视频监控系统挣脱技术束缚

　　视频监控系统在模拟世界中已经被冷落数十年了。但新技术正在催生一些令人惊奇的新型系统。正如今天的大多数其它视频设备一样，其发展方向是基于互联网协议(IP)、数字、无线以及带智能软件的无人监控系统，并能充分发挥这些技术改进带来的所有好处。今天的最新系统包含许多新的功能：

　　单色到彩色：虽然脱离黑白世界并不是真正的新趋势，但这种情况仍在继续。事实上，今天的大多数监控设备是彩色的。

　　模拟到数字：虽然80%以上的监控摄像机是较老的模拟设备，但大多数新安装的设备都是数字设备。

　　更高分辨率：随着数字摄像机的兴起，分辨率已经从标准清晰度(SD)电视标准发展到包括720和1080高清晰度(HD)标准在内的多种视频格式。

　　IP摄像机：大多数新型的高清摄像机也是IP摄像机，这些摄像机可以将信号数字化，用TCP/IP对数据打包，然后在以太网链路上发送最终生成的数据。

　　新的压缩方法：数字摄像机可以针对高清视频产生超高数据速率。不过，新的视频压缩标准不仅极大地降低了传输数据速率，而且充分提高了存储能力。运动JPEG、MPEG-4和H.264是最常用的压缩方法。

　　无线连接：在大多数系统中，从摄像机到监控中心的链路仍使用同轴电缆。但一些新系统使用以太局域网(LAN)或专门安装的新型CAT5/6 LAN。在一些高端系统中甚至使用了光纤。但出于对便利性和低成本的考虑，无线连接已经成为许多新系统或现有有线系统扩容的首选链路。

　　磁盘存储：视频存档已经从VHS VCR发展到硬盘驱动器。DVR和专用服务器可以按指定时段存储压缩视频。大型系统甚至使用2Tb容量的磁盘阵列。

　　视频分析技术：随着高清数字视频的普及，计算机或FPGA可以用来分析捕获的场景，从而实现智能化。视频分析技术使用人工智能算法和机器视觉技术检测运动、识别物体甚至人脸。大多数专家一致认为，处理数量不断增长的视频的唯一方法是利用智能视频分析技术部分或完全代替人工对捕获视频的分析。

摄像机

　　目前有两种基本的摄像机类型：模拟和数字IP。这两种摄像机的外形丰富多变。子弹型最常见，但半球型和针孔型“间谍”摄像机也很流行。还有室内和室外型号之分。虽然现在黑白摄像机仍有市场，但大多数是彩色摄像机。

　　基本的成像传感器可以是电荷耦合器件(CCD)，或者是CMOS。CCD已经发展得非常成熟，它是极高分辨率但速度非最重要因素的摄像机的首选传感器。CMOS传感器的分辨率已经差不多快赶上CCD了，但仍稍有落后。CMOS能提供非常高的速度，适合要求最大帧速率的场合使用。

　　市场上还有一种使用红外传感器的红外(IR)摄像机，按照字面意义这种摄像机可以用在夜间摄像。红外摄像机的前端通常有一组红外LED，用于照明人眼无法看见的场景或物体。这些LED的照明距离通常限于数百英尺范围内。

　　分辨率是摄像机的一个关键指标。最常见的是老式模拟标准NTSC视频，总共525行(480行可见)扫描线以每秒30帧(fps)的速度隔行显示。另外还有PAL、SECAM和CIF(通用中间格式)分辨率。分辨率被量化为电视线(TVL)分辨率或简化为线分辨率(LOR)。380(最小值)、400、420和480线是基本线数。更高分辨率的模拟摄像机提供560、600或700LOR。

　　目前流行的CIF标准采用352×288像素，速度是每秒30帧。从NTSC衍生出来的NTSC CIF具有352×240像素。四分之一CIF具有176×144个像素。4CIF可提供704×576像素，而16CIF号称可以提供1408×1152像素。一些系统使用索尼的D1视频格式，这是一种SMPTE VTR标准，支持720×480(面向NTSC)和720×576(面向PAL)像素。

