化解数字视频的技术障碍:如何克服沟通障碍

　　针对安全监控系统而言，主要任务就是需要一种低成本方式，实现在几小时、几天、几周乃至几个月的时间里实现视频影像的传输、存储以及搜索。就此，随着关键技术的不断发展，安全监控行业正经历着重大技术提升。
　　其发展主要表现在：数百万像素功能的低成本数字摄像头不断涌现；低成本高清(HD)监控器的出现，具有压缩协处理器的新型DSP的推出。IP技术的普及与统一站点网络融合；以太网供电(PoE)技术推进成本下降，且不用再为每个摄像头配备电源。以及大容量存储设备成本下降等。此外，内置计算功能的新一代摄像头已经上市，可执行视频分析功能，并承担一定处理任务，将操作人员从繁重的监控工作中解放出来。
　　这些重要技术发展趋势有助于安防人员处理、显示、评估并存储大量视频内容，这些视频是通过无所不在的监控摄像头收集而来。
　　
　　带宽，延迟以及存储容量仍然是主要技术难题
　　
　　安全技术人员很清楚地认识到，监控解决方案的视频要求与“好莱坞大片”式的视频完全不同，不是在摄影棚里拍摄的。安全监控摄像头通常要工作在光照较暗、对比度较低的环境下，而且摄像头所在位置通常对捕获目标区域都不是非常理想。
　　
　　非常幸运，安全监控系统的主要目标是人员、物体或特定区域，因此通常不需要广播级的影像质量。针对高端应用而言，系统或许需要较高分辨率进行捕获与读取某些信息，如在恶劣环境下捕捉并读取行驶车辆的车牌号。
　　北美电视标准帧速率为每秒30帧，有源影像分辨率为720×480像素。安全监控系统的分辨率与帧速率可以远远低于该标准，因为其根本不需要捕获所有细节。这样就可大量获得存储与通道密度等优势。因此，许多模拟安全监控系统的运行帧速率仅为7.5 FPS，影像分辨率则仅为352×288像素(CIF标准)。
　　通过降低帧速率或分辨率，在一定带宽下甚至可支持四个摄像头影像，而不仅是一个。如果同时降低帧速率与分辨率，正常情况下，一个摄像头影像所占带宽就可支持16个摄像头的影像。当然，节省带宽也是有代价的，即影像质量下降。在帧速率为7.5 FPS时，画面可能会不流畅，在影像分辨率为352X 288像素时，细节可能比较模糊，不过操作人员通常仍可分辨出场景内容。在传统系统中，通常要通过降低帧速率或分辨率或同时调低这两个参数，来实现降低成本的目的。
　　新型摄像头技术改进了压缩方法，并采用更低成本存储设备，这样系统就可支持更高的帧速率与分辨率，通常可达720×480全像素分辨率与30 FPS帧速率。若有需要，新型系统也可通过编程采用较低的帧速率或分辨率降低成本。
　　安全监控系统的另一关键要求就是低延迟，延迟涉及两方面内容，一是视频显示在显示器上所需时间，二是摄像头平移与缩放某一可疑事件的速度。实时视频监控有时会因延迟较长而受影响，导致操纵杆控制与摄像头的移动不同步。之前，模拟电视系统的发射延迟总是要比IP视频系统好。要想降低数字视频延迟，就应解决以太网多变的延迟与损失问题，还要解决视频编码与解码本身造成的延迟。通常情况下，确保良好网络基础局端，并采用高级编解码器与视频压缩技术，即可解决上述问题。
　　视频存储也是一个挑战，因为大多数安全监控系统都必须支持存储功能，要在几天、几周、几个月乃至几年后还可将视频内容调出来检索。系统应将高效压缩算法与低成本大容量存储设备结合起来，这样才能满足必需的数据存储量，不过考虑到数据量确实非常大，存储技术还应该能够标记并快速跳转到特定部分，比如直接跳到有人出现，或者某辆车驶离停车场等某帧。
　　这种要求就催生了视频分析，计算机可进行分析运算，识别目标事件并将其标记下来，以供人工解释或其进行其它操作。
