數字監控智能視頻分析三大技術(shù)

在中國的監控市場(chǎng)上，數字硬盤(pán)錄像機(DVR)曾經(jīng)占據著(zhù)視頻監控市場(chǎng)的半壁江山，不過(guò)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )監控的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )攝像機(IPC)和網(wǎng)絡(luò )硬盤(pán)錄像機(NVR)也奮起直追。而這其中，視頻智能分析正在成為數字視頻監控的熱點(diǎn)，而DSP則成為這一技術(shù)的推動(dòng)力。強大的SoC系統同樣是智能分析技術(shù)推動(dòng)力之一。

從技術(shù)的發(fā)展趨勢看，網(wǎng)絡(luò )視頻監控將逐漸成為主流模式;這已經(jīng)是不容置疑的趨勢。而隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )監控的發(fā)展，智能視頻分析則成為IP視頻監控發(fā)展的下一個(gè)重要方向。不過(guò)，對于大多數芯片廠(chǎng)商和系統廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)IP視頻監控逐漸向高清、智能化方向發(fā)展，帶給他們的除了巨大的市場(chǎng)機會(huì )，還有新的挑戰。設計數字視頻監控系統的主要技術(shù)趨勢是需要達到高畫(huà)質(zhì)(1080p分辨率)、視頻分析、智能化管理、IP、H.264視頻壓縮標準、更高的圖像信號處理清晰度、器件功能針對應用并配合項目算法功能。這些新趨勢使開(kāi)發(fā)人員必須要面對低功耗、低成本以及在環(huán)保方面的挑戰。

強大的SoC系統

TI公司的數字信號處理器(DSP)曾經(jīng)有力地推動(dòng)了數字視頻監控技術(shù)的發(fā)展，其中具有里程碑的是TMS320DM642通用數字媒體處理器。TI之后所推出的數字媒體處理單片系統達芬奇(DavinciTM)更是為數字視頻監控提供了強大的平臺。達芬奇的各種系列平臺可以完全覆蓋數字視頻監控的各個(gè)應用方向，其中有以ARM為主控處理器和以DSP為主處理器兩個(gè)主要的發(fā)展方向。其共同的特性就是可以支持多種視頻壓縮格式，包括H.264/MPEG-4等等，所有DSP核心均具有支持VCA的能力。

目前基于DSPSoC的方案在監控市場(chǎng)占主流地位。同時(shí)，一些FPGA廠(chǎng)商希望能在差異化和客戶(hù)定制化方面顯示出自己的優(yōu)勢。通過(guò)針對監控應用將FPGA器件和MPU/DSP結合在一起，設計師能從可編程協(xié)處理器的固有靈活性中得到好處，還可利用FPGA將精力集中在開(kāi)發(fā)算法上，以充分利用MPU/DSP的處理能力。有的廠(chǎng)商就在其多路視頻監控系統硬件平臺中采用了DSP FPGA的方式，用到的是TI的TMS320DM6437，只有1個(gè)數字視頻輸入接口，為了連接8路視頻解碼器，需要在視頻解碼器與DSP的視頻輸入接口之間增加耦合邏輯，而可編程的FPGA可以方便實(shí)現二者之間的耦合邏輯。

為滿(mǎn)足未來(lái)數字視頻監控市場(chǎng)的需求，更大限度的靈活性是必須的，視頻壓縮技術(shù)會(huì )向智能化編解碼發(fā)展，傳統的監控還是要向實(shí)時(shí)智能分析發(fā)展，光學(xué)系統將會(huì )與數字化電子系統更緊密地結合。

DSP處理器提升智能分析處理能力

歷經(jīng)幾代技術(shù)的演進(jìn)，視頻監控系統正朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化(IP)和智能化方向邁進(jìn)。另外，模擬與數字監控系統混合并存也會(huì )是未來(lái)幾年中國安防市場(chǎng)的特點(diǎn)。作為中高端的方案選擇，DSP是目前中國監控市場(chǎng)的主流處理器。ASICSoC是后進(jìn)者，對市場(chǎng)有一定沖擊。此外，FPGA也在試圖進(jìn)入該市場(chǎng)，但目前還沒(méi)有明顯的成功例子。由于現階段還沒(méi)有標準的用于智能分析和處理的算法，基于不同的壓縮格式實(shí)現智能視頻分析處理會(huì )對DSP的MIPS要求有很大不同，所以算法的優(yōu)化非常關(guān)鍵。由于兼具靈活性和高性能，DSP更為擅長(cháng)智能分析處理工作。

