數(shù)字監(jiān)控核心技術(shù)的發(fā)展概述

概述

    一、 

    數(shù)字視頻監(jiān)控相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展近幾年來一直是國內(nèi)安防行業(yè)的一個熱點，通過國內(nèi)整個行業(yè)的不斷努力目前數(shù)字監(jiān)控的技術(shù)水平達到了國際先進水平，開始直接參與國際競爭，同時產(chǎn)品已經(jīng)開始進入國際市場。我們在國際市場上的競爭力來源于我們掌握了相關(guān)的核心技術(shù)，核心技術(shù)決定了產(chǎn)品在市場上的競爭力。

    本文內(nèi)容主要介紹一下目前數(shù)字監(jiān)控行業(yè)相關(guān)的技術(shù)以及應(yīng)用前景，探討下一代產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展趨勢。內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

    視頻壓縮算法：這是決定產(chǎn)品主要特性的技術(shù)，壓縮算法在不斷發(fā)展之中。

    網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：面向未來多用途的視頻多媒體設(shè)備以及大規(guī)模數(shù)字視頻多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)。

    智能化技術(shù)：數(shù)字視頻系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可以提供各種智能化的功能，這樣才能夠拓展市場，提升產(chǎn)品的競爭力。

    二、  視頻壓縮算法

    1.     H.264壓縮算法

    目前壓縮算法分為兩大類：標(biāo)準(zhǔn)算法和專用算法。標(biāo)準(zhǔn)算法為國際組織ISO/ITU發(fā)布，早期的JPEG壓縮比太小，傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求過高；后期MPEG 1算法壓縮比有所提高，但是還不能適應(yīng)目前的寬帶網(wǎng)絡(luò)；近兩年來MPEG 4/H.263 的推廣使得遠程傳輸成為可能。專用算法為一些專業(yè)公司開發(fā)的壓縮技術(shù)，通用性較差，性能也千差萬別，針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃惴�可以支持低帶寬網(wǎng)絡(luò)，但是圖像效果不令人滿意。

    H.264是最新的國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，由ITU-T和ISO/IEC兩個國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定。標(biāo)準(zhǔn)在ITU-T將被最終通過為H.264；在ISO/IEC，通過后，被稱為國際標(biāo)準(zhǔn)14496-10（MEPG-4 第10部分）。因此可見H.264并不是比MPEG-4先進，他們其實是一回事。以前大量使用的MPEG-4 是采用了標(biāo)準(zhǔn)的MEPG-4 第10部分以前版本，目前名稱對應(yīng)的關(guān)系為：

    H.264 Baseline Profile對應(yīng)MPEG-4 SP

    H.264 Main Profile對應(yīng)MPEG-4 ASP

    H.264 Extended Profile對應(yīng)MPEG-4 ARTS or FGS

    H.264 Baseline Profile對應(yīng)MPEG-4 Studio

    作為目前最新的視頻編碼技術(shù)H.264，在安防行業(yè)應(yīng)用有著非常大的前景。H.264標(biāo)準(zhǔn)采用了很多新技術(shù)用來提高壓縮比降低碼流，主要是采用了高精度、多模式預(yù)測技術(shù)。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰�設(shè)計了視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò)友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰�設(shè)計了差錯消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，從而保證了視頻傳輸?shù)挠行�性�?/P>

    2.     H.264壓縮算法的實現(xiàn)難度

    H.264算法分為Baseline Profile、Main Profile、Extended Profile和High Profile四層，H.264算法與以前的算法相比：

    算法復(fù)雜度：H.264 Baseline Profile是以前MPEG-4的2倍左右，H.264 Main Profile是MPEG-4的10倍以上，High Profile復(fù)雜度最高。

    壓縮碼流：Base Profile低于MPEG-4 10-20%，Main Profile低于MPEG-4的一半。

    大家可以看出，實現(xiàn)H.264 Main Profile 算法后可以使視頻碼流降低一半，可以實現(xiàn)CIF格式視頻在普通的ADSL上實時連續(xù)傳輸，即使在網(wǎng)絡(luò)有波動的情況下也不會受到影響。同時由于H.264算法具有網(wǎng)絡(luò)編碼層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層結(jié)構(gòu)，這樣對于普通的寬帶網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性大大加強，不會由于網(wǎng)絡(luò)的誤碼影響傳輸?shù)馁|(zhì)量。

