原创 2008技术展望之六：安防系统 下一代安防系统正在从IP化走向智能监控和视频分析

在经历了数字化、IP化后，视频监控系统的下一个趋势是智能化，也即智能监控和视频分析。智能视频监控是以数字化、网络化视频监控为基础的一种更高端视频监控应用。它能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，并能以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而能更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度降低误报和漏报现象。智能技术中的目标自动跟踪技术通过对移动目标的识别并自动控制摄像机来跟踪目标的移动，监视目标的整个移动过程。智能视频监控设备可以带来很多好处，例如，它并不需要对所有内容都录像，而是根据需求进行录像，从而节省存储设备的容量；此外，随着视频监控产品实际投入使用数量大幅攀升，具有智能分析功能的监控设备还能节省大量的人力。但是，实现视频监控的智能分析功能对图像质量、算法的效率、处理器的数字处理能力以及系统成本提出了更高要求。

“实现视频监控的智能分析功能的有三大挑战。”ADI公司DSP和嵌入式处理器产品技术市场经理张铁虎指出：“首先，增加智能分析功能必须不影响原来产品的视频压缩效果和质量；其次，智能监控的算法要实用和高效率；最后，如何用合理的成本设计出高性能的智能监控产品并且大量面世也是厂商面临的一个重要问题。”

ADI公司市场经理张铁虎。

智能监控和视频分析的算法很复杂，包括各种滤波器和变换的实现，而且算法不是标准的算法，因此对处理器的数字信号能力和效率提出了很高要求。“对视频监控系统而言，最合适的控制和处理内核是将控制功能和数字信号处理功能合二为一的汇聚处理器。” 张铁虎表示。

ADI的Blackfin汇聚处理器就是一个典型代表，因为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，而且是功耗很低的工业级处理器。基于ADI BF561处理器的16路H.264 数字硬盘录像机具有移动侦测功能，每个通道可以独立设置，多级灵敏度可调。在视频方面，该方案支持PAL、NTSC制式，支持VGA输出，具有单画面，多画面等多种显示方式。视频压缩采用H.264，每通道速度为25fps。它支持选择一路CIF进行回放，在录像同时可进行资料回放和预览。在网络传输协议方面，支持TCP/IP、UDP/IP、MULTICAST、HTTP(WEB)，并支持通过CDMA/GPRS、ADSL、ISDN、局域网、城域网、广域网通讯。

图2：基于ADI BF561处理器的16路H.264 数字硬盘录像机。

TI、Freescale、恩智浦(NXP)半导体等DSP供应商也推出了针对视频监控的一系列解决方案，比如飞思卡尔的MSC812x多核芯片的主频提升到500M，可以充分满足视频监控芯片所需视频压缩和图像分析要求； NXP的PNX1500增加了许多功能，可提供网络接口、IDE接口、LCD高分辨输出、高清视频输出(1920×1080)，并带有视频滤波、图像缩放、反交错(De-interlacing)处理和2D图形加速器等。

TI最近推出的达芬奇产品线的两款新数字信号处理器-TMS320DM647和TMS320DM648由ObjectVideo 公司的Onboard视频分析软件提供支持，给DSP带来了智能视频能力。因此，基于这些DSP的NVR与DVR等高级摄像头系统可实现视频内容分析功能，允许在整体网络视频监控系统中集成更高的灵活性、可升级性以及智能性。

尽管目前基于DSP的方案在监控市场占主流地位，但FPGA和SOC ASIC也显示它们在该领域的优势。比如，三星电子的新一代数字视频监控系统就采用了Xilinx Spartan-3E FPGA与MicroBlaze软处理器。基于该方案的数字视频录像机(DVR) 数字视频录像机(DVR)可在内建一个MicroBlaze软处理器的Spartan-3E元件中同时处理4个视频通道。

