芯片技术助力数字视频监控走向新时代

进入二十一世纪的第二个年代，公共安防监控毋庸置疑已成为数字化的一大热点，其应用也已经渗透到社会的方方面面，并已开始影响和改变着人们的生活方式。如图1所示，安防监控兼顾公共安全、工业和商业、交通运输，还有家居和消费。面向公共安全的应用已经涵盖了城市区域监控、政府国土安全，以与确保社会稳定息息相关的公检法部门；面向工业和商业的应用已经从重点设施向常规场所扩展，使得在银行、游戏和零售等人们活动的频繁区域得到安全的保证；面向交通运输的应用更是不断推陈出新，完善安全保障措施不仅在车站、码头和机场内外，也在道路、路口和航道等地方提出多种多样的需求。

上述这些应用还只是针对公众安全，面向家居和消费群体的视频监控将直接针对个人安全而得到更广泛的推广和普及。

图1 公共安防监控的应用领域

公共安防监控应用中，最传统的首先就是门禁控制，其后才有防火检测装置。视频监控最早随着闭路电视系统而得到应用，然后发展到模拟录像系统，并通过模拟摄像机和模拟视频矩阵的普及而形成规模。数字视频监控是伴随着数字视频压缩技术的发展而兴起，并且在与模拟系统的较量中脱颖而出而确立了主流的应用方向。以计算机和网络相结合的技术平台极大地推动了数字视频技术的发展，并且适时地发挥了巨大的潜力。数字视频监控在硬盘存储、远程传输、灵活组网、视频分析等方面，其优越性已经非模拟系统可比拟，而且大大地挤压了模拟应用的存在空间。然而上个年代中，数字视频主要还是标准清晰度，并没有能完全超越模拟系统的图像质量。那么在新的年代中，数字视频监控发展方向的优势如何呢？

笔者认为，数字视频监控的新走向可以概括为三个方面，即实现高清化、增强智能化和发挥光学元素。唯有高清才能最后淘汰模拟视频，唯有智能才能代替人工，唯有光学元素才能从本质上提高视频效果。

实现高清化

对于模拟系统，就要谈到电视的清晰度，PAL制电视机标称垂直扫描行数为625线，除去50行逆程外，实际的有效垂直分辨度为575线。当然，不同的模拟摄像和录像设备会有所不同。计算机中以显示器成像，所表述的分辨率即为水平像素数×垂直像素数。如VGA(640×480)、SVGA（800×600）、XGA（1024×768）等。

最初的数字化视频为C I F的分辨率，即320x240，压缩的格式为MPEG1，图像质量还停留在VCD的水平。随着压缩格式上升到MPEG4，再到H.264，压缩效率有很大的提高，并画质也不错，但分辨率仍然不足以与模拟相比，可用电视或电脑显示，但对清晰度并没有实质要求。

D1的分辨率，即720x480，确实使数字压缩效果给人以耳目一新的感觉，压缩的格式开始为MPEG2，即DVD的水平，但码率较高，所以在监控中的广泛采用还需要MPEG4或H.264压缩格式，习惯上称D1为标清。DVD若采用NTSC制则像素为720×480，PAL制像素是720×576，两者的水平清晰度都是720×3/4=540线，其中前者高于垂直清晰度（480线），后者略低于垂直清晰度（576线）。

真正要拉开和模拟图像质量差距的分辨率是720P，即1280x720，这也可视为准高清。那么真正的高清是什么呢？这就是所谓的1080P，即1920x1080。如图二所示为从标清到高清的横向和纵向像素的比较。

图2 从标清到高清的横向和纵向像素的比较

在标清到高清间常规的帧率为每秒30帧，这样H.264 1080p@30 fps就是指采取H.264格式每秒压缩30幅1920x1080像素的画面，这就是实现高清必需达到的一个水平。在这个基础上多种视频压缩格式的支持也非常重要，如MPEG4、MJPEG、VC1等。这种性能相当于两倍的720P，因此可以提高视频品质，并增加更多的细节。720P 作为准高清，若提高帧率到每秒30帧，即H.264 & MPEG-4 @720p60, 则图像的清晰度会得到有效的提高。当然在监控为突出画面的高清晰度，也会采用MJPEG@ 5Mps，即可达到每秒五百万像素的图像效果。

目前行业内可以提供高清视频压缩单片系统(SOC)的厂商已有多家，其中美国德州仪器（TI）所提供的平台可以支持涵盖各种高清需求并支持多种高清视频压缩格式，而且具有更高的系统灵活性。现已大批量生产的DM6467是一颗单片可实现H.264及其它视频压缩格式高清或更高的SOC，其600MHz时钟版本就可支持H.264@1080P30，1GHz时钟版本所支持性能将接近翻番。该平台集成有ARM9处理器和视频协处理器及高速C64+ x的DSP核心，还有BT1120高清视频输入和输出端口，另外配备丰富的外围接口。除进行高清的视频编解码之外，其DSP单元可以承担智能视频处理功能。高清视频转码也是DM6467的一个重要的应用方向。

同样量产的DM365所支持能力为H.264@720P30/MPEG-4@1080i30或，MPEG-4@1080P30/H.264 @1080P12，已经作为高清入门产品在监控IP摄像机中得到很好地应用。

将要新推出的DM36x平台为H.264 & MPEG-4@1080P30，并且与DM365体系架构、软件和管脚兼容。这将是一颗真正的全面支持高清的SOC，集成有400MHz的ARM9处理器、视频协处理器、视频处理子系统和丰富的外围接口，如图四所示。其中视频处理子系统所涉及的光学元素留待下面具体分析。

