慢慢走向成熟的智能數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　對于每個人而言，平安是幸福生活最基本的要素之一，而如何保障平安生活，無疑需要時刻有一雙慧眼的保護。無論是生活安全的監(jiān)控、突發(fā)事件的預(yù)警、交通違章情況和流量監(jiān)控還是重點場所的安全保障，甚至山林火險監(jiān)控、邊界和領(lǐng)海各種情況的監(jiān)控等，都需要先進的智能數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)做保障。

　　具體到中國，人口眾多地域遼闊的特點僅僅依靠人力很難滿足保障國土安全、人民安居樂業(yè)的需求。因此，無論近年來全球經(jīng)濟如何動蕩，中國的公共安防市場卻總是保持旺盛增長的勢頭。“平安中國”計劃的推廣，特別是隨著2008年北京成功舉辦奧運會過程中，國產(chǎn)的監(jiān)控產(chǎn)品廣泛被采用，表現(xiàn)不凡，進一步引發(fā)了國內(nèi)數(shù)字化視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以數(shù)字視頻處理技術(shù)為核心，綜合利用光電傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的所有功能外，還具有遠程視頻傳輸與回放、自動異常檢測與報警、結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)存儲等功能。與數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的主要技術(shù)有視頻數(shù)據(jù)壓縮，視頻的分析與理解，視頻流的傳輸與回放和視頻數(shù)據(jù)的存儲。

　　技術(shù)發(fā)展趨勢

　　TIDSP業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理鄭曉龍認為，數(shù)字視頻監(jiān)控的核心技術(shù)主要有四種，即視頻壓縮、影像處理、視頻顯示和視頻分析，如圖1所示?；仡檾?shù)字視頻監(jiān)控的發(fā)展歷程，數(shù)字音視壓縮技術(shù)的發(fā)展導致了壓縮標準的制定，數(shù)字音視壓縮技術(shù)包含視頻編碼和解碼，在視頻監(jiān)控應(yīng)用中已由MPEG4過渡到H．264而成為主流，而SVC作為一個效率更多的標準也將接受市場的考驗。在各種寬帶和無線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中，既有多通道處理的需求，也有多格式、多碼率及多視頻流的支持。

　　富士通半導體(上海)有限公司市場部產(chǎn)品經(jīng)理沈弘人則將監(jiān)控產(chǎn)品的技術(shù)及市場需求概況為五大發(fā)展趨勢。

　　網(wǎng)絡(luò)化

　　市場需求：消費型客戶的需求量較大對高清需求不多，售價低，以公眾互聯(lián)網(wǎng)布線為主；而項目客戶則需求量較少，對高清需求較多，但售價高，且多半以內(nèi)網(wǎng)／專網(wǎng)布線為主。

　　技術(shù)發(fā)展：向高清視頻(HD／FullHD)方向發(fā)展，可進行實時壓縮(H．264)，并經(jīng)由IP網(wǎng)絡(luò)實時傳送(Real-TimeStreaming，一般網(wǎng)絡(luò)的傳送遞延時間最好不超過一秒。

　　智能化

　　市場需求：除傳統(tǒng)云臺控制攝像頭轉(zhuǎn)向／縮放功能外，智能影音分析(前端及后端)的應(yīng)用需求將越來越多。

　　技術(shù)發(fā)展：智能影音分析軟件，如移動動物／人臉追蹤、危險物(靜態(tài)物體)監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)測、門禁人員／車輛計數(shù)等。大部分智能影音分析都在后端實施，如中控系統(tǒng)(CMS)，或是軟件離線分析，但也有一些智能影音分析功能逐漸開始內(nèi)置在頭端(攝像頭)進行重要事件監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析。

　　高清化

　　市場需求：目前市場需求的起始規(guī)格為720P30，進階規(guī)格則為720P60或1080P30。而有些應(yīng)用，如車牌辨識(LPR)，甚至需要1080P60或是更高的規(guī)格。

　　技術(shù)發(fā)展：為了滿足高清化需求，傳感器技術(shù)也逐漸走向高階CMOS(1．3M，2M，5M等)，而CMOS在高動態(tài)(HDR)和低照度(lowlux)方面也已經(jīng)趕上CCD的水平。另外，高階影像處理器(ISP)、高階編碼技術(shù)(H．264)及高分辨率鏡頭(HDLens)也是重要的技術(shù)發(fā)展方向。

