云里“物”里看安防

鄭小龍

摘要：本文立足于回顧數字監控歷史，分析其發展過程中出現的問題，展望其更加廣闊的未來前景。希望通過這樣的分享，能夠使業界人士對于以數字監控為主導的安防系統的發展方向有所把握。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/146815.htm

關鍵詞：安防；數字；通用處理器；視頻編解碼

“云來物往”之前世今生

縱觀數字視頻監控的技術演進階段，如圖1所示，按照時間和特性的推進而上升。我們可以看到不同階段的產品和系統各有其局限和特性，并從低向高不斷演進，最終在云計算和物聯網的應用上實現了大融合。

最早的視頻監控就是閉路電視，可以觀察和跟蹤現場的任何活動，但是直到有錄像設備（VCR）才有真正意義的視頻監控系統。因為采集視頻進行存儲以便追溯才是監控的實質，沒有VCR的電視無異于一套電子鏡子。這種系統可稱為模擬CCTV，曾經存在了相當長的時期，但由于屬于封閉系統，即使可通過視頻矩陣設備支持多通道，但范圍非常有限，因此離網絡化還相去甚遠，更何況成本過于昂貴。所有這些不足使得人們有所期待，對數字技術寄予了更多的期望。

數字監控隨著數字時代的到來已全面展開，然而視頻監控的數字化卻沒有如門禁、消防、遙測等其它安防設備那么迅速，直到硬盤錄像機（DVR）的出現。DVR首先是解決了對模擬攝像機視頻信號的數字化壓縮，并以數據格式存儲在硬盤上。這種數字系統可稱為CCTV+DVR，最初的DVR產品形態為在PC機上插視頻壓縮卡，后來的嵌入式DVR產品為以視頻壓縮處理器和主處理器CPU一體化設備。無論哪種DVR都可支持系統網絡化，并且單臺就可支持多個數字視頻通道，于是系統成本也大大降低。值得一提的是，在數字視頻產品推出之初，圖像質量還是強差人意的MPEGl壓縮格式，分辨率僅為CIF，即VCD式的水平，所以難以取代模擬CCTV。之后也有基于MPEG2的產品可達到D1，即DVD式的水平，但所需要存儲的數據量太大，若進行網絡傳輸則需太大帶寬，所以難以普及。

數字視頻技術的提升為DVR的發展開辟了道路，這就是MPEG4壓縮技術的興起，以及H.264壓縮技術后來居上。而促成這一進程的重要因素就是通用媒體處理器的出現，其中的佼佼者是TI公司的DM系列平臺。由于數字視頻壓縮需要很大的計算量，所以需要采用嵌入式的高速處理器。由于廣電的需要，MPEGl和MPEG2都有專用芯片，只是解碼因需求大相對便宜，而編碼則較為昂貴。之后面向MPEG4開始有一些專用芯片問世，但由于當時的數字視頻編解碼標準還在不斷完善，而對于監控和有些特殊要求，所以高集成度的通用媒體處理器就應運而生。DM642是第一顆集成多個視頻接口的通用DSP，為許多中國企業趕超國際水平鋪平了道路，實現了由MPEG4到H.264技術的飛躍，特別是具有中國自主知識產權的AVS也因之得到發展，從而使中國在高級數字視頻編解碼技術上有了話語權。

TI憑借DM642和隨后推出的達芬奇（Davinci）系列媒體處理器，在數字視頻監控的各個階段扮演了重要角色。隨著互聯網的普及和深入人心，網絡化成了數字監控的趨勢，監控系統需要支持網絡存儲，并且對于網絡能力有了更高的要求，同時每通道成本要處于較低的水平，于是混合IP和CCTV的系統開始成為主流。隨著網絡攝像機技術日趨成熟，并且以SoC單片媒體處理器系統為主力的DM6446和DM36x平臺促進了100%基于IP的網絡攝像機IPNC的廣泛應用，通過軟件密集度的提高，視頻可智能化的實現，通道成本再降低，以及采用網絡以太網低供電等低功耗方式。至此，數字視頻監控系統在結構上由集中式過渡到分布式，這就使得專用的產品形態成為通用的產品形態。如果說，從前監控是獨立的一朵朵“云”，所能采集的場景“物”的信息較為有限。那么通過互聯網絡的監控系統可以連成一大片“云”，而IPNC可以部署到各個角落而使“物”的信息隨時隨地被傳輸出去，這無形中就成為了一個籠罩一起的大網，也就帶來了不少新的課題。

