视频监控迈进数字、高清和智能新时代
发布时间：2012-5-4 14:05
发布者：1770309616
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视频监控市场从模拟CCTV视频系统向更为成熟、具备主动预防性、基于网络的IP视频转变已成为业界的共识。但另一方面，尽管IP视频监控将成为未来的主流，但就目前情况来看，该市场仍为传统的模拟摄像机所主导。是什么原因使得IP监控市场启动如此之慢？IP视频监控未来将呈现怎样的发展趋势 数字、高清和智能已是大势所趋 中星微电子（Vimicro）公司CTO张韵东将未来数年内视频监控的发展趋势归纳为“三化”，即数字化、高清化和智能化。他认为，随着网络视频监控的快速发展，网络摄像机、NVR、大型视频监控管理平台等数字化产品呈现出了极好的成长性，百万像素甚至Full HD的高清网络摄像机在项目中应用也愈加广泛，完全符合公司原先对于视频监控高清化发展方向的判断。 “未来几年，我们依然认为智能化会是IP视频监控的发展趋势。”支持张韵东做出上述判断的理由来自两方面：一是随着经济的发展，对安防以及诸多行业自身业务流程管理的重视，视频监控摄像头安装的数量与日俱增；另一方面，从看得见到看得清，从非实时到实时，视频监控的分辨率、帧率在增长，带来的直接影响是数据量的暴增。例如Full HD 25帧/秒，与D1的12.5帧/秒，数据量增长了上10倍。如此庞大的数据量，除了给网络带宽和存储成本带来极大的压力之外，如何利用这些海量数据也成为视频监控面临的难题，让视频监控系统更加智能化将在一定程度上帮助解决这个问题。 Aptina公司高级业务拓展/市场经理Cliff Cheng则表示，网络IP摄像机已经出现数年，其采用率一直以每年两位数的速度增长。驱动因素包括全高清LCD面板价格的快速回落、更强大的高性价比应用处理器的出现、简便的IP摄像机安装和应用软件、以及CMOS高清图像传感器的图像质量提升超过了传统模拟CCTV CCD传感器。 
图1：Aptina公司高级业务拓展市场经理Cliff Cheng 他同时称，今后几年，值得注意的主要发展趋势将包括：4K/2K超高清标准的采用、利用全局快门技术的高速图像捕获，以及利用同轴电缆传输多通道全高清码流。尤其是通过同轴电缆输送IP视频流，可以重复利用现有CCTV基础设施，而无需昂贵的基础设施改造，非常值得关注。 远程视频监控的发展离不开网络的进步。ADI公司技术市场经理张铁虎强调说，由于3G/4G网络带宽的提升可提供比现有CDMA和GPRS网络更清晰更流畅的视频传输效果，且Wi-Fi热点日益普遍，3G/4G与安防产业的结合对两者而言都是一种应用领域的扩充。再加之无线IP视频监控网络架构灵活而方便，在实时预警、主动预警、全天候监控和按需监控四方面具有得天独厚的优势。因此，远程、高清视频监控和智能视频分析，成为今后几年内IP视频监控的发展趋势是毋庸置疑的。 
图2：ADI公司技术市场经理张铁虎 启动之慢，原因何在？ Cliff Cheng的观点是，虽然IP摄像机的年增速达到了两位数，但仍然存在一些制约因素，限制了IP摄像机采用率超过总体监控摄像机出货量的50%。目前，大多数IP摄像机部署于没有同轴电缆的新建场所。然而，市场上仍然有6000多万台通过同轴电缆连接的CCTV摄像机，是无法在一夜之间被替代的。因此，IP摄像机的发展趋势就是通过现有的同轴电缆来输送高清视频流。为了应对这一挑战，以HD-CCTV、Intersil SLOCTM为代表的新兴技术正在涌现。一旦它们得以普及，由于高清IP摄像机的安装更便利，安装成本更低，其采用率将会迅速增加。 “世界上第一台网络摄像机的出现已经是10多年前的事情了。从这几年的发展情况看，IP视频监控是未来主流的这个趋势大家都认同，但IP摄像机出货量超过CCTV摄像机出货量这个点却迟迟没有出现。”张韵东坦承，“影响市场发展速度的因素首先是IP视频监控系统的复杂性，比由模拟摄像机、DVR和视频矩阵为主体构成的传统监控系统要超出很多。” 举个简单的例子，摄像机架设好之后，如果发现没有视频，传统方案下，施工人员从摄像机的输出到显示器的输入，基本上只要检查线路通畅即可；而在IP方案下，除了线路问题，还有IP地址等一系列网络相关设置，中间可能还涉及到网络交换机等设备，要准确定位视频没有出来的问题，工程人员可能还需要操作客户端界面，甚至输入调试命令，这对于工作人员的知识要求比传统监控系统的工作人员要高很多。 传统的监控系统由于是纯模拟信号的采集，传输与显示之间的互通性很简单。而IP视频监控系统是基于IP网络的，在视频编解码标准、网络传输协议方面如果没有统一的标准，对系统集成商、工程安装以及用户来说，也是一个头疼的问题。