化解數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)“障礙”！

帶寬、延遲以及存儲容量仍然是主要技術(shù)難題

    隨著視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，通過無所不在的監(jiān)控攝像機(jī)將有助于安防人員處理、顯示、評估并存儲大量視頻內(nèi)容。然而如何將操作人員從繁重的監(jiān)控工作中解放出來，成為當(dāng)前化解視頻監(jiān)控技術(shù)障礙的重點。隨之而來的視頻智能分析技術(shù)將更好的解決這一難題。

    針對安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，主要任務(wù)就是需要一種低成本方式，在幾小時、幾天、幾周乃至幾個月的時間里實現(xiàn)視頻影像的傳輸、存儲以及搜索。就此，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，安全監(jiān)控行業(yè)正經(jīng)歷著重大技術(shù)提升。

    其發(fā)展主要表現(xiàn)在：數(shù)百萬像素的低成本數(shù)字?jǐn)z像機(jī)不斷涌現(xiàn)；低成本高清（HD）監(jiān)控器的出現(xiàn)，具有壓縮協(xié)處理器的新型DSP的推出；IP技術(shù)的普及與統(tǒng)一站點網(wǎng)絡(luò)融合；以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)推進(jìn)成本下降，且不用再為每個攝像機(jī)配備電源；以及大容量存儲設(shè)備成本下降等。此外，內(nèi)置計算功能的新一代智能攝像機(jī)已經(jīng)上市，可執(zhí)行視頻分析功能，并承擔(dān)一定處理任務(wù)，將操作人員從繁重的監(jiān)控工作中解放出來。

    這些重要技術(shù)的發(fā)展將有助于安防人員處理、顯示、評估、存儲大量視頻內(nèi)容，而這些視頻是通過無所不在的監(jiān)控攝像機(jī)透過各類網(wǎng)絡(luò)收集而來的。

    一、

    安全技術(shù)人員很清楚地認(rèn)識到，監(jiān)控視頻與“好萊塢大片”式的視頻完全不同，不是在攝影棚里拍攝的。安全監(jiān)控攝像機(jī)通常工作在光照較暗、對比度較低的環(huán)境下，而且攝像機(jī)所在位置通常對捕獲目標(biāo)區(qū)域都不是非常理想。

    非常幸運(yùn)，安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)是人員、物體或特定區(qū)域，因此通常不需要廣播級的影像質(zhì)量。針對高端應(yīng)用而言，系統(tǒng)或許需要較高分辨率進(jìn)行捕獲與讀取某些信息，如在惡劣環(huán)境下捕捉并讀取行駛車輛的車牌號。

    北美電視標(biāo)準(zhǔn)幀速率為每秒30幀，有源影像分辨率為720X480像素。安全監(jiān)控系統(tǒng)的分辨率與幀速率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)，因為其根本不需要捕獲所有細(xì)節(jié)。這樣就具有獲得存儲與通道密度等優(yōu)勢。因此，許多模擬安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行幀速率僅為7.5FPS，影像分辨率則僅為352X288像素（CIF標(biāo)準(zhǔn)）。

    通過降低幀速率或分辨率，在一定帶寬下甚至可支持四個攝像機(jī)影像，而不僅是一個。如果同時降低幀速率與分辨率，正常情況下，一個攝像機(jī)影像所占帶寬就可支持16個攝像機(jī)的影像。當(dāng)然，節(jié)省帶寬也是有代價的，即影像質(zhì)量下降。在幀速率為7.5FPS時，畫面可能會不流暢，在影像分辨率為352X288像素時，細(xì)節(jié)可能比較模糊，不過操作人員通常仍可分辨出場景內(nèi)容。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，通常要通過降低幀速率或分辨率或同時調(diào)低這兩個參數(shù)，來實現(xiàn)降低成本的目的。

    新型攝像機(jī)技術(shù)改進(jìn)了壓縮方法，并采用更低成本存儲設(shè)備。這樣，系統(tǒng)就可支持更高的幀速率與分辨率，通常可達(dá)720X480全像素分辨率與30FPS幀速率。若有需要，新型系統(tǒng)也可通過編程采用較低的幀速率或分辨率降低成本。