市场在期待着更高性能的高清平台问世，H.264@1080P60规格并非遥不可及，甚至是能供用一颗芯片支持两路，TI希望在新时代的第一年中就为数字视频监控行业带来更大的惊喜。

增强智能化

智能视频分析应该算是数字视频监控永恒的话题。模拟系统只能通过人工的监视或反复地观看录像带进行异常情况的处理，即便是数字录像，仍然难以摆脱人力的参与观察与识别，直到有视频内容分析算法的出现。早期的视频内容分析基于PC机的后端处理，可以帮人减轻繁重的重复观看负担，但却没有可能及时发现并干预监控现场的突发事件。DSP的引入可以使嵌入式的视频内容分析成为可能，于是如图三所示，智能视频可以在安防市场细化产品中得到充分应用。

图3 智能视频在安防市场细化产品中的应用

视频监控常规产品DVR、DVS和 IP摄像机都可以通过添加前端智能视频处理来增加风险性管理和智能化业务，在与摄像机相关的应用中，智能化可以满足移动侦测、集中检测和自动跟踪等需求。在传统的门禁系统中，生物特征识别不只是指纹，还可以是人脸监测和识别，这便能够自动判定身份而排除人为的弊端。对于侵入侦测和告警，采用智能视频手段将更加灵活和人性化，由此可视门铃类产品将有机会赋予更多的功能。在防火及生命安全的应用中，智能视频同传统的传感检测方式的结合将更加有效。

其实质能使视频的应用范围还有很大的拓展空间，结合视频监控的高清化趋势，面对大量的视频资料存储或传输，不可避免地将占用大量的系统和设备资源，如果能够采用智能视频分析的手段进行一定的处理，将可以有效地过滤掉原始的视频影响，留取最有价值的内容并以高清晰度存储或转发。

在全球讲究绿色“低碳”的形势下，智能视频对空调的管理也可视为一项创新应用。视频监控的智能化一方面是保障工作场所人员的正常流动，另一方面也可以检测到在各个区域中人数的变化，那么由此不难判定室内适合的温度将如何控制，于是结合空调进行供暖或供冷。

基于这样的思考方式，可以想象出更多的智能视频应用，因此增强智能化将是数字视频监控在当前严峻的市场竞争中提升价值空间的必由之路。

实现数字视频最坚实的处理平台就是DSP，TI的明星平台DM642在智能视频嵌入化应用中发挥了重要的作用，而后续推出的Davinci系列平台则可以满足不同方面的数字视频需求并不断取得市场的成功。

为使智能视频应用能够持续强劲地发展，DSP平台的路演规划(Roadmap)和开发生态系统(ECO System) 至关重要。TI从C64+的成功引入，到C64+x的广泛采用，还将以C674x核心集成到新一代的高清SOC中。这是一个浮点和定点兼容的DSP核心，将更有益于更多智能视频的实现。

为促进智能视频的开发，TI基于C64+x平台开开发并集合了超过五十种软件内核组成智能视频基础函数库VLIB，其中包含背景建模与背景抽取算法、目标特性提取、跟踪与识别以及低级别像素处理等。VLIB可高度扩展的软件基础平台，应用领域包括视频分析、计算机和汽车视觉、嵌入式视觉系统，也包含消费类电子产品视觉。VLIB可以从TI的公开网站上登记下载。现在已有成百上千的客户在用TI的DSP进行智能视频软件开发，这也将成为数字视频监控取之不尽的创新源泉。

发挥光学元素

数字视频系统全面取代模拟系统的过程中，有一样模拟设备几乎是长期沿用的，这就是模拟摄像机(CCTV Camera)，其原因在于摄像机似乎是一个光电一体难以分割的整体，其中的光学部分都已固定下来。其实一体化摄像机包含两个部分，前端为CCD或CMOS视频传感器，后端为视频信号处理器(ISP)进行原始视频信号的处理，然后输出为BT656视频信号。以往的ISP由传感器厂商掌握，客户难以开发，那么这种局面是否有可能改变？这就依靠SOC处理器中所集成的“光学元素”。

图4 DM36x视频处理子系统的功能框图

为使数字视频系统更具有特色，特别是满足不同场景需要，对于光学元素的理解和掌握就显得越来越重要，特别是一体化的IP摄像机。TI的DM36x脱胎于数码相机平台，而其中视频处理子系统（VPSS）的性能尤为关键，图4所示为DM36x视频处理子系统的功能框图。在VPSS中包含CCD或CMOS控制器，直接接收原始视频信号，然后由集成的ISP进行预处理，其中有所谓的H3A处理，即自动曝光(AE)、自动白平衡(AWB)、自动聚焦(AF)。当然实现这样的处理中需要具有丰富的专业光学经验，才能够得到理想的图像效果。

同样所谓光学元素的还有镜头畸形校正模式(LDC)处理。VPSS中还有硬件人脸检测引擎、影像协处理器（IMCOP）、影像处理加速器(IPIPE)，以及增强型屏幕叠加显示(OSD)。VPSS还有预览和缩放功能，支持高清分量输出。TI在新型SOC中将采用新一代的ISP并增添更丰富的光学元素。

光学元素将是未来数字视频走向全面高清化和智能化的有利保证，其原因首先在于大量高清的视频传感器为CMOS类型，高清一体化视频产品将是视频监控厂商研发和生产的方向。另外，智能化的监控产品应用与环境的光学因素结合紧密，只有真正掌握了光学的适应性应用才能更有效地拓展各种智能视频应用。

总之，新的时代必将使数字视频监控领域百尺竿头更进一步，中国已成为世界视频监控成长最为迅速的一个市场，其创新的势头和潜力为世人所瞩目。抓住高清化、智能化的机遇，结合中国所积累的深厚光学功底，中国安防企业将有能力增强优势而造福于世界。