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智能高清監(jiān)控光學(xué)元素技術(shù)新發(fā)展
來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2011/01/25
進(jìn)入二十一世紀(jì)的第二個(gè)年代，公共安防監(jiān)控毋庸置疑已成為數(shù)字化的一大熱點(diǎn)，其應(yīng)用也已經(jīng)滲透到社會(huì)的方方面面，并已開(kāi)始影響和改變著人們的生活方式。安防監(jiān)控兼顧公共安全、工業(yè)和商業(yè)、交通運(yùn)輸，還有家居和消費(fèi)。面向公共安全的應(yīng)用已經(jīng)涵蓋了城市區(qū)域監(jiān)控、政府國(guó)土安全，以與確保社會(huì)穩(wěn)定息息相關(guān)的公檢法部門;面向工業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)從重點(diǎn)設(shè)施向常規(guī)場(chǎng)所擴(kuò)展，使得在銀行、游戲和零售等人們活動(dòng)的頻繁區(qū)域得到安全的保證;面向交通運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用更是不斷推陳出新，完善安全保障措施不僅在車站、碼頭和機(jī)場(chǎng)內(nèi)外，也在道路、路口和航道等地方提出多種多樣的需求。
上述這些應(yīng)用還只是針對(duì)公眾安全，面向家居和消費(fèi)群體的視頻監(jiān)控將直接針對(duì)個(gè)人安全而得到更廣泛的推廣和普及。
公共安防監(jiān)控應(yīng)用中，最傳統(tǒng)的首先就是門禁控制，其后才有防火檢測(cè)裝置。視頻監(jiān)控最早隨著閉路電視系統(tǒng)而得到應(yīng)用，然后發(fā)展到模擬錄像系統(tǒng)，并通過(guò)模擬攝像機(jī)和模擬視頻矩陣的普及而形成規(guī)模。數(shù)字視頻監(jiān)控是伴隨著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展而興起，并且在與模擬系統(tǒng)的較量中脫穎而出而確立了主流的應(yīng)用方向。以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)平臺(tái)極大地推動(dòng)了數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展，并且適時(shí)地發(fā)揮了巨大的潛力。數(shù)字視頻監(jiān)控在硬盤存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程傳輸、靈活組網(wǎng)、視頻分析等方面，其優(yōu)越性已經(jīng)非模擬系統(tǒng)可比擬，而且大大地?cái)D壓了模擬應(yīng)用的存在空間。然而上個(gè)年代中，數(shù)字視頻主要還是標(biāo)準(zhǔn)清晰度，并沒(méi)有能完全超越模擬系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。那么在新的年代中，數(shù)字視頻監(jiān)控發(fā)展方向的優(yōu)勢(shì)如何呢?
筆者認(rèn)為，數(shù)字視頻監(jiān)控的新走向可以概括為三個(gè)方面，即實(shí)現(xiàn)高清化、增強(qiáng)智能化和發(fā)揮光學(xué)元素。唯有高清才能最后淘汰模擬視頻，唯有智能才能代替人工，唯有光學(xué)元素才能從本質(zhì)上提高視頻效果。
實(shí)現(xiàn)高清化
對(duì)于模擬系統(tǒng)，就要談到電視的清晰度，PAL制電視機(jī)標(biāo)稱垂直掃描行數(shù)為625線，除去50行逆程外，實(shí)際的有效垂直分辨度為575線。當(dāng)然，不同的模擬攝像和錄像設(shè)備會(huì)有所不同。計(jì)算機(jī)中以顯示器成像，所表述的分辨率即為水平像素?cái)?shù)×垂直像素?cái)?shù)。如VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)等。
