高清网络摄像机及其智能化的方案设计

    要使网络视频监控系统智能化，其最重要的产品形态就是使网络摄像机智能化。这样，所监控的视频图像，经过前端智能网络摄像机的分析识别后，可只将有异常的图像传输到后端去记录与显示，因而可大大减轻网络的负担。但如何使高清网络摄像机(1280×1024)的富余CPU资源，嵌入哪些智能视频分析与识别的软件算法到网络摄像机中，是目前国内外安防学者研究的重点之一。

　　众所周知，拾取所监控的光电图像要靠摄像机，而模拟摄像机只能传输单向的视频信号，其性能受制于DVR和操作员的水平。但网络摄像机能够传输全双工的数字化信息，并能够与系统内的其它设备有效集成，使它们能够在一个分布式、可扩展的环境下达到更高的性能水平。网络摄像机可以与多个应用系统并行通信，以实现各种不同的功能，例如侦测画面中的运动情况，或发送不同格式的视频流等。带有IP地址的摄像机更加方便组网，因为它不需要进行额外的模/数转换，也不需要在摄像机端安装发送设备，所以摄像机的尺寸将会越来越小，而这也更便于隐蔽，是安防监控系统所需要的。

　　网络摄像机将传统摄像机和电脑的功能整合到了一起，它不仅将视频信号数字化并压缩，还拥有一个网络接口。其视频通过IP网络传输，并记录在装有视频管理软件的标准PC上。用网络摄像机组成的网络视频系统是一个真正的网络视频系统，同样也是一个完全数字化的系统，因为没有使用任何的模拟设备。所监控场景的视频信号，从网络摄像机持续不断地通过IP网络进行传输，无论浏览者所处何处，摄像机都能给浏览者提供稳定的图像质量。因此，网络摄像机最适于应用在平安城市的网络安防监控系统中，而要建设成智能网络安防监控系统，首当其冲的应使网络摄像机智能化。这样，所监控的视频图像，经过前端智能网络摄像机的分析识别后，可只将有异常的图像传输到后端去记录与显示，因而可大大减轻网络的负担。但如将智能软件算法全部加入前端网络摄像机中，由于其本身的CPU资源有限，往往需要提高前端设备的配置或者使用专用的视频分析仪器共同作用，这样会使设备的体积与成本大大增加，因而也不是用户所需要的。

　　由此，如何充分利用网络摄像机的富余CPU资源，嵌入哪些智能视频分析与识别的软件算法到网络摄像机中，是国内外安防学者研究的重点之一。本文介绍一种新的单路高清IP网络摄像机的功能模块方案、并在此基础上嵌入智能功能组成智能网络摄像机，文中还介绍了其组成方案、设计原则与要点等。

　　高清IP网络摄像机的功能模块解决方案与普通的摄像机相比，网络摄像机的内部主要是增加数字化处理与数字视频压缩以及网络接入功能，即将数字化的视频信号转换成符合网络传输协议(如TCP/IP协议)的数据流，以便送到网上传输。因此，一台网络摄像机可以被看作是一台摄像机和一台电脑的结合体。它能够捕获影像并直接通过IP网络进行传输，从而使授权用户能够通过标准的基于IP的网络基础构架，在本地或者远程地点实现观看、存储和管理视频数据，或者监听该摄像机内置麦克风采集的现场声音。

　　由于网络摄像机上还有通信(COM)接口，使网络摄像机具有控制数据的捕获及转换功能。因为通过COM接口可与外接的解码器相连接。因此，网络上任一授权用户的PC机，就可通过网络传输经由摄像机COM口，对其外接的解码器发送指令，使摄像机云台与镜头根据需要动作。同时，该COM接口也可以从前端接受数据，并传输到网络上的任一台PC机上。

　　网络摄像机上还有报警(ALARMI/O)接口。这种报警信号接入端子可以接收由各类报警传感器传来的开关量信号，并对其进行编码，而后送入TCP/IP网络，通过应用软件对该报警信号进行各种联动响应设置(如发出声、光报警与进行报警录像等)。

　　由于每台网络摄像机都拥有自己独立的IP地址，能够直接连接到网络，并内置Web服务器、FTP服务器、FTP客户端、Email客户端、报警管理、可编程能力以及其它众多的功能。网络摄像机无需与PC机连接，也可以独立运行，并可安置在任何一个具备IP网络接口的地点。除了视频信息之外，网络摄像机还能够通过同一网络连接去实现更多其它的功能，并传输其它一些有用信息，如视频移动侦测、音频、数字化输入和输出(可用于实现报警联动，如触发警报或激活现场照明等)、用于传输串行数据或进行PTZ设备驱动的串行端口等。网络摄像机中的图像缓存，还可以保存并发送报警发生前后的视频图像。