　　
　　根据不同应用采取不同压缩方法
　　
　　正如前部分提到的那样，压缩方案对实现强大视频安全监控系统至关重要。多年来，不同的压缩方案层出不穷，不过安全监控系统一直主要采用MPEG与H.264标准。这些算法会频繁采用参考影像，后续影像只存储相对于参考影像发生变化的信息，这就有助于将影像尺寸降到最低。
　　帧预测不一定总是最佳解决方案。在帧速率较低时，不同影像间的变化可能较大，这时，这种运动估计节省的带宽就非常有限。不过，更新的成本新技术进步是采用必要而实用技术(如MPEG-4与H.264编解码器)，以支持电视画质的帧速率。
　　实现MPEG算法的压缩标准在视频系统中很受欢迎。请注意，MPEG实际包含了多个标准。MPEG-2是一种较早期的标准，主要用于DVD与广播视频，而MPEG-4则可针对特定比特率实现更加清晰的画质。H.264则是最新增加的标准，也称作MPEG-4 Part 10或高级视频编码标准(AVC)，该标准具有更高的压缩性能。
　　一般规律是，标准30 FPS模拟摄像头采用H.264压缩技术，比特率是1Mbps。通常MPEG-4所用带宽高于50％，而MPEG-2所用带宽又要比MPEG-4多出50％。
　　要实现这种高质量压缩，运行压缩算法的计算能力就会相应提高，这会导致成本提高，乃至延迟时间加长。但是，随着信号处理器功能变得日益强大，价格不断降低，这种计算性能提高的负面影响在今后几年会有所降低。
　　系统集成商或安全管理人员必须确定系统可接受的最低视频质量，这决定了视频的影像解析度与帧速率，配合所用的编解码器，也就决定了视频所需的数据传输速率、计算量以及存储空间大小。目前，MPEG-2算法用于原有系统中，而新系统则不采用这种算法。MPEG-4是一种处于中间水平的压缩算法，常用于低端系统。H.264则是新系统常见的压缩算法选择。视频分析技术有助于简化网络，减轻存储空间负担
　　一些因素推动压缩算法从MPEG-4向H.264转变。自MPEG-4被开发出以来，工程师不断改进压缩技术，很多是在H.264上的创新，这种新算法不是只使用一个参考帧，而是采用多个参考帧，而且支持尺寸可变的预测块。
　　根据具体实施的特性与选项的不同，压缩效率会有很大差异，不过总体说来，计算开销与延迟间可以进行一定的折中。因此，采用H.264压缩算法时，人们可以从一些预定义的特性集中选择(也称作配置文件)，其中的H.264高规范可以支持低延迟多解析度视频的数据流，而这正是视频监控应用的重要要求。此外，在视频质量与比特率之间折中平衡时，有许多可调节的“旋钮(knob)”，必须作出适当的设置。
　　如前所述，延迟问题非常重要。目前，如果从事件发生到事件在屏幕上显示出来有100毫秒延迟通常还可以接受。我们最好把延迟作为系统级问题来解决。由于延迟非常 重要，因此系统应将原始视频直接提交预览显示，而不应先传输到录制/存储系统。然后再显示。当然，不同的压缩算法会在原始数据与存储影像之间造成不同程度的延迟，我们建议关注延迟问题的系统开发人员认真考虑采用H.264压缩算法。
　　人们还会关注视频数据的传输问题，即有没有足够的带宽实时传输所有影像数据。在采用内置硬盘的模拟摄像头与DVR的混合系统中，DVR必须具备足够高的带宽以处理所有视频馈送。即便就完全采用IP摄像头输出的数字馈送，也会出现同样的问题。编解码器与比特率的选择也会对网络和存储设备是否适用产生影响。