　　数字IP摄像机可以提供更高的分辨率。具有640×480像素的标准VGA非常流行。常见的像素分辨率范围从约100万像素到1200万像素甚至更高。市场上也有像标准高清电视那样的720或1080LOR的摄像机，但价格很高。还有针对专业领域的更高分辨率的摄像机。

　　与分辨率紧密联系在一起的是帧速率。虽然30fps被认为是实时速率，但它会产生数量庞大的视频用于存储或传送。为节省存储空间，一些摄像机提供15或7.5fps的较低帧速率。还有帧速率低至1fps的摄像机，但在这么低的帧速率下一些关键动作可能会被遗漏。

　　镜头和物理控制也值得好好考虑。镜头的种类根据具体应用不同而变化，例如是否要微距或长距拍摄，或者是否需要特殊的视角。一些镜头采用电机实现光圈和焦距的遥控。还有固定支架摄像机以及能够水平、倾斜移动并具有变焦(PTZ)功能的摄像机。你甚至还可以买到带红色闪烁LED，使人们以为要上电视的仿摄影机。

　　许多摄像机采用麦克风进行声音捕获，并包含有运动检测电路，只有在检测到动作时才打开摄像机或录像机。在电源方面，大多数摄像机工作在12V或24V直流电源下。有些摄像机也采用电池供电。连接以太网LAN的IP摄像机可以使用以太网供电(PoE)。

　　在连接性方面，模拟摄像机采用标准的IEEE视频信号，在75Ω同轴电缆(RG-59或RG－6)上传输。最大传输距离约300英尺。模拟视频也可以在类似CAT5的UTP电缆上传输，但并不常见。IP摄像机拥有一个RJ-45连接器和一个10/100以太网端口(图1)，传输距离可达100米。大多数IP摄像机实际上是一台小型的网络服务器，拥有自己的IP地址。人们可以通过互联网从任何地方监视这种摄像机。

图1：典型的IP摄像机包含面向H.264压缩的传感器和视频处理电路。SDRAM提供视频流的存储。所有其它处理和接口通常都位于单片SoC或FPGA上。

　　从IP摄像机中的CCD或CMOS成像器输出的信号已经是数字信号。最新的宽动态范围(WDR)CMOS传感器可以直接输出采用RGGB色彩方案的RAW/Bayer数字格式数据流。这种输出可以达到20位/像素。在高帧速率、高清晰度下数据速率将快速提升。例如：

　　20 位/像素 × (1280 × 720) 像素/帧 × 60 帧/秒 = 1.10592 Gbps

　　这种设计的内核是一个快速处理器，带有闪存和SDRAM，并提供视频编码和压缩功能。该设计还支持各种各样的接口和以太网接口(通常是10/100Mbps)，但也有的提供1Gbps以太网接口。大多数设计使用单颗系统级芯片(SoC)，即FPGA或专用DSP执行所有的功能。这些芯片一般都包含接口。存储器位于独立的芯片中(参考“Video Surveillance Compression, Bandwidth, And Storage(视频监控压缩、带宽和存储)”一文)。

无线监控

　　虽然在分辨率、IP连接和分析技术等方面的最新发展趋势使得视频监控比以往更出色，但无线技术对于视频监控的普及贡献最大。电缆安装成本高、耗时长，常常令人烦恼。而且电缆有时会限制摄像机的摆放位置，从而无法获得最佳的可视效果。

　　无线链路可以解决这些问题。给每台摄像机安装高性能无线调制解调器后，一直到中心采集点的任何地方都可以建立连接。安装起来超级快速和方便，而成本要比电缆低几个数量级。无线方式之所以可行，是因为这种技术现在可以支持在合理距离内传输所需的高数据速率。

