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Gang Hua，德州儀器公司 (TI) 影像架構(gòu)師 Jacob Jose，德州儀器公司 (TI) 視頻安全業(yè)務(wù)經(jīng)理 執(zhí)行概要 視頻攝像機近來不斷出現(xiàn)在每一個角落，因為它們能夠讓我們在不為所知的情況下進行事物監(jiān)控，如某個地方、某個人及某件事。攝像機技術(shù)就像人的眼睛，只能通過感受和處理存在的光才能看到物體和場景。正如關(guān)掉屋里的燈，我們需要努力才能看清楚一樣，許多視頻攝像機必須處理低照環(huán)境。如果攝像機不能克服低照條件，進行清楚地監(jiān)控，在場景中布置攝像機未必就能提供我們所需要的能見度。 視頻攝像機技術(shù)的最新發(fā)展，尤其是低照噪聲濾波技術(shù)的發(fā)展，不僅增強了構(gòu)成視頻流的單幅靜態(tài)影像或幀的質(zhì)量，而且還可增強構(gòu)成每幀的單個像素的保真度。改進的濾波技術(shù)支持三維工作，可消除低照視頻流中的視覺異常，讓影像清晰銳利。采用強大實時處理器、配備高級壓縮算法的攝像機在低照條件下通常比人眼更敏銳。據(jù) 2010 年聯(lián)邦調(diào)查局統(tǒng)一犯罪報告，有 52.8% 的暴力犯罪與 81.7% 的財產(chǎn)犯罪尚未破獲1。配備良好低照技術(shù)的攝像機將有助于縮小這一數(shù)字。 問題出現(xiàn)的部分原因 連接至互聯(lián)網(wǎng)的視頻攝像機（IP 攝像機）正部署于各種應(yīng)用。除安全與執(zhí)法設(shè)施中實施的常用安全監(jiān)控攝像機外，攝像機現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于計算機、平板電腦和智能手機。此外，越來越多的車輛也已開始配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)或車載黑匣子，以輔助狹窄角落中的復(fù)雜操作，增強車輛的安全性。作為這些應(yīng)用以及其它應(yīng)用的基礎(chǔ)，IP 攝像機必須在低照下頻繁提供視頻流，就算有輔助照明也是如此。這個問題在安全應(yīng)用中尤為重要。 用于監(jiān)控黑暗小巷或者光線昏暗走廊的 IP 監(jiān)控攝像機提供的視頻流往往模糊、像素化、不清楚，而且對比度差。低質(zhì)量視頻流往往會造成面部無法識別或者完全錯過所發(fā)生的事件，影響視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。提供更好的照明條件一般并不可行，因為燈光本身需要成本和維護，而且會使安全監(jiān)控系統(tǒng)容易被人注意。 最后，理想的解決方案就是增強 IP 攝像機的低照性能，使之能夠在較低光線下實現(xiàn)更高的工作效率，提供清晰銳利的影像。下列影像中，一個采用低照性能增強技術(shù)，另一個則沒有。它們可清楚地說明這些技術(shù)增強視頻監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用效果的方法。 
圖 1：未采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像
圖 2：采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像 低照視頻信號中的“噪聲” 造成 IP 攝像機在低照條件下影像質(zhì)量下降的元兇是“噪聲”。或者說是攝像機因低照條件而不當(dāng)納入影像的無關(guān)信號數(shù)據(jù)。這些攝像機信號處理中的偽像或異常數(shù)據(jù)可導(dǎo)致視頻流質(zhì)量降低、影像模糊、清晰度下降。要改善工作在低照環(huán)境中的視頻 IP 攝像機影像質(zhì)量，需要盡可能多地消除這種噪聲。通過提高視頻數(shù)據(jù)流的信噪比 (SNR)，攝像機可提供更加清晰的影像。