    安全監(jiān)控系統(tǒng)的另一關(guān)鍵要求就是低延遲，延遲涉及兩方面內(nèi)容，一是視頻顯示在顯示器上所需時間，二是攝像機(jī)平移與縮放某一可疑事件的速度。實時視頻監(jiān)控有時會因延遲較長而受影響，導(dǎo)致操縱桿控制與攝像機(jī)的移動不同步。之前，模擬電視系統(tǒng)的發(fā)射延遲總是要比IP視頻系統(tǒng)好。要想降低數(shù)字視頻延遲，就應(yīng)解決以太網(wǎng)多變的延遲與損失問題，還要解決視頻編碼與解碼本身造成的延遲。通常情況下，確保良好網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)局端，并采用高級編解碼器與視頻壓縮技術(shù)，即可解決上述問題。

    視頻存儲也是一個挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)安全監(jiān)控系統(tǒng)都必須支持存儲功能，要在幾天、幾周、幾個月乃至幾年后還可將視頻內(nèi)容調(diào)出來檢索。系統(tǒng)應(yīng)將高效壓縮算法與低成本大容量存儲設(shè)備結(jié)合起來，這樣才能滿足必需的數(shù)據(jù)存儲量。不過考慮到數(shù)據(jù)量確實非常大，存儲技術(shù)還應(yīng)該能夠標(biāo)記并能在檢索時快速跳轉(zhuǎn)到特定部分，比如直接跳到有人出現(xiàn)，或者某輛車駛離停車場等某幀。

    這種要求催生了視頻分析，計算機(jī)可進(jìn)行分析運(yùn)算，識別目標(biāo)事件并將其標(biāo)記下來，以供人工解釋或進(jìn)行其它操作。

根據(jù)不同應(yīng)用采取不同壓縮方法

二、

    正如前部分提到的那樣，壓縮方案對實現(xiàn)強(qiáng)大視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要。多年來，不同的壓縮方案層出不窮，不過安全監(jiān)控系統(tǒng)一直主要采用MPEG與H.264標(biāo)準(zhǔn)。這些算法會頻繁采用參考影像，后續(xù)影像只存儲相對于參考影像發(fā)生變化的信息，這就有助于將影像尺寸降到最低。

    幀預(yù)測不一定總是最佳解決方案。在幀速率較低時，不同影像間的變化可能較大，這時，這種運(yùn)動估計節(jié)省的帶寬就非常有限。不過，更新的、低成本的新技術(shù)是采用必要而實用技術(shù)（如MPEG-4與H.264編解碼器），以支持電視畫質(zhì)的幀速率。

    實現(xiàn)MPEG算法的壓縮標(biāo)準(zhǔn)在視頻系統(tǒng)中很受歡迎。MPEG實際包含了多個標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2是一種較早期的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于DVD與廣播視頻，而MPEG-4則可針對特定比特率實現(xiàn)更加清晰的畫質(zhì)。H.264則是最新增加的標(biāo)準(zhǔn)，也稱作MPEG-4Part10或高級視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（AVC），該標(biāo)準(zhǔn)具有更高的壓縮性能。

    一般規(guī)律是，標(biāo)準(zhǔn)30FPS模擬攝像機(jī)采用H.264壓縮技術(shù)，比特率是1Mbps。通常MPEG-4所用帶寬要高于50%，而MPEG-2所用帶寬又要比MPEG-4再多出50%。

    要實現(xiàn)這種高質(zhì)量壓縮，運(yùn)行壓縮算法的計算能力就會相應(yīng)提高，這會導(dǎo)致成本提高，乃至延遲時間加長。但是，隨著信號處理器功能變得日益強(qiáng)大，價格不斷降低，這種計算性能提高的負(fù)面影響在今后幾年會有所降低。

    系統(tǒng)集成商或安全管理人員必須確定系統(tǒng)可接受的最低視頻質(zhì)量，這決定了視頻的影像解析度與幀速率，配合所用的編解碼器，也就決定了視頻所需的數(shù)據(jù)傳輸速率、計算量以及存儲空間大小。目前，MPEG-2算法用于原有系統(tǒng)中，而新系統(tǒng)則不采用這種算法。MPEG-4是一種處于中間水平的壓縮算法，常用于低端系統(tǒng)。

