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    智能网络摄像机的发展及应用

    2011-04-20 03:04 睿芯飞电子
       

    智能网络摄像机是前端智能主形态

      智能监控在过去几年一直未能真正实现普遍性商用,究其原因之一是视频图像质量低下而无法为智能分析提供基本资源,但这两年随着高清技术的逐渐普及,使得基于高清晰图像实现智能分析成为可能且技术不断成熟。

      智能网络摄像机是前端智能的主要形态

      前端智能是视频智能分析技术的主要应用形态之一,网络摄像机模拟摄像机由于硬件结构等固有因素,因而在智能的实现模式上完全不同。我们知道,一台智能摄像机必须由包括摄像镜头图像采集环节、A/D与图像预处理环节、智能分析与计算环节、编码压缩环节、网络传输环节五部分组成。网络摄像机本身就具备图像采集与处理、编码压缩、网络传输模块,只需添加一个智能分析计算模块即可组成智能网络摄像机,视频图像经智能网络摄像机进行分析处理后就可依据需要传递至管理中心。甚至一些要求不高的专业应用,且CPU性能较强的网络摄像机只需直接灌入智能分析软件就能实现某些智能化应用了。

      而模拟摄像机则不然,其结构一般只有图像采集处理环节,图像编码压缩则通过DVR或其它外部编码设备来完成,在这样的结构上直接内置智能芯片来实现智能应用的成本较高,所以模拟摄像机的前端智能大多采用外接智能盒的方式。即由智能分析盒负责对摄像机提供的图像信息进行智能分析,然后将结果传递至编码设备(如DVR等),再由这台编码设备的传输至管理中心。也就是说,与上述的一体化网络智能摄像机不同,模拟摄像机的智能化必须通过多台独立的设备分别操作才能完成。

      虽然目前通过外接智能盒实现智能应用还较常见,但由于这种分体式前端智能解决方案一方面设备多,在建设和维护方面都较繁琐且成本高,另一方面,多设备间的互通与运行也会存在不稳定等诸多问题。而相比之下,基于DSP芯片的一体化智能网络摄像机则不论在成本投入还是系统的安全可靠性,以及扩展性能方面都具有明显优势。

      另外,还有更重要的一点,前端智能的实现前提是高质量图像,越完善、越丰富的智能就需要越清晰的图像,前文也提到,智能的应用要真正普及必须先普及高清监控,而模拟摄像机如果要实现高清就必须对视频源不做压缩处理就进行传输,传输方式虽既有模拟化的YPbPr分量传输,也有数字化的DVI、HDMI或者HD-SDI传输,但不论哪种,这些传输手段所需要的线缆等成本都将非常高昂,根本不可能真正做到普遍性应用。而网络摄像机的高清化却是采用基于高效压缩的、网络化的方式进行传输,其传输线缆就是网线,与标清时代的IP传输是完全相同的,不会增加部署成本,成本的有效控制对普及应用来说肯定是非常重要的因素。由此可见,在高清领域,网络高清摄像机必然是主流。并且,随着网络与高清技术的不断成熟,网络高清摄像机的市场规模已在迅速扩大,款型与性能都几乎已可与发展多年的模拟摄像机相媲美。相应的,网络摄像机越发展,一体化的智能前端应用也将越普遍,而智能视频分析盒则会慢慢淡出市场。

      智能网络摄像机的应用有所侧重

      前端智能与中心智能并存

      与前端智能也就是网络摄像机的智能应用相对而言,目前在智能应用领域还有另一种应用形式就是中心智能,也叫后端智能。与前端智能利用前端摄像机自身的芯片进行计算不同,中心智能是利用后端计算机纯软件的方式进行分析,即摄像机并不提供任何智能分析与运算结果,而只是单纯的向管理中心传输图像信息,所有智能运算与分析全部由中心进行。

