數字化是發(fā)展安防監控系統的基礎和核心

　　人類(lèi)己進(jìn)入高度發(fā)達的信息時(shí)代，而安防視頻監控系統所監控的場(chǎng)景，都是模擬的信息資源。為使安防視頻監控系統向網(wǎng)絡(luò )化、集成化、高清化到最高境界或目標-智能化的發(fā)展，必須使模擬信號數字化。本文介紹模擬系統的缺點(diǎn)、數字化的含義及優(yōu)點(diǎn)，視頻信號的數字化及其優(yōu)點(diǎn)，數字化技術(shù)在現代信息社會(huì )的重要性，數字化是發(fā)展安防視頻監控系統的基礎和核心等。

　　光是生命的源泉，它哺育了世間的萬(wàn)物，照亮了五彩斑斕的現實(shí)空間，為人類(lèi)提供青山綠水的生活環(huán)境和豐富的衣食住行的資源，為人類(lèi)世界帶來(lái)了智慧和光明。光不僅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源?？梢韵胂?，如果沒(méi)有光，就不可能有我們現在的文明。有了光，人類(lèi)才能夠尋找食物、欣賞藝術(shù)和探索未知。因而，從抽象的藝術(shù)表現到有效的科學(xué)應用，光(光學(xué))為我們提供了很有價(jià)值的信息資源。但是，我們所看到的信息資源或光學(xué)圖像，或安防視頻監控系統所監控的場(chǎng)景，都是模擬的信息資源。

　　處理這種模擬的信息資源一般有兩種：模擬系統與數字系統。而模擬系統存在如下的缺點(diǎn)。

　　? 模擬信號在記錄、編輯、傳送和重放過(guò)程中,不可避免地會(huì )混進(jìn)雜音、各種干擾成分,而這些有害的成分就不能與有用信號分開(kāi),損害了原信號;

　　? 在信號存儲過(guò)程中,如磁帶錄音過(guò)程,記錄媒體(如磁帶)的信噪比代替了原信號的信噪比，也就是不管原信號的動(dòng)態(tài)范圍有多大，一旦記錄以后再還原信號的動(dòng)態(tài)范圍再也超不過(guò)記錄媒體本身的動(dòng)態(tài)范圍,這就使得在模擬系統中對記錄媒體材料的有關(guān)性能要求很高;

　　? 記錄過(guò)程中的換能器(如磁性記錄中的錄音磁頭、放音磁頭)如果存在非線(xiàn)性,這會(huì )使記錄在媒體上的原信號出現非線(xiàn)性失真，且這種失真還無(wú)法通過(guò)電路來(lái)解決;

　　? 對重放過(guò)程中的機械系統要求也很高,如旋轉系統、驅動(dòng)系統等工作倘若不穩定，即會(huì )使原信號產(chǎn)生抖晃失真,如磁性記錄系統中的抖晃失真是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。

　　由于模擬系統自身的缺陷，致使模擬信號亦極易受到各種破壞。因此，必須要將模擬信號數字化。下面介紹數字化的含義及其優(yōu)點(diǎn)，視頻信號的數字化及其優(yōu)點(diǎn)，數字化技術(shù)在現代信息社會(huì )的重要性，數字化是發(fā)展安防視頻監控系統的基礎和核心等。

　　數字化的含義及其優(yōu)點(diǎn)

　　所謂“數字化”，就是將許多復雜多變的信息轉變?yōu)榭梢远攘康臄底?、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，把它們轉變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，再引入計算機內部去進(jìn)行統一處理。早在40年代，仙農就證明了采樣定理，即在一定條件下，用離散的序列可以完全代表一個(gè)連續函數。因此，采樣定理為數字化技術(shù)奠定了重要基礎。所以，數字化是將任何連續變化的輸入如圖畫(huà)的線(xiàn)條或聲音信號轉化為一串分離的單元，在計算機中用0和1表示。顯然，這個(gè)轉換通常用模數轉換器ADC (即A/D)執行。

