯影於顯示器 (Cathode Ray Tube, CRT; (Cathode Ray Tube, CRT; 陰極射線管陰極射線管 )) 。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 ((卡通影片原卡通影片原理理 )) 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) 掃描掃描方式，首先掃描顯示單數線 方式，首先掃描顯示單數線 (1, 3, 5, …, 525)(1, 3, 5, …, 525) ，接著掃描顯示雙數，接著掃描顯示雙數線 線 (2, 4, 6, …, 524)(2, 4, 6, …, 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 (ver(vertical synchronizing signal)tical 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

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NTSC NTSC 電視信號 電視信號 - 2- 2 Camera Camera 同樣以每同樣以每秒 秒 30 30 次 次 (frame ra(frame rate)te) ，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 以黑白影像為例，以黑白影像為例， CCamera amera 鏡頭讓 “看鏡頭讓 “看到” 的光線進到它到” 的光線進到它的的感光器 感光器 (Sensor)(Sensor) ，，感光器將 “感受” 感光器將 “感受” 到的光能轉為電壓到的光能轉為電壓特性之信號。不同特性之信號。不同的電壓值代表不同的電壓值代表不同灰度 灰度 (gray level)(gray level)

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NTSC NTSC 電視信號 電視信號 - 3- 3 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” 的黑白明亮度 看到” 的黑白明亮度 (brightness (brightness 有時稱 有時稱 lumiluminance nance 或 或 luma)luma) 。。 Camera Camera 同時產生同步信號 同時產生同步信號 (synchronizing pu(synchronizing pulses)lses) ，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 (i(image) mage) 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

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 luminance (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

Composite 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)

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NTSC NTSC 電視信號 電視信號 - 4- 4 顯示器如電視機之映像管 顯示器如電視機之映像管 (picture tube) (picture tube) 或 陰極射線管 或 陰極射線管 (Cathod(Cathode Ray Tube; CRT)e 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) 來成影 來成影 ((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 ))

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常見傳統 常見傳統 CCTV CCTV 周邊零件與設備周邊零件與設備 攝影機 攝影機 (cameras)(cameras) ，轉動雲台 ，轉動雲台 (cradle head)(cradle head) 鏡頭 鏡頭 (lens) (lens) 、變焦鏡頭 、變焦鏡頭 (varifocal)(varifocal) CCD / CMOS CCD / CMOS 感光器感光器 紅外線攝影機 紅外線攝影機 (infrared cameras)(infrared cameras) 夜視光放管 夜視光放管 (Image Intensifier, I(Image Intensifier, I2 2 , ICCD), ICCD) 照明器 照明器 (illuminator, (illuminator, 探照燈探照燈 )) 顯示器 顯示器 (monitor)(monitor) 切換器 切換器 (switch) (switch) 包括 包括 Switcher, MultiplexerSwitcher, Multiplexer 卡式錄放影機 卡式錄放影機 (Video Cassette Recorder; VCR)(Video Cassette Recorder; VCR)

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攝影機鏡頭 攝影機鏡頭 (Lens)(Lens) Camera Lens Camera Lens 分成 分成 C-Mount (for larger image sensors) 及 CS-Mount (for compact sensors) 兩類兩類 影像感光器 影像感光器 (sensor) (sensor) 可區分為 可區分為 2/3“ (2/3 2/3“ (2/3 吋吋 )) 、、 1/2”1/2” 、、 1/3“1/3“以及 以及 1/4“ 1/4“ 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，搭配的鏡頭價格越昂貴 昂貴 (( 容易對焦、快門變快減少晃動機會容易對焦、快門變快減少晃動機會 )) 。。 1/2 1/2 吋使用的鏡頭吋使用的鏡頭可以適用於 可以適用於 1/2"1/2"、、 1/3" 1/3" 和 和 1/4“ 1/4“ 的影像感測器上，但是不可以的影像感測器上，但是不可以使用在 使用在 2/3" 2/3" 的影像感測器。如果在尺寸較大的影像感測器上搭配的影像感測器。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 較小感測器使用的鏡頭，影像就會出現黑色邊角