　　在安全监控应用中，我们必须避免网络过载，因此轻载(over-provisioning)是最好的解决方法。100Mbps以太网通常可以非常可靠地支持8个1Mbps摄像头，而10Mbps以太网则难以胜任。当然，最终决定要取决于采用什么样的交换机与集线器。存储技术也肯定会对安全应用造成影响。不过，我们不见得一定要一直传输所有数据，可以仅在发生特定情况的时候传输数据。新型智能摄像头与DVR采用智能视频分析技术，能根据用户编入的事件对影像进行检查，检测是否发生了感兴趣的事件，比方说有人出现、有人离开等。常见的视频分析范例包括：检测潜在的可疑活动，比方说是否有人在敏感区域徘徊，监控交通状况。机场安全监控；以及检测是否有遗留下来无人看管的物品等。利用分析技术，我们可仅在发生特别事件的情况下才传输或存储视频，这就降低了整体网络和存储需求。
　　分析功能正日益成为安全应用的必备特性，因为它有助于操作人员更高效地开展工作。例如，如果我们通过人工盯着多部摄像头画面来监控活动目标的话，就会消耗大量时间，甚至可能发生误报或者漏报。在没有智能化支持的情况下，视频监控只是一种被动的工具。分析技术能帮助我们缩短检测到安全机制遭破坏并发出警报的时间，避免反应过慢，贻误战机。
　　
　　设计出优化视频智能的系统
　　
　　DSP能支持更高的帧速率，相应提高视频画质，改善压缩，确保可接受的带宽占用，并支持视频分析功能，从而引领趋势发展。TI等供应商提供的高性能处理器通常能支持7200MIPS的高性能，而时钟频率在1GHz以下，有助于快速执行复杂算法与操作。
　　上述处理器与高级软件相结合。将监控摄像头与DVR技术提升到一个新的层次，实现了智能视频分析功能。借助ObjectVideoOnBoard等专用软件，制造商已能够开发出新型监控产品，以执行可靠的智能视频功能，如分析视频、生成警报，并能根据用户定义的规则生成其它可执行的信息。
　　这种高级视频内容分析技术能帮助用户确定相关对象，并根据这些对象的活动作出判断。例如，判断他们是否穿过了视频绊网(video tripwire)，闯入特定区域或只是出现在摄像头视角范围之内。智能设备根据有关规则进行处理，以便与视频分析进行实时比较。通过选择只输出警报情况下的视频数据，还能优化网络带宽。此外，智能监控摄像头还可用于需要在关键环境下及时采取防范措施的安全应用，这些环境包括机场、边境管制以及商业财产等。
　　比方说，有的摄像头实现了超过120 dB的超宽动态范围传感器，克服了光线不足环境下的影像退色问题。这种摄像头还采用可选MJPEG和H.264压缩技术，以满足用户要求，帮助他们以更高的影像质量或更低带宽传输视频数据。
　　通过充分发挥DSP技术优势，摄像头可执行视频分析功能，减轻了传输实时视频至机房服务器(backroom server)的网络负载。智能摄像头可运行整套分析功能，而成本仅为专用服务器的一小部分，用户还能轻松定义摄像头视角规则。还有一种应用设计方案，则是采用协处理器，通过子卡来减轻高端视频分析工作的处理负载。例如，ARM处理器可用于在影像管道中执行简单的运动检测，但我们可添加DSP协处理器，这样中端或高清摄像头就能获得足够高的性能，来满足高级视频分析功能的需求了。高性能DSP可执行视频内容分析、视频压缩与编码，以进行视频传输与存储，而ARM处理器则负责其它任务与联网功能，以及MPEG一4与JPEG编码等。
　　通过在协处理器设计中集成HD MPEG-4，我们可以提高摄像头的灵活性，实现双数据流功能，支持可拆卸存储，提高数字缩放功能，并扩大摄像头视野，此外更不要说还能通过集成影像管道所带来的成本节省优势了。
　　很快，安全监控应用只能将就使用模糊不清的抖动影像的日子就会一去不复返了。智能设备将帮助操作人员针对任何可疑活动进行更高效的定位、跟踪、探测与反应。