　　模擬信號的數字化可以解決上述模擬系統中的問(wèn)題，同時(shí)還可增加如下優(yōu)點(diǎn)。

　　? 在數字記錄系統中,由于信號的記錄形式是二進(jìn)制數碼,數字電路的任務(wù)只是判斷出“0”和“1”兩種信號,使數字電路的抗干擾能力得到大大加強。同時(shí),與記錄媒體的信噪比和重放信號的信噪比沒(méi)有直接關(guān)系,這樣與模擬記錄系統相比對記錄媒體的要求可以寬松得多,即數字系統可以用廉價(jià)的材料作為記錄媒體;

　　? 數字系統中這種只有“0”和“1”兩種電平狀態(tài)的信號在記錄和重放過(guò)程中只要保持“0”、“1”信號之間足夠的電平差,數字電路就能方便地將它們識別和分離。換句話(huà)講,當一群代表低電平的“0”信號電平即使其幅度大小有所不同時(shí),對于代表高電平的一群“1”信號電平存在參差不齊情況時(shí),只要“0”、“1”信號之間的電平差足夠的大,數字電路通過(guò)限幅電路等處理都可以正確地分辨出“0”和“1”信號,這就說(shuō)明數字電路的抗干擾能力很強;

　　· 數字系統中,如果采樣頻率、量化位數(關(guān)于這兩個(gè)概念在后面介紹)確定了,電路的性能極限也就確定了,且不容易被改變,這說(shuō)明數字記錄系統性能的重現性是很可靠的,但是模擬記錄系統中,由于許多不穩定因素的存在,其重現性能是不穩定、不可靠的。所以,數字系統的技術(shù)性能指標要比模擬系統的技術(shù)性能指標要高出許多;

　　· 由于數字系統中的數字信號要進(jìn)行各種形式的編碼處理,因編碼后的信號和信號在處理過(guò)程中由于電路本身或外界混進(jìn)來(lái)的干擾信號性質(zhì)的不同,二者可以方便地分離,因而可以輕松地去除干擾信號,而不致?lián)p害信號數碼;

　　· 在一些數字記錄系統中,由于重放系統設有時(shí)基校正電路,其機械旋轉系統、驅動(dòng)系統的不穩定現象不會(huì )引起抖晃失真的問(wèn)題,因而不必要求有像模擬記錄系統中那樣的精密機械系統,這使機械系統的加工精度要求降低,從而降低了生產(chǎn)成本;

　　· 由于數字系統中的數字信號“0”、“1”只有低電平和高電平兩種變化,所以不必要求記錄和重放系統中的換能器具有良好的線(xiàn)性;

　　· 由于數字信號適合于計算機進(jìn)行處理和運算,使得對數字信號的各種編碼、解碼處理變成了軟件的操作,大大方便了對電信號的各種處理,由此數字式家用電器具有更強的功能。同時(shí),在實(shí)現同樣功能時(shí),數字電路結構遠遠沒(méi)有模擬電路那么復雜。

　　視頻信號的數字化及其優(yōu)點(diǎn)

　　視頻信號的數字化

　　安防攝像機輸出的視頻信號是模擬信號，和任何數字化過(guò)程一樣，視頻信號的數字化也包括位置的離散化(取樣)和所得量值的離散化(量化)這兩個(gè)過(guò)程。視頻信號在時(shí)間維上把圖像分為離散的一幀一幀的圖像;在每一幀圖像內又在垂直方向上(y維)將圖像離散為一條一條的水平掃描行。把圖像分成若干幀的過(guò)程，實(shí)際是在時(shí)間方向上進(jìn)行了取樣;把圖像分成若干行的過(guò)程，實(shí)際是在垂直方向上進(jìn)行了取樣。在時(shí)間方向和垂直方向上的取樣間距往往由模擬電視系統決定。因此，可供自由處置的只有水平方向(x維)，在水平方向上我們可以設置不同的取樣間隔。圖1就是對視頻信號的掃描、取樣的示意圖。

　　目前，圖像數字化的工作由模數轉換器(A/D)完成，它包括了信號的取樣、量化和編碼的全部過(guò)程，其結果為PCM編碼的數字視頻信號。當考慮對彩色電視信號的數字化時(shí)，根據不同的應用場(chǎng)合可采用不同的方式，如可直接對復合視頻信號進(jìn)行A/D變換，或者將視頻信號分解為亮度和色差信號后再分別進(jìn)行A/D變換。后者就是目前普遍應用的視頻信號分量數字化方法。