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攝影機感光器 攝影機感光器 (Sensor) - 1(Sensor) - 1 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; C(Charged Coupled Device; CCD) CD) 與 與 CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) CMOS (Complementary Metal-Oxide Silicon) 兩種兩種 CCD 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，以及受外來光線；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 匯流層。而基本上 CCD CCD 上的感光元件越多，攝影機的解析度上的感光元件越多，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 越高，照出來的品質也就越佳。所謂幾萬畫素，就是 CCD CCD 的的解析度；而這個解析度指的是相機的 解析度；而這個解析度指的是相機的 CCD CCD 上有多少感光元件上有多少感光元件 CMOS CMOS 感光器是一種紀錄光線變化半導體；利用矽與鍺這兩種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，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。即可被處理晶片記錄與解讀成影像。 CMOS CMOS 的成本低，耗電的成本低，耗電需求少；不過相較於 需求少；不過相較於 CCD CCD 而言，而言， CMOS CMOS 較容易產生雜點，這較容易產生雜點，這是在價格與品質之間的兩種選擇是在價格與品質之間的兩種選擇

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攝影機感光器 攝影機感光器 (Sensor) - 2(Sensor) - 2 CCD 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 CCD CMOS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

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鏡頭常用術語鏡頭常用術語 AGC : Automatic Gain ControlAGC : Automatic Gain Control ，自動增益控制，自動增益控制 S/N : Signal-to-Noise ratioS/N : Signal-to-Noise ratio ，信號噪聲比，信號噪聲比 OSD : On Screen DisplayOSD : On Screen Display ，字幕顯示，字幕顯示 BLC : Back Light Compensation BLC : Back Light Compensation ，背景光補償，背景光補償 EAS : Electronic Automatic ShutterEAS : Electronic Automatic Shutter ，自動電子快門，自動電子快門 AWB : Automatic White BalanceAWB : Automatic White Balance ，自動白平衡，自動白平衡 EL : EL : Electronic Light Control Electronic Light Control ，電子亮度控制，電子亮度控制 ATW : Automatic Tracking White balanceATW : Automatic Tracking White balance ，自動跟踪白平，自動跟踪白平衡衡 ALC : Automatic Light ControlALC : Automatic Light Control ，自動亮度控制，自動亮度控制 PTZ : 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

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顯示器 顯示器 (Monitor)(Monitor) 不同的顯示器 不同的顯示器 (Monitor)(Monitor)

LCD LCD 液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 CRT

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CCTV Switch/QUADCCTV Switch/QUAD CCTV 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少於攝影機的數量 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 四分割器 四分割器 (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 ¼ ¼ 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。分割畫面顯示。顯示及錄影皆以 顯示及錄影皆以 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

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CCTV CCTV 多工器 多工器 ((Multiplexer)Multiplexer) 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 持每台攝影機的全時錄影；或以編碼方式儲存，例如 4 4 路錄影可路錄影可以每秒 以每秒 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 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)(Duplex Recorder) 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

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數位影像的時代數位影像的時代 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 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 analog video video 因此大量被討論數位化因此大量被討論數位化 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 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

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0 0 與 與 1 1 的數位資料 的數位資料 - 1- 1 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，基本來表示一個數，基本數字為 數字為 0, 1, …, 9 0, 1, …, 9 十個。計算方式以 十個。計算方式以 10 10 為基礎。如 為基礎。如 11023023 = = 11 × 10 × 1033 + + 00 × 10 × 1022 + + 22 × 10 × 1011 + + 33 × 10 × 1000 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，基本數字只來表示，基本數字只有 有 0, 1 0, 1 二個。計算方式以 二個。計算方式以 2 2 為基礎。如 為基礎。如 10101010 = = 11 × × 2233 + + 00 × 2 × 222 + + 11 × 2 × 211 + + 00 × 2 × 200

2 3

1

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0 0 與 與 1 1 的數位資料 的數位資料 - 2- 2 簡單的二進位數字表示 簡單的二進位數字表示 0 ~ 70 ~ 7