　　视频摄像机可以使用三种基本的无线拓扑之一：点对点(PTP)、多点对一点(MTP)和网状拓扑。在小型、简单系统中，直接PTP通常是很好的解决方案。有些系统可以支持多个PTP连接。在MTP拓扑中，多台摄像机使用单个无线采集点，数据在此完成汇聚、存储或处理。但当摄像机超出主MTP控制节点的范围时，就要使用网状拓扑方案。

　　无线网状网络已经开发了很多年，业界也已推出许多性能优异的系统。在网状系统中，每个节点通常可以与任何邻近的其它节点通信。每个节点都可以用作中继器，完成数据收发，或将数据转发给相邻节点。这种转发功能使得摄像机和节点可以散布在很大的范围内，而这个范围一般都会超出单台无线设备的范围限制。

　　无线设备通常是数字的，被设计用于传送以太网数据包。它们大多兼容最新的IP摄像机。不过早先的模拟系统也可以通过数据转换器兼容无线设备，这些数据转换器的作用是将模拟输出信号数字化并分组为适合无线传送的以太网数据包。

　　无线技术的选择取决于许多因素，如覆盖范围、可靠性、成本和所要求的数据容量。也许使用最为广泛的无线技术是Wi-Fi类技术，即广受欢迎的采用2.4GHz频段或5.8MHz频段(某些情况下)的IEEE 802.11标准。该技术是针对以太网设计，可以很快、很方便地匹配任何有线以太网LAN。

　　802.11a/g数据速率有可能高达54Mbps，用于IP传输的典型值是22Mbps。随着802.11n设备的推出，甚至可以实现超过100Mbps的更高数据速率。多入多出(MIMO)技术的使用极大地扩展了802.11的覆盖范围和可靠性。定向天线还能将范围扩大到数英里。此外，市场上还有多种私有的2.4GHz无线技术。

　　虽然用于传输视频的900MHz无线设备较少见，但在需要超长距离传输的场合也有使用。频移键控(FSK)或简单的直接序列扩频(DSSS)调制技术使得它们在有噪声的地区或有许多其它2.4GHz干扰源的场合中非常可靠。由于其固有的鲁棒性，900MHz无线设备在UAV中非常流行。

　　另一种能够满足更快速率和更长距离需求的技术是WiMAX。这种宽带无线技术能够可靠地将高速率数据传输数英里远。WiMAX系统通常是需获得许可的，在美国使用的是2.3GHz频段。5.8GHz频段在美国也得到了广泛使用。在一些特殊情况下甚至会使用机器对机器(M2M)蜂窝或微波/毫米波回传系统。

　　覆盖范围在很大程度上取决于多种因素，如工作频率、发射功率、接收灵敏度、天线类型、天线的增益和高度以及环境条件。在大多数情况下数百英尺是很容易实现的，但覆盖几英里的范围需要使用专用的设备。

　　所要求的数据速率也是一个重点考虑因素。该要求最终归结为这些内容：视频格式、帧速率、压缩类型以及无线技术的上限等。大多数无线装置可以轻松处理压缩后的视频。即使是30fps帧速率下使用MPEG4-SP的CIF格式，所需最大数据速率也仅为600kbps。即使是高清视频和使用H.264的合理帧速率下，超过数Mbps的数据速率也很少见。所有这些速率都在大多数可用技术的指标范围内。

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　　可靠性是另外一个问题。如今的无线链路如果设计正确的话，其可靠性丝毫不亚于有线系统。无线链路的设计目标是要创建额外的衰减余量，以适应天气和不断变化的环境条件，如移动中的物体、树木的生长或吹风以及新的建筑。最后就是安全性问题。利用加密技术甚至定向天线，现有设备可以满足大多数安全要求。

　　大多数新的IP系统采用无线技术，因为安装起来更快、更方便，更不用说更加便宜了。现有的有线LAN通常可以在系统规模不太大时用来传送视频。无线调制解调器可以方便地扩展有线系统。另外，不要忘了与现有模拟系统结合的潜力。这种混合系统很常见。