　　數字視頻信號的實(shí)現是，將視頻信號經(jīng)過(guò)視頻采集卡轉換成數字視頻文件存儲在數字載體——硬盤(pán)中。在使用時(shí)，將數字視頻文件從硬盤(pán)中讀出，再還原成為視頻圖像加以輸出。需要指出的一點(diǎn)是視頻數字化的概念是建立在模擬視頻占主角的時(shí)代，現在通過(guò)數字攝像機攝錄的信號本身已是數字信號，只不過(guò)需要從磁帶上轉到硬盤(pán)中，現在視頻數字化的涵義更確切地指的是這個(gè)過(guò)程。對視頻信號的采集，尤其是動(dòng)態(tài)視頻信號的采集需要很大的存儲空間和數據傳輸速度。這就需要在采集和播放過(guò)程中對圖像進(jìn)行壓縮和解壓縮處理，一般都采用我們在前面講過(guò)的壓縮方法，不過(guò)是利用硬件進(jìn)行壓縮。目前大多使用的是帶有壓縮芯片的視頻采集卡上。

　　數字視頻的來(lái)源有很多，如來(lái)自于攝像機、錄像機、影碟機等視頻源的信號，包括從家用級到專(zhuān)業(yè)級、廣播級的多種素材。還有計算機軟件生成的圖形、圖像和連續的畫(huà)面等。高質(zhì)量的原始素材是獲得高質(zhì)量最終視頻產(chǎn)品的基礎。首先是提供模擬視頻輸出的設備，如錄像機、電視機等;然后是可以對模擬視頻信號進(jìn)行采集、量化和編碼的設備，這一般都由專(zhuān)門(mén)的視頻采集卡來(lái)完成;最后，由多媒體計算機接收和記錄編碼后的數字視頻數據。在這一過(guò)程中起主要作用的是視頻采集卡，它不僅提供接口以連接模擬視頻設備和計算機，而且具有把模擬信號轉換成數字數據的功能。

　　視頻數字化的優(yōu)點(diǎn)

　　· 抗干擾能力強?？梢圆捎萌哂嗉m錯措施,基本排除了噪音和失真積累的影響;

　　· 大大提高功率/頻率利用率。因為可以對信源進(jìn)行物理的和心理的冗余壓縮和信道進(jìn)行多電平調制;

　　· 大大提高信號質(zhì)量。由于采用數字形式,容易進(jìn)行各種數字處理,所以可以完成消除噪聲,色亮度好分離,消除亮度閃爍和重影,減少非線(xiàn)性影響;

　　· 數字化信號易于實(shí)現存儲，復制和提供新功能。數字化的電視信號儲存方便，而且數字信號多次復制也不致于降低質(zhì)量，至于新功能就太多了：特技、多畫(huà)面、快速檢索、縮放、隨機訪(fǎng)問(wèn)、編輯等等;

　　· 數字電視廣播的功率即使比模擬小20dB仍可良好地接收，大大提高了功率利用率;

　　· 無(wú)差錯接收時(shí)，其主觀(guān)評價(jià)質(zhì)量可達演播室質(zhì)量，是模擬無(wú)法比擬的;

　　· 從設備而言，由于減少了A/D、D/A轉換等處理環(huán)節，可減小圖像質(zhì)量的下降與損傷，同時(shí)數字實(shí)現時(shí)易于安裝、調試，能大規模生產(chǎn)，可靠性高等等;

　　· 使用數字化處理易于加密，有利于保密傳輸和專(zhuān)用接收;

　　· 數字化處理適用于多業(yè)務(wù)、多媒體應用和方便通信(包括雙向化);

　　· 數字HDTV則是電視的一個(gè)飛躍，它使一個(gè)正常視力的觀(guān)眾在距離該系統顯示屏高度3倍距離處所看到的圖像質(zhì)量具有觀(guān)看原始景象或表演時(shí)所得到的印象。

