智能家庭視頻監控的技術(shù)挑戰及解決之道

　　家庭監控正逐步從報警能力有限的模擬技術(shù)過(guò)渡到壓縮數字IP傳送技術(shù)，其分析和監視能力幾乎不受任何限制。

　　家庭監控的需求多種多樣，包括簡(jiǎn)單的安防以及兒童和保姆的全面監控等?？紤]到多種視頻輸入的QOS(服務(wù)質(zhì)量)要求，基于IP的家庭監控系統趨向于采用專(zhuān)門(mén)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，但最終會(huì )采用大眾化的家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。系統可以通過(guò)各種介質(zhì)來(lái)聯(lián)網(wǎng)，最常用的是以太網(wǎng)或者無(wú)線(xiàn)技術(shù)。通過(guò)動(dòng)態(tài)IP分配與外界溝通，進(jìn)行遠程監控是最新一代監控系統必須具備的功能，在應用中非常重要。

　　基本家庭監控系統包括一組攝像頭、監視器和中央存儲單元(DVR)，DVR在存儲之前對視頻輸入進(jìn)行多路復用。具備嵌入式DVR的PC能夠驅動(dòng)基本分析功能，也可以完成監視和存儲功能?；炯彝ケO控系統的分析和報警功能通常只限于簡(jiǎn)單的移動(dòng)探測和時(shí)間/日期標記等。HMI(人機接口)受限于DVR設備，與PC聯(lián)網(wǎng)后，控制和監視功能會(huì )大幅度提高。

圖1. 采用FPGA的視頻監控系統實(shí)例

　　更高級的監控系統增加了音頻監視(如嬰兒哭泣、打碎玻璃等)、更多的視頻輸入、遠程控制和監視互聯(lián)網(wǎng)鏈接、CD刻錄以及全面的報警和呼叫等功能。高端系統還包括服務(wù)器(流復用)，采用獨立的附加存儲單元來(lái)替代DVR。高端系統還能提供高級移動(dòng)探測功能，包括智能區域和邊界等。例如，在一個(gè)攝像頭的觀(guān)察范圍內，人行道上有很多的人流不會(huì )引起報警，而家庭和人行道之間的區域出現大量人流則會(huì )觸發(fā)移動(dòng)報警。高級分析功能還包括某人閑逛甚至包裹(郵包墜落)探測等。系統能夠識別出極少移動(dòng)或者沒(méi)有移動(dòng)的物體。在非常高端的家庭系統中，攝像頭就可以完成分析功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)探測和報警。

　　技術(shù)挑戰及解決之道

　　家庭監控技術(shù)日前面臨兩大挑戰：視頻壓縮和高級分析功能。它們都需要采用大量的數字信號處理以及復雜的算法來(lái)完成任務(wù)。

　　用戶(hù)已開(kāi)始習慣高清晰電視，他們通常希望看到質(zhì)量更好的家庭監控視頻。因此，家庭監控系統從QCIF視頻流過(guò)渡到D1和標準清晰度(SD)，并已開(kāi)始開(kāi)發(fā)高清晰(HD)系統。在多攝像頭系統中采用這些技術(shù)后，如果視頻不經(jīng)壓縮，很快便會(huì )超出網(wǎng)絡(luò )帶寬能力。一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的SD視頻流能夠達到270Mbps，大大超過(guò)了10/100M以太網(wǎng)以及大部分無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的帶寬。因此必須采用壓縮技術(shù)。

　　目前實(shí)用的系統采用了MPEG-4和移動(dòng)JPEG2000壓縮標準。MPEG-4是最常用的，其壓縮比要高于移動(dòng)JPEG2000，但是移動(dòng)質(zhì)量要差一些。如果需要更好的視頻完整性，則需要采用移動(dòng)JPEG2000，但這會(huì )超出大部分家庭應用的需求。MPEG-4 part 10 (H.264)犧牲了部分壓縮效率，其移動(dòng)視頻質(zhì)量要優(yōu)于標準MPEG-4，是視頻監控最新的發(fā)展趨勢。工業(yè)類(lèi)監控系統已經(jīng)開(kāi)始采用H.264，它將很快成為家庭系統能夠選用的技術(shù)。不管標準如何，視頻壓縮對DSP功能的需求很大。

　　在視頻監控應用中選擇合適的芯片技術(shù)非常重要。例如，H.264 ASSP可用于設計視頻攝像機等大批量消費類(lèi)應用，也能夠用于視頻監控。同樣，它們也適用于視頻流編碼，但不能進(jìn)行分析。FPGA是實(shí)現多數據流(DVR解碼/編碼)效率最好的技術(shù)。一片FPGA能夠對使用H.264的1至16路標準清晰視頻流進(jìn)行編碼。

圖2. 家庭監控的特性和所采用的典型技術(shù)

　　有的DSP芯片是針對工業(yè)視頻監控應用的，對于家庭應用則過(guò)于昂貴，且用于分析的帶寬有限，一般只能實(shí)現4路甚至更少的視頻流。FPGA還可以用于攝像頭編碼和分析，非常適合多攝像頭服務(wù)器和DVR編碼/解碼功能。此外，FPGA功能靈活，除了編碼/解碼之外，還能夠完成各種規模的分析任務(wù)。最后，當產(chǎn)量上升時(shí)，FPGA還可以轉換為HardCopy ASIC(Altera的結構化ASIC解決方案)，有效地降低了攝像頭或者服務(wù)器/DVR的成本和功耗。

　　家庭監控的未來(lái)發(fā)展空間非常大。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，管理將更容易，能夠吸引更多的普通用戶(hù)，還可以與其它家用系統集成。隨著(zhù)DTV的出現，中端IP監控系統的基本處理能力大大超越了其它家庭系統。這種處理能力可以輕松地完成更多的任務(wù)，例如入室盜竊/火警系統、家電監視/控制等。最先采用的很可能是支持第三方監視服務(wù)的集成安防/監控系統和主人遠程監視系統等。由于FPGA技術(shù)十分靈活，容易更新，非常適合這種發(fā)展迅速、變化很快的應用。此外，迅速轉換為Altera的HardCopy結構化ASIC后，設備供應商能夠很快地進(jìn)行調整，提高產(chǎn)量，以滿(mǎn)足消費類(lèi)應用的需求。