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人類己進入高度發達的信息時代，而安防視頻監控系統所監控的場景，都是模擬的信息資源。為使安防視頻監控系統向網絡化、集成化、高清化到最高境界或目標-智能化的發展，必須使模擬信號數字化。本文介紹模擬系統的缺點、數字化的含義及優點，視頻信號的數字化及其優點，數字化技術在現代信息社會的重要性，數字化是發展安防視頻監控系統的基礎和核心等。
光是生命的源泉，它哺育了世間的萬物，照亮了五彩斑斕的現實空間，為人類提供青山綠水的生活環境和豐富的衣食住行的資源，為人類世界帶來了智慧和光明。光不僅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源。可以想像，如果沒有光，就不可能有我們現在的文明。有了光，人類才能夠尋找食物、欣賞藝術和探索未知。因而，從抽象的藝術表現到有效的科學應用，光(光學)為我們提供了很有價值的信息資源。但是，我們所看到的信息資源或光學圖像，或安防視頻監控系統所監控的場景，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。
· 模擬信號在記錄、編輯、傳送和重放過程中,不可避免地會混進雜音、各種干擾成分,而這些有害的成分就不能與有用信號分開,損害了原信號;
· 在信號存儲過程中,如磁帶錄音過程,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態范圍有多大，一旦記錄以后再還原信號的動態范圍再也超不過記錄媒體本身的動態范圍,這就使得在模擬系統中對記錄媒體材料的有關性能要求很高;
· 記錄過程中的換能器(如磁性記錄中的錄音磁頭、放音磁頭)如果存在非線性,這會使記錄在媒體上的原信號出現非線性失真，且這種失真還無法通過電路來解決;
· 對重放過程中的機械系統要求也很高,如旋轉系統、驅動系統等工作倘若不穩定，即會使原信號產生抖晃失真,如磁性記錄系統中的抖晃失真是一個常見問題。
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點，視頻信號的數字化及其優點，數字化技術在現代信息社會的重要性，數字化是發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點
所謂“數字化”，就是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，把它們轉變為一系列二進制代碼，再引入計算機內部去進行統一處理。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連續函數。因此，采樣定理為數字化技術奠定了重要基礎。所以，數字化是將任何連續變化的輸入如圖畫的線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題，同時還可增加如下優點。
· 在數字記錄系統中,由于信號的記錄形式是二進制數碼,數字電路的任務只是判斷出“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,與記錄媒體的信噪比和重放信號的信噪比沒有直接關系,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”兩種電平狀態的信號在記錄和重放過程中只要保持“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,對于代表高電平的一群“1”信號電平存在參差不齊情況時,只要“0”、“1”信號之間的電平差足夠的大,數字電路通過限幅電路等處理都可以正確地分辨出“0”和“1”信號,這就說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(關于這兩個概念在后面介紹)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,數字系統的技術性能指標要比模擬系統的技術性能指標要高出許多;
· 由于數字系統中的數字信號要進行各種形式的編碼處理,因編碼后的信號和信號在處理過程中由于電路本身或外界混進來的干擾信號性質的不同,二者可以方便地分離,因而可以輕松地去除干擾信號,而不致損害信號數碼;
· 在一些數字記錄系統中,由于重放系統設有時基校正電路,其機械旋轉系統、驅動系統的不穩定現象不會引起抖晃失真的問題,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性;
· 由于數字信號適合于計算機進行處理和運算,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,在實現同樣功能時,數字電路結構遠遠沒有模擬電路那么復雜。
視頻信號的數字化及其優點
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)這兩個過程。視頻信號在時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程，實際是在時間方向上進行了取樣;把圖像分成若干行的過程，實際是在垂直方向上進行了取樣。在時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，根據不同的應用場合可采用不同的方式，如可直接對復合視頻信號進行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。
數字視頻信號的實現是，將視頻信號經過視頻采集卡轉換成數字視頻文件存儲在數字載體——硬盤中。在使用時，將數字視頻文件從硬盤中讀出，再還原成為視頻圖像加以輸出。需要指出的一點是視頻數字化的概念是建立在模擬視頻占主角的時代，現在通過數字攝像機攝錄的信號本身已是數字信號，只不過需要從磁帶上轉到硬盤中，現在視頻數字化的涵義更確切地指的是這個過程。對視頻信號的采集，尤其是動態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程中對圖像進行壓縮和解壓縮處理，一般都采用我們在前面講過的壓縮方法，不過是利用硬件進行壓縮。目前大多使用的是帶有壓縮芯片的視頻采集卡上。
數字視頻的來源有很多，如來自于攝像機、錄像機、影碟機等視頻源的信號，包括從家用級到專業級、廣播級的多種素材。還有計算機軟件生成的圖形、圖像和連續的畫面等。高質量的原始素材是獲得高質量最終視頻產品的基礎。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行采集、量化和編碼的設備，這一般都由專門的視頻采集卡來完成;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。
視頻數字化的優點
· 抗干擾能力強。可以采用冗余糾錯措施,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。因為可以對信源進行物理的和心理的冗余壓縮和信道進行多電平調制;
