高清網(wǎng)絡(luò )攝像機及其智能化的方案設計

　　眾所周知，拾取所監控的光電圖像要靠攝像機，而模擬攝像機只能傳輸單向的視頻信號，其性能受制于DVR和操作員的水平。但網(wǎng)絡(luò )攝像機能夠傳輸全雙工的數字化信息，并能夠與系統內的其它設備有效集成，使它們能夠在一個(gè)分布式、可擴展的環(huán)境下達到更高的性能水平。網(wǎng)絡(luò )攝像機可以與多個(gè)應用系統并行通信，以實(shí)現各種不同的功能，例如偵測畫(huà)面中的運動(dòng)情況，或發(fā)送不同格式的視頻流等。帶有IP地址的攝像機更加方便組網(wǎng)，因為它不需要進(jìn)行額外的模/數轉換，也不需要在攝像機端安裝發(fā)送設備，所以攝像機的尺寸將會(huì )越來(lái)越小，而這也更便于隱蔽，是安防監控系統所需要的。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機將傳統攝像機和電腦的功能整合到了一起，它不僅將視頻信號數字化并壓縮，還擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口。其視頻通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳輸，并記錄在裝有視頻管理軟件的標準PC上。用網(wǎng)絡(luò )攝像機組成的網(wǎng)絡(luò )視頻系統是一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò )視頻系統，同樣也是一個(gè)完全數字化的系統，因為沒(méi)有使用任何的模擬設備。所監控場(chǎng)景的視頻信號，從網(wǎng)絡(luò )攝像機持續不斷地通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，無(wú)論瀏覽者所處何處，攝像機都能給瀏覽者提供穩定的圖像質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡(luò )攝像機最適于應用在平安城市的網(wǎng)絡(luò )安防監控系統中，而要建設成智能網(wǎng)絡(luò )安防監控系統，首當其沖的應使網(wǎng)絡(luò )攝像機智能化。這樣，所監控的視頻圖像，經(jīng)過(guò)前端智能網(wǎng)絡(luò )攝像機的分析識別后，可只將有異常的圖像傳輸到后端去記錄與顯示，因而可大大減輕網(wǎng)絡(luò )的負擔。但如將智能軟件算法全部加入前端網(wǎng)絡(luò )攝像機中，由于其本身的CPU資源有限，往往需要提高前端設備的配置或者使用專(zhuān)用的視頻分析儀器共同作用，這樣會(huì )使設備的體積與成本大大增加，因而也不是用戶(hù)所需要的。

　　由此，如何充分利用網(wǎng)絡(luò )攝像機的富余CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識別的軟件算法到網(wǎng)絡(luò )攝像機中，是國內外安防學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。本文介紹一種新的單路高清IP網(wǎng)絡(luò )攝像機的功能模塊方案、并在此基礎上嵌入智能功能組成智能網(wǎng)絡(luò )攝像機，文中還介紹了其組成方案、設計原則與要點(diǎn)等。

　　高清IP網(wǎng)絡(luò )攝像機的功能模塊解決方案與普通的攝像機相比，網(wǎng)絡(luò )攝像機的內部主要是增加數字化處理與數字視頻壓縮以及網(wǎng)絡(luò )接入功能，即將數字化的視頻信號轉換成符合網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)的數據流，以便送到網(wǎng)上傳輸。因此，一臺網(wǎng)絡(luò )攝像機可以被看作是一臺攝像機和一臺電腦的結合體。它能夠捕獲影像并直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，從而使授權用戶(hù)能夠通過(guò)標準的基于IP的網(wǎng)絡(luò )基礎構架，在本地或者遠程地點(diǎn)實(shí)現觀(guān)看、存儲和管理視頻數據，或者監聽(tīng)該攝像機內置麥克風(fēng)采集的現場(chǎng)聲音。

