成就视频监控的模拟与数字技术_视像通讯_视频监控

成就视频监控的模拟与数字技术

赵娟 2011/07/19

　　视频监控市场正从行业监控(例如政府部门、金融、公安、交通、平安城市、电力、校园、医院等)向多领域延伸，逐渐走向“社会大监控”的方向，这是一个急速膨胀的市场。据市调公司IHS iSuppli公司年初发布的报告显示，2011年中国的视频监控及安防产业将增长10.4%达到72亿美元。此后，中国视频监控及安防产业的营收在2014年将达到95亿美元，相比2009年营收的53亿美元，达到了年复合增长率12.1%。

　　视频监控的产业链主要参与者包括芯片厂商、设备制造商、软件提供商、系统集成商、电信运营商以及终端用户。作为产业链上游的芯片厂商，在监控设备性能起着关键的主导作用。目前，ASIC产品凭借成本、功耗等优势占据了目前监控处理器市场的主流地位，但是考虑到应对媒体格式、算法的改进和升级方面的天生的弊端，在音视频标准不断演进以及算法不断改进的视频监控市场，传统的处理器供应商如TI、ADI、NXP等有着先天的竞争力。比较而言，ADI和NXP的平台芯片选择余地较少，但是完成特定产品应用的开发比较方便，而随着市场的进一步选择，TI众多平台芯片型号使其占据了除ASIC之外的较大市场份额。

　　我们明显的能看到处理器的发展正将向ASIC和SoC的中间地带靠拢，更好地利用两者的优势才能为不同客户提供解决方案。“目前很多公司都在这么做。希望能设计出性价比更高的芯片。”中电器材CEAC高级顾问董伯明指出：“但要调和ASIC和SoC之间的矛盾，是很困难的。对于以成熟、大量生产的产品采用ASIC时必须控制好市场需求和产量。对于经常要更新的产品采用SoC是必然的。”

　　在设计数字视频监控系统时，很明显的技术趋势是高清(1080p分辨率)、视频分析、智能化管理、IP、H.264视频压缩标准、更高的图像信号处理清晰度、器件功能针对应用并配合项目算法功能。
前端模拟：迈向高清的关键角色。

　　一方面使用者需要观看更清晰的图像，另一方面，后端的智能分析平台的也需要更清晰的图像才能进行准确的分析，所以视频监控必然是朝着更高清的方向发展的。但要实现真正的高清监控，必须从视频源的采集、视频信号压缩编码、视频浏览、录像文件的回放等多方面全面支持高清。

　　对于所有接受模拟视频输入、并包含数字视频处理的系统来说，视频解码(模数转换)是视频信号通路的第一个环节。视频解码器的性能决定了后续处理中的信号质量，影响着模拟视频系统向数字视频方案的转变。

　　“目前要实现高清的图像代价是比较高的，因为目前的高清前端绝大部分都是数字的，它们不能很好的兼容旧的模拟监控系统。”Intersil公司视频产品全球营销总裁马大伦指出：“在这个背景下，我们和SONY正在努力构建一个新的视频标准——960H。通过运用更先进的模拟视频技术，向监控市场提供了模拟高清(Effio)相机以及配套的视频解码器，这一新的技术可以轻松的实现700线的高解析度，相比目前通用的模拟前端可以有效提升大约200线左右，通过运用这一技术，DVR厂商可以有效提升视频图像质量以及智能分析平台的效率。”

　　在现有的模拟视频解决方案中，500线的清晰度已经基本上是极限了，“但是通过使用960H解决方案，可以把清晰度提升30%到700线左右，”马大伦表示。通过与SONY的紧密合作，Intersil-Techwell正在创建新的模拟高清标准，相比较与数字高清，其模拟高清可以通过使用原有的模拟监控网络来实现，这样可以减少标清到高清转变的费用和难度。目前该公司是唯一拥有960H视频解码技术的厂商，据悉正在与客户一起向市场推出搭载的960H视频解码器的DVR。已经推出了四路960H解码器TW2960以及和一路960H解码器TW9960。