　　數字化技術(shù)在信息社會(huì )的重要性

　　眾所周知，現在我們是生活在一個(gè)高度信息化的社會(huì )，即所謂信息爆炸的社會(huì )。信息己不再僅僅是社會(huì )中人們通信聯(lián)絡(luò )的紐帶，而己成為生產(chǎn)力中最重要的因素，成為社會(huì )發(fā)展的戰略資源，更將成為創(chuàng )造社會(huì )財富、豐富文明生活和提高社會(huì )素質(zhì)的源泉與通道。

　　數字化技術(shù)在信息社會(huì )的重要性至少可以體現在以下幾個(gè)方面。

　　數字化是數字計算機的基礎

　　若沒(méi)有數字化技術(shù)，就沒(méi)有當今的計算機，因為數字計算機的一切運算和功能都是用數字來(lái)完成的。

　　數字化是多媒體技術(shù)的基礎

　　數字、文字、圖像、語(yǔ)音，包括虛擬現實(shí)，及可視世界的各種信息等，實(shí)際上通過(guò)采樣定理都可以用0和1來(lái)表示，這樣數字化以后的0和1就是各種信息最基本、最簡(jiǎn)單的表示。因此計算機不僅可以計算，還可以發(fā)出聲音、打電話(huà)、發(fā)傳真、放錄像、看電影，這就是因為0和1可以表示這種多媒體的形象。用0和1還可以產(chǎn)生虛擬的房子，因此用數字媒體即可代表各種媒體，描述千差萬(wàn)別的現實(shí)世界。

　　數字化是軟件技術(shù)的基礎，是智能技術(shù)的基礎

　　軟件中的系統軟件、工具軟件、應用軟件等，信號處理技術(shù)中的數字濾波、編碼、加密、解壓縮等都是基于數字化實(shí)現的。例如圖像的數據量很大，數字化后可以將數據壓縮至10到幾百倍;圖像受到干擾變得模糊，可以用濾波技術(shù)使得變得清晰。這些都是經(jīng)過(guò)數字化處理后所得到的結果。由于各種自動(dòng)化智能化的產(chǎn)品，都需編制軟件由數字計算機來(lái)完成，顯然數字化也是智能技術(shù)的基礎;

　　數字化是信息社會(huì )的技術(shù)基礎

　　數字化技術(shù)還正在引發(fā)一場(chǎng)范圍廣泛的產(chǎn)品革命，各種家用電器設備，信息處理設備都將向數字化方向變化。如數字電視、數字廣播、數字電影、DVD等。有人把信息社會(huì )的經(jīng)濟說(shuō)成是數字經(jīng)濟，這足以證明數字化對社會(huì )的影響有多么重大，因此數字化是信息社會(huì )的技術(shù)基礎。

　　數字化是“數字地球”與“數字城市”的技術(shù)基礎

　　20世紀90年代以來(lái)，由于信息采集技術(shù)和信息量的突飛猛進(jìn)，人們面臨信息爆炸的問(wèn)題。為了解決海量空間信息的泛濫問(wèn)題并有效地組織和利用信息，1998年1月，美國副總統戈爾(A. Gore)提出了“數字地球”的概念，即信息化的地球，是把地球上的每一點(diǎn)信息按地球坐標加以整理，使之數字化、可視化，構成一個(gè)完整的地球信息模型，并同信息高速公路、知識經(jīng)濟等全新概念緊密結合。

　　它是一個(gè)三維、多分辨率、具有海量存儲、面向公眾的開(kāi)發(fā)系統。“數字地球”的目標是建設以1米地面分辨率為基礎的全球空間數據庫或空間數據倉庫，將地球上的地圖、影像、人文和社會(huì )經(jīng)濟信息組織起來(lái)，構成多分辨率、多類(lèi)型、多時(shí)相的三維地球數據庫，利用新一代Internet高速、海量的數據吞吐能力和虛擬現實(shí)技術(shù)，將地理信息傳遞到地球的每個(gè)角落，表達人類(lèi)對賴(lài)以生存的地球從過(guò)去到現在，一直到將來(lái)的發(fā)展趨勢的認識。