　　由于網(wǎng)絡(luò )攝像機上還有通信(COM)接口，使網(wǎng)絡(luò )攝像機具有控制數據的捕獲及轉換功能。因為通過(guò)COM接口可與外接的解碼器相連接。因此，網(wǎng)絡(luò )上任一授權用戶(hù)的PC機，就可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸經(jīng)由攝像機COM口，對其外接的解碼器發(fā)送指令，使攝像機云臺與鏡頭根據需要動(dòng)作。同時(shí)，該COM接口也可以從前端接受數據，并傳輸到網(wǎng)絡(luò )上的任一臺PC機上。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機上還有報警(ALARMI/O)接口。這種報警信號接入端子可以接收由各類(lèi)報警傳感器傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量信號，并對其進(jìn)行編碼，而后送入TCP/IP網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)應用軟件對該報警信號進(jìn)行各種聯(lián)動(dòng)響應設置(如發(fā)出聲、光報警與進(jìn)行報警錄像等)。

　　由于每臺網(wǎng)絡(luò )攝像機都擁有自己獨立的IP地址，能夠直接連接到網(wǎng)絡(luò )，并內置Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、FTP客戶(hù)端、Email客戶(hù)端、報警管理、可編程能力以及其它眾多的功能。網(wǎng)絡(luò )攝像機無(wú)需與PC機連接，也可以獨立運行，并可安置在任何一個(gè)具備IP網(wǎng)絡(luò )接口的地點(diǎn)。除了視頻信息之外，網(wǎng)絡(luò )攝像機還能夠通過(guò)同一網(wǎng)絡(luò )連接去實(shí)現更多其它的功能，并傳輸其它一些有用信息，如視頻移動(dòng)偵測、音頻、數字化輸入和輸出(可用于實(shí)現報警聯(lián)動(dòng)，如觸發(fā)警報或激活現場(chǎng)照明等)、用于傳輸串行數據或進(jìn)行PTZ設備驅動(dòng)的串行端口等。網(wǎng)絡(luò )攝像機中的圖像緩存，還可以保存并發(fā)送報警發(fā)生前后的視頻圖像。

　　因此，IP網(wǎng)絡(luò )攝像機可將獲取的視頻源在本地進(jìn)行預處理、壓縮，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠端傳送與存儲。其重要組成部分包含視頻預處理、視頻壓縮以及IP網(wǎng)絡(luò )視頻(Video-OverIP)功能。目前，IP攝像機的輸入數據格式是：1路D1/25幀/s+1路CIF/25幀/s，這樣通?？捎?片CycloneⅡEP2C35和1片低成本處理器來(lái)實(shí)現。

　　由于目前IP攝像機的分辨率正在由標清D1逐步進(jìn)化到高清(1280×1024)，并且必須進(jìn)行本地實(shí)時(shí)壓縮，因而只能采用硬壓縮方式。如果采用多片DSP處理器，則將使系統成本、集成度和功耗增加，而讓用戶(hù)無(wú)法接受;如果采用單片低成本的FPGA器件，則性能又無(wú)法滿(mǎn)足設計要求，但若采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件，則可達到要求。因為這種器件是具有相對應的結構化ASICHardCopy系列器件，它還可進(jìn)一步將成本降低到1/10，并降低50%的功耗。

　　通過(guò)前述的采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件的單路高清IP網(wǎng)絡(luò )攝像機的功能模塊方案，加上嵌入的智能軟件算法模塊即可組成智能網(wǎng)絡(luò )攝像機。顯然，一臺智能網(wǎng)絡(luò )攝像機，即由攝像鏡頭、CCD或CMOS成像器件、A/D與預處理部分、智能軟件算法模塊、編碼壓縮模塊部分與網(wǎng)絡(luò )接口模塊等六部分組成。

　　由圖2可知，攝像鏡頭收集所監控場(chǎng)景的光學(xué)圖像，并將它們聚焦成像到CCD或CMOS成像器件的感光面上，其轉換輸出的視頻電信號經(jīng)A/D變換與去除噪聲、圖像增強等預處理后，再送入嵌入智能軟件算法的模塊中。智能軟件算法是智能網(wǎng)絡(luò )攝像機最重要的部分，其算法的優(yōu)劣、異常信號分析識別的準確與否是該攝像機能否實(shí)用的關(guān)鍵。當智能網(wǎng)絡(luò )攝像機開(kāi)始進(jìn)入監控狀態(tài)時(shí)，會(huì )把所監控場(chǎng)景的圖像經(jīng)編碼壓縮通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到監控中心，然后就只將有識別異常的信號，才經(jīng)編碼壓縮，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口送到網(wǎng)絡(luò )中傳輸，這樣就可大大節省網(wǎng)絡(luò )帶寬的資源。