當更多的實時視頻監控信息通過網絡連接，首先出現的就是網絡安全性問題，畢竟監控涉及到私密和隱私：其次就是視頻影響存儲和管理，否則監控信息也不能發揮應有的作用；第三需要提高智能視頻的實用性，否則更多的人為干預不利于提高監控效率。似乎是不經意間，卻也是必然趨向，數字視頻監控向上與云計算的視頻網絡這巨型的“云”走向融合，可謂“頂天”；向下與視頻物聯網終端結合實現“物”的可視化，可謂“立地”。視頻監控在海量云存儲、智能規模化、終端微型化方面、物物可視化、超低功耗化可以越走越遠，從而全面改變數字監控系統的理念，進而改變整個安防產業的格局。

“云遮物繞”之峰回路轉

進入21世紀，當數字化和網絡化成為安防行業主流，數字視頻監控作為其中的龍頭行業帶動著新的潮流。然而隨著眾多從業廠商的參與，市場的競爭也日漸激烈，數字視頻監控也逐漸成為大批量生產的商品。DVR和IPNC產品作為兩種最重要的數字視頻監控終端產品，需求量劇增，而競爭卻激化，特別是對于低端產品已顯現出“紅海”跡象。于是，業界人士驚呼，數字監控已經過早地步入了“微利”時代，其前景難免“云遮霧繞”而堪優。然而，實際情況又是如何呢？不妨著眼于基本的數字安防系統的產品形態組成，如圖2所示，系統地分析眾多形態的安防產品是如何被納入數字安防體系中，而該體系又需要如何演進。

在數字安防系統中核心是視頻管理系統，DVR和IPNC是其中的通用編解碼產品，還有專用的終端編碼器產品。另外還有其它傳感器，實現接入控制、RFID、生物識別、建筑物控制、POS終端數據等。為了應急通信的需要，還有響應端以配合便攜式電腦和手機，或警用PDA。為支持多種視頻采集系統保存，數字存儲單元尤為重要，用以紀錄視頻數據和其它傳感數據或事物數據。

在這樣的系統中有幾個問題值得思索。其一，就是產品的特色化問題。這就需要探討一下技術平臺。上一部分曾經提到通用媒體處理器在數字視頻監控創新中起到了決定性的作用，那么在產品形態趨于成熟和固定的情況下，是否該是專用芯片ASIC稱霸的時候呢？任何事物都有兩個方面，ASIC對降低市場準入門檻功不可沒，但由此帶來的產品同質化問題實在無可奈何。其實，用于視頻監控的ASIC也都是SOC結構，主控集成有通用CPU，而視頻編解碼采用硬件實現，這就限制了其適應性和靈活性。在這方面，TI等公司堅持發展通用媒體處理器平臺。

Davinci作為TI的第一個通用SOC媒體處理器平臺已經從DM6446標清，經過了DM6467高清，再發展到DM8168多通道高清，其中DM64x系列均集成有ARM9和C64+定點DSP核心。DM81x系列是高集成度通用媒體處理器的一個高峰，單片集成有Cortex A8和c674x浮點和定點兼容DSP核心，還有高性能高清視頻接口和PCIe、SATA等高速外圍接口。從DM6467開始，視頻編解碼就通過集成的視頻加速器來實現，這是一個軟核，可以通過軟件升級來不斷優化性能。能夠同時支持并多種視頻格式，如H，264、MPEG4、MPEG2、VCI。對于已開始實施的SVAC視頻壓縮國家標準的支持，也是TI平臺強大兼容性的表現。