　　因此，IP网络摄像机可将获取的视频源在本地进行预处理、压缩，然后通过IP网络进行远端传送与存储。其重要组成部分包含视频预处理、视频压缩以及IP网络视频(Video-OverIP)功能。目前，IP摄像机的输入数据格式是：1路D1/25帧/s+1路CIF/25帧/s，这样通常可用1片CycloneⅡEP2C35和1片低成本处理器来实现。

　　由于目前IP摄像机的分辨率正在由标清D1逐步进化到高清(1280×1024)，并且必须进行本地实时压缩，因而只能采用硬压缩方式。如果采用多片DSP处理器，则将使系统成本、集成度和功耗增加，而让用户无法接受;如果采用单片低成本的FPGA器件，则性能又无法满足设计要求，但若采用单片高性能的Stratix系列FPGA器件，则可达到要求。因为这种器件是具有相对应的结构化ASICHardCopy系列器件，它还可进一步将成本降低到1/10，并降低50%的功耗。

    实现智能网络摄像机方案的组成与原理

　　通过前述的采用单片高性能的Stratix系列FPGA器件的单路高清IP网络摄像机的功能模块方案，加上嵌入的智能软件算法模块即可组成智能网络摄像机。显然，一台智能网络摄像机，即由摄像镜头、CCD或CMOS成像器件、A/D与预处理部分、智能软件算法模块、编码压缩模块部分与网络接口模块等六部分组成。

　　由图2可知，摄像镜头收集所监控场景的光学图像，并将它们聚焦成像到CCD或CMOS成像器件的感光面上，其转换输出的视频电信号经A/D变换与去除噪声、图像增强等预处理后，再送入嵌入智能软件算法的模块中。智能软件算法是智能网络摄像机最重要的部分，其算法的优劣、异常信号分析识别的准确与否是该摄像机能否实用的关键。当智能网络摄像机开始进入监控状态时，会把所监控场景的图像经编码压缩通过网络传输到监控中心，然后就只将有识别异常的信号，才经编码压缩，通过网络接口送到网络中传输，这样就可大大节省网络带宽的资源。

　　由于通过视频压缩后传输，会失去一部分真实信息并产生一些噪音信号，这时用智能软件对压缩后的视频进行分析与识别处理，相对会有更多的漏报警和误报警。而本方案的智能网络摄像机是对没有压缩的原始图像进行目标提取，就显然没有上述问题。并且，它只有在出现异常需预/报警的情况下，才需要把相关的视频发送到后端进行监视和记录，而一般情况下只需要通过网络传送很少的目标数据信息，这些目标数据信息的流量还不到视频流量的1/50，从而减少了对网络带宽的要求和消耗，减少了用户在网络方面的投资，而同时对网络条件不是很好的用户也带来了使用智能视频网络监控系统的可能。

　　因此，实现智能网络摄像机方案的重点是，选择与设计好的智能软件算法，然后将其嵌入DSP或与FPGA中，以形成智能软件模块部分。

　　智能网络摄像机方案的设计原则及要点

　　实现智能网络摄像机方案的设计原则及要点主要有以下几点。

　　模块化设计

　　这里所说的模块化设计，主要是使智能化功能模块化。个人认为，上节所述的可嵌入智能网络摄像机中的8个智能化功能，除前3个最基本的功能每个摄像机都需要而组成一个模块外，其余可单独组成。这样比较灵活方便，可以根据实际监控地点的需要而选取不同的模块装入，从而可减少资金投入，工程商也愿意接受。因此，进行模块化设计不仅可以给生产厂家带来方便，也非常适合实际中的需要。

　　可靠性设计

　　任何产品均需进行可靠性设计，即要求系统所设计的结构合理、产品经久耐用、系统运行稳定可靠。这样，必须进行EMC设计，要可抗EMI、防雷电及各种干扰等，以便能适应各种恶劣气候环境而不出现故障。

　　人性化操作设计

　　所谓人性化操作设计，即非常适合于人的简单方便的操作使用。如尽量采用

　　按键式操作，要有明确的指示灯和喇叭提示，在它安装得隐蔽与高的情况下，还可使用遥控器，将日常操作集中在遥控器上。

　　实用化设计

　　所谓实用化设计，即系统非常实用，操作使用简单方便、环节少、易学。能自动地方便地进行功能设置，以及与防盗、防火、门禁等系统联动，自动化程度高，使系统能在实际可能发生受侵害的情况下及时预/报警。此外，还要求有自检功能，并将自检结果定时上报给管理中心，接受管理中心监控，以便出现故障立即维护。

　　经济性设计

　　在考虑系统经济性时，除考虑降低系统的研发成本、生产成本外，还要顾及系统的使用成本，即已包括使用期间的维护费、备件费等。

　　为获得较高的性价比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。在满足性能指标的前提下，尽可能采用简单的方案，因为方案简单，意味着结构简单、可靠性高、成本低。

　　在上述因素综合考虑后，再选择确定适当的方案。