　　安全化

　　市場需求：數(shù)字視頻錄像(DVR)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻錄像(NVR)、高容量硬盤(HDD)、磁盤陣列(DiskArray)的市場需求大增，也因而讓數(shù)據(jù)存儲更容易、更安全。

　　技術(shù)發(fā)展：擴充DVR／NVR到集中式網(wǎng)絡(luò)儲存技術(shù)(NAS)或是主從式儲存設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(SAN)以及加強網(wǎng)絡(luò)防火墻(FireWall)，讓數(shù)據(jù)儲存更安全，且具備容錯能力，災(zāi)難備援，以及快速回復數(shù)據(jù)之能力。

　　分工化

　　市場需求：高端監(jiān)控市場的特性包括應(yīng)用多元化、規(guī)格定制化和少量多樣化，且要求存儲時間長，因此對質(zhì)量的要求比一般消費性產(chǎn)品高很多，所以每個組件都應(yīng)具有最高規(guī)格和性能，這也使高端監(jiān)控的產(chǎn)業(yè)鏈必須達到專業(yè)分工。

　　技術(shù)發(fā)展：傳感器(CCD或CMOS)、高階影像處理器(ISP)、影像壓縮編解碼器(CODEC)、網(wǎng)絡(luò)傳輸(IPVideoStreaming)和高清閉路電視(HDCCTV)等各自發(fā)展或部分整合。換句話說，沒有一顆單芯片(SoC)能完全滿足高端監(jiān)控的需求，當然對于入門級的家用監(jiān)控系統(tǒng)則可能用一顆單芯片就可以完成。
萊迪斯半導體市場營銷副總裁DouglasHunter則直言未來視頻監(jiān)控兩個最重要的趨勢是：百萬像素攝像機和高動態(tài)范圍(HDR)照相機。對于半導體制造商，這意味著需要向市場提供器件，提供更高的處理能力，以便處理由兆像素圖像傳感器和HDR處理需求結(jié)合所引起的大量數(shù)據(jù)的增加。Maxim業(yè)務(wù)總監(jiān)JimFox則認為，視頻監(jiān)控市場的整體增長率將保持在5％-10％左右，而IP攝像機這樣的具體產(chǎn)品增長率可以達到30％以上。最重要的技術(shù)發(fā)展趨勢除了高清和百萬像素攝像外，智能視頻分析和成像也非常重要。

　　當然，趨勢總是由市場的需求所推動的。視頻監(jiān)控市場正要求更高的分辨率和更精準的圖像內(nèi)容，包括場景內(nèi)容和活動的“智能”識別(如車牌號碼識別，清點人數(shù)的能力，檢測侵入者)?？梢杂帽环Q為視頻分析(VA)的自動化軟件夾處理越來越多的復雜視頻監(jiān)控。為了能夠有效、避免產(chǎn)生“誤報“，VA軟件需要較高的分辨率和HDR處理。這就是對攝像機制造商的要求，以高幀率來處理大量的數(shù)據(jù)。

　　攝像頭高清、3D一個都不能少

　　高清技術(shù)將使數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)徹底淘汰傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)，于是在CIF／D1分辨率的基礎(chǔ)之上，720p和1080p的呼聲很高，視頻壓縮技術(shù)在新的潮流下得到了進一步的提升。AptinaImaging公司資深業(yè)務(wù)發(fā)展／市場經(jīng)理CliffCheng認為，監(jiān)控攝像頭領(lǐng)域最普遍的發(fā)展趨勢是轉(zhuǎn)向分辨率為720P和1080P兩種格式的高清(HD)攝像頭，而所提供的接口選項的數(shù)量增加了，包括子兆位以太網(wǎng)、閉路高清(HDCCTV)以及IPoverCoaxial(電纜)，這些都正逐漸成為HD視頻的首選接口。多媒體2D／3D圖像加速技術(shù)已開始引入，HDMI高清接口將成為必需，顯示加密技術(shù)也許不可或缺。