图:Intersil公司视频产品全球营销总裁马大伦

　　此外，科胜讯、美信、升迈和Nextchip等公司也积极的推出了相关的多通道解码器产品，通过集成高位ADC、滤波器、多种业界标准接口推动了这一转换趋势。

　　前端摄像头的传感器厂商、视频IP厂商与FPGA厂商合作，通过在FPGA中实现的传感器处理设计，包括全ISP，完成自动曝光、自动增益和自动白平衡功能等，能够快速实现高清宽动态范围(WDR)CMOS图像传感器处理解决方案。例如，Altera的Cyclone FPGA搭配Apical的IP实现的MT9M033高清晰WDR CMOS图像传感器；莱迪思半导体公司支持使用LatticeXP2 FPGA的Aptina的高速串行像素接口(HiSPi)，该参考设计实现了任意带有传统CMOS并行总线的图像信号处理器(ISP)与Aptina HiSPi CMOS传感器的连接。

　　“很多厂商的视频监控产品是面向全球市场的，而市场的需求是不一样的。这就需要开发不同传感器的系统，”赛灵思公司亚太区市场及应用总监张宇清指出，“而搭配Spartan-6 FPGA与赛灵思公司的前端ISP(iPipe IP)的优势就在于可针对不同传感器和应用提供针对性的功能，满足差异化要求，提高设计灵活性。目前中国已有很多厂商采用FPGA为前端的ISP来搭配传感器作为方案。”

图：赛灵思公司亚太区市场及应用总监张宇清

　　“横向市场的硬件厂商与纵向市场的应用专家合作模式在技术行业非常普遍。人们只要看看IBM个人电脑和微软视窗就可以此类推。PC硬件和专门软件之间存在着进一步的合作，例如Adobe和Autodesk。”莱迪思半导体公司企业营销副总裁及幕僚长Douglas Hunter指出：“在FPGA行业，FPGA供应商与纵向市场知识产权(IP)供应商之间的合作在有线和无线通信等市场已经非常常见。莱迪思摄像机解决方案就将这个概念扩展到摄相机市场。这种模式极大地有利于客户，因为他们是两全其美的：高度优化的FPGA架构适合他们的市场，最好的IP适用于纵向市场。我们的观点是，这就是持久的合作模式。”

图：莱迪思半导体公司企业营销副总裁及幕僚长Douglas Hunter

　　另一方面，通用媒体处理器的厂商也试图更好的将视频前端集成到处理器中，宣称这样既可以增加集成度，降低成本，同时对于提升系统性能也有可靠的保证。“在TI新的体系结构中，以增强型ISP为核心的前端模块有专门的M3微处理器控制，而高达1GHz的Cortex A8主处理器在必要时则可以分担前端视频的处理能力。”TI公司通用DSP业务发展经理郑小龙表示。

图：TI公司通用DSP业务发展经理郑小龙

　　智能视频分析的发展障碍

　　尽管目前智能视频分析已经应用于特定行业，但其规模相对很小，技术、标准以及实用性等多方面的原因使其发展受限。不过网络化给智能监控带来积极的推动，技术实现上更灵活，既可以在IP前端集成智能，也可以在平台集成智能。芯片厂商们则积极的自行开发或与第三方合作，将智能分析整合进自己的产品中。

　　在摄像头端，DSP设计复杂度高，成本高，ASIC由于之前采用处理器性能比较低，不能充分满足智能的需要；如果把智能算法放到后端(云端)处理，后端运算压力较大，且无法满足实时和一些特殊应用的需求。海思采用高性能ARM cortex-A9内核的IP Cam SoC Hi3516则能充分满足IP Camera高清、前端智能的需求，采用硬件编码，使高性能A9处理器完全解放出来用于做智能算法，并且有许多专业的智能算法第三方设计公司能够提供智能方案。

　　其实很多目前已大量采用的ASIC和SoC芯片都有智能分析应用，只是智能程度有高有低而已。“智能视频分析算法进展太慢的原因当然是难度越来越高，对处理器的要求也是越来越高。”董伯明认为，“将智能分析算法固化进处理器的最大好处就是提高了速度。局限性当然是当有更新更好的智能分析算法时，不得不重新设计，制造一个新的处理器。”