产品与系统

　　市场上已有惊人数量的产品支持向更高分辨率的IP视频监控系统发展。

　　Allied Telesis公司生产面向视频系统的以太网交换机。这种交换机是大型系统中的重要组件。大部分大型系统需要独立的以太网LAN，以防止巨大视频流量造成IT网络过载。大型监控网络中每台IP摄像机高达4至7MB的数据量很可能超出任何企业LAN的负载能力。

　　在一个经优化的系统中，每台摄像机将它的数据发往交换机，交换机再与存储服务器以及客户端PC和监视器通信，完成对视频流的访问和系统的控制。Allied Telesis公司的AT-8100S可堆叠式交换机就是针对这些视频监控系统(图2)设计的。

　　FPGA供应商Altera公司也把目光瞄准了视频监控市场，并推出了基于单片FPGA的高清IP摄像机参考设计。这个解决方案采用了Altera的低成本Cyclone III或Cyclone IV FPGA以及Eyelytics公司和Apical公司提供的知识产权。

　　上述设计可以与AltaSens公司的1080p60 A3372E3-4T和Aptina公司的720p60 MT9M033高清宽动态范围(WDR)CMOS图像传感器一起使用。与采用传统DSP和特殊应用标准产品(ASSP)的架构相比，其设计目标就是要减少电路板面积和功耗，提高灵活性并缩短开发时间。

　　传统的DSP和ASSP不具备接受来自1080p和720p WDR CMOS传感器的大带宽数据所要求的处理能力。例如，一个全高清光栅影像有2200×1125个像素，每个像素超过16位，每秒帧数为60帧，因此最终数据带宽超过2Gbps。Altera公司的FPGA可以提供这样的带宽。Altera的高清监控IP摄像机参考设计包括：

　　Apical公司的ISP，它整合了世界一流的WDR处理“动态范围修正(iridix)”和先进的时空降噪功能；

　　Apical公司针对Altasens A3372E3-4T WDR模式的“棋盘去马赛克”内核；

　　“3A”功能，例如在Altera的Nios II嵌入式软核处理器上用软件实现的自动曝光和自动白平衡；

　　Eyelytics公司的H.264视频编码器，能够实现主要类720线逐行每秒30帧编码或1080线逐行每秒15帧的编码能力；

　　Altera的三速以太网介质访问控制器(MAC)知识产权内核。

　　由于不需要DSP或ASSP，并将所有这些功能集成到单片Altera FPGA上，设计工程师可以减小电路板面积，从而节省成本、降低功耗。与以前的设计相比，Altera的单芯片解决方案可以降低50%以上的功耗。

　　在这个参考设计中捆 绑全套的知识产权使设计人员能够迅速启动摄像机开发，开发时间最多可以缩短一年。摄像机设计人员要做的所有工作就是利用自己的特殊功能定制FPGA，例如加入自己的软件用于运动检测以及平移、倾斜和缩放控制。

　　Basler公司也生产高品质的现代IP摄像机(图3)。他们提供固定支架和半球型版本。不同的型号提供不同的分辨率，如640×480、1024×768、1280×960和1600×1200像素。所有型号都使用索尼的Wfine逐行扫描CCD图像传感器。

图3：根据型号的不同，Basler公司的IP摄像机提供不同的镜头和处理。图中所示为仅3.5英寸并带有DC驱动光圈的一款产品。

　　帧速率的大小取决于分辨率和压缩机制，从较低分辨率时的30fps到最高分辨率时的4fps不等。摄像机支持运动JPEG、MPEG-4和H.264压缩标准。CCD输出信号在模数转换器(ADC)中完成数字化，并传送到FPGA进行初始处理，然后送到带有128MB RAM和8MB闪存的内部双核600MHz DSP上。

　　I/O是标准的10/100以太网接口，必要时还可以使用RS-232接口。电源通过PoE或7V至20V直流电源提供。多编码功能允许实现多数据流。图像还可以缩放。兴趣域特性使用户可在原始视域内定义定制区域。还能实现带告警的运动检测。