　　“數字城市”是一個(gè)概念，它是“數字地球”的一個(gè)組成部分，可以看作是一個(gè)系統工程或發(fā)展戰略，但不能看作是一個(gè)項目或一個(gè)系統。“數字城市”是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規模存儲技術(shù)為基礎，以寬帶網(wǎng)絡(luò )為紐帶，運用遙感、全球定位系統、地理信息系統、遙測、仿真-虛擬等技術(shù)，對城市進(jìn)行多分辯率、多尺度、多時(shí)空和多種類(lèi)的三維描述，即利用信息技術(shù)手段把城市的過(guò)去、現狀和未來(lái)的全部?jì)热菰诰W(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行數字化虛擬實(shí)現。它并不是一個(gè)虛擬的東西，也不是一個(gè)可望而不可及的東西，它是一個(gè)在未來(lái)城市建設和城市生活中隨處可見(jiàn)，隨時(shí)可用，無(wú)處不在的“系統”。“數字城市”是一個(gè)城市發(fā)展的戰略目標，并有一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，而且在發(fā)展過(guò)程中將會(huì )對城市建設、市民生活、經(jīng)濟發(fā)展逐漸帶來(lái)效益和方便。無(wú)疑，要達到這個(gè)目標，必須有數字化的技術(shù)基礎。

　　數字化是發(fā)展安防監控系統的基礎和核心

　　由上述可知，數字化的重要性。顯然，數字化是發(fā)展安防視頻監控系統的基礎和核心。因為網(wǎng)絡(luò )化實(shí)際是數字視頻監控系統的網(wǎng)絡(luò )化，也就是利用網(wǎng)絡(luò )傳輸的數字視頻監控系統。

　　完全數字化的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統，又稱(chēng)為IP監視系統，它基于標準的TCP/IP協(xié)議，能夠通過(guò)局域網(wǎng)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)傳輸;它采用開(kāi)放式架構，可與門(mén)禁、報警、巡更、語(yǔ)音、MIS等系統無(wú)縫集成;它基于嵌入式技術(shù)，性能穩定，無(wú)需專(zhuān)人管理;它靈活性大大提高，監控場(chǎng)景可以實(shí)現任意組合與任意調用。

　　數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化這三化是互相有聯(lián)系與制約的，沒(méi)有數字化就不能真正稱(chēng)作網(wǎng)絡(luò )化，因此數字化是網(wǎng)絡(luò )化的基礎。而系統經(jīng)網(wǎng)絡(luò )化以后，其前端設備少則成千上萬(wàn)，多則幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)，再想靠人力監控是不可能的，必須要交給計算機去對前端設備的圖像資源進(jìn)行分析、分類(lèi)處理、識別、跟蹤與預/報警，即智能化，所以智能化是網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的高級階段，即網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的必然。你不數字化怎么能先發(fā)展網(wǎng)絡(luò )化?你不數字化怎么能先發(fā)展智能化?誠然，有了數字化可以搞智能化，但那種小安防系統，人可以顧得過(guò)來(lái)，智不智能化關(guān)系就不大?？筛闫桨渤鞘薪ㄔO，非網(wǎng)絡(luò )化不可，網(wǎng)絡(luò )化的攝像機至少上萬(wàn)，靠人看不行，因而需要智能化。所以，安防的發(fā)展規律只能是數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化。

　　由于平安城市建設的需要，安防監控系統必須要在數字化的基礎上實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化、高清化直至智能化。因為在扎實(shí)地抓好數字化的基礎上，才能順利推進(jìn)網(wǎng)絡(luò )化、高清化與智能化。但值得指出的是，在安防監控系統向智能化挺進(jìn)的大潮中，還必須要防止有的企業(yè)產(chǎn)品沒(méi)有智能化功能，趕潮流寫(xiě)成智能產(chǎn)品。

　　結語(yǔ)

　　由上可以看出，數字化技術(shù)在現代信息社會(huì )的重要性，數字化是發(fā)展安防視頻監控系統的基礎和核心。因此，安防企業(yè)必須扎實(shí)抓好數字化這一基礎，才能更好地開(kāi)發(fā)出網(wǎng)絡(luò )化、高清化、智能化的產(chǎn)品。