芯片技術助力數(shù)字視頻監(jiān)控走向新時代

進入二十一世紀的第二個年代，公共安防監(jiān)控毋庸置疑已成為數(shù)字化的一大熱點，其應用也已經滲透到社會的方方面面，并已開始影響和改變著人們的生活方式。如圖1所示，安防監(jiān)控兼顧公共安全、工業(yè)和商業(yè)、交通運輸，還有家居和消費。面向公共安全的應用已經涵蓋了城市區(qū)域監(jiān)控、政府國土安全，以與確保社會穩(wěn)定息息相關的公檢法部門；面向工業(yè)和商業(yè)的應用已經從重點設施向常規(guī)場所擴展，使得在銀行、游戲和零售等人們活動的頻繁區(qū)域得到安全的保證；面向交通運輸?shù)膽酶遣粩嗤脐惓鲂?，完善安全保障措施不僅在車站、碼頭和機場內外，也在道路、路口和航道等地方提出多種多樣的需求。

上述這些應用還只是針對公眾安全，面向家居和消費群體的視頻監(jiān)控將直接針對個人安全而得到更廣泛的推廣和普及。

圖1 公共安防監(jiān)控的應用領域

公共安防監(jiān)控應用中，最傳統(tǒng)的首先就是門禁控制，其后才有防火檢測裝置。視頻監(jiān)控最早隨著閉路電視系統(tǒng)而得到應用，然后發(fā)展到模擬錄像系統(tǒng)，并通過模擬攝像機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用方向。以計算機和網絡相結合的技術平臺極大地推動了數(shù)字視頻技術的發(fā)展，并且適時地發(fā)揮了巨大的潛力。數(shù)字視頻監(jiān)控在硬盤存儲、遠程傳輸、靈活組網、視頻分析等方面，其優(yōu)越性已經非模擬系統(tǒng)可比擬，而且大大地擠壓了模擬應用的存在空間。然而上個年代中，數(shù)字視頻主要還是標準清晰度，并沒有能完全超越模擬系統(tǒng)的圖像質量。那么在新的年代中，數(shù)字視頻監(jiān)控發(fā)展方向的優(yōu)勢如何呢？

筆者認為，數(shù)字視頻監(jiān)控的新走向可以概括為三個方面，即實現(xiàn)高清化、增強智能化和發(fā)揮光學元素。唯有高清才能最后淘汰模擬視頻，唯有智能才能代替人工，唯有光學元素才能從本質上提高視頻效果。

實現(xiàn)高清化

對于模擬系統(tǒng)，就要談到電視的清晰度，PAL制電視機標稱垂直掃描行數(shù)為625線，除去50行逆程外，實際的有效垂直分辨度為575線。當然，不同的模擬攝像和錄像設備會有所不同。計算機中以顯示器成像，所表述的分辨率即為水平像素數(shù)×垂直像素數(shù)。如VGA(640×480)、SVGA（800×600）、XGA（1024×768）等。

最初的數(shù)字化視頻為C I F的分辨率，即320x240，壓縮的格式為MPEG1，圖像質量還停留在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，并畫質也不錯，但分辨率仍然不足以與模擬相比，可用電視或電腦顯示，但對清晰度并沒有實質要求。

D1的分辨率，即720x480，確實使數(shù)字壓縮效果給人以耳目一新的感覺，壓縮的格式開始為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，習慣上稱D1為標清。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）。

真正要拉開和模擬圖像質量差距的分辨率是720P，即1280x720，這也可視為準高清。那么真正的高清是什么呢？這就是所謂的1080P，即1920x1080。如圖二所示為從標清到高清的橫向和縱向像素的比較。