    前端智能与中心智能并存

      中心智能解决方案除了在管理中心要配置性能完善的智能分析运算软件以构成中心智能图像识别、客户端智能图像识别及第三方数据分析这三个模块之外,由于前端摄像机并不对图像进行任何分析,所有图像数据都必须传至管理中心,因此,中心往往需要一台或多台容量庞大、性能优越的管理服务器

      感兴趣区域压缩编码技术(ROI):视频压缩比和视频质量是一对矛盾体,压缩比越高,视频损失越多,相应的视频质量也就越差。但人们在观看监控视频时,通常只对某一个特定区域感兴趣(通常为视频中央区域),这一区域内的图像要尽可能清晰,其他部分图像可以相对模糊一些。基于上述要求,图像感兴趣区域压缩编码技术应运而生,即在图像中对感兴趣区域进行无损压缩或近无损压缩,而对背景区域进行有损压缩。这样既可使得重构图像有较高的视频质量,又可得到较高的压缩比,很好地解决了压缩比和图像质量之间的矛盾。

      可伸缩视频编码技术:是通过将单一码流分为若干层实现的。如果视频编码器经过一次性压缩后产生的码流能被解码端以不同的码率、帧率、空间分辨率和视频质量解码,则称该编解码系统具有“可伸缩性”。从这个定义可以看出,可伸缩编码只需对视频节目源编码一次,即可通过传输、提取和解码相应部分的压缩码流,重构出各种分辨率、码率或者质量级别的视频。这种编码方式与目前使用的联播编码方式相比,满足各种不同需要的能力更强,编码效率也大大提高。编码器提供的单一码流具有可伸缩特性,能够自动适应用户网络的网络状态和终端设备。网络带宽较好的环境下可传输高分辨率、高质量的视频,而如手机监控这样的低带宽环境下,只传输低分辨率低码流的视频。

      可伸缩视频编码的基本思想描述如下:编码器将视频序列编码成一个基本层和多个增强层。基本层具有最低视频质量,增强层可以改善基本层质量。高清监控设备可以根据带宽及终端需求选择发送数据量。例如空间可伸缩编码应用中,手机视频的分辨率较小,这时就没有必要传输较多的增强层(对应于较高空间分辨率),而只需传输适合手机分辨率的基本层即可。接收端根据接收到的数据,解码出相应质量的视频。接收到的增强层越多,解码的视频质量越好。通常假设基本层数据低于最小传输带宽,所以解码端总是可以解码出最低质量的视频。通过使用采用了可伸缩视频编码技术的高清视频编码器,可以自适应各种网络带宽条件下的视频监控需求,带宽问题不再是困扰;同时解码端也可以根据自身解码能力选择只解基本层视频还是解码更多的增强型视频,很好地缓解了显示高清视频时解码显示能力不足的问题。

      “智能前端”动态编码自适应技术:通过“感兴趣区域编码技术”和“可伸缩视频编码技术”的应用,高清监控视频中网络带宽和解码显示能力的压力大为减轻,但占用存储空间大的问题并没有得到本质解决。智能视频分析技术的发展带来了解决这一问题的新途径。监控行业中大部分视频是冗余的,用户更关注的是发生异常事件时的特定视频,“智能前端”高清网络摄像机,和智能分析算法相结合,可实现越界、拌线、区域停留等十余种行为分析。正常状态下“无关紧要”的视频流采用标清格式录像,而一旦有异常状态发生,自动切换至高清录像,既保证了监控视频的细节,又不会对存储造成过大的压力,同时,还提高了有效视频的检索效率。经过验证,可以节省30%-50%的存储空间。

      结语

      视频编码技术的进步给高清监控带来了新的发展,有效地缓解了高清视频监控在网络带宽、解码显示能力、存储资源上遇到的瓶颈,成为了监控行业全面高清化最有力的助推力量。一些安防厂商以技术领先型企业为定位,坚持高清化、智能化的发展方向,发挥其在视频编码方面的核心技术优势,不断开拓创新,服务社会,服务用户,力助安防行业高清化的全面发展