|
視頻監控市場從模擬CCTV視頻系統向更為成熟、具備主動預防性、基于網絡的IP視頻轉變已成為業界的共識。但另一方面，盡管IP視頻監控將成為未來的主流，但就目前情況來看，該市場仍為傳統的模擬攝像機所主導。是什么原因使得IP監控市場啟動如此之慢？IP視頻監控未來將呈現怎樣的發展趨勢 數字、高清和智能已是大勢所趨 中星微電子（Vimicro）公司CTO張韻東將未來數年內視頻監控的發展趨勢歸納為“三化”，即數字化、高清化和智能化。他認為，隨著網絡視頻監控的快速發展，網絡攝像機、NVR、大型視頻監控管理平臺等數字化產品呈現出了極好的成長性，百萬像素甚至Full HD的高清網絡攝像機在項目中應用也愈加廣泛，完全符合公司原先對于視頻監控高清化發展方向的判斷。 “未來幾年，我們依然認為智能化會是IP視頻監控的發展趨勢。”支持張韻東做出上述判斷的理由來自兩方面：一是隨著經濟的發展，對安防以及諸多行業自身業務流程管理的重視，視頻監控攝像頭安裝的數量與日俱增；另一方面，從看得見到看得清，從非實時到實時，視頻監控的分辨率、幀率在增長，帶來的直接影響是數據量的暴增。例如Full HD 25幀/秒，與D1的12.5幀/秒，數據量增長了上10倍。如此龐大的數據量，除了給網絡帶寬和存儲成本帶來極大的壓力之外，如何利用這些海量數據也成為視頻監控面臨的難題，讓視頻監控系統更加智能化將在一定程度上幫助解決這個問題。 Aptina公司高級業務拓展/市場經理Cliff Cheng則表示，網絡IP攝像機已經出現數年，其采用率一直以每年兩位數的速度增長。驅動因素包括全高清LCD面板價格的快速回落、更強大的高性價比應用處理器的出現、簡便的IP攝像機安裝和應用軟件、以及CMOS高清圖像傳感器的圖像質量提升超過了傳統模擬CCTV CCD傳感器。 
圖1：Aptina公司高級業務拓展市場經理Cliff Cheng 他同時稱，今后幾年，值得注意的主要發展趨勢將包括：4K/2K超高清標準的采用、利用全局快門技術的高速圖像捕獲，以及利用同軸電纜傳輸多通道全高清碼流。尤其是通過同軸電纜輸送IP視頻流，可以重復利用現有CCTV基礎設施，而無需昂貴的基礎設施改造，非常值得關注。 遠程視頻監控的發展離不開網絡的進步。ADI公司技術市場經理張鐵虎強調說，由于3G/4G網絡帶寬的提升可提供比現有CDMA和GPRS網絡更清晰更流暢的視頻傳輸效果，且Wi-Fi熱點日益普遍，3G/4G與安防產業的結合對兩者而言都是一種應用領域的擴充。再加之無線IP視頻監控網絡架構靈活而方便，在實時預警、主動預警、全天候監控和按需監控四方面具有得天獨厚的優勢。因此，遠程、高清視頻監控和智能視頻分析，成為今后幾年內IP視頻監控的發展趨勢是毋庸置疑的。
圖2：ADI公司技術市場經理張鐵虎 啟動之慢，原因何在？ Cliff Cheng的觀點是，雖然IP攝像機的年增速達到了兩位數，但仍然存在一些制約因素，限制了IP攝像機采用率超過總體監控攝像機出貨量的50%。目前，大多數IP攝像機部署于沒有同軸電纜的新建場所。然而，市場上仍然有6000多萬臺通過同軸電纜連接的CCTV攝像機，是無法在一夜之間被替代的。因此，IP攝像機的發展趨勢就是通過現有的同軸電纜來輸送高清視頻流。為了應對這一挑戰，以HD-CCTV、Intersil SLOCTM為代表的新興技術正在涌現。一旦它們得以普及，由于高清IP攝像機的安裝更便利，安裝成本更低，其采用率將會迅速增加。 “世界上第一臺網絡攝像機的出現已經是10多年前的事情了。從這幾年的發展情況看，IP視頻監控是未來主流的這個趨勢大家都認同，但IP攝像機出貨量超過CCTV攝像機出貨量這個點卻遲遲沒有出現。”張韻東坦承，“影響市場發展速度的因素首先是IP視頻監控系統的復雜性，比由模擬攝像機、DVR和視頻矩陣為主體構成的傳統監控系統要超出很多。” 舉個簡單的例子，攝像機架設好之后，如果發現沒有視頻，傳統方案下，施工人員從攝像機的輸出到顯示器的輸入，基本上只要檢查線路通暢即可；而在IP方案下，除了線路問題，還有IP地址等一系列網絡相關設置，中間可能還涉及到網絡交換機等設備，要準確定位視頻沒有出來的問題，工程人員可能還需要操作客戶端界面，甚至輸入調試命令，這對于工作人員的知識要求比傳統監控系統的工作人員要高很多。 傳統的監控系統由于是純模擬信號的采集，傳輸與顯示之間的互通性很簡單。而IP視頻監控系統是基于IP網絡的，在視頻編解碼標準、網絡傳輸協議方面如果沒有統一的標準，對系統集成商、工程安裝以及用戶來說，也是一個頭疼的問題。此外，高清圖像采集起步較晚，一些固有的技術特點導致直觀圖像效果差異，也影響了一些用戶對IP視頻監控系統的接受。加上對網絡帶寬，存儲成本增加的要求大幅增加，其成本壓力也是不容忽視的一個方面。 張鐵虎認為，智能IP監控工程應用對可靠性、實時性和可部署性的需求大大提高：可靠性方面，要求有強大的算法基礎、有針對具體應用需求的規則和抗干擾能力；實時性方面，要求系統具備實時輸入、實時運算和實時控制的能力；可部署性方面，要求系統能與當前混合式（模擬與數字）監控系統接口、可獨立工作、可內嵌至設備、具備規則設定與維護能力、以及低成本。另外，如何在現有的視頻監控網絡里加入實用的、符合行業需求的智能視頻分析，將成為安防廠商面臨的另一個主要挑戰。 他同時強調稱，IP視頻監控自身仍然存在沒有克服的缺陷，包括： 從模擬轉向IP監控過程中基礎設施的置換成本較大。目前主流的H.264算法對編解碼設備的硬件性能要求較高，一旦編解碼設備不能滿足要求，很容易造成視頻的延遲，而這樣的延遲在對實時性要求較高的應用中是不可接受的。由于大數據量的原始視頻必須壓縮后才能在IP網絡傳輸，對視頻質量造成一定損失，這是IP標清視頻系統難以推廣的重要原因。IP系統在為用戶帶來極大便利的同時也為監控系統帶來了極大的隱患。現階段IP監控系統存在的最大問題在于編碼算法不統一，即使同一種算法，各家做法也各不相同，這種現狀的直接后果是不同廠家的視頻編解碼設備無法做到通用，也為項目設備的采購、施工調試和后期擴容造成了極大的不便。 成功案例 在光照不足的環境下（照度可能低達0.001lux），如果沒有外界的輔助照明，傳統攝像機基本只能拍到一片漆黑。為了能拍到較亮的畫面，以前有廠商采用幀累積的方式，通過超長曝光時間看到畫面。但張韻東表示，此法只能針對基本完全靜止的場景，畫面中物體稍有移動，就會因為拖影現象導致畫面模糊，完全起不到監控的作用。2011年11月的安博會上，中星微展出了全球首款全實時1080P星光網絡攝像機，能夠提供全實時、明亮的視頻監控，避免拖影現象，且輸出視頻分辨率達到了1080P高清。 同時，為了降低IP網絡視頻監控系統的復雜性，在公安部和工信部的倡導下，中星微電子作為組長單位參與制定了安防監控行業國家標準《安全防范監控數字視音頻編解碼（SVAC）技術要求》。