圖2 從標清到高清的橫向和縱向像素的比較

在標清到高清間常規(guī)的幀率為每秒30幀，這樣H.264 1080p@30 fps就是指采取H.264格式每秒壓縮30幅1920x1080像素的畫面，這就是實現(xiàn)高清必需達到的一個水平。在這個基礎上多種視頻壓縮格式的支持也非常重要，如MPEG4、MJPEG、VC1等。這種性能相當于兩倍的720P，因此可以提高視頻品質，并增加更多的細節(jié)。720P 作為準高清，若提高幀率到每秒30幀，即H.264 & MPEG-4 @720p60, 則圖像的清晰度會得到有效的提高。當然在監(jiān)控為突出畫面的高清晰度，也會采用MJPEG@ 5Mps，即可達到每秒五百萬像素的圖像效果。

目前行業(yè)內可以提供高清視頻壓縮單片系統(tǒng)(SOC)的廠商已有多家，其中美國德州儀器（TI）所提供的平臺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?，F(xiàn)已大批量生產的DM6467是一顆單片可實現(xiàn)H.264及其它視頻壓縮格式高清或更高的SOC，其600MHz時鐘版本就可支持H.264@1080P30，1GHz時鐘版本所支持性能將接近翻番。該平臺集成有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。除進行高清的視頻編解碼之外，其DSP單元可以承擔智能視頻處理功能。高清視頻轉碼也是DM6467的一個重要的應用方向。

同樣量產的DM365所支持能力為H.264@720P30/MPEG-4@1080i30或，MPEG-4@1080P30/H.264 @1080P12，已經作為高清入門產品在監(jiān)控IP攝像機中得到很好地應用。

將要新推出的DM36x平臺為H.264 & MPEG-4@1080P30，并且與DM365體系架構、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)所涉及的光學元素留待下面具體分析。

市場在期待著更高性能的高清平臺問世，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希望在新時代的第一年中就為數(shù)字視頻監(jiān)控行業(yè)帶來更大的驚喜。

增強智能化

智能視頻分析應該算是數(shù)字視頻監(jiān)控永恒的話題。模擬系統(tǒng)只能通過人工的監(jiān)視或反復地觀看錄像帶進行異常情況的處理，即便是數(shù)字錄像，仍然難以擺脫人力的參與觀察與識別，直到有視頻內容分析算法的出現(xiàn)。早期的視頻內容分析基于PC機的后端處理，可以幫人減輕繁重的重復觀看負擔，但卻沒有可能及時發(fā)現(xiàn)并干預監(jiān)控現(xiàn)場的突發(fā)事件。DSP的引入可以使嵌入式的視頻內容分析成為可能，于是如圖三所示，智能視頻可以在安防市場細化產品中得到充分應用。

圖3 智能視頻在安防市場細化產品中的應用

視頻監(jiān)控常規(guī)產品DVR、DVS和 IP攝像機都可以通過添加前端智能視頻處理來增加風險性管理和智能化業(yè)務，在與攝像機相關的應用中，智能化可以滿足移動偵測、集中檢測和自動跟蹤等需求。在傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)中，生物特征識別不只是指紋，還可以是人臉監(jiān)測和識別，這便能夠自動判定身份而排除人為的弊端。對于侵入偵測和告警，采用智能視頻手段將更加靈活和人性化，由此可視門鈴類產品將有機會賦予更多的功能。在防火及生命安全的應用中，智能視頻同傳統(tǒng)的傳感檢測方式的結合將更加有效。

其實質能使視頻的應用范圍還有很大的拓展空間，結合視頻監(jiān)控的高清化趨勢，面對大量的視頻資料存儲或傳輸，不可避免地將占用大量的系統(tǒng)和設備資源，如果能夠采用智能視頻分析的手段進行一定的處理，將可以有效地過濾掉原始的視頻影響，留取最有價值的內容并以高清晰度存儲或轉發(fā)。

在全球講究綠色“低碳”的形勢下，智能視頻對空調的管理也可視為一項創(chuàng)新應用。視頻監(jiān)控的智能化一方面是保障工作場所人員的正常流動，另一方面也可以檢測到在各個區(qū)域中人數(shù)的變化，那么由此不難判定室內適合的溫度將如何控制，于是結合空調進行供暖或供冷。