此外，高清图像采集起步较晚，一些固有的技术特点导致直观图像效果差异，也影响了一些用户对IP视频监控系统的接受。加上对网络带宽，存储成本增加的要求大幅增加，其成本压力也是不容忽视的一个方面。 张铁虎认为，智能IP监控工程应用对可靠性、实时性和可部署性的需求大大提高：可靠性方面，要求有强大的算法基础、有针对具体应用需求的规则和抗干扰能力；实时性方面，要求系统具备实时输入、实时运算和实时控制的能力；可部署性方面，要求系统能与当前混合式（模拟与数字）监控系统接口、可独立工作、可内嵌至设备、具备规则设定与维护能力、以及低成本。另外，如何在现有的视频监控网络里加入实用的、符合行业需求的智能视频分析，将成为安防厂商面临的另一个主要挑战。 他同时强调称，IP视频监控自身仍然存在没有克服的缺陷，包括： 从模拟转向IP监控过程中基础设施的置换成本较大。目前主流的H.264算法对编解码设备的硬件性能要求较高，一旦编解码设备不能满足要求，很容易造成视频的延迟，而这样的延迟在对实时性要求较高的应用中是不可接受的。由于大数据量的原始视频必须压缩后才能在IP网络传输，对视频质量造成一定损失，这是IP标清视频系统难以推广的重要原因。IP系统在为用户带来极大便利的同时也为监控系统带来了极大的隐患。现阶段IP监控系统存在的最大问题在于编码算法不统一，即使同一种算法，各家做法也各不相同，这种现状的直接后果是不同厂家的视频编解码设备无法做到通用，也为项目设备的采购、施工调试和后期扩容造成了极大的不便。 成功案例 在光照不足的环境下（照度可能低达0.001lux），如果没有外界的辅助照明，传统摄像机基本只能拍到一片漆黑。为了能拍到较亮的画面，以前有厂商采用帧累积的方式，通过超长曝光时间看到画面。但张韵东表示，此法只能针对基本完全静止的场景，画面中物体稍有移动，就会因为拖影现象导致画面模糊，完全起不到监控的作用。2011年11月的安博会上，中星微展出了全球首款全实时1080P星光网络摄像机，能够提供全实时、明亮的视频监控，避免拖影现象，且输出视频分辨率达到了1080P高清。 同时，为了降低IP网络视频监控系统的复杂性，在公安部和工信部的倡导下，中星微电子作为组长单位参与制定了安防监控行业国家标准《安全防范监控数字视音频编解码（SVAC）技术要求》。这一标准是专门针对安防监控这种应用领域的一些特点而制定的视音频编解码标准，有支持高精度视频数据，支持感兴趣区域（ROI）变质量编码，支持监控专用信息等8大核心技术特点。2010年12月，国家标准化管理委员会发布SVAC标准批准公告，相关的产业联盟也已经建立。 作为中国监控市场的主流处理器，DSP一直是中高端方案的首选产品。ADI方面称，其Blackfin处理器的MSA（微信号）架构既具备了强大的数字信号处理功能，又可以做控制处理器来用，且功耗极低，可在视频标准、分辨率、帧速和相关的视频前/后处理功能方面实现完全的灵活性。另外，Blackfin产品还能够实现视频压缩、操作系统支持、CCD/CMOS传感器的本地互操作、完整的接口选择以及视频分析所需的开销处理。软件方面，ADI基于Blackfin平台，提供充分优化的H.264编解码算法和Image ToolBox图像处理工具包。对前者而言，视频图像效果和单路成本（cost per channel）是最重要的；而后者则是提供基本的、基于Blackfin优化的函数功能供开发者使用。 “目前，IP摄像机的主流分辨率是1080p全高清和720P高清。”Cliff Cheng说，“随着Aptina推出宽动态范围（WDR）高清图像传感器，越来越多的摄像机制造商正在采用WDR作为高清IP摄像机的标准功能。而且，银行和交通运输等行业在询价（RFQ）中也都要求WDR特性。” 此外，Aptina还在最新高清和全高清传感器集成了统计引擎（statistic engine）、用于深度感测的3D立体摄像机支持、感兴趣区域（region of interest）等功能，可以最大地减轻分析引擎的计算工作量，从而为摄像机处理软件提供更高的准确度和智能水平。 Aptina的全局快门技术属于创新性像素技术、电路和工艺设计技术的结合。据称即使在物体高速移动时，也能够捕捉清晰的图像并改善高速视频摄像机的图像质量。Cliff Cheng进一步解释说，采用全局快门技术，成像阵列中的所有像素均同时开始曝光，并且同时停止曝光，这一点与传统卷帘式快门技术不同。卷帘式快门技术一次曝光一行，并一次停止一行曝光，造成快速移动物体的图像出现变形和假影（artifacts）。 在从超亮到超暗场景的所有亮度条件下，撷取高质量的60fps HD视频非常具有挑战性。