噪聲降低后，來自場景中實際對象的信號會增強，視頻影像更清晰。噪聲有幾個明確的來源，每一個都必須進行某種程度的處理。 顆粒噪聲 顆粒噪聲理所當(dāng)然來自可見光子命中視頻攝像機傳感器的命中率的波動。命中傳感器像素的光子數(shù)量圍繞與像素照度成比例的一個平均速率隨機變化。 固定圖形噪聲 固定圖形噪聲由構(gòu)成 IP 攝像機傳感器像素的小幅變動造成。每個像素在被可見光子命中時的反應(yīng)不同。這些差異可能來自像素及色彩濾波器的差異，也可能來自連接像素的電路的差異。 讀出噪聲 視頻攝像機光傳感器采集的模擬信息必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便攝像機處理。這項工作由模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成。讀出該轉(zhuǎn)換過程不完全性帶來的噪聲。 消除噪聲 消除或過濾低照視頻流的噪聲有兩種基本方法。第一種方法為空間濾波。這種方法沿著構(gòu)成顯示屏影像的二維、高、寬進行。第二種方法為時間濾波，可為視頻流中還存在的時間增加第三維。 空間濾波 視頻流由按時間順序播放的獨立靜止影像或幀構(gòu)成。實時視頻流通常每秒顯示 30 幀。不過如果不要求實際動作的逼真性，也可實施其它顯示速率。空間濾波是一種算法分析，獨立對每幀進行檢查，沿影像 X 軸和 Y 軸進行每像素比較，發(fā)現(xiàn)噪聲并予以清除。 時間濾波 時間濾波算法可將時間維加入分析。這種方法不像空間濾波那樣，對整個幀進行檢查，而是按時間維分析每個像素。即將每個像素與后一個幀對比，判斷是否有噪聲存在。如果某個像素的運動方式非常類似于噪聲，就予以清除。時間濾波比空間濾波更復(fù)雜，因為視頻流往往包含運動，比如物體移動或者某人走過攝像機視野。時間濾波不但必須能夠分辨出攝像機需要觀察的真實運動，將其保留在視頻數(shù)據(jù)流中，同時還應(yīng)發(fā)現(xiàn)像素中任何類型可能為噪聲的異常運動，將其清除。為達(dá)到該目的，已經(jīng)開發(fā)出兩種方法，即動作自適應(yīng)法和動作補償法。 動作自適應(yīng)法可嘗試確定物體動作發(fā)生的視頻流區(qū)域。保留這些區(qū)域中的信號發(fā)送，其中包括這些區(qū)域中可能出現(xiàn)的任何噪聲。分析影像其它部分的移動像素，判別是否是噪聲，如果是就清除。 動作補償分析法比動作自適應(yīng)法復(fù)雜得多。動作補充分析法將先建立基準(zhǔn)幀，以便對物體移動形成的運動像素進行時間濾波。如果運動分析正確，動作補償法與動作自適應(yīng)法相比能夠去除移動物體上更多的噪聲。但動作分析在低照條件下形成的高噪聲水平上容易出錯，因此可能會無法去除噪聲并產(chǎn)生煩人的偽像。 德州儀器 (TI) 等能夠提供大量動作自適應(yīng)法及動作補償法的技術(shù)提供商，可充分滿足 IP 攝像機制造商與安全系統(tǒng)集成商的各類需求。 低照性能優(yōu)勢 能夠在低照環(huán)境下采集高質(zhì)量視頻的 IP 攝像機在多種應(yīng)用中均具有極高的效率，尤其是在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，其通常在低照環(huán)境下工作，并采用可能進一步降低視頻所含信息等級的壓縮功能。 所有 IP 攝像機均使用某種形式的視頻壓縮，常使用 H.264 高端類 (HP) 編解碼器獲得一流的壓縮效率。視頻壓縮會導(dǎo)致信息丟失。要讓壓縮視頻保持可接受的質(zhì)量，比如能夠識通過燈光昏暗街巷的轎車車牌或其駕車員面部，應(yīng)讓壓縮視頻位速率盡量保持為高。但是，存儲量及所需備份時間制約著低成本視頻壓縮的位速率。 高噪聲視頻要達(dá)到要求的視頻質(zhì)量，需要壓縮更多的數(shù)據(jù)，因而需要更大的存儲，進而可增加設(shè)備成本。如果不能增大存儲，就應(yīng)減少備份時間，讓壓縮視頻保持可接受的質(zhì)量。