化解數字視頻的技術障礙

針對安全監控系統而言，主要任務就是需要一種低成本方式，實現在幾小時、幾天、幾周乃至幾個月的時間里實現視頻影像的傳輸、存儲以及搜索。就此，隨著關鍵技術的不斷發展，安全監控行業正經歷著重大技術提升。

其發展主要表現在：數百萬像素功能的低成本數字攝像頭不斷涌現；低成本高清(HD)監控器的出現，具有壓縮協處理器的新型DSP的推出。IP技術的普及與統一站點網絡融合；以太網供電(PoE)技術推進成本下降，且不用再為每個攝像頭配備電源。以及大容量存儲設備成本下降等。此外，內置計算功能的新一代攝像頭已經上市，可執行視頻分析功能，并承擔一定處理任務，將操作人員從繁重的監控工作中解放出來。

這些重要技術發展趨勢有助于安防人員處理、顯示、評估并存儲大量視頻內容，這些視頻是通過無所不在的監控攝像頭收集而來。

帶寬，延遲以及存儲容量仍然是主要技術難題

安全技術人員很清楚地認識到，監控解決方案的視頻要求與“好萊塢大片”式的視頻完全不同，不是在攝影棚里拍攝的。安全監控攝像頭通常要工作在光照較暗、對比度較低的環境下，而且攝像頭所在位置通常對捕獲目標區域都不是非常理想。

非常幸運，安全監控系統的主要目標是人員、物體或特定區域，因此通常不需要廣播級的影像質量。針對高端應用而言，系統或許需要較高分辨率進行捕獲與讀取某些信息，如在惡劣環境下捕捉并讀取行駛車輛的車牌號。

北美電視標準幀速率為每秒30幀，有源影像分辨率為720×480像素。安全監控系統的分辨率與幀速率可以遠遠低于該標準，因為其根本不需要捕獲所有細節。這樣就可大量獲得存儲與通道密度等優勢。因此，許多模擬安全監控系統的運行幀速率僅為7.5 FPS，影像分辨率則僅為352×288像素(CIF標準)。

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頭影像，而不僅是一個。如果同時降低幀速率與分辨率，正常情況下，一個攝像頭影像所占帶寬就可支持16個攝像頭的影像。當然，節省帶寬也是有代價的，即影像質量下降。在幀速率為7.5 FPS時，畫面可能會不流暢，在影像分辨率為352X 288像素時，細節可能比較模糊，不過操作人員通常仍可分辨出場景內容。在傳統系統中，通常要通過降低幀速率或分辨率或同時調低這兩個參數，來實現降低成本的目的。

新型攝像頭技術改進了壓縮方法，并采用更低成本存儲設備，這樣系統就可支持更高的幀速率與分辨率，通?？蛇_720×480全像素分辨率與30 FPS幀速率。若有需要，新型系統也可通過編程采用較低的幀速率或分辨率降低成本。

安全監控系統的另一關鍵要求就是低延遲，延遲涉及兩方面內容，一是視頻顯示在顯示器上所需時間，二是攝像頭平移與縮放某一可疑事件的速度。實時視頻監控有時會因延遲較長而受影響，導致操縱桿控制與攝像頭的移動不同步。之前，模擬電視系統的發射延遲總是要比IP視頻系統好。要想降低數字視頻延遲，就應解決以太網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，確保良好網絡基礎局端，并采用高級編解碼器與視頻壓縮技術，即可解決上述問題。

視頻存儲也是一個挑戰，因為大多數安全監控系統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容調出來檢索。系統應將高效壓縮算法與低成本大容量存儲設備結合起來，這樣才能滿足必需的數據存儲量，不過考慮到數據量確實非常大，存儲技術還應該能夠標記并快速跳轉到特定部分，比如直接跳到有人出現，或者某輛車駛離停車場等某幀。

這種要求就催生了視頻分析，計算機可進行分析運算，識別目標事件并將其標記下來，以供人工解釋或其進行其它操作。

根據不同應用采取不同壓縮方法

正如前部分提到的那樣，壓縮方案對實現強大視頻安全監控系統至關重要。多年來，不同的壓縮方案層出不窮，不過安全監控系統一直主要采用MPEG與H.264標準。這些算法會頻繁采用參考影像，后續影像只存儲相對于參考影像發生變化的信息，這就有助于將影像尺寸降到最低。

幀預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，這種運動估計節省的帶寬就非常有限。不過，更新的成本新技術進步是采用必要而實用技術(如MPEG-4與H.264編解碼器)，以支持電視畫質的幀速率。

實現MPEG算法的壓縮標準在視頻系統中很受歡迎。請注意，MPEG實際包含了多個標準。MPEG-2是一種較早期的標準，主要用于DVD與廣播視頻，而MPEG-4則可針對特定比特率實現更加清晰的畫質。H.264則是最新增加的標準，也稱作MPEG-4 Part 10或高級視頻編碼標準(AVC)，該標準具有更高的壓縮性能。

一般規律是，標準30 FPS模擬攝像頭采用H.264壓縮技術，比特率是1Mbps。通常MPEG-4所用帶寬高于50％，而MPEG-2所用帶寬又要比MPEG-4多出50％。

要實現這種高質量壓縮，運行壓縮算法的計算能力就會相應提高，這會導致成本提高，乃至延遲時間加長。但是，隨著信號處理器功能變得日益強大，價格不斷降低，這種計算性能提高的負面影響在今后幾年會有所降低。