    然而目前的芯片處理能力還不能夠?qū)崿F(xiàn)完整的H.264算法，現(xiàn)在只能實現(xiàn)H.264算法中的部分功能，因此需要一個過程才能夠體驗到H.264給大家?guī)�來的�?yōu)點。

    3.     H.264壓縮算法的實現(xiàn)平臺

    在JPEG和MPEG-1/2的時代壓縮芯片以ASIC芯片為主，從MPEG-4開始壓縮芯片已經(jīng)過度到DSP時代，使用ASIC芯片的產(chǎn)品越來越少。這是由于芯片處理能力逐步提高，可以適應(yīng)算法的不斷優(yōu)化，ASIC技術(shù)產(chǎn)品化周期長，已經(jīng)無法適應(yīng)目前算法進步的步伐。

    由于DSP體系結(jié)構(gòu)的限制，面對復(fù)雜的H.264算法實現(xiàn)低成本的實時壓縮已經(jīng)非常困難。在算法和芯片技術(shù)成熟以后，未來的主流壓縮平臺應(yīng)該是ASIC的天下，當(dāng)然ASIC和DSP技術(shù)相結(jié)合的芯片，同樣具有誘惑力，能夠適合未來算法發(fā)展的需要。

圖像預(yù)處理和后處理技術(shù)

    1.     圖像濾波

    目前最嚴(yán)重的問題之一是攝像頭干擾問題，中低檔的攝像頭比較明顯，特別在低照度的環(huán)境中干擾對圖像質(zhì)量有非常大的影響。根據(jù)分析主要有兩種噪聲會影響視頻質(zhì)量，一種是相鄰色素之間產(chǎn)生的偽顏色噪聲，一種是由于信號強度而產(chǎn)生的泊松噪聲（會影響物體的邊緣清晰度）。一般濾波器的工作原理是先做低通濾波，然后再做高通濾波。從頻譜上分析，物體的邊緣成分在做低通的時候已經(jīng)損失掉了一部分，盡管在高通后通過一定的處理可以還原大部分，但實際上它已經(jīng)不能夠達到最理想的效果。

    這些噪點隨著產(chǎn)品型號和工作環(huán)境而不同。由于視頻壓縮算法是通過前后幀圖像的差異實現(xiàn)壓縮，因此這種隨機噪點對壓縮的影響非常大，有的時候甚至造成碼流成倍上升，將壓縮算法的優(yōu)點全部掩蓋。

    噪點的處理使得中低檔攝像頭能夠同樣達到理想的壓縮效果，特別是對于光線不好的環(huán)境非常有意義。主要可以采用兩種濾波方式：時間軸上的濾波與空間軸上的濾波。時間軸濾波采用運動自適應(yīng)方式來去處偽顏色噪聲同時還原運動物體�？臻g軸濾波用來去除泊松噪聲同時強化物體邊緣。除此之外，還包括一套柱狀均衡器，它通過平滑亮度信號的突變來改善對比度。在幀間編碼的技術(shù)中主要采用了針對攝像頭主要環(huán)境特征即靜止圖像和圖像變化不大的情況下壓縮處理，這樣保證在正常情況下圖像都可以以高質(zhì)量的水平保存。另一方面，通過實時濾波技術(shù)的應(yīng)用，使得在壓縮之前就排除了信號中的干擾，壓縮還原的圖像有很大的提高，同時也降低了碼流。

    2.     圖像的其他處理技術(shù)

    對于全幅圖像(Full D1)的處理有一個重要問題，全幅圖像是由前后兩場圖像數(shù)據(jù)合成的，如果圖像運動的比較快，就會造成兩場的圖像差別較大，運動快的部分圖像有了一定的位移，這樣就造成合成的圖像在運動快的部分圖像邊緣形成鋸齒效應(yīng)。而采用了De-interlace技術(shù)較好的解決了這個問題。同時，在解碼回放的時候也可以應(yīng)用了De-Block技術(shù)，排除了由于解碼而造成的各種干擾，可以使得圖像還原效果提升了一個層次。