這一標準是專門針對安防監控這種應用領域的一些特點而制定的視音頻編解碼標準，有支持高精度視頻數據，支持感興趣區域（ROI）變質量編碼，支持監控專用信息等8大核心技術特點。2010年12月，國家標準化管理委員會發布SVAC標準批準公告，相關的產業聯盟也已經建立。 作為中國監控市場的主流處理器，DSP一直是中高端方案的首選產品。ADI方面稱，其Blackfin處理器的MSA（微信號）架構既具備了強大的數字信號處理功能，又可以做控制處理器來用，且功耗極低，可在視頻標準、分辨率、幀速和相關的視頻前/后處理功能方面實現完全的靈活性。另外，Blackfin產品還能夠實現視頻壓縮、操作系統支持、CCD/CMOS傳感器的本地互操作、完整的接口選擇以及視頻分析所需的開銷處理。軟件方面，ADI基于Blackfin平臺，提供充分優化的H.264編解碼算法和Image ToolBox圖像處理工具包。對前者而言，視頻圖像效果和單路成本（cost per channel）是最重要的；而后者則是提供基本的、基于Blackfin優化的函數功能供開發者使用。 “目前，IP攝像機的主流分辨率是1080p全高清和720P高清。”Cliff Cheng說，“隨著Aptina推出寬動態范圍（WDR）高清圖像傳感器，越來越多的攝像機制造商正在采用WDR作為高清IP攝像機的標準功能。而且，銀行和交通運輸等行業在詢價（RFQ）中也都要求WDR特性。” 此外，Aptina還在最新高清和全高清傳感器集成了統計引擎（statistic engine）、用于深度感測的3D立體攝像機支持、感興趣區域（region of interest）等功能，可以最大地減輕分析引擎的計算工作量，從而為攝像機處理軟件提供更高的準確度和智能水平。 Aptina的全局快門技術屬于創新性像素技術、電路和工藝設計技術的結合。據稱即使在物體高速移動時，也能夠捕捉清晰的圖像并改善高速視頻攝像機的圖像質量。Cliff Cheng進一步解釋說，采用全局快門技術，成像陣列中的所有像素均同時開始曝光，并且同時停止曝光，這一點與傳統卷簾式快門技術不同。卷簾式快門技術一次曝光一行，并一次停止一行曝光，造成快速移動物體的圖像出現變形和假影（artifacts）。 在從超亮到超暗場景的所有亮度條件下，擷取高質量的60fps HD視頻非常具有挑戰性。過去，百萬像素傳感器可以提供寬動態范圍或出色的弱光靈敏度，但無法二者兼顧。現在，“Aptina采用DR-Pix技術與多重曝光寬動態范圍成像技術設計的最新HD百萬像素傳感器，能夠提供寬動態范圍或出色的弱光靈敏度。”據Cliff Cheng介紹，Aptina DR-Pix可在所有像素上實現全局可程序設計轉換增益調節，以便與場景中的所有不同光照程度相匹配。結合使用真正的相關兩次采樣技術，可以讓高畫質成像器實現小于2erms的低讀取噪聲和超過60%的量子效率。 智能視頻分析 在中國，交通監控系統對智能視頻分析有著很高的需求。Altera亞太區工業市場開發經理江允貴認為，目前智能視頻分析在交通管理上主要面臨幾大挑戰：包括傳感器要支持在寬動態的圖像處理；對于不同的光線強度變化要能夠達到自適應性；低照度的噪聲處理；從監控到報警、抓拍；多支攝相機不同角度的綜合判斷；高精度智能偵測率；簡單的系統配置等。這些要求帶給芯片制造商很大的挑戰，包括圖像質量、壓縮效率和智能事件偵測的準確性，但器件本身又要求具備接口靈活性、高性能的并行處理運算力、低功耗、小封裝和低成本。