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，我們個位元，我們稱為位元組 稱為位元組 (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 0~2550~255 。依此類推，我們可以將所有。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十進位數值互相轉換二進位表示

數值 二進位表示 數值 二進位表示0 0000 4 10001 0001 5 10012 0010 6 01103 0011 7 0111

Bit 數 二進位表示範圍 Bit 數 二進位表示範圍4 0 ~ 15 24 0 ~ 167772158 0 ~ 255 32 0 ~ 4294967296

16 0 ~ 65535 640 ~

18446744073709551616

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0 0 與 與 1 1 的數位資料 的數位資料 - 3- 3 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，因此習慣使用 使用 K (K (千千 )) 、 、 M (M ( 百萬百萬 )) 、、 G (G ( 十億十億 ) ) 為單位來表示為單位來表示 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 bybyte te 為單位。如 為單位。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 使用硬碟計憶體容量 使用硬碟計憶體容量 120G 120G 表示 表示 120G bytes (120G bytes ( 或 或 2GB)2GB)

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影像色域 影像色域 RGB - 1RGB - 1 對一種顏色進行編碼的方法統稱為 “顏色空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種顏色的 “顏色空間” 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（紅、綠、藍）只是眾多顏色空間的一種。採用這種編碼方法，每種多顏色空間的一種。採用這種編碼方法，每種顏色都可用三個變量來表示：紅色、綠色以及顏色都可用三個變量來表示：紅色、綠色以及藍色的強度。 藍色的強度。 RGB RGB 是最常見記錄及顯示彩色是最常見記錄及顯示彩色圖像方案圖像方案 在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色 影機或彩色 CCD CCD 攝影機進行取像，然後把取攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得 得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得 RGBRGB

((http://http://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_modelen.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model))

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影像色域 影像色域 RGB - 2RGB - 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 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 (Red) 、、 G (GreeG (Green)n) 、、 B (Blue) B (Blue) 亮度值。換言之，每個點的 亮度值。換言之，每個點的 RR 、、 GG 、、 B B 的亮的亮度可以各別 度可以各別 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 ))

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影像色域 影像色域 RGB - 3RGB - 3 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，以每取像時，以每張影像 張影像 720 × 480 720 × 480 個點來各別取像。每個點取得一組 個點來各別取像。每個點取得一組 RGB RGB 的表示值的表示值 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 三色影像是無法被黑白電視所接受的 三色影像是無法被黑白電視所接受的 ((播放播放 )) 。因此，大多。因此，大多電子電器廠商普遍採用的做法是，將 電子電器廠商普遍採用的做法是，將 RGB RGB 轉換成 轉換成 YUVYUV 顏色顏色空間，以維持相容性，再根據需要換回 空間，以維持相容性，再根據需要換回 RGB RGB 格式，以便在格式，以便在顯示器上顯示彩色圖形顯示器上顯示彩色圖形

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影像色域 影像色域 YUV (YCrCb) - 1YUV (YCrCb) - 1 YUVYUV（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 UU）、）、 B-YB-Y（即（即 VV），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用），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 同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的 YUV YUV 色彩空色彩空間表示間表示 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 UU 、、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 UU 、、 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 空間正空間正是為了用亮度信號 是為了用亮度信號 Y Y 解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，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使黑白電視機也能接收彩色電視信號 Y 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

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影像色域 影像色域 YUV (YCrCb) - 2YUV (YCrCb) - 2 ““亮度” 是透過 亮度” 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。“色度” 則定義了顏色的兩個方面─色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 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 反映反映的是 的是 RGB RGB 輸入信號藍色部分與 輸入信號藍色部分與 RGB RGB 信號亮度值之同的差異信號亮度值之同的差異 YUVYUV 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 0~255)0~255)

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 與 與 RGB RGB 視頻信號傳輸相比，視頻信號傳輸相比， YUV YUV 最大的優點在於只需佔用較少最大的優點在於只需佔用較少的頻寬 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 (4:4:RGB (4:4:4) 4) 的需要頻寬比 的需要頻寬比 CCIR601 YUV (4:2:2) CCIR601 YUV (4:2:2) 多了 多了 50% (x1.5)50% (x1.5)