　　隨著CMOS視頻傳感器技術(shù)的成熟和推廣，數(shù)字一體化攝像機將融合更多的影像處理技術(shù)，其中包括自動曝光(AE)、自動白平衡(AWB)和自動聚焦(AF)技術(shù)將有可能被掌握。隨著繼承有視頻前端的單片系統(tǒng)(SoC)的推出，不僅支持上述的弘功能，還有可以支持3D噪聲濾波、人臉檢測、LDC鏡頭校正和WDR寬動態(tài)等功能。與CCD圖像傳感器相比，由于CMOS圖像傳感器具備同等甚至更好的成像性能、更低的成本、更高的集成度、更低的功耗以及更高的速度，因此在網(wǎng)絡(luò)攝像頭領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增多。高速HD視頻攝像頭轉(zhuǎn)向CMOS圖像傳感器的原因之一是CMOS器件固有低功耗的特性。功耗較低的CMOS圖像傳感器還結(jié)合了數(shù)項節(jié)能功能，如門控時鐘(gatedclock)設(shè)計、可變幀率，以及低待機電流，這些功能均可通過CMOS工藝技術(shù)來實現(xiàn)。

　　萊迪斯半導體的DouglasHunter認為，視頻監(jiān)控需要圖像傳感器有更多的像素以得到更好的場景定義，更好的微光性能，并能夠為HDR功能提供足夠的數(shù)據(jù)。關(guān)于市場趨勢，圖像傳感器將繼續(xù)從CCD轉(zhuǎn)變到CMOS技術(shù)。更高的兆像素傳感器將變得司空見慣。為了增強微光性能，更大格式的傳感器可能更為常見。像那些菜迪思伙伴的傳感器制造商將對傳感器從提供并行接口轉(zhuǎn)向串行接口，以便每秒從圖像傳感器送出更多的像素數(shù)據(jù)。

　　一個新興的發(fā)展趨勢是加入寬動態(tài)范圍(WideDynamicRange，WDR)功能，借助WDR功能，視頻監(jiān)控攝像頭的放置就不再受到限制，幾乎可以放置在任何環(huán)境中，包括嚴苛的高對比度光照環(huán)境。Aptina用于監(jiān)控市場的最新HD和全HD圖像傳感器解決方案都加入了統(tǒng)計引擎、3D立體攝像頭支持、感興趣區(qū)域(regionofinterest)和WDR功能，將更多的計算工作量從視頻分析引擎中卸載，讓攝像頭的算法可以提供更高的準確度和智能化水平更高的功能性。

　　媒體處理器百花齊放

　　回顧數(shù)字視頻監(jiān)控的發(fā)展歷程，數(shù)字音視壓縮技術(shù)的發(fā)展導致了壓縮標準的制定，于是在高速數(shù)字信號處理器(DSP)上得以實現(xiàn)和應(yīng)用。DSP得天獨厚的高性能和低功耗的軟件可編程的特性使之成為嵌入式數(shù)字音視頻壓縮的理想處理平臺，而在高速通用DSP芯片上集成多個視頻接口以及豐富的外圍接口，就成為數(shù)字媒體處理器。數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的推陳出新得益于核心處理平臺的升級換代，其中數(shù)字媒體處理器發(fā)揮了重要的作用。單片的通用DSP可以很好地實現(xiàn)視頻數(shù)字壓縮或智能視頻數(shù)字分析處理工作，但還需要在外圍接視頻接口和前端或后端處理設(shè)備，因此系統(tǒng)比較復雜。

　　TI推出的第一顆數(shù)字媒體SoC對于數(shù)字視頻監(jiān)控行業(yè)的影響極其深遠，從而開創(chuàng)了以創(chuàng)新大師達芬奇冠名一個系列媒體處理平臺。如圖2為數(shù)字視頻SoC集成結(jié)構(gòu)，其中包含有ARM和DSP核心系統(tǒng)，還有視頻協(xié)處理器(VICP)，以及視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)。

　　隨著監(jiān)控行業(yè)對高清需求的增加，DSP一統(tǒng)天下的格局在變化。賽靈思公司亞太區(qū)市場及應(yīng)用總監(jiān)張宇清介紹，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控由于對運算的要求不高，只需要DSP芯片即可。隨著智能分析和高清視頻監(jiān)控成為主流，FPGA的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。