图3：Xilinx的Spartan-3E 1600E MicroBlaze开发板。

“通过针对监控应用将FPGA器件和MPU/DSP结合在一起，设计者不仅能从可编程协处理器的固有灵活性中得到好处，还可以利用FPGA将精力集中在开发算法上，以充分利用MPU/DSP的处理能力。现场可升级和维护特性是基于FPGA设计的固有优势。比如，通过下载软件包，对现有部署系统进行升级可由终端用户完成，而不一定要由视频监控OEM厂商完成。”Xilinx公司主席兼首席执行官 Wim Roelandts表示。 (在文章发表时，Moshe Gavrielov先生接任的Wim Roelandts成为公司Xilinx全球总裁兼首席执行官, Wim Roelandts继续担任公司董事会主席)

Xilinx董事会主席Wim Roelandts。

Wim认为，随着采集到的图像从标准清晰度发展到高清晰度，以及捕获帧速提升到每秒30帧，用于数据压缩传输的处理能力需要相应提高，满足目前和未来市场需求的一个好的解决方案是采用DSP/FPG协处理方案。

以海思半导体为代表的一些厂商则推出了SoC ASIC方案。H.264的3510系列芯片采用了海思H.264硬件编码器和加速引擎 (可使用标准的解码器来播放)、硬件的DES/3DES加密算法等，使得该芯片克服了目前主流DSP的运算能力不足和ASIC芯片系统不够灵活的缺点。

除了算法和处理器能力，高质量的图像是实现智能图像分析处理的另一个关键因素。这要求摄像机不仅具有目前的视频图像监控功能，还必须提供准确可靠的数据信息。但是，现有的视频处理技术只为人的视觉服务来再现场景，远景的许多细节都必需被忠实地再现，包括色彩、分辨率、帧率、敏感度、对比度、曝光准确度、噪声以及锐度等都是确保高质量再现图像的重要属性。然而，计算机视频分析系统对监控图像的需求有很大差异，主要原因是人的视觉仅要求图像的视觉再现，而分析系统更倾向于严格的物理属性再现。超宽动态范围摄像机为智能分析提供高质量的图像。

Pixim公司副总裁Todd E. Rockoff博士表示：“传统的CCD和CMOS摄像机传感器都输出模拟光信号，存在着噪声大和输出时间长等缺点，而该公司的数字像素系统(DPS)技术中的图像传感器和图像处理器全数字，并采用32位ARM CPU精确控制每个像素，且每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换为数字信号。对每个像素的多次采样意味着宽动态范围。” 该公司最近推出的Orca 芯片组Pixim D1400适用于固态宽动态范围(WDR)摄像机，可提供了高达102分贝的动态范围(120分贝为最高)，同时提供极佳的解析度、敏感度及颜色保真度。

当然，面向低端、中端和高端产品具有不同的成本压力，设计工程师可以根据需求选择视频监控设备的处理芯片和其他器件。比如选择摄像头，工业应用就大多以CCD为主，家庭应用则以CMOS为多。但ADI公司的张铁虎表示：“如果要做系列化产品，满足低中高各种用户的应用，应多考虑灵活性和空间的问题，所以具备数字信号处理功能的处理器是首选。”

Pixim公司副总裁Todd E. Rockoff博士也认为不同的市场细分代表不同的要求，并非所有的市场都适合由一种类型的数字处理解决方案来供应。例如，入门级系统一般具有遥控功能，这类系统通常都要求低成本、低功率压缩，因此首选优化的媒体处理器。但具有视频分析功能的高端系统倾向于选择灵活的高性能DSP。

此外，为以合理的成本设计出高性能的智能监控产品，设备厂商最好和芯片厂商和智能算法提供商一起，在系统集成方面无缝合作。一个很好的例子是，TI与智能视频套件开发商ObjectVideo公司近期共同宣布与杭州海康威视数字技术有限公司(Hikvision)携手开发下一代智能视频监控领域的创新技术。ObjectVideo的软件能够全天候自动监控视频，实现视频产品的智能化功能。海康威视将在其新一代创新智能视频产品中采用基于TI DSP平台的ObjectVideo智能分析技术。

作者：张郴莉
《电子系统设计》