最初的數(shù)字化視頻為CIF的分辨率，即320x240，壓縮的格式為MPEG1，圖像質(zhì)量還停留在VCD的水平。隨著壓縮格式上升到MPEG4，再到H.264，壓縮效率有很大的提高，并畫質(zhì)也不錯(cuò)，但分辨率仍然不足以與模擬相比，可用電視或電腦顯示，但對(duì)清晰度并沒(méi)有實(shí)質(zhì)要求。
D1的分辨率，即720x480，確實(shí)使數(shù)字壓縮效果給人以耳目一新的感覺(jué)，壓縮的格式開(kāi)始為MPEG2，即DVD的水平，但碼率較高，所以在監(jiān)控中的廣泛采用還需要MPEG4或H.264壓縮格式，習(xí)慣上稱D1為標(biāo)清。DVD若采用NTSC制則像素為720×480，PAL制像素是720×576，兩者的水平清晰度都是720×3/4=540線，其中前者高于垂直清晰度(480線)，后者略低于垂直清晰度(576線)。
真正要拉開(kāi)和模擬圖像質(zhì)量差距的分辨率是720P，即1280x720，這也可視為準(zhǔn)高清。
那么真正的高清是什么呢?這就是所謂的1080P，即1920x1080。如圖二所示為從標(biāo)清到高清的橫向和縱向像素的比較。
在標(biāo)清到高清間常規(guī)的幀率為每秒30幀，這樣H.2641080p@30fps就是指采取H.264格式每秒壓縮30幅1920x1080像素的畫面，這就是實(shí)現(xiàn)高清必需達(dá)到的一個(gè)水平。在這個(gè)基礎(chǔ)上多種視頻壓縮格式的支持也非常重要，如MPEG4、MJPEG、VC1等。這種性能相當(dāng)于兩倍的720P，因此可以提高視頻品質(zhì)，并增加更多的細(xì)節(jié)。720P作為準(zhǔn)高清，若提高幀率到每秒30幀，即H.264&MPEG-4@720p60,則圖像的清晰度會(huì)得到有效的提高。當(dāng)然在監(jiān)控為突出畫面的高清晰度，也會(huì)采用MJPEG@5Mps，即可達(dá)到每秒五百萬(wàn)像素的圖像效果。
目前行業(yè)內(nèi)可以提供高清視頻壓縮單片系統(tǒng)(SOC)的廠商已有多家，其中美國(guó)德州儀器(TI)所提供的平臺(tái)可以支持涵蓋各種高清需求并支持多種高清視頻壓縮格式，而且具有更高的系統(tǒng)靈活性。現(xiàn)已大批量生產(chǎn)的DM6467是一顆單片可實(shí)現(xiàn)H.264及其它視頻壓縮格式高清或更高的SOC，其600MHz時(shí)鐘版本就可支持H.264@1080P30，1GHz時(shí)鐘版本所支持性能將接近翻番。該平臺(tái)集成有ARM9處理器和視頻協(xié)處理器及高速C64+x的DSP核心，還有BT1120高清視頻輸入和輸出端口，另外配備豐富的外圍接口。除進(jìn)行高清的視頻編解碼之外，其DSP單元可以承擔(dān)智能視頻處理功能。高清視頻轉(zhuǎn)碼也是DM6467的一個(gè)重要的應(yīng)用方向。
同樣量產(chǎn)的DM365所支持能力為H.264@720P30/MPEG-4@1080i30或，MPEG-4@1080P30/H.264@1080P12，已經(jīng)作為高清入門產(chǎn)品在監(jiān)控IP攝像機(jī)中得到很好地應(yīng)用。
將要新推出的DM36x平臺(tái)為H.264&MPEG-4@1080P30，并且與DM365體系架構(gòu)、軟件和管腳兼容。這將是一顆真正的全面支持高清的SOC，集成有400MHz的ARM9處理器、視頻協(xié)處理器、視頻處理子系統(tǒng)和豐富的外圍接口，如圖四所示。其中視頻處理子系統(tǒng)所涉及的光學(xué)元素留待下面具體分析。
市場(chǎng)在期待著更高性能的高清平臺(tái)問(wèn)世，H.264@1080P60規(guī)格并非遙不可及，甚至是能供用一顆芯片支持兩路，TI希望在新時(shí)代的第一年中就為數(shù)字視頻監(jiān)控行業(yè)帶來(lái)更大的驚喜。
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增強(qiáng)智能化