　　智能分析的關(guān)鍵在于算法，需要大量的矩陣運算以及乘法器。通常有兩種方式來實現(xiàn)智能分析。一是，DSP+FPGA，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理器，來彌補DSP在運算方面的不足。然而，雖然DSP在信號處理、監(jiān)控方面具有優(yōu)勢，但其通過執(zhí)行串行指令進行處理運算、智能分析，一個時鐘只能執(zhí)行一個指令。而FPGA是并行指令架構(gòu)，可以在一個時鐘內(nèi)執(zhí)行幾百個指令。以運算速度來看，即使DSP的運算達到1G以上，F(xiàn)PGA的速度700M，但顯然，F(xiàn)PGA的并行處理仍然要遠高于DSP的串行處理。同時，F(xiàn)PGA帶有硬件乘法器和DSP核，具有高度靈活的擴展性，目前很多高端視頻監(jiān)控設(shè)備已采用這一架構(gòu)。二是，在DSP中嵌入硬核，用硬核做硬件加速器，但其彈性小，沒有擴展性，導致產(chǎn)品差異化低。
　FPGA可以在復雜的像素處理方面替代DSP，如高性能視頻分析，各種圖像傳感器寬動態(tài)范圍壓縮，以及高精度圖像處理。對于高清視頻監(jiān)控來說，F(xiàn)PGA的作用更是不可小覷。高清監(jiān)控，數(shù)據(jù)流量非常大，需要更高的處理能力，并且還要提供自動曝光、高效的自動白平衡和高動態(tài)范圍等功能，傳統(tǒng)DSP已經(jīng)難以應(yīng)付，需要FPGA共同完成。

　　對FPGA在視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用非?？春玫倪€有萊迪斯半導體。DouRlasHunter認為一個顯而易見的方法是從順序處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿刑幚?。例如，F(xiàn)PGA是并行處理器件，可以在每個時鐘周期比傳統(tǒng)DSP處理更多的數(shù)據(jù)。由于在每個時鐘周期能夠處理更多的數(shù)據(jù)，比如LatticeECP3系列FPGA可以使用較低的時鐘速度，因此消耗的功耗更少，而順序處理的器件需要更快的時鐘速度；因此消耗大量的功率。

　　視頻分析

　　視頻分析技術(shù)業(yè)已在數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域逐步顯露鋒芒，從而使得監(jiān)控真正向智能化的視覺方向發(fā)展。視頻分析所包含的內(nèi)容相當廣泛，其中有物體檢測統(tǒng)計、目標物體識別和監(jiān)控目標跟蹤，還可以設(shè)立警戒區(qū)進行檢測或行為分析。對于攝像機自身的智能化處理，已有視頻穩(wěn)定和鏡頭受襲告警實用技術(shù)。人臉識別技術(shù)目前已經(jīng)開始實現(xiàn)市場化，并已有不少成功的應(yīng)用，例如北京奧運會和上海世博會。

　　在談到數(shù)字視頻監(jiān)控新的增長點時，智能視頻分析一定是一個熱門話題。視頻分析從計算機后端分析到前端嵌入式分析，使得其應(yīng)用范圍大大增加，目前已開始啟動市場化的進程。TI鄭小龍認為，在這過程中通用可編程的DSP扮演了極其重要的角色，從DM642到DM6437或DM6435，許多智能視頻分析廠商推出了出色的算法并進入實用?；诂F(xiàn)在的達芬奇的C64+核心，已可實現(xiàn)單片的智能視頻應(yīng)用。未來DM8168的C674x將可提供更加強大的高級智能視頻分析性能。

　　在視頻監(jiān)控中的軟件算法可以用于兩個方面。首先是圖像處理引擎中執(zhí)行一套算法。第二個是幫助人們完成任務(wù)的VA軟件，如內(nèi)容和事件的識別。在圖像信號處理(ISP)領(lǐng)域，萊迪思從合作伙伴HelionGmbH那里得到了算法，它提供了業(yè)界最快的自動曝光，支持傳感器高達16兆像素的分辨率，ISP流水線的HDR(高動態(tài)范圍)可達192分貝。