針對圖像處理應用的理想DSP處理器必須具備以下幾方面的特點(diǎn)：內核處理能力強;專(zhuān)門(mén)針對圖像處理的指令集;易于大量數據傳輸的低功耗硬件架構;高集成度;豐富的軟件模塊庫;功能強大的開(kāi)發(fā)工具。對于視頻監控系統來(lái)說(shuō)，最適合的控制和處理應該是控制功能和數字信號處理功能合二為一的匯聚處理器。

中國國內早期的視頻監控產(chǎn)品大部分都是采用DSP，在多通道、高分辨率視頻編解碼應用中，DSP用軟件很難達到系統的要求。而FPGA采用硬件加速的方法，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行多通道壓縮。FPGA的優(yōu)勢是可編程，非常適合需要靈活性高、提供差異化的應用設計。目前，采用FPGA芯片的視頻監控產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。

H.264視頻編解碼技術(shù)

在視頻監控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標準。由國際電信聯(lián)盟ITU定義的專(zhuān)用于低比特率視頻電話(huà)的標準，包括H.261/2/3;由國際標準化組織ISO針對消費類(lèi)應用的，對運動(dòng)圖像壓縮定義了MPEG標準，包括MPEG1/2/4;由ITU與ISO根據目標應用合作(聯(lián)合視頻小組JVT)定義了H.264編解碼技術(shù)，有些標準至今仍并存著(zhù)。目前主要在應用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三種，我們通過(guò)以下幾點(diǎn)對這些標準進(jìn)行比較。

實(shí)現成本：包括算法實(shí)現的復雜度和資源占有程度，技術(shù)獲取的難度和代價(jià)，以及其最終體現在產(chǎn)品中的成本高低;

編碼性能：主要體現在同等主、客觀(guān)視覺(jué)質(zhì)量情況下，壓縮后所得到的碼流大小，這對于網(wǎng)絡(luò )傳輸和存儲都非常關(guān)鍵;

網(wǎng)絡(luò )支持：對網(wǎng)絡(luò )支持的好壞主要取決于對網(wǎng)絡(luò )丟包和出錯的容錯能力與支持網(wǎng)絡(luò )的自適應能力;

應用支持范圍：由于視頻監控領(lǐng)域的應用需求千變萬(wàn)化，一個(gè)平臺對不同需求的支持能力也非常重要;

未來(lái)潛力：以發(fā)展的眼光來(lái)看，一個(gè)標準的潛力大小體現在未來(lái)被行業(yè)接受的廣泛程度，在相關(guān)應用上轉化的平滑程度，和對互聯(lián)互通的支持程度等方面。

在視頻監控產(chǎn)品中，編碼器始終是方案的重點(diǎn)，一個(gè)合適的編碼器方案往往能夠決定一個(gè)產(chǎn)品的成敗。H.264編碼方案正在成為市場(chǎng)的主流，其以卓越的編碼性能和良好的網(wǎng)絡(luò )適應性得到了市場(chǎng)的廣泛認同。它不僅可以支持寬廣的應用環(huán)境，還可滿(mǎn)足不同分辨率、不同碼率以及不同傳輸和存儲環(huán)境的需求。

H.264是先進(jìn)的視頻處理技術(shù)，業(yè)內人士公認，在同樣的視頻回放質(zhì)量條件下，H.264比MPEG4約節省近40%的傳輸帶寬或硬盤(pán)存儲空間，這無(wú)疑為遠程監控的推廣應用起到很重要的作用。但H.264的編碼效率是以其遠較MPEG4復雜的運算量為代價(jià)的，其采用最先進(jìn)的禎間預測模式，包括復雜的運動(dòng)估計、1/2和1/4像素預測;遠較MPEG4先進(jìn)的禎內預測模式，包括多達13種禎內預測模式;H.264引進(jìn)全新的環(huán)路濾波(in-loopfiltering)技術(shù)，對視頻回放質(zhì)量的大幅提高貢獻巨大。

但是應用新技術(shù)均需要大量的運算處理，對視頻編解碼處理平臺也提出了新的要求。對軟件形式的視頻編解碼器，如用DSP等通用處理器實(shí)現的編解碼器，因處理能力的限制，只能舍棄很多H.264的最先進(jìn)技術(shù)(如禎內，間編碼預測模式，環(huán)路濾波等)，這樣的結果是其編碼效果回復到MPEG4的水平。更嚴重的是這樣的編碼器輸出的碼流不符合H.264標準，所有通用解碼器均不能與其配套組成開(kāi)放的系統。選用非標準的編碼器，用戶(hù)只能限制選用與其配套的非標準解碼器，從而變成了一個(gè)封閉的系統。