    四、  網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    1．  組網(wǎng)技術(shù)

    目前絕大多數(shù)視頻組網(wǎng)有兩個特點：一是采用集中式，二是采用私有控制協(xié)議。集中式可靠性和擴展性差，對于小規(guī)模視頻應(yīng)用尚可，但對于較大的城域范圍甚至更大的應(yīng)用范圍，視頻接點成千上萬，集中方式的中心節(jié)點將不堪重負，網(wǎng)絡(luò)非常脆弱。由于采用私有控制協(xié)議，已有的視頻組網(wǎng)只能一個應(yīng)用一個工程、一個工程一個設(shè)計的格局，費時費力，不能互通，形成視頻應(yīng)用的“孤島”，維護管理和升級都非常復(fù)雜。

    隨著新的視頻應(yīng)用的增加，尤其是城市應(yīng)急聯(lián)動、城市智能交通、保安監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化以及各個行業(yè)的城域監(jiān)控網(wǎng)的建立，視頻組網(wǎng)的規(guī)模將越來越大，并且存在不斷擴展的需要，因此視頻組網(wǎng)必須打破過去集中式和私有控制協(xié)議帶來的弊端，采用分布式、標(biāo)準(zhǔn)化的組網(wǎng)方案。

    基于SIP協(xié)議既能夠組建純SIP的下一代視頻多媒體網(wǎng)，也能夠與軟交換結(jié)合組建下一代視頻多媒體網(wǎng)，完全可以根據(jù)應(yīng)用的需要。由于SIP本身具有的簡單靈活、分布式控制以及對移動性良好支持等優(yōu)點，隨著Internet的迅猛發(fā)展，尤其在最近的兩年時間內(nèi)，由IETF首先提出的SIP協(xié)議已經(jīng)開始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織)、IMTE等各種標(biāo)準(zhǔn)化組織所接受，并在這些組織中成立了與SIP相關(guān)的工作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員，在多年發(fā)展H323應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對SIP應(yīng)用在視頻領(lǐng)域的特點，提出了SIP的應(yīng)用指導(dǎo)，并推出了相應(yīng)的SIP協(xié)議棧，使得ITU的成員實現(xiàn)了這兩種協(xié)議之間的互通性。視頻多媒體需求的大眾化以及SIP相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，SIP已成為新興的視頻多媒體領(lǐng)域的主流信令控制協(xié)議。

    純SIP組網(wǎng)的運營模式與傳統(tǒng)的運營模式不同，它沒有長途和本地之分，主要是基于內(nèi)容或者服務(wù)的運營模式。利用SIP可快速組網(wǎng)，靈活部署業(yè)務(wù)，為用戶提供可移動的視訊服務(wù)。

    基于SIP組建網(wǎng)絡(luò)為用戶提供語音、數(shù)據(jù)和視頻的移動多媒體應(yīng)用已經(jīng)開始嶄露頭角。目前國外廠商已經(jīng)推出了基于SIP的即時信息、語音和視頻等應(yīng)用。如微軟的Windows XP采用SIP信令協(xié)議，這意味著SIP能夠在個人計算機上實現(xiàn)視頻多媒體應(yīng)用；3GPP(Third Generation Partnership Project)采用了SIP的3G體系結(jié)構(gòu)計劃，SIP成為3G用戶建立包括視頻在內(nèi)的實時通信會話的基石。

    2．  網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

    從目前的應(yīng)用情況來看，面向?qū)嵱玫南到y(tǒng)面臨兩大難題，即視頻服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)信息安全問題。即使在寬帶網(wǎng)絡(luò)上由于沒有有效的Qos機制，很難保障高質(zhì)量的視頻連續(xù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)信息安全是另一個限制數(shù)字視頻應(yīng)用發(fā)展的因素，目前的廣域網(wǎng)絡(luò)上沒有一個有效的安全保障機制，這樣就大大限制了網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的領(lǐng)域。