　　由于通過(guò)視頻壓縮后傳輸，會(huì )失去一部分真實(shí)信息并產(chǎn)生一些噪音信號，這時(shí)用智能軟件對壓縮后的視頻進(jìn)行分析與識別處理，相對會(huì )有更多的漏報警和誤報警。而本方案的智能網(wǎng)絡(luò )攝像機是對沒(méi)有壓縮的原始圖像進(jìn)行目標提取，就顯然沒(méi)有上述問(wèn)題。并且，它只有在出現異常需預/報警的情況下，才需要把相關(guān)的視頻發(fā)送到后端進(jìn)行監視和記錄，而一般情況下只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送很少的目標數據信息，這些目標數據信息的流量還不到視頻流量的1/50，從而減少了對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求和消耗，減少了用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò )方面的投資，而同時(shí)對網(wǎng)絡(luò )條件不是很好的用戶(hù)也帶來(lái)了使用智能視頻網(wǎng)絡(luò )監控系統的可能。

　　因此，實(shí)現智能網(wǎng)絡(luò )攝像機方案的重點(diǎn)是，選擇與設計好的智能軟件算法，然后將其嵌入DSP或與FPGA中，以形成智能軟件模塊部分。

　　智能網(wǎng)絡(luò )攝像機方案的設計原則及要點(diǎn)

　　實(shí)現智能網(wǎng)絡(luò )攝像機方案的設計原則及要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

　　模塊化設計

　　這里所說(shuō)的模塊化設計，主要是使智能化功能模塊化。個(gè)人認為，上節所述的可嵌入智能網(wǎng)絡(luò )攝像機中的8個(gè)智能化功能，除前3個(gè)最基本的功能每個(gè)攝像機都需要而組成一個(gè)模塊外，其余可單獨組成。這樣比較靈活方便，可以根據實(shí)際監控地點(diǎn)的需要而選取不同的模塊裝入，從而可減少資金投入，工程商也愿意接受。因此，進(jìn)行模塊化設計不僅可以給生產(chǎn)廠(chǎng)家帶來(lái)方便，也非常適合實(shí)際中的需要。

　　可靠性設計

　　任何產(chǎn)品均需進(jìn)行可靠性設計，即要求系統所設計的結構合理、產(chǎn)品經(jīng)久耐用、系統運行穩定可靠。這樣，必須進(jìn)行EMC設計，要可抗EMI、防雷電及各種干擾等，以便能適應各種惡劣氣候環(huán)境而不出現故障。

　　人性化操作設計

　　所謂人性化操作設計，即非常適合于人的簡(jiǎn)單方便的操作使用。如盡量采用

　　按鍵式操作，要有明確的指示燈和喇叭提示，在它安裝得隱蔽與高的情況下，還可使用遙控器，將日常操作集中在遙控器上。

　　實(shí)用化設計

　　所謂實(shí)用化設計，即系統非常實(shí)用，操作使用簡(jiǎn)單方便、環(huán)節少、易學(xué)。能自動(dòng)地方便地進(jìn)行功能設置，以及與防盜、防火、門(mén)禁等系統聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)化程度高，使系統能在實(shí)際可能發(fā)生受侵害的情況下及時(shí)預/報警。此外，還要求有自檢功能，并將自檢結果定時(shí)上報給管理中心，接受管理中心監控，以便出現故障立即維護。

　　經(jīng)濟性設計

　　在考慮系統經(jīng)濟性時(shí)，除考慮降低系統的研發(fā)成本、生產(chǎn)成本外，還要顧及系統的使用成本，即已包括使用期間的維護費、備件費等。

　　為獲得較高的性?xún)r(jià)比，設計時(shí)不應盲目追求復雜高級的方案。在滿(mǎn)足性能指標的前提下，盡可能采用簡(jiǎn)單的方案，因為方案簡(jiǎn)單，意味著(zhù)結構簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低。

　　在上述因素綜合考慮后，再選擇確定適當的方案。