智能視頻分析應(yīng)該算是數(shù)字視頻監(jiān)控永恒的話題。模擬系統(tǒng)只能通過(guò)人工的監(jiān)視或反復(fù)地觀看錄像帶進(jìn)行異常情況的處理，即便是數(shù)字錄像，仍然難以擺脫人力的參與觀察與識(shí)別，直到有視頻內(nèi)容分析算法的出現(xiàn)。早期的視頻內(nèi)容分析基于PC機(jī)的后端處理，可以幫人減輕繁重的重復(fù)觀看負(fù)擔(dān)，但卻沒(méi)有可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并干預(yù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)事件。DSP的引入可以使嵌入式的視頻內(nèi)容分析成為可能，于是，智能視頻可以在安防市場(chǎng)細(xì)化產(chǎn)品中得到充分應(yīng)用。
視頻監(jiān)控常規(guī)產(chǎn)品DVR、DVS和IP攝像機(jī)都可以通過(guò)添加前端智能視頻處理來(lái)增加風(fēng)險(xiǎn)性管理和智能化業(yè)務(wù)，在與攝像機(jī)相關(guān)的應(yīng)用中，智能化可以滿足移動(dòng)偵測(cè)、集中檢測(cè)和自動(dòng)跟蹤等需求。
在傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)中，生物特征識(shí)別不只是指紋，還可以是人臉監(jiān)測(cè)和識(shí)別，這便能夠自動(dòng)判定身份而排除人為的弊端。對(duì)于侵入偵測(cè)和告警，采用智能視頻手段將更加靈活和人性化，由此可視門鈴類產(chǎn)品將有機(jī)會(huì)賦予更多的功能。在防火及生命安全的應(yīng)用中，智能視頻同傳統(tǒng)的傳感檢測(cè)方式的結(jié)合將更加有效。
其實(shí)質(zhì)能使視頻的應(yīng)用范圍還有很大的拓展空間，結(jié)合視頻監(jiān)控的高清化趨勢(shì)，面對(duì)大量的視頻資料存儲(chǔ)或傳輸，必可避免地將占用大量的系統(tǒng)和設(shè)備資源，如果能夠采用智能視頻分析的手段進(jìn)行一定的處理，將可以有效地過(guò)濾掉原始的視頻影響，留取最有價(jià)值的內(nèi)容并以高清晰度存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)。
在全球講究綠色“低碳”的形勢(shì)下，智能視頻對(duì)空調(diào)的管理也可視為一項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用。視頻監(jiān)控的智能化一方面是保障工作場(chǎng)所人員的正常流動(dòng)，另一方面也可以檢測(cè)到在各個(gè)區(qū)域中人數(shù)的變化，那么由此不難判定室內(nèi)適合的溫度將如何控制，于是結(jié)合空調(diào)進(jìn)行供暖或供冷。
基于這樣的思考方式，可以想象出更多的智能視頻應(yīng)用，因此增強(qiáng)智能化將是數(shù)字視頻監(jiān)控在當(dāng)前嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提升價(jià)值空間的必由之路。
實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻最堅(jiān)實(shí)的處理平臺(tái)就是DSP，TI的明星平臺(tái)DM642在智能視頻嵌入化應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用，而后續(xù)推出的Davinci系列平臺(tái)則可以滿足不同方面的數(shù)字視頻需求并不斷取得市場(chǎng)的成功。
為是智能視頻應(yīng)用能夠持續(xù)強(qiáng)勁地發(fā)展，DSP平臺(tái)的路演規(guī)劃(Roadmap)和開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)(ECOSystem)至關(guān)重要。TI從C64+的成功引入，到C64+x的廣泛采用，還將以C674x核心集成到新一代的高清SOC中。這是一個(gè)浮點(diǎn)和定點(diǎn)兼容的DSP核心，將更有益于更多智能視頻的實(shí)現(xiàn)。