    由于網(wǎng)絡(luò)的帶寬不固定，同時有一定的誤碼率，需要采用動態(tài)參數(shù)調(diào)整技術(shù)，自動探測網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臓顩r，實時調(diào)整壓縮的參數(shù)，保證能夠自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化完成圖像的傳輸，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量。同時解碼器能夠正確處理誤碼，保證工作長期穩(wěn)定。

    同時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全是一個制約應(yīng)用的重要因素，視頻數(shù)據(jù)加密的技術(shù)對實時網(wǎng)絡(luò)視頻具有重要的意義，保障網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩��?/P>

    3．  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

    從產(chǎn)業(yè)化角度來考慮，由于IP地址資源的限制和目前網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，很大程度上約束了大容量系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，實現(xiàn)幾路視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸是一回事，建立管理一個數(shù)千路視頻應(yīng)用是另外一回事，在目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系下幾乎是不可能的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv6是未來發(fā)展的重要方向，IPv6支持網(wǎng)絡(luò)地址自動配置和動態(tài)域名服務(wù)、安全認證、數(shù)據(jù)安全、服務(wù)質(zhì)量保證；支持DHCP/PPPoE等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持組播功能。

    可以看出，IPv6真正解決了目前IPv4中存在的諸多問題及不足之處，是未來構(gòu)建數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)最理想的平臺。目前國家已經(jīng)建立了多個IPv6的實驗網(wǎng)絡(luò)，很快大家就可以體驗到IPv6帶來的新的機遇。

數(shù)字監(jiān)控智能化技術(shù)

    智能化技術(shù)是與應(yīng)用領(lǐng)域緊密結(jié)合的技術(shù)，可以針對各種應(yīng)用環(huán)境的特點開發(fā)出不同類型的應(yīng)用技術(shù)，提升產(chǎn)品的適應(yīng)力，例如：

    圖像識別：實時圖像識別是對視頻的圖像壓縮序列進行實時處理，來達到不同應(yīng)用環(huán)境的要求。目標(biāo)類型識別用于識別目標(biāo)的類型、位置，進一步可以實現(xiàn)人像匹配、車輛分析（顏色、車型、車牌）；目標(biāo)自動跟蹤技術(shù)是通過對移動目標(biāo)的識別，自動控制攝像機來跟蹤目標(biāo)的移動，監(jiān)視目標(biāo)的整個移動過程。這些智能化工作方式在多種應(yīng)用環(huán)境下都很有價值。

    圖像分析：移動目標(biāo)的分析技術(shù)是通過對畫面中移動目標(biāo)的識別，分析統(tǒng)計目標(biāo)的類型、流量、運動方向、速度等信息，可以用于交通道路指揮自動化以及重要場合自動檢測分析，也可以用于環(huán)境監(jiān)控中的自動化監(jiān)測報警。

    六、  結(jié)論

    監(jiān)控行業(yè)的數(shù)字視頻除了能夠應(yīng)用于視頻會議、網(wǎng)絡(luò)點播、遠程教育、視頻監(jiān)控等方面外，可逐步滲透到數(shù)字視頻應(yīng)用的方方面面，如消費類產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)電視等各種數(shù)字視頻相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

    早期的數(shù)字視頻技術(shù)主要來源于家用的視頻產(chǎn)品技術(shù)，沒有針對監(jiān)控行業(yè)特點需求及應(yīng)用特點進行完善，因此在應(yīng)用上還有不盡人意的地方。隨著技術(shù)的不斷進步，產(chǎn)品將會不斷提升換代，開拓出更廣闊的市場空間。

    可以看出未來的主流技術(shù)可以概括為三點：第一需要有最優(yōu)化的壓縮算法支持高質(zhì)量數(shù)字視頻的應(yīng)用，用戶對圖像質(zhì)量的要求是沒有限制的，現(xiàn)在CIF格式產(chǎn)品的大量應(yīng)用不能說明市場能夠滿意這種圖像質(zhì)量；第二需要有網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用體系，這樣才能夠構(gòu)建起大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻系統(tǒng)，提供安全方便的服務(wù)；第三需要對不同用戶和行業(yè)提供個性化的產(chǎn)品和服務(wù)，這樣才能夠進一步滿足市場不斷發(fā)展的需要。