　　“目前制约智能视频应用推广的主要原因在于以往的算法大多在高端PC上实现，而前端嵌入式处理的应用开发不够。”郑小龙表示。

　　车牌识别、异常行为分析、人流车流分析、遗留物体分析等等需要采用高速处理器处理，于是IP摄像机平台所集成的DSP核心的大有用武之地。“当然，将智能分析算法集成到SOC单片处理器有其局限性，即客户只能直接应用而不容易根据实际应用改变和调整算法，”郑小龙表示，“但是由于这样集成的分析算法已经比较成熟，而且都留有不少参数根据应用进行设置，因此仍不失为智能视频分析的入门级解决方案。对于专业智能视频分析系统，则强大的DSP核心将是前端嵌入式处理的重要保证，为此TI专门提供了多达50多种的智能分析基础函数库（VLIB）供客户下载。”

　　Hunter 则认为有两方面的原因阻碍了视频分析技术的发展，“首先，视频分析算法需要高品质的图像，以更有效地展现其结果。图像分辨率和动态范围必须足够高，以确保视频分析算法能精确地实施，不会产生误测。以前(在摄相机中使用FPGA之前)行业无能力以合理的成本提供所需要的图像质量一直是视频分析快速增长的障碍之一。”

　　“另一个原因是，传统上视频分析算法已被设计为运行在个人电脑上，因此已用像C这样的高级语言编写。为了利用增强的图像质量，视频分析算法开发者提供针对和优化FPGA的算法前，会有一个有限的时间滞后和学习过程。”Hunter表示，“成熟的算法已经包括人/对象跟踪、人脸识别、车牌识别、周边入侵检测和物体跟踪，仅举几例。莱迪思目前正与视频分析算法开发者合作，但在这个时候讨论我们的计划还为期过早。”

　　配合专业领域的第三方合作伙伴开发IP核是实现智能视频的快速路径，方便为客户提供交钥匙解决方案。例如赛灵思与美国Eutecus公司合作提供基于Sparta-3A DSP的视频分析解决方案。其中，高性能视频分析IP—多核视频分析引擎(MVE)具有高度优化的架构，可显著提高性能，主要针对高精度的原始高清处理分析应用。

　　此外，郑小龙认为视频改良也是智能视频分析的一项新技术，就是将以前不可视、模糊不清，或者是在振动的画面进行优化以增加视频的可监控性能，可应用于夜视图像增强处理、图像画面稳定系统和交通识别影像增强系统。

　　3D技术，视频监控的奢侈品？

　　在采访中，大多数受访者对3D在视频监控中的应用持保守态度。董伯明就明确表示在自己的客户中“暂时未能在客户中发现有此需求。”

　　“3D技术是没有可能在短时间内运用到模拟监控市场中来，”马大伦认为：“这是因为3D技术是依赖于昂贵的LCD 屏幕以及LCD显示技术，这一技术代价高昂，而且与视频解码技术毫无关联。”

　　“这是一个困难的需求预测。”Hunter认为，“视频监控使用3D会获得一些优点，主要是深度/距离的计算。但是，到目前为止我们已经从视频市场体验了针对距离计算的需求，而不是监控。因此，是否监控市场会考虑深度/距离计算，对重要的推动者仍有待观察。”

　　不过，张宇清则认为在高端视频分析应用中需要3D，“2D视频的主要缺陷在于测量观测到的物体的深度影像和实际尺寸时有非常大的误差。这将限制视频分析的一些应用，比如在繁忙的景象中需要精确地追踪人物。3D在视频监控中的部署可以解决这样的问题，弥补2D视频的不足。在视频分析算法中，低端DSP无法实时处理3D视频。而FPGA则是这类应用中的理想解决方案。”

　　“如果是因为图形显示的需要，那么3D图形加速器就非常重要。在TI新的单片系统体系架构中就集成有3D图形加速协处理器，可以支持立体的图形菜单显示。”郑小龙表示，“当然对于智能视频的3D要求则是不同的需求，例如三维人脸识别就需要双摄像头处理。”

　　目前看起来虽然用户需求还不那么明显，但电子行业技术引领需求已成家常便饭，要实现3D视频监控技术上应该是可行的，或许，就有用户喜欢技术奢侈品。

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