再來探討一下數字視頻監控新的增值點。視頻壓縮曾經具有技術含量，但現在卻要讓位于智能視頻分析。智能視頻分析算法很容易在PC機機上實現，不過落實到實用還是需要高性能嵌入式處理器，而這又是非高速DSP莫屬的。智能視頻將所包含的范圍非常廣泛，并且通過與視頻壓縮有機地結合，可以使得數字安防系統更強大、更靈活，同時具有更高的效率。例如，在探討視頻監控分辨率和傳輸帶寬的矛盾時，智能視頻分析可以發揮很大的作用。往往在所監視畫面沒有太大異常時，保持標清的傳輸即可，而一旦有突發事件發生，則需要有高清，甚至于超高清的視頻或影像畫面。智能視頻內容分析就可以對監控影像進行實時評估，并適時地進行自適應處理，并在特別狀況下迅速反應并及時響應，這才能夠實現真正的智能監控應用。其它可以聯想的應用還有許多，像目標的識別和跟蹤，可以通過不同攝像機，跨越不同網絡系統。這就需要各個IPNC都具有智能功能，能夠實時交互，以有線網絡為骨干，無線網絡無縫覆蓋，這在反恐和維穩中都意義重大。

在智能安防系統中，DSP無處不在，不僅有集成在SOC中的核心，還有超低功耗和低成本的DSP，也可以有超高性能的多核的DSP。視頻監控的延伸還有紅外遙測的應用，目前紅外傳感器開發和實用化和降成本上也有國內企業捷足先登，這也為DSP的處理提供了更大的空間。除了視頻應用，DSP對于音頻和語音的監控也大有可為，與視頻應用互動可以盡可能達到萬無一失。DSP與各種傳感器的緊密結合，在很大程度上便成為物聯網末梢最敏感的神經末梢系統，腳踏實地托起安防一片天。

由此可見，數字監控系統方興未艾，數字安防企業應當避開迷霧而樹立“凌云”之志。“風物長宜放眼量”，居高臨下，圍繞物聯網將別有無限的風光。

“云展物華”之柳暗花明

未來的數字監控發展的必由之路一定是“藍海”路線，盡管市場的大海總是要有“潮起潮落”。數字視頻監控融人物聯網價值體系，如圖3所示，將看到在一片“云展云舒”之下，物聯網所涵蓋的萬千世界，無不呈現“天華物寶”之姿。從一個新的角度來看安防，確實是別有洞天，這里看到的不再是單一的產品和設備，而是完備的價值體系。

從應用和服務的領域來看，數字監控可以針對智能電網、工業自動化、醫療電子、智能農業、公共安全、智能交通、智能環境、智能物流和智能建筑等，這都屬于物聯網的應用層。面向這些應用，需要構建一個普適計算（Ubiquitous）的WEB網頁服務平臺，這就要依托于云計算平臺。這屬于物聯網的平臺層，這里具有云計算所需超級計算數據中心，還囊括了與云計算有關的所有要素，其中包括云存儲、中間件平臺、互聯網管理、傳感器協調、標簽分類等。與之相關的是下一代網絡系統（NGN）和下一代IP協議（IPv6）網絡。作為普適計算接入的有機部分，多種接入方法，包括無線寬帶網絡（WLAN/WiMax）、常規有線網絡（LAN/PSTN/Cable）、LTE網絡、G/C網絡、無線數字集群網絡等，這就是物聯網的傳輸層。傳感器網絡所涉及的面是直接與各個目標物體相關的，需要大量的傳感器網關和更多數量的傳感器節點，這都屬于物聯網的傳感層。