　　MAXIM業(yè)務(wù)總監(jiān)JimFox介紹，該公司的Mobilygen專利技術(shù)大大降低了系統(tǒng)計算的復雜度，在保持低功耗的同時提供最高畫質(zhì)。預(yù)先定義的配置和固件API允許開發(fā)人員設(shè)置比特率、幀速率等參數(shù)以及GOP結(jié)構(gòu)、H．264工具等。MAXIM器件支持完整的高畫質(zhì)H．264工具套件，包括8x8轉(zhuǎn)換、矩陣比例縮放、CABAC和任意分割尺寸的宏模塊自適應(yīng)幀／場(MBAFF)。先進的固件算法提供圖像自適應(yīng)幀／場(PAFF)編碼、加權(quán)預(yù)測、定制矩陣比例縮放和影視圖像反轉(zhuǎn)處理，以達到最佳圖像質(zhì)量。視頻輸出處理器能夠組合實時圖像和／或存儲圖像，其圖像覆蓋功能可以創(chuàng)建單路輸出。該輸出可以放大或縮小，通過雙向端口發(fā)送到另外一個器件或輸出，以8位YUV4：2：0格式或18位RGB格式驅(qū)動本地顯示器。

　　行業(yè)應(yīng)用的特殊需求

　　雖然在所有的應(yīng)用之中，數(shù)字視頻監(jiān)控的基本圖像處理相似，不過某些應(yīng)用確有具體的特殊需求。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，高速度和高幀率是捕捉圖像細節(jié)的必備條件，需要傳感器具有全局快門，而不是滾動快門；在醫(yī)療市場中，出色的低光照性能和極低的功耗是必不可少的，要求非常低的延時和無損圖像壓縮；對于交通運輸攝像頭，需要增強的HDR性能和快速的自動曝光，需要使用帶有全局快門的捕捉速度極高的攝像頭，以便在夜間光線較暗時讀取車牌號碼，當有迎面而來的車輛前車燈時，他們也許突然變得明亮。因此需要對不同產(chǎn)業(yè)類別的應(yīng)用根據(jù)FW做特殊的應(yīng)用，以配合特殊產(chǎn)業(yè)與廠商的需求。例如工業(yè)應(yīng)用要求高速視頻(120-240fps)，但是對分辨率的需求并不是很高(QVGA—VGA)，醫(yī)療應(yīng)用則需要可拋式攝像頭，這些特殊功能都需要圖像感應(yīng)器廠商與鏡頭廠商配合。

　　這些需求構(gòu)成了對半導體制造商相同的基本挑戰(zhàn)：即提高了數(shù)據(jù)處理負載。萊迪思DouglasHunter坦言，半導體制造商必須提供低成本、低功耗并行處理器件，如各種配置的FPGA，針對大的和小的應(yīng)用提供處理邏輯。他們還必須提供IP，支持不同種類的圖像傳感器，以及提供低延遲和HDR處理的ISP流水線。

　　對于交通行業(yè)而言，需求又有所不同。如何利用車載攝像機降低交通事故數(shù)，減少人員傷亡，控制直接財產(chǎn)損失，是中國汽車電子行業(yè)不容無視的重大研究課題和商機，本文通過概要介紹若干系統(tǒng)，為中國汽車電子行業(yè)拋磚引玉。值得一提的是，開發(fā)針對汽車安全的車載攝像機系統(tǒng)需要汽車電子與汽車生產(chǎn)廠家開展密切合作，從攝像頭、視頻數(shù)據(jù)采集、視頻傳輸、實時監(jiān)視和播放平臺等多個方面進行研究，才有利于車廠最終使其產(chǎn)品化。

　　特別的，車載攝像頭需要的高速總線，MOST(面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線)技術(shù)目前已經(jīng)被50多種車型采用它由MOST組織來主持標準化與規(guī)格化工作。截至目前，已經(jīng)有15家國際性汽車廠商和70余家主要零配件生產(chǎn)廠商加盟該組織。

　　目前已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化的MOST技術(shù)有MOST25、MOST50，第3代MOST150Mbps技術(shù)一150MOST正在開發(fā)中。150Mbps可以達到與MOST25塑料光纖同等的傳輸速度，不用增加物理層成本就可以提高通信速度。采用MOST150后，視頻傳輸變得更容易，不僅可以用在休閑娛樂方面，還可以用在車載攝像頭等行車系統(tǒng)上。

　　MOST在制訂上完全合乎ISO／OSI的7層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議參考模型，而在網(wǎng)線連接上MOST采行環(huán)狀拓樸，允許改采星狀(亦稱放射狀)或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，每套MOST傳控網(wǎng)絡(luò)允許最多達64個裝置(節(jié)點)建立連接。

　　目前，在MOST的應(yīng)用中，美國車種僅占9％，歐洲車種占比達58％，亞太車系則占比大約為33％。