靈活的視頻監控/安全系統實(shí)現方案

視頻監控和安全行業(yè)正在經(jīng)歷著(zhù)一場(chǎng)巨大的變革，正在從傳統的模擬閉路電視攝像機向基于邏輯的數字攝像機的方向發(fā)展。更高的視頻分辨率、圖像信號處理、先進(jìn)的視頻分析、多攝像系統和數字視頻壓縮的發(fā)展趨勢推動(dòng)了這一轉變。其結果是，在視頻監控攝像機和數字視頻錄像機(DVR)設計中出現了新的挑戰，包括增加使用CMOS傳感器、網(wǎng)絡(luò )IP攝像技術(shù)、增加系統的集成功能、更小尺寸的外形因子、采用先進(jìn)的編解碼器以及增加DSP功能。

由于視頻監控/安全市場(chǎng)的多樣性和競爭性，制造商往往很難在他們自己的產(chǎn)品中添加差異化的功能，使其產(chǎn)品有別于競爭對手的產(chǎn)品。因此，相似的攝像機和DVR產(chǎn)品非常普遍。然而，上面提到的趨勢為視頻安全/監控原始產(chǎn)品制造商創(chuàng )造了新的機會(huì )，可以實(shí)現產(chǎn)品的差異化。

滿(mǎn)足這些應用的要求需要額外的處理能力。目前的數碼攝像機利用DSP芯片、專(zhuān)門(mén)的ASSP或ASIC來(lái)提供處理功能，但這些方案存在一些挑戰。采用DSP芯片經(jīng)常會(huì )出現性能瓶頸，因為這些芯片通常用串行方式處理圖像信號處理任務(wù)。ASSP可能提供更多的性能，但往往是以設計的靈活性為代價(jià)。ASIC有更多的性能優(yōu)化，但產(chǎn)量不夠大，無(wú)法驗證ASIC開(kāi)發(fā)所需的費用和時(shí)間。設計人員需要一種靈活的方法，針對不同的細分市場(chǎng)提供從低端攝像機/DVR到高端應用所需的計算能力。

實(shí)現方案的選擇

視頻監控系統可分為兩大類(lèi)：攝像系統和DVR系統。攝像系統可整合單個(gè)攝像機或多個(gè)攝像機。有些系統則整合了DVR與單個(gè)攝像機或多個(gè)攝像機。

圖1：多攝像機的DVR視頻監控系統框圖。

圖1是一種通用的多攝像機的DVR視頻監控系統。視頻源來(lái)自CMOS視頻傳感器、CCD視頻傳感器或模擬視頻源。專(zhuān)有的視頻接口將輸入視頻流轉換成普通的格式，然后對不同的視頻流(以及音頻)進(jìn)行多路復用,在圖像信號處理單元進(jìn)行預處理。視頻預處理的目的是降低噪聲和消除像素缺陷。

視頻分析技術(shù)應用于檢測在預定義畫(huà)面中的運動(dòng)。這個(gè)運動(dòng)檢測輸出可減少所需的存儲容量。在一些視頻監控應用中，視頻分析是必需的，如人/車(chē)統計、汽車(chē)的車(chē)牌號碼識別和/或人臉識別。

一個(gè)典型的具有多個(gè)攝像機視頻源的視頻監控系統總是會(huì )生成大量的數據，因此減少所需的存儲容量非常重要。MPEG-4、H.264、和MJPEG被用來(lái)減少所需的存儲容量。H.264是一種針對視頻監控應用的流行壓縮算法，因為它能以相當低的比特率(只有MPEG-2或MPEG-4第2部分一半或更低的比特率 )提供良好的視頻質(zhì)量的功能。

經(jīng)過(guò)壓縮后的數據通過(guò)硬盤(pán)驅動(dòng)器接口存儲至視頻存儲服務(wù)器，或通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。視頻數據傳送到顯示器之前通常是取自硬盤(pán)驅動(dòng)器，并經(jīng)過(guò)了解碼以及一些圖像后處理，如縮放、色彩空間轉換或覆蓋應用。通常情況下，存儲器接口(如DDR2)是用來(lái)存儲視頻幀。此外，某些系統要求視頻內容的實(shí)時(shí)加密以確保安全和源/用戶(hù)身份驗證。最后，需要用處理器控制和協(xié)調/排定各種不同的任務(wù)。

圖2：根據吞吐量、靈活性、批量和形狀因子要求進(jìn)行選擇的步驟。

圖2說(shuō)明了系統的要求，如吞吐量、靈活性、預計批量和形狀因子是如何推動(dòng)不同的實(shí)現技術(shù)和器件的。對于低數據吞吐量的要求，DSP處理器是最節省成本的器件。然而，產(chǎn)品壽命期間的預計批量以及硬件的靈活性會(huì )大大響設計者在A(yíng)SIC/ASSP和FPGA器件之間作出選擇。如果是硬件靈活性低的系統要求和預計有大的批量，設計者則青睞于A(yíng)SIC/ASSP解決方案；而對于硬件靈活性高的系統要求和較小的預期批量，設計者青睞FPGA解決方案。常見(jiàn)的小型視頻監控攝像機有小尺寸的要求，設計者青睞采用非易失性FPGA ，因為它們不需要額外的外部非易失性配置存儲器件。

系統集成組合了不同器件的優(yōu)勢：DSP處理器有時(shí)集成了ASSP IP模塊，ASSP/ASIC有時(shí)集成了處理器，FPGA有時(shí)集成了硬處理器和硬IP核。

對于視頻監控系統(圖1)，由于這些任務(wù)的時(shí)序性質(zhì)，用DSP處理器可以有效實(shí)施視頻分析功能和處理器塊。然而在有些情況下，FPGA的加速功能有助于進(jìn)行一些視頻分析功能，如運動(dòng)檢測、面部識別等。

如圖1所示的H.264編碼器是一個(gè)要求高吞吐量、硬件靈活性低、大且復雜的功能塊，通常是用ASSP或ASIC來(lái)實(shí)現，以獲得小尺寸的解決方案。