數字視頻監控便是其中一個組成部分，攝像機也不過是一個視頻傳感器。安防不可避免地遠離了傳統的純硬件時代，高清化、網絡化、智能化在大集成的大環境下不斷融合各種新技術，項目規劃和建設的規模越來越龐大，一個安防大數據的時代將由此到來。實施大數據技術既需要從大項目著眼，也需要從小項目著手。風風火火的智慧城市項目可謂大，其重要組成部分就是視頻監控應用，其覆蓋范圍極其廣闊而業務異常復雜，系統僅視頻接入數量數以成千上萬計，更有甚者可達幾十萬，力圖包涵城市各個區域的方方面面的事務。這些海量數據的采集更是五花八門，需要分門別類通過智能化處理來完成內容提取和信息整理才能有價值，以便適應警務、治安、公交、運輸等各行各業對最有效業務的需求，協助正確地進行判斷、決策、相應和管理。林林總總的商業小企業和家庭用戶（SOHO）對數字視頻監控的需求量也非常巨大，借助于云服務的手段整合起來的連鎖超市、零售商鋪及各種商務網點將不可勝數。基于互聯網的平臺，實現基于視頻監控數據分析，建立潛在風險預警機制不僅可行而且必要。與智慧城市相比其規模恐怕有過之而無不及，特別是更龐雜海量數據的采集、分析、存儲及檢索的難度非采用普適計算方法不可。當然，真正的大數據時代來臨一定伴隨著以數據共享、數據挖掘、信息公開為標志的新型數據服務業的發展。所以，數字安防的未來在于系統地不斷擴展“云”的云計算和不斷延伸“物”的物聯網的緊密結合和持之以恒的進取。

那么，是不是相關企業都已做好準備了呢？其實，早在數字視頻監控高歌猛進之際，國內的運營商們已經做了不少基礎工作，并積極跟進最新視頻監控產品的技術成果。構建在物聯網的平臺層和傳輸層上的云計算基礎設施已經建成并不斷擴展，越來越多的視頻監控系統的專用網絡將匯入強大的公共網絡，從而納入“視頻云”的體系。因此，對于眾多的安防系統集成商，將在新的體系下更加得心應手地專注于行業細化應用的開發，而不必在網絡構建上消耗更多的精力。在不同的智能視頻應用中，其實需求也是不盡相同的，而以往的視頻監控產品總是希冀以不變應萬變，然而這種模式也到了需要改變的時候了。

對于視頻監控制造廠商，過去憑一種或一類產品“包打天下”的想法和做法也要調整了。再有就是在開發思想上的兩種傾向也要驚醒，其一，不妨歸為“左傾”，就是一切都要自己來；其二，不妨歸為“右傾”，就是只要交鑰匙方案的“拿來主義”。這兩種方式可能適用于過去，但面對未來的市場將面臨困境。“左傾”將無益于集中資源于特色化應用的開發，“右傾”將無法通過特色化產品增值以取得市場主動。“中間路線”是可取的，那就是在芯片廠商的支持下，通過與具有專長設計公司合作，在成熟的器件和堅實的基礎方案之上，有效地縮短產品開發周期，并使之最大程度地適于目標應用。

在當前的高性能通用處理器中，客戶面臨的選擇其實并不多，但由此而對整個研發思想和體系的影響卻不小。如果選擇專用的ASIC，那么將極大地限制了產品的靈活性和拓展性，盡管一些大量消費類平臺也標榜為多個高速CPU核心和高清視頻解碼能力，當對于數字視頻監控多制式編解碼智能化需求相去甚遠。如果選擇最通用的CPU，或干脆采用PC機和服務器，那么開發各種視頻智能軟件不在話下，但實用和功耗上就是個大問題，即便是采用所謂“嵌入式”的通用高性能CPU，其主板的小型化也非易事，從來也沒有成為數字視頻監控的主流。如果選擇硬件可編程的FPGA，固然有了較強的靈活性，但在功耗上并沒有實質性的改善，而且在其產品升級和開發手段上，數字視頻監控的問題并沒有得到過很好解決。如果選擇軟件可編程的DSP，那么無論是選擇空間和發展方向都具有廣闊的天地。

最后談論一下TI一個為業界廣泛接受、可服務于更多物聯網終端設備的DSP平臺，這就是OMAPLl3x和C674x。或許這里有個困惑，編號差異如此大的兩個DSP是什么關系？答案很簡單，二者管腳兼容，屬于同一個架構。

C674x是一個浮點DSP，而OMAPL13x則集成了一個ARM9，這就為客戶提供了更多的選擇性，可用一種設計支持不同產品。其應用具有很大的跨度，如數字對講機、自動驗鈔機、數字新音頻處理、電力保護設備、微型通信基站等等。還在虹膜識別應用中嶄露頭角，如N4為TI第三方Iritech基于單片C6748或OMAPL138虹膜識別模塊，其中前者支持USB和UART接口，而后者支持IP網絡。