為促進(jìn)智能視頻的開(kāi)發(fā)，TI基于C64+x平臺(tái)開(kāi)開(kāi)發(fā)并集合了超過(guò)五十種軟件內(nèi)核組成智能視頻基礎(chǔ)函數(shù)庫(kù)VLIB，其中包含背景建模與背景抽取算法、目標(biāo)特性提取、跟蹤與識(shí)別以及低級(jí)別像素處理等。VLIB可高度擴(kuò)展的軟件基礎(chǔ)平臺(tái)，應(yīng)用領(lǐng)域包括視頻分析、計(jì)算機(jī)和汽車視覺(jué)、嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)，也包含消費(fèi)類電子產(chǎn)品視覺(jué)。VLIB可以從TI的公開(kāi)網(wǎng)站上登記下載。現(xiàn)在已有成百上千的客戶在用TI的DSP進(jìn)行智能視頻軟件開(kāi)發(fā)，這也將成為數(shù)字視頻監(jiān)控取之不盡的創(chuàng)新源泉。[!--empirenews.page--]
發(fā)揮光學(xué)元素
數(shù)字視頻系統(tǒng)全面取代模擬系統(tǒng)的過(guò)程中，有一樣模擬設(shè)備幾乎是長(zhǎng)期沿用的，這就是模擬攝像機(jī)(CCTVCamera)，其原因在于攝像機(jī)似乎是一個(gè)光電一體難以分割的整體，其中的光學(xué)部分都已固定下來(lái)。其實(shí)一體化攝像機(jī)包含兩個(gè)部分，前端為CCD或CMOS視頻傳感器，后端為視頻信號(hào)處理器(ISP)進(jìn)行原始視頻信號(hào)的處理，然后輸出為BT656視頻信號(hào)。以往的ISP由傳感器廠商掌握，客戶難以開(kāi)發(fā)，那么這種局面是否有可能改變?這就依靠SOC處理器中所集成的“光學(xué)元素”。
為使數(shù)字視頻系統(tǒng)更具有特色，特別是滿足不同場(chǎng)景需要，對(duì)于光學(xué)元素的理解和掌握就顯得越來(lái)越重要，特別是一體化的IP攝像機(jī)。TI的DM36x脫胎于數(shù)碼相機(jī)平臺(tái)，而其中視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)的性能尤為關(guān)鍵，圖四所示為DM36x視頻處理子系統(tǒng)的功能框圖。在VPSS中包含CCD或CMOS控制器，直接接收原始視頻信號(hào)，然后由集成的ISP進(jìn)行預(yù)處理，其中有所謂的H3A處理，即自動(dòng)曝光(AE)、自動(dòng)白平衡(AWB)、自動(dòng)聚焦(AF)。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)這樣的處理中需要具有豐富的專業(yè)光學(xué)經(jīng)驗(yàn)，才能夠得到理想的圖像效果。
同樣所謂光學(xué)元素的還有鏡頭畸形校正模式(LDC)處理。VPSS中還有硬件人臉檢測(cè)引擎、影像協(xié)處理器(IMCOP)、影像處理加速器(IPIPE)，以及增強(qiáng)型屏幕疊加顯示(OSD)。VPSS還有預(yù)覽和縮放功能，支持高清分量輸出。TI在新型SOC中將采用新一代的ISP并增添更豐富的光學(xué)元素。
光學(xué)元素將是未來(lái)數(shù)字視頻走向全面高清化和智能化的有利保證，其原因首先在于大量高清的視頻傳感器為CMOS類型，高清一體化視頻產(chǎn)品將是視頻監(jiān)控廠商研發(fā)和生產(chǎn)的方向。另外，智能化的監(jiān)控產(chǎn)品應(yīng)用與環(huán)境的光學(xué)因素結(jié)合緊密，只有真正掌握了光學(xué)的適應(yīng)性應(yīng)用才能更有效地拓展各種智能視頻應(yīng)用。
總之，新的時(shí)代必將使智能高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域百尺竿頭更進(jìn)一步，中國(guó)已成為世界視頻監(jiān)控成長(zhǎng)最為迅速的一個(gè)市場(chǎng)，其創(chuàng)新的勢(shì)頭和潛力為世人所矚目。抓住高清化、智能化的機(jī)遇，結(jié)合中國(guó)所積累的深厚光學(xué)功底，中國(guó)安防企業(yè)將有能力增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)而造福于世界。
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