过去，百万像素传感器可以提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。现在，“Aptina采用DR-Pix技术与多重曝光宽动态范围成像技术设计的最新HD百万像素传感器，能够提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度。”据Cliff Cheng介绍，Aptina DR-Pix可在所有像素上实现全局可程序设计转换增益调节，以便与场景中的所有不同光照程度相匹配。结合使用真正的相关两次采样技术，可以让高画质成像器实现小于2erms的低读取噪声和超过60%的量子效率。 智能视频分析 在中国，交通监控系统对智能视频分析有着很高的需求。Altera亚太区工业市场开发经理江允贵认为，目前智能视频分析在交通管理上主要面临几大挑战：包括传感器要支持在宽动态的图像处理；对于不同的光线强度变化要能够达到自适应性；低照度的噪声处理；从监控到报警、抓拍；多支摄相机不同角度的综合判断；高精度智能侦测率；简单的系统配置等。这些要求带给芯片制造商很大的挑战，包括图像质量、压缩效率和智能事件侦测的准确性，但器件本身又要求具备接口灵活性、高性能的并行处理运算力、低功耗、小封装和低成本。江允贵认为，唯有具备先进制程工艺的FPGA才能提供上述完整的解决方案。 %%%%%%%%%%2 图3：Altera亚太区工业业务部市场开发经理江允贵 事实上，Altera近期发布的基于FPGA的全HD1080p/（每秒30帧）30fps视频分析解决方案就主要针对交通监控。该方案采用低成本、低功耗的CycloneIV FPGA平台，在提高视频分析性能的同时实现极大的吞吐量（每秒60-Mpixel），以及传统基于数字信号处理（DSP）方法无法实现的像素精度细节。据称，该方案很容易集成到HD互联网协议摄像机中，因此非常适合包括流量监控在内的各种应用，例如监视事故探测、车辆计数、道路偏离探测、停止车辆、闯红灯以及车辆逆向行驶等。 张韵东表示，IP视频监控系统的规模越来越大，要高效率地利用海量的视频监控数据，就必须更多地采用智能分析技术，而且是要在监控前端编码阶段就对关键目标的通用特征参数进行分析和采集，再结合控制中心服务器上的应用软件，来提供各种面向行业和应用的智能分析功能。 为了实现这一点，中星微算法团队在在视频质量诊断、运动目标检测、人脸检测与识别（特别是无约束状态下的人脸检测）、关键目标的通用特征参数分析与提取等方面进行了长期的投入。他同时强调认为，视频分析的运算非常复杂，要能实时地进行视频分析，除了采用更为高端的处理器，更为先进的制程之外，算法的优化、芯片设计过程中的精雕细琢也必不可少，包括对高性能处理器的优化、存储访问效率的改进、以及低功耗芯片设计技术的采用等，都是非常关键的。 今年3月底，中星微在SVAC产业联盟会议上发布的全球首款SVAC视音频编码器芯片，就集中体现了这些研发成果的积累。该芯片不仅能支持多路标清或者单路高清的SVAC国标视音频编码，也能对视频流中的关键目标进行分析，提取特征参数，结合SVAC国标中监控专用信息编码等技术，不仅能让前端产品更智能，也能通过与平台软件的结合，提供更为丰富的智能应用，促进IP视频监控系统的应用发展。 对于目前的智能视频分析技术而言，自然环境下能够误触发警报的因素非常多，阳光、雨水、灰尘、大风、光线的变换以及水流等都可以触发警报。张铁虎分析称，如何有效地减少误报和因误报产生的管理成本，保证在真的有人违规时才触发警报，是视频分析技术面临的最大困难。 ADI日前针对安防监控系统推出了具备双核、1GHz处理能力的Blackfin BF60X处理器系列。该系列配备两个500MHz内核及最高达4.3Mb的片内SRAM，并且针对低功耗应用进行了优化（例如ADSP-BF609的典型功耗为400mW）。该系列中最为引人关注的产品，当属配备了“流水线视觉处理器（PVP）”的ADSP-BF608/BF609。ADI方面称，PVP属于高性能视频分析加速器范畴，总共提供12个高性能、配置灵活的信号处理模块（卷积、缩放、算术等），支持各种常用算法，例如索贝尔（Sobel）、坎尼（Canny）、拉普拉斯、阈值、直方图、积分，专门针对嵌入式视觉应用进行了优化设计，可用于加速多达5个并行图像算法，从而实现极高的对像跟踪、检测和识别性能（每秒执行250亿次以上的数运算）。同时，为帮助客户设计出更高效的系统，ADI还提供了全面的开发工具、开发板和扩展板，包括CrossCore Embedded Studio软件开发工具、高速仿真器、EZ-Kit开发板和专用EZ-Extender卡。 来源：电子工程网 |
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