視頻分析技術(shù)減輕存儲空間負(fù)擔(dān)

三、    

    一些因素推動壓縮算法從MPEG-4向H.264轉(zhuǎn)變。自MPEG-4被開發(fā)出以來，工程師不斷改進(jìn)壓縮技術(shù)，很多是在H.264上的創(chuàng)新，這種新算法不是只使用一個參考幀，而是采用多個參考幀，而且支持尺寸可變的預(yù)測塊。

    根據(jù)具體實施的特性與選項的不同，壓縮效率會有很大差異。不過總體說來，開銷與延遲之間可以進(jìn)行一定的折中。因此，采用H.264壓縮算法時，人們可以從一些預(yù)定義的特性集中選擇（也稱作配置文件），其中的H.264高規(guī)范可以支持低延遲多解析度視頻的數(shù)據(jù)流，而這正是視頻監(jiān)控應(yīng)用的重要要求。此外，在視頻質(zhì)量與比特率之間折中平衡時，有許多可調(diào)節(jié)的"旋鈕（knob）"，必須作出適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

    如前所述，延遲問題非常重要。目前，如果從事件發(fā)生到事件在屏幕上顯示出來有100毫秒延遲通常還可以接受。我們最好把延遲作為系統(tǒng)級問題來解決。由于延遲非常重要，因此系統(tǒng)應(yīng)將原始視頻直接提交預(yù)覽顯示，而不應(yīng)先傳輸?shù)戒浿?存儲系統(tǒng)，然后再顯示。當(dāng)然，不同的壓縮算法會在原始數(shù)據(jù)與存儲影像之間造成不同程度的延遲，我們建議關(guān)注延遲問題的系統(tǒng)開發(fā)人員認(rèn)真考慮采用H.264壓縮算法。

    人們還會關(guān)注視頻數(shù)據(jù)的傳輸問題，即有沒有足夠的帶寬實時傳輸所有影像數(shù)據(jù)。在采用內(nèi)置硬盤的模擬攝像機(jī)與DVR的混合系統(tǒng)中，DVR必須具備足夠高的帶寬以處理所有視頻輸入。即便是完全采用IP攝像機(jī)輸出的數(shù)字信號，也會出現(xiàn)同樣的問題。編解碼器與比特率的選擇會對網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備是否適用產(chǎn)生影響。

    在安全監(jiān)控應(yīng)用中，我們必須避免網(wǎng)絡(luò)過載，因此輕載（over-provisioning）是最好的解決方法。100Mbps以太網(wǎng)通�？梢苑浅？煽康刂С�8個1Mbps攝像機(jī)，而10Mbps以太網(wǎng)則難以勝任。當(dāng)然，最終決定要取決于采用什么樣的交換機(jī)與集線器。存儲技術(shù)也肯定會對安全應(yīng)用造成影響。不過，我們不見得一定要一直傳輸所有數(shù)據(jù)，可以僅在發(fā)生特定情況的時候傳輸數(shù)據(jù)。新型智能攝像機(jī)與DVR采用智能視頻分析技術(shù)，能根據(jù)用戶編入的事件對影像進(jìn)行檢查，檢測是否發(fā)生了感興趣的事件，比方說有人出現(xiàn)、有人離開等。常見的視頻分析范例包括：潛在的可疑活動檢測，比方說是否有人在敏感區(qū)域徘徊；監(jiān)控交通狀況；機(jī)場安全監(jiān)控；以及檢測是否有遺留下來無人看管的物品等。利用分析技術(shù)，我們可以僅在發(fā)生特別事件的情況下才傳輸或存儲視頻，這就降低了整體網(wǎng)絡(luò)和存儲需求。

    智能視頻分析功能正日益成為安全應(yīng)用的必備特性，因為它有助于操作人員更高效地開展工作。例如，如果我們通過人工盯著多部攝像機(jī)畫面來監(jiān)控活動目標(biāo)的話，就會消耗大量時間和人力，甚至可能發(fā)生誤報或者漏報。在沒有智能化支持的情況下，視頻監(jiān)控只是一種被動的工具。智能視頻分析技術(shù)能幫助我們縮短檢測到非正常情況并發(fā)出警報的時間，避免反應(yīng)過慢，貽誤戰(zhàn)機(jī)。