　　虽然大多数高清视频监控会采用无线链路或在CAT5/6以太网上传输，但同轴电缆仍有一定的市场。忽略大量安装的RG-59或RG-6同轴电缆基础设施似乎是一种浪费。现在已经可以通过这种同轴电缆传送高清视频，这要归功于Gennun公司推出的Aviia(工业应用高级视频接口)系统，可在同轴电缆上传送高清视频。现有的模拟CCTV用户只需断开摄像机和一些其它设备就可以升级到高清制式，无需用CAT6/6 UTP重新布线或转用无线连接。

　　Aviia发送器(TX)和接收器(RX)芯片组支持8、10或12位分量数字视频。它给24、25、30、50和60fps的标清525i或625i格式和高清720p格式提供串行接口。提供的其它格式包括50和60fps的HD1080i或24、25、30、50和60fps的1080p。

　　高清格式下的收发距离在RG-59上可以达到160米，在RG-6上可以达到230米。标清格式下的收发距离更远，在RG-59上可达330米，在RG-6上可达440米。线缆供直流电(PoC)功能被设计用于远程摄像机。用于遥控的6Mbps辅助数据通道也是一个重要特性。该系统允许格式中包含多达8条音频通道。

　　Aviia芯片组基于Gennum公司先进的串化器/解串器技术。发送器指定为GV7600，接收器GV7601使用了电缆均衡技术。这些器件采用HDCCTV联盟发起的标准。这种技术是专门为广播电视开发的。

　　视频采用无压缩方式发送的，且没有通过TCP/IP封装。最终可以得到这样一种系统：摄像机可以插入接收设备，视频发送具有最小延时，配置非常少。

　　数据速率在标清格式下为270Mbps，在高清格式下为1.485Gbps，在50/60fps帧速率1080p格式下为2.97Gbps。该芯片现已供货，并提供参考设计。其它应用包括数字标签、机器视觉和视频会议等。

　　Intersil公司的Techwell事业部也用有大量芯片能够支持视频监控设备设计。例如，他们的TW6864和TW6868多通道视频捕捉芯片就是高集成度的单芯片解决方案，支持通过PCI Express x1接口进行多通道实时视频和音频捕获，非常适合PC DVR应用。

　　每种芯片都号称具有4个高质量的NTSC/PAL/SECAM视频解码器，可以将模拟复合视频信号转换为YCbCr数据数字分量。它们还采用自适应4H梳状滤波器来分隔亮度和色度，以减少交叉噪声伪像。TW6864和TW6868包含一个高性能专有DMA控制器，可充分使用PCI Express x1带宽，这使得它能够以最优的吞吐速率传送视频和音频数据。

　　这些器件支持广泛的视频应用，包括同时解码和传送4通道实时D1视频，或多达16通道的非实时视频。它们还支持多种视频显示格式，如D1、半D1和CIF。

　　通过实现Techwell先进的专有视频交换技术，这些芯片在非实时交换模式下拥有业界领先的视频锁定速度。此外，配合外部Techwell四通道解码器，TW6868可以传送多达8通道的实时D1视频和9通道的音频输出。

　　美信集成产品(Maxim Integrated Products)公司的Mobicam3 IP摄像机参考设计套件基于美信的MG2580 SoC，后者集成了IP摄像机所需的大部分电路。该芯片能处理CIF、D1和720p视频，并提供高达1200万像素的H.264和M-JPEG解码功能。芯片中还包含满足G.722、AMR、AAC和MP1/2/3标准的音频编解码器。

　　MG2580芯片集成了带以太网和USB I/O的ARM9。它的基本视频分析功能包括运动检测、绊网和图像跟踪等。Mobicam3套件还列出了一整套美信的其它线性产品，用它们可组成完整的摄像机。