· 大大提高信號質量。由于采用數字形式,容易進行各種數字處理,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,減少非線性影響;
· 數字化信號易于實現存儲，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量，至于新功能就太多了：特技、多畫面、快速檢索、縮放、隨機訪問、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;
· 無差錯接收時，其主觀評價質量可達演播室質量，是模擬無法比擬的;
· 從設備而言，由于減少了A/D、D/A轉換等處理環節，可減小圖像質量的下降與損傷，同時數字實現時易于安裝、調試，能大規模生產，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用接收;
· 數字化處理適用于多業務、多媒體應用和方便通信(包括雙向化);
· 數字HDTV則是電視的一個飛躍，它使一個正常視力的觀眾在距離該系統顯示屏高度3倍距離處所看到的圖像質量具有觀看原始景象或表演時所得到的印象。
數字化技術在信息社會的重要性
眾所周知，現在我們是生活在一個高度信息化的社會，即所謂信息爆炸的社會。信息己不再僅僅是社會中人們通信聯絡的紐帶，而己成為生產力中最重要的因素，成為社會發展的戰略資源，更將成為創造社會財富、豐富文明生活和提高社會素質的源泉與通道。
數字化技術在信息社會的重要性至少可以體現在以下幾個方面。
數字化是數字計算機的基礎
若沒有數字化技術，就沒有當今的計算機，因為數字計算機的一切運算和功能都是用數字來完成的。
數字化是多媒體技術的基礎
數字、文字、圖像、語音，包括虛擬現實，及可視世界的各種信息等，實際上通過采樣定理都可以用0和1來表示，這樣數字化以后的0和1就是各種信息最基本、最簡單的表示。因此計算機不僅可以計算，還可以發出聲音、打電話、發傳真、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，描述千差萬別的現實世界。
數字化是軟件技術的基礎，是智能技術的基礎
軟件中的系統軟件、工具軟件、應用軟件等，信號處理技術中的數字濾波、編碼、加密、解壓縮等都是基于數字化實現的。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，可以用濾波技術使得變得清晰。這些都是經過數字化處理后所得到的結果。由于各種自動化智能化的產品，都需編制軟件由數字計算機來完成，顯然數字化也是智能技術的基礎;
數字化是信息社會的技術基礎
數字化技術還正在引發一場范圍廣泛的產品革命，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。有人把信息社會的經濟說成是數字經濟，這足以證明數字化對社會的影響有多么重大，因此數字化是信息社會的技術基礎。
數字化是“數字地球”與“數字城市”的技術基礎
20世紀90年代以來，由于信息采集技術和信息量的突飛猛進，人們面臨信息爆炸的問題。為了解決海量空間信息的泛濫問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信息按地球坐標加以整理，使之數字化、可視化，構成一個完整的地球信息模型，并同信息高速公路、知識經濟等全新概念緊密結合。
它是一個三維、多分辨率、具有海量存儲、面向公眾的開發系統。“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、人文和社會經濟信息組織起來，構成多分辨率、多類型、多時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技術，將地理信息傳遞到地球的每個角落，表達人類對賴以生存的地球從過去到現在，一直到將來的發展趨勢的認識。
“數字城市”是一個概念，它是“數字地球”的一個組成部分，可以看作是一個系統工程或發展戰略，但不能看作是一個項目或一個系統。“數字城市”是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，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，對城市進行多分辯率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術手段把城市的過去、現狀和未來的全部內容在網絡上進行數字化虛擬實現。它并不是一個虛擬的東西，也不是一個可望而不可及的東西，它是一個在未來城市建設和城市生活中隨處可見，隨時可用，無處不在的“系統”。“數字城市”是一個城市發展的戰略目標，并有一個逐漸發展的過程，而且在發展過程中將會對城市建設、市民生活、經濟發展逐漸帶來效益和方便。無疑，要達到這個目標，必須有數字化的技術基礎。
數字化是發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，數字化是發展安防視頻監控系統的基礎和核心。因為網絡化實際是數字視頻監控系統的網絡化，也就是利用網絡傳輸的數字視頻監控系統。
完全數字化的網絡視頻監控系統，又稱為IP監視系統，它基于標準的TCP/IP協議，能夠通過局域網/無線網/互聯網傳輸;它采用開放式架構，可與門禁、報警、巡更、語音、MIS等系統無縫集成;它基于嵌入式技術，性能穩定，無需專人管理;它靈活性大大提高，監控場景可以實現任意組合與任意調用。
數字化、網絡化、智能化這三化是互相有聯系與制約的，沒有數字化就不能真正稱作網絡化，因此數字化是網絡化的基礎。而系統經網絡化以后，其前端設備少則成千上萬，多則幾十萬甚至幾百萬，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行分析、分類處理、識別、跟蹤與預/報警，即智能化，所以智能化是網絡化發展的高級階段，即網絡化發展的必然。你不數字化怎么能先發展網絡化?你不數字化怎么能先發展智能化?誠然，有了數字化可以搞智能化，但那種小安防系統，人可以顧得過來，智不智能化關系就不大。可搞平安城市建設，非網絡化不可，網絡化的攝像機至少上萬，靠人看不行，因而需要智能化。所以，安防的發展規律只能是數字化、網絡化、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現網絡化、高清化直至智能化。因為在扎實地抓好數字化的基礎上，才能順利推進網絡化、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的大潮中，還必須要防止有的企業產品沒有智能化功能，趕潮流寫成智能產品。
結語
由上可以看出，數字化技術在現代信息社會的重要性，數字化是發展安防視頻監控系統的基礎和核心。因此，安防企業必須扎實抓好數字化這一基礎，才能更好地開發出網絡化、高清化、智能化的產品。 |
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