江允貴認為，唯有具備先進制程工藝的FPGA才能提供上述完整的解決方案。 %%%%%%%%%%2 圖3：Altera亞太區工業業務部市場開發經理江允貴 事實上，Altera近期發布的基于FPGA的全HD1080p/（每秒30幀）30fps視頻分析解決方案就主要針對交通監控。該方案采用低成本、低功耗的CycloneIV FPGA平臺，在提高視頻分析性能的同時實現極大的吞吐量（每秒60-Mpixel），以及傳統基于數字信號處理（DSP）方法無法實現的像素精度細節。據稱，該方案很容易集成到HD互聯網協議攝像機中，因此非常適合包括流量監控在內的各種應用，例如監視事故探測、車輛計數、道路偏離探測、停止車輛、闖紅燈以及車輛逆向行駛等。 張韻東表示，IP視頻監控系統的規模越來越大，要高效率地利用海量的視頻監控數據，就必須更多地采用智能分析技術，而且是要在監控前端編碼階段就對關鍵目標的通用特征參數進行分析和采集，再結合控制中心服務器上的應用軟件，來提供各種面向行業和應用的智能分析功能。 為了實現這一點，中星微算法團隊在在視頻質量診斷、運動目標檢測、人臉檢測與識別（特別是無約束狀態下的人臉檢測）、關鍵目標的通用特征參數分析與提取等方面進行了長期的投入。他同時強調認為，視頻分析的運算非常復雜，要能實時地進行視頻分析，除了采用更為高端的處理器，更為先進的制程之外，算法的優化、芯片設計過程中的精雕細琢也必不可少，包括對高性能處理器的優化、存儲訪問效率的改進、以及低功耗芯片設計技術的采用等，都是非常關鍵的。 今年3月底，中星微在SVAC產業聯盟會議上發布的全球首款SVAC視音頻編碼器芯片，就集中體現了這些研發成果的積累。該芯片不僅能支持多路標清或者單路高清的SVAC國標視音頻編碼，也能對視頻流中的關鍵目標進行分析，提取特征參數，結合SVAC國標中監控專用信息編碼等技術，不僅能讓前端產品更智能，也能通過與平臺軟件的結合，提供更為豐富的智能應用，促進IP視頻監控系統的應用發展。 對于目前的智能視頻分析技術而言，自然環境下能夠誤觸發警報的因素非常多，陽光、雨水、灰塵、大風、光線的變換以及水流等都可以觸發警報。張鐵虎分析稱，如何有效地減少誤報和因誤報產生的管理成本，保證在真的有人違規時才觸發警報，是視頻分析技術面臨的最大困難。 ADI日前針對安防監控系統推出了具備雙核、1GHz處理能力的Blackfin BF60X處理器系列。該系列配備兩個500MHz內核及最高達4.3Mb的片內SRAM，并且針對低功耗應用進行了優化（例如ADSP-BF609的典型功耗為400mW）。該系列中最為引人關注的產品，當屬配備了“流水線視覺處理器（PVP）”的ADSP-BF608/BF609。ADI方面稱，PVP屬于高性能視頻分析加速器范疇，總共提供12個高性能、配置靈活的信號處理模塊（卷積、縮放、算術等），支持各種常用算法，例如索貝爾（Sobel）、坎尼（Canny）、拉普拉斯、閾值、直方圖、積分，專門針對嵌入式視覺應用進行了優化設計，可用于加速多達5個并行圖像算法，從而實現極高的對像跟蹤、檢測和識別性能（每秒執行250億次以上的數運算）。同時，為幫助客戶設計出更高效的系統，ADI還提供了全面的開發工具、開發板和擴展板，包括CrossCore Embedded Studio軟件開發工具、高速仿真器、EZ-Kit開發板和專用EZ-Extender卡。 來源：電子工程網 |