同樣，如果必須跨網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻，且?guī)捰邢蓿俚母咴肼曇曨l可以在可用帶寬的限制范圍內(nèi)以更高質(zhì)量傳輸。這對在民宅中使用尤為重要，因為這里有多個 Wi-Fi 熱點爭奪少量的可用頻譜。 H.264 等壓縮技術(shù)依賴多視頻幀之間的一致性來壓縮所包含的信息。噪聲會造成多種幀的高度不一致性，需要更多的數(shù)據(jù)才能壓縮壓縮視頻信息。良好的低照技術(shù)可消除不一致噪聲，使用更低位速率實現(xiàn)可接受的視頻質(zhì)量。IP 攝像機的安全系統(tǒng)操作人員可記錄更高質(zhì)量的視頻，延長備份時間，降低存儲成本或使用不變的存儲容量。 另外，監(jiān)控低照戶外門的 IP 攝像機安全系統(tǒng)的操作人員還可能考慮安裝更多的外部照明設(shè)備來改善該區(qū)域的照明，進而提高視頻流質(zhì)量。由于具備低照性能的攝像機可補償照明條件，因而無需其它照明。這樣可以不必安裝新的電線電燈，只需采用具備優(yōu)異低照性能的 IP 攝像機替代原來的安全攝像機即可。此外，還可完全避免因安裝更多外部照明而產(chǎn)生的增量電力成本。 當(dāng)前許多高級監(jiān)控系統(tǒng)還整合了自動安全分析流程，其可進一步處理視頻流，為負(fù)責(zé)監(jiān)控的系統(tǒng)操作人員帶來輔助功能。這些分析功能在處理更清晰、更高清晰度的視頻流時效率更高。更好的安全分析可減少操作安全監(jiān)控系統(tǒng)的人力資源。
圖 3：無低照性能增強技術(shù)的高噪聲視頻影像 圖 4：采用 TI 低照噪聲濾波器后的視頻影像 TI 低照性能解決方案 TI 在為視頻安全處理應(yīng)用提供業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)方面擁有業(yè)經(jīng)驗證的驕人業(yè)績，如基于 IP 的視頻安全監(jiān)控攝像機等。達(dá)芬奇 (DaVinci™) 視頻處理器平臺是行業(yè)最高性能的視頻引擎，有助于視頻及圖形加速器同步處理三個 1080p 60fps 視頻流，實現(xiàn)全新應(yīng)用與直觀的用戶界面。達(dá)芬奇用戶可在采用相同內(nèi)核 IP 的單個平臺上獲得可擴展產(chǎn)品線，為特定應(yīng)用提供高性能低功耗的獨特組合以及多種衍生方案。TI 參考設(shè)計可實現(xiàn)只需六個月的快速產(chǎn)品開發(fā)。 除大量支持性器件外，TI 業(yè)界最佳視頻處理器還一直是眾多 IP 攝像機的核心。近期推出的達(dá)芬奇 DM385 視頻處理器百尺竿頭更進一步，集成更強大的低照性能，包括三維噪聲濾波、寬泛動態(tài)處理以及具有業(yè)界最佳壓縮效率的 SVC-T H.264 高端壓縮技術(shù)。DM385 支持 H.264 或 SVC-T 高端編解碼器，可壓縮高達(dá) 4 百萬像素的實時視頻流與二次 D1 實時視頻流。4Kx2K 或更高分辨率視頻、同步多級（基本／主流／高級）壓縮、面部檢測、視頻穩(wěn)定、多重曝光以及雙通道傳感器支持等各種特性，可幫助攝像機制造商在市場上為其產(chǎn)品便捷地實現(xiàn)差異化。此外，DM385 IP 攝像機參考設(shè)計還可幫助制造商在發(fā)揮任何最普通傳感器優(yōu)勢的同時，快速向市場推出最新低照攝像機。
DaVinci DM385 視頻處理器方框圖 如欲了解有關(guān)支持 IP 攝像機及其它安全應(yīng)用的 DM385 或其它 TI 達(dá)芬奇解決方案的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com.cn/apps/cn/doc ... ntId=41246&appId=79。 參考資料： 1、 2010 年聯(lián)邦調(diào)查局統(tǒng)一犯罪報告：《美國的犯罪情況》。 |