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解析度 解析度 (Resolution) - 1(Resolution) - 1 影像解析度 影像解析度 (image resolution) (image resolution) 由畫素 由畫素 (pixel) (pixel) 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 ，相乘約，相乘約等於 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 )) 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 Inch) DPI (Dot Per Inch) 兩個名詞來表達兩個名詞來表達 Video Resolution : Video Resolution : 常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 D1 : Full resolution for TVD1 : Full resolution for TV ，可以是，可以是

704 × 576 TV PAL 704 × 576 TV PAL 704 × 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 )) 720 × 576 DVD-Video PAL 720 × 576 DVD-Video PAL 720 × 480 DVD-Video NTSC720 × 480 DVD-Video NTSC

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解析度 解析度 (Resolution) - 2(Resolution) - 2 CIF (Common Intermediate Format) CIF (Common Intermediate Format) 代表以下 代表以下 ResolutionResolution

352 × 288 PAL352 × 288 PAL 352 × 240 NTSC352 × 240 NTSC CIF 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

QCIF (Quarter Common Intermediate Format) ResolutionQCIF (Quarter Common Intermediate Format) Resolution 176 × 144 PAL176 × 144 PAL 176 × 120 NTSC176 × 120 NTSC QCIFQCIF剛好是 剛好是 ¼ ¼ 的的 CIFCIF

720i 720p 1080i 1080p 720i 720p 1080i 1080p 高清晰度電視 高清晰度電視 (High Definition Television; (High Definition Television; HDTV) HDTV) 使用的 使用的 ResolutionResolution 720 720 代表 代表 1280 × 720 1280 × 720 1080 1080 代表 代表 1920 × 1080 1920 × 1080 i i 代表 代表 interlaced interlaced p p 代表 代表 progressiveprogressive

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影像壓縮技術 影像壓縮技術 - 1- 1 以 以 D1 D1 品質 品質 704×480 TV NTSC 704×480 TV NTSC 的影像為例，如果用 的影像為例，如果用 RR 、、 GG 、、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 。常用。常用表示方式，影像資料量為 表示方式，影像資料量為 240Mbps240Mbps ，其中 ，其中 bpsbps (bits per secon (bits per second) d) 表示位元率，即每秒多少 表示位元率，即每秒多少 bits bits 的資料量的資料量

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 技術因此產生。例如，使用 200 200 倍壓縮率的 倍壓縮率的 MPEG-4 MPEG-4 技術可以技術可以讓 讓 240Mbps 240Mbps 的資料量大大的縮為 的資料量大大的縮為 1.2Mbps1.2Mbps 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也降低傳送信號量

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影像壓縮技術 影像壓縮技術 - 2- 2 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 20~80 20~80 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-JPEG Motion-JPEGMotion-JPEG ，適合動態低 ，適合動態低 frame rate 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 320×240 (VCD), VHS320×240 (VCD), VHS 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 720×480 (DVD)720×480 (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 ~ 10Mbps 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 176×144 ~ 1280×1024176×144 ~ 1280×1024一般而言，同 一般而言，同 DVD DVD 畫值但只要 畫值但只要 ½ ~ 1/3 ½ ~ 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

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影像壓縮技術 影像壓縮技術 - 3- 3 目前，數位 目前，數位 CCTV CCTV 以 以 MPEG-4 MPEG-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 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 為為主主 不同的壓縮標準，不同的壓縮標準， JPEG JPEG 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，的結合壓縮。因此，當考慮 當考慮 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

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影像壓縮技術 影像壓縮技術 - 4- 4 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 VCD SVCD DVD DivX / XviD

畫面規格 (NTSC) 352x240 480x480 720x480 320x240, 640x

480 等壓縮方式 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-4

畫面播出速率 29.97fps 29.97fps 30fps 30fps 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

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DVR - 1DVR - 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 )

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DVR - 2DVR - 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)

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DVR - 3DVR - 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 ？