設(shè)計出優(yōu)化視頻智能的系統(tǒng)

四、

    DSP能支持更高的幀速率，相應(yīng)提高視頻畫質(zhì)，改善壓縮，確�？山邮艿膸�寬占用，并支持視頻分析功能，從而引領(lǐng)趨勢發(fā)展。TI等供應(yīng)商提供的高性能處理器通常能支持7200MIPS的高性能，而時鐘頻率在1GHz以下，有助于快速執(zhí)行復(fù)雜算法與操作。

    上述處理器與高級軟件相結(jié)合，將監(jiān)控攝像機(jī)與DVR技術(shù)提升到一個新的層次，實現(xiàn)了智能視頻分析功能。借助ObjectVideoOnBoard等專用軟件，制造商已能夠開發(fā)出新型監(jiān)控產(chǎn)品，以執(zhí)行可靠的智能視頻功能，如分析視頻、生成警報，并能根據(jù)用戶定義的規(guī)則生成其它可執(zhí)行的信息。

    這種高級視頻內(nèi)容分析技術(shù)能幫助用戶確定相關(guān)對象，并根據(jù)這些對象的活動做出判斷。例如，判斷他們是否穿過了視頻絆網(wǎng)（videotripwire），闖入特定區(qū)域或只是出現(xiàn)在攝像機(jī)視角范圍之內(nèi)。智能設(shè)備根據(jù)有關(guān)規(guī)則進(jìn)行處理，以便與視頻分析進(jìn)行實時比較。通過選擇只輸出警報情況下的視頻數(shù)據(jù)，還能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬。此外，智能監(jiān)控攝像機(jī)還可用于需要在關(guān)鍵環(huán)境下及時采取防范措施的安全應(yīng)用，這些環(huán)境包括機(jī)場、邊境管制以及商業(yè)財產(chǎn)等。

    比方說，有的攝像機(jī)實現(xiàn)了超過120dB的超寬動態(tài)范圍傳感器，克服了前景與背景照度差異較大的環(huán)境下，因前景光線不足而致使影像質(zhì)量劣化問題。這種攝像機(jī)還采用可選MJPEG和H.264壓縮技術(shù)，以滿足用戶要求，幫助他們以更高的影像質(zhì)量或更低帶寬傳輸視頻數(shù)據(jù)。

    通過充分發(fā)揮DSP技術(shù)優(yōu)勢，攝像機(jī)可執(zhí)行視頻分析功能，減輕了傳輸實時視頻至機(jī)房服務(wù)器（backroomserver）的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。智能攝像機(jī)可運(yùn)行整套分析功能，而成本僅為專用服務(wù)器的一小部分，用戶還能輕松定義攝像機(jī)視角規(guī)則。還有一種應(yīng)用設(shè)計方案，則是采用協(xié)處理器減輕高端視頻分析工作的處理負(fù)載。例如，ARM處理器可用于在影像管道中執(zhí)行簡單的運(yùn)動檢測，但我們可添加DSP協(xié)處理器，這樣中端或高清攝像機(jī)就能獲得足夠高的性能，來滿足高級視頻分析功能的需求了。高性能DSP可執(zhí)行視頻內(nèi)容分析、視頻壓縮與編碼，以進(jìn)行視頻傳輸與存儲，而ARM處理器則負(fù)責(zé)其它任務(wù)與聯(lián)網(wǎng)功能，以及MPEG-4與JPEG編碼等。

    通過在協(xié)處理器設(shè)計中集成HDMPEG-4，我們可以提高攝像機(jī)的靈活性，實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)流功能，支持可拆卸存儲，提高數(shù)字縮放功能，并擴(kuò)大攝像機(jī)視野，此外還能通過集成影像管道帶來成本的節(jié)省。

    很快，安全監(jiān)控應(yīng)用圖像模糊不清、影像抖動的日子就將一去不復(fù)返了，智能設(shè)備將幫助操作人員針對任何可疑活動進(jìn)行更高效的定位、跟蹤、探測與反應(yīng)。