系統集成商或安全管理人員必須確定系統可接受的最低視頻質量，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據傳輸速率、計算量以及存儲空間大小。目前，MPEG-2算法用于原有系統中，而新系統則不采用這種算法。MPEG-4是一種處于中間水平的壓縮算法，常用于低端系統。H.264則是新系統常見的壓縮算法選擇。視頻分析技術有助于簡化網絡，減輕存儲空間負擔

一些因素推動壓縮算法從MPEG-4向H.264轉變。自MPEG-4被開發出以來，工程師不斷改進壓縮技術，很多是在H.264上的創新，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測塊。

根據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，計算開銷與延遲間可以進行一定的折中。因此，采用H.264壓縮算法時，人們可以從一些預定義的特性集中選擇(也稱作配置文件)，其中的H.264高規范可以支持低延遲多解析度視頻的數據流，而這正是視頻監控應用的重要要求。此外，在視頻質量與比特率之間折中平衡時，有許多可調節的“旋鈕(knob)”，必須作出適當的設置。

如前所述，延遲問題非常重要。目前，如果從事件發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級問題來解決。由于延遲非常重要，因此系統應將原始視頻直接提交預覽顯示，而不應先傳輸到錄制/存儲系統。然后再顯示。當然，不同的壓縮算法會在原始數據與存儲影像之間造成不同程度的延遲，我們建議關注延遲問題的系統開發人員認真考慮采用H.264壓縮算法。

人們還會關注視頻數據的傳輸問題，即有沒有足夠的帶寬實時傳輸所有影像數據。在采用內置硬盤的模擬攝像頭與DVR的混合系統中，DVR必須具備足夠高的帶寬以處理所有視頻饋送。即便就完全采用IP攝像頭輸出的數字饋送，也會出現同樣的問題。編解碼器與比特率的選擇也會對網絡和存儲設備是否適用產生影響。

在安全監控應用中，我們必須避免網絡過載，因此輕載(over-provisioning)是最好的解決方法。100Mbps以太網通?？梢苑浅？煽康刂С?個1Mbps攝像頭，而10Mbps以太網則難以勝任。當然，最終決定要取決于采用什么樣的交換機與集線器。存儲技術也肯定會對安全應用造成影響。不過，我們不見得一定要一直傳輸所有數據，可以僅在發生特定情況的時候傳輸數據。新型智能攝像頭與DVR采用智能視頻分析技術，能根據用戶編入的事件對影像進行檢查，檢測是否發生了感興趣的事件，比方說有人出現、有人離開等。常見的視頻分析范例包括：檢測潛在的可疑活動，比方說是否有人在敏感區域徘徊，監控交通狀況。機場安全監控；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，我們可僅在發生特別事件的情況下才傳輸或存儲視頻，這就降低了整體網絡和存儲需求。

分析功能正日益成為安全應用的必備特性，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頭畫面來監控活動目標的話，就會消耗大量時間，甚至可能發生誤報或者漏報。在沒有智能化支持的情況下，視頻監控只是一種被動的工具。分析技術能幫助我們縮短檢測到安全機制遭破壞并發出警報的時間，避免反應過慢，貽誤戰機。

設計出優化視頻智能的系統

DSP能支持更高的幀速率，相應提高視頻畫質，改善壓縮，確?？山邮艿膸捳加茫⒅С忠曨l分析功能，從而引領趨勢發展。TI等供應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，有助于快速執行復雜算法與操作。

上述處理器與高級軟件相結合。將監控攝像頭與DVR技術提升到一個新的層次，實現了智能視頻分析功能。借助ObjectVideoOnBoard等專用軟件，制造商已能夠開發出新型監控產品，以執行可靠的智能視頻功能，如分析視頻、生成警報，并能根據用戶定義的規則生成其它可執行的信息。

這種高級視頻內容分析技術能幫助用戶確定相關對象，并根據這些對象的活動作出判斷。例如，判斷他們是否穿過了視頻絆網(video tripwire)，闖入特定區域或只是出現在攝像頭視角范圍之內。智能設備根據有關規則進行處理，以便與視頻分析進行實時比較。通過選擇只輸出警報情況下的視頻數據，還能優化網絡帶寬。此外，智能監控攝像頭還可用于需要在關鍵環境下及時采取防范措施的安全應用，這些環境包括機場、邊境管制以及商業財產等。

比方說，有的攝像頭實現了超過120 dB的超寬動態范圍傳感器，克服了光線不足環境下的影像退色問題。這種攝像頭還采用可選MJPEG和H.264壓縮技術，以滿足用戶要求，幫助他們以更高的影像質量或更低帶寬傳輸視頻數據。

通過充分發揮DSP技術優勢，攝像頭可執行視頻分析功能，減輕了傳輸實時視頻至機房服務器(backroom server)的網絡負載。智能攝像頭可運行整套分析功能，而成本僅為專用服務器的一小部分，用戶還能輕松定義攝像頭視角規則。還有一種應用設計方案，則是采用協處理器，通過子卡來減輕高端視頻分析工作的處理負載。例如，ARM處理器可用于在影像管道中執行簡單的運動檢測，但我們可添加DSP協處理器，這樣中端或高清攝像頭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可執行視頻內容分析、視頻壓縮與編碼，以進行視頻傳輸與存儲，而ARM處理器則負責其它任務與聯網功能，以及MPEG一4與JPEG編碼等。

通過在協處理器設計中集成HD MPEG-4，我們可以提高攝像頭的靈活性，實現雙數據流功能，支持可拆卸存儲，提高數字縮放功能，并擴大攝像頭視野，此外更不要說還能通過集成影像管道所帶來的成本節省優勢了。

很快，安全監控應用只能將就使用模糊不清的抖動影像的日子就會一去不復返了。智能設備將幫助操作人員針對任何可疑活動進行更高效的定位、跟蹤、探測與反應。