　　德州仪器(TI)公司也有一系列完整的监控视频芯片、参考设计和软件(图4)。这些器件源自基于著名TMS320 DSP的TI达芬奇(DaVinci)系列视频处理器。

图4：TI拥有一系列针对视频处理的完整IC产品，这些器件都源自TI达芬奇系列视频处理器。

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　　DMVA1和DMVA2视频处理器主要用于IP摄像机领域。这些SOC基于TI的TMS320DM643x达芬奇平台，内含一个300MHz ARM9内核。两种器件都具有视频分析功能，包括人数计数、触发区、运动检测、摄像机篡改检测和流媒体元数据。它们支持H.264、MPEG-4和M-JPEG压缩，并能以每秒30帧处理D1视频以及较低帧速率下处理720p视频。基于Aptina 500万像素CMOS成像器和Linux软件的参考设计现已提供。

　　DM365和DM368也是针对IP摄像机设计但没有分析功能的片上视频处理器，同样也提供参考设计。DM6435是一款数字媒体处理器，主要用于高清IP摄像机。TI还提供基于DM6435的视频分析卡。

　　DM8168 SoC将所有捕获、压缩、显示和控制功能整合进了单颗芯片。它能处理多通道并行高清、D1和CIF视频编解码，同时支持高清分辨率下的H.264、MPEG-4和VC1视频格式。这款SoC包含所有必需的接口，如千兆以太网、PCI Express、SATA2、DDR2/3、USB 2.0、MMC/SD、HDMI和DVI。DVR就是其应用例子之一。

　　VideoIQ公司在其iCVR摄像机(图5)中提供了一种创新的方法。这种摄像机有标清和高清两种型号。高清型号在30fps帧速率下采用普通1080p格式。该公司的独特方法是将存储和智能嵌入摄像机内部。高清传感器产生全色彩视频，再用H.264压缩，然后存储在500GB的内部磁盘上。

图5：VideoIQ公司如图中所示的半球型摄像机非常独特，它们在摄像机内部存储和处理数据，以便在日后需要时访问。

　　用一台基于Linux的内部计算机存储智能软件，这种软件包含视频分析功能和其它算法，可用来掌握周边环境，并将通用状态应用于流媒体数据。这种方法的主要好处是，不必再用以太网连接将视频流送往服务器，而可以存储在内部。

　　这是一种很好的方法，因为大多数监控视频不会被连续观察。这些视频可以存储下来供日后需要时访问。每台摄像机本身就是一个完整的系统。连接是通过以太网回传到监视系统服务器完成的。一般是通过PoE供电，但也可以使用传统的24V或12V直流电源。

　　数字高清使得今天的视频监控更加完善，这是视频监视系统向前迈出的一大步。毕竟，正如Western Digital公司的Ed Strong问到的那样：“如果你不能生成可以用作证据的细节，监控还能有什么好处？”

　　虽然高清视频提供了细节数据，但你仍不得不存储视频以供日后需要时访问。幸好有压缩技术和一些新型大容量硬盘，使得存储数据变成了现实。Western Digital已经推出针对监控市场优化的新款硬盘。

　　Western Digital的WD AV-GP系列硬盘现包含2TB容量的产品(图6)，这是目前为止业界最大容量的硬盘。采用WD GreenPower技术的WD AV-GP硬盘提供更易于冷却和更安静的操作模式，并具有更低的功耗。

　　WD AV-GP硬盘设计能承受监控和安全市场的严格环境要求，与同类标准硬盘相比，功耗可降低40%。WD AV-GP 2TB硬盘非常适合要求更大容量硬盘和极高可靠性的DVR和监控视频记录应用。这些硬盘被设计成可不间断工作。

　　赛灵思(Xilinx)公司也为视频处理用FPGA提供软件和应用程序。这种软件可在该公司的Virtex和Spartan FPGA系列产品上运行。例如，赛灵思的Spartan-6工业视频处理套件包含有LX-150T FPGA开发板、DVI/HDMI I/O、Omnividion OV9715 720P图像传感器和参考设计。该软件可以帮助设计工程师通过FPGA编程实现大部分常见的图像处理任务，例如边缘增强、各种图像校正、视频缩放、噪声降低，甚至是用于监控应用的视频分析等。