影响智能视频分析发展的几种技术剖析

    从技术的发展趋势看，网络视频监控将逐渐成为主流模式；这已经是不容置疑的趋势。而随着网络监控的发展，智能视频分析则成为IP视频监控发展的下一个重要方向。不过，对于大多数芯片厂商和系统厂商来说，随着IP视频监控逐渐向高清、智能化方向发展，带给他们的除了巨大的市场机会，还有新的挑战。设计数字视频监控系统的主要技术趋势是需要达到高画质(1080p分辨率)、视频分析、智能化管理、IP、H.264视频压缩标准、更高的图像信号处理清晰度、器件功能针对应用并配合项目算法功能。这些新趋势使开发人员必须要面对低功耗、低成本以及在环保方面的挑战。

    曾经，在中国的监控市场上，数字硬盘录像机(DVR)占据着视频监控市场的半壁江山，不过，随着网络监控的发展，网络摄像机(IPC)和网络硬盘录像机(NVR)也奋起直追。而这其中，视频智能分析正在成为数字视频监控的热点，而DSP则成为这一技术的推动力。目前还没有关于智能数字视频分析的国际标准，因此只有可编程的高性能DSP和视频处理器才使得更复杂的监测算法的实现成为可能。

    强大的SoC系统

    TI公司的数字信号处理器(DSP)曾经有力地推动了数字视频监控技术的发展，其中具有里程碑的是TMS320DM642通用数字媒体处理器。TI之后所推出的数字媒体处理单片系统达芬奇(DavinciTM)更是为数字视频监控提供了强大的平台。达芬奇的各种系列平台可以完全覆盖数字视频监控的各个应用方向，其中有以ARM为主控处理器和以DSP为主处理器两个主要的发展方向。其共同的特性就是可以支持多种视频压缩格式，包括H.264/MPEG-4等等，所有DSP核心均具有支持VCA的能力。

    目前基于DSP SoC的方案在监控市场占主流地位。同时，一些FPGA厂商希望能在差异化和客户定制化方面显示出自己的优势。通过针对监控应用将FPGA器件和MPU/DSP结合在一起，设计师能从可编程协处理器的固有灵活性中得到好处，还可利用FPGA将精力集中在开发算法上，以充分利用MPU/DSP的处理能力。有的厂商就在其多路视频监控系统硬件平台中采用了DSP+FPGA的方式，用到的是TI的TMS320DM6437，只有1个数字视频输入接口，为了连接8路视频解码器，需要在视频解码器与DSP的视频输入接口之间增加耦合逻辑，而可编程的FPGA可以方便实现二者之间的耦合逻辑。

    为满足未来数字视频监控市场的需求，更大限度的灵活性是必须的，视频压缩技术会向智能化编解码发展，传统的监控还是要向实时智能分析发展，光学系统将会与数字化电子系统更紧密地结合。

    DSP处理器提升智能分析处理能力

    历经几代技术的演进，视频监控系统正朝着网络化(IP)和智能化方向迈进。另外，模拟与数字监控系统混合并存也会是未来几年中国安防市场的特点。作为中高端的方案选择，DSP是目前中国监控市场的主流处理器。ASIC SoC是后进者，对市场有一定冲击。此外，FPGA也在试图进入该市场，但目前还没有明显的成功例子。由于现阶段还没有标准的用于智能分析和处理的算法，基于不同的压缩格式实现智能视频分析处理会对DSP的MIPS要求有很大不同，所以算法的优化非常关键。由于兼具灵活性和高性能，DSP更为擅长智能分析处理工作。

    针对图像处理应用的理想DSP处理器必须具备以下几方面的特点：内核处理能力强;专门针对图像处理的指令集;易于大量数据传输的低功耗硬件架构;高集成度;丰富的软件模块库;功能强大的开发工具。对于视频监控系统来说，最适合的控制和处理应该是控制功能和数字信号处理功能合二为一的汇聚处理器。

    中国国内早期的视频监控产品大部分都是采用DSP，在多通道、高分辨率视频编解码应用中，DSP用软件很难达到系统的要求。而FPGA采用硬件加速的方法，可以实时进行多通道压缩。FPGA的优势是可编程，非常适合需要灵活性高、提供差异化的应用设计。目前，采用FPGA芯片的视频监控产品已经量产。 

    H.264视频编解码技术

    在视频监控历史上，曾先后有多种视频压缩标准。由国际电信联盟ITU定义的专用于低比特率视频电话的标准，包括H.261/2/3；由国际标准化组织ISO针对消费类应用的，对运动图像压缩定义了MPEG标准，包括MPEG1/2/4；由ITU与ISO根据目标应用合作（联合视频小组JVT）定义了H.264编解码技术，有些标准至今仍并存着。目前主要在应用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三种，我们通过以下几点对这些标准进行比较。

    实现成本：包括算法实现的复杂度和资源占有程度，技术获取的难度和代价，以及其最终体现在产品中的成本高低；

    编码性能：主要体现在同等主、客观视觉质量情况下，压缩后所得到的码流大小，这对于网络传输和存储都非常关键；

    网络支持：对网络支持的好坏主要取决于对网络丢包和出错的容错能力与支持网络的自适应能力；

    应用支持范围：由于视频监控领域的应用需求千变万化，一个平台对不同需求的支持能力也非常重要；

    未来潜力：以发展的眼光来看，一个标准的潜力大小体现在未来被行业接受的广泛程度，在相关应用上转化的平滑程度，和对互联互通的支持程度等方面。

几种视频压缩标准的对比

    在视频监控产品中，编码器始终是方案的重点，一个合适的编码器方案往往能够决定一个产品的成败。H.264编码方案正在成为市场的主流，其以卓越的编码性能和良好的网络适应性得到了市场的广泛认同。它不仅可以支持宽广的应用环境，还可满足不同分辨率、不同码率以及不同传输和存储环境的需求。

    H.264是先进的视频处理技术，业内人士公认，在同样的视频回放质量条件下，H.264比MPEG4约节省近40%的传输带宽或硬盘存储空间，这无疑为远程监控的推广应用起到很重要的作用。但H.264的编码效率是以其远较MPEG4复杂的运算量为代价的，其采用最先进的祯间预测模式，包括复杂的运动估计、1/2和1/4像素预测；远较MPEG4先进的祯内预测模式，包括多达13种祯内预测模式；H.264引进全新的环路滤波（in-loopfiltering）技术，对视频回放质量的大幅提高贡献巨大。

    但是应用新技术均需要大量的运算处理，对视频编解码处理平台也提出了新的要求。对软件形式的视频编解码器，如用DSP等通用处理器实现的编解码器，因处理能力的限制，只能舍弃很多H.264的最先进技术（如祯内，间编码预测模式，环路滤波等），这样的结果是其编码效果回复到MPEG4的水平。更严重的是这样的编码器输出的码流不符合H.264标准，所有通用解码器均不能与其配套组成开放的系统。选用非标准的编码器，用户只能限制选用与其配套的非标准解码器，从而变成了一个封闭的系统。