基于這樣的思考方式，可以想象出更多的智能視頻應用，因此增強智能化將是數(shù)字視頻監(jiān)控在當前嚴峻的市場競爭中提升價值空間的必由之路。

實現(xiàn)數(shù)字視頻最堅實的處理平臺就是DSP，TI的明星平臺DM642在智能視頻嵌入化應用中發(fā)揮了重要的作用，而后續(xù)推出的Davinci系列平臺則可以滿足不同方面的數(shù)字視頻需求并不斷取得市場的成功。

為使智能視頻應用能夠持續(xù)強勁地發(fā)展，DSP平臺的路演規(guī)劃(Roadmap)和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)(ECO System) 至關重要。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。這是一個浮點和定點兼容的DSP核心，將更有益于更多智能視頻的實現(xiàn)。

為促進智能視頻的開發(fā)，TI基于C64+x平臺開開發(fā)并集合了超過五十種軟件內核組成智能視頻基礎函數(shù)庫VLIB，其中包含背景建模與背景抽取算法、目標特性提取、跟蹤與識別以及低級別像素處理等。VLIB可高度擴展的軟件基礎平臺，應用領域包括視頻分析、計算機和汽車視覺、嵌入式視覺系統(tǒng)，也包含消費類電子產品視覺。VLIB可以從TI的公開網站上登記下載?，F(xiàn)在已有成百上千的客戶在用TI的DSP進行智能視頻軟件開發(fā)，這也將成為數(shù)字視頻監(jiān)控取之不盡的創(chuàng)新源泉。

發(fā)揮光學元素

數(shù)字視頻系統(tǒng)全面取代模擬系統(tǒng)的過程中，有一樣模擬設備幾乎是長期沿用的，這就是模擬攝像機(CCTV Camera)，其原因在于攝像機似乎是一個光電一體難以分割的整體，其中的光學部分都已固定下來。其實一體化攝像機包含兩個部分，前端為CCD或CMOS視頻傳感器，后端為視頻信號處理器(ISP)進行原始視頻信號的處理，然后輸出為BT656視頻信號。以往的ISP由傳感器廠商掌握，客戶難以開發(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“光學元素”。

圖4 DM36x視頻處理子系統(tǒng)的功能框圖

為使數(shù)字視頻系統(tǒng)更具有特色，特別是滿足不同場景需要，對于光學元素的理解和掌握就顯得越來越重要，特別是一體化的IP攝像機。TI的DM36x脫胎于數(shù)碼相機平臺，而其中視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）的性能尤為關鍵，圖4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，然后由集成的ISP進行預處理，其中有所謂的H3A處理，即自動曝光(AE)、自動白平衡(AWB)、自動聚焦(AF)。當然實現(xiàn)這樣的處理中需要具有豐富的專業(yè)光學經驗，才能夠得到理想的圖像效果。

同樣所謂光學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引擎、影像協(xié)處理器（IMCOP）、影像處理加速器(IPIPE)，以及增強型屏幕疊加顯示(OSD)。VPSS還有預覽和縮放功能，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元素。

光學元素將是未來數(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，高清一體化視頻產品將是視頻監(jiān)控廠商研發(fā)和生產的方向。另外，智能化的監(jiān)控產品應用與環(huán)境的光學因素結合緊密，只有真正掌握了光學的適應性應用才能更有效地拓展各種智能視頻應用。

總之，新的時代必將使數(shù)字視頻監(jiān)控領域百尺竿頭更進一步，中國已成為世界視頻監(jiān)控成長最為迅速的一個市場，其創(chuàng)新的勢頭和潛力為世人所矚目。抓住高清化、智能化的機遇，結合中國所積累的深厚光學功底，中國安防企業(yè)將有能力增強優(yōu)勢而造福于世界。