從安防監(jiān)控發(fā)展看系統(tǒng)中的視頻處理技術(shù)

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十世紀(jì)九十年代末，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，興起了數(shù)字化監(jiān)控浪潮。

視頻處理芯片新發(fā)展

隨著近3-4年來中國數(shù)字視頻監(jiān)控市場每年都以超過30%的比例增長和其他領(lǐng)域的增長，視頻處理芯片市場也隨之得到了增長，安防監(jiān)控行業(yè)的需求逐漸明確，芯片廠家開始關(guān)注并主動(dòng)去推廣視頻監(jiān)控這個(gè)潛力巨大的市場。視頻監(jiān)控成為工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子、電話機(jī)等領(lǐng)域之外芯片廠商一個(gè)新的利潤角逐場。視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展吸引了越來越多的芯片廠商加入。監(jiān)控行業(yè)必將成為視頻處理芯片的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

2004年，美國SPI公司特別針對視頻監(jiān)控應(yīng)用而成立，并于2006年開始在中國市場上推廣。談到SPI為何專門瞄準(zhǔn)視頻監(jiān)控領(lǐng)域，邁吉倫(美國SPI中國總代理)科技股份有限公司項(xiàng)目經(jīng)理黃石華認(rèn)為，相對于機(jī)頂盒、電話機(jī)等領(lǐng)域，安防市場的應(yīng)用趨于成熟，需求比較很明顯。只要產(chǎn)品表現(xiàn)好，就一定能搶占到市場。目前美國SPI公司正借助中國代理商的力量，從一些中小型客戶著手，悉心培養(yǎng)自己的客戶。據(jù)NXP亞太區(qū)高級系統(tǒng)營銷總監(jiān)陳石明透露，目前在芯片市場，至少有25家廠商在競爭。可以預(yù)見，隨著搶食者的增多，未來競爭將更加激烈。

繼1999年，飛利浦PNX1300芯片在中國推廣并得到應(yīng)用之后，2003年，TI推出通用數(shù)字媒體處理器TMS320DM642，正式進(jìn)軍中國數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域。2004年左右，海思作為全球率先推出H.264soc監(jiān)控專用芯片的半導(dǎo)體公司，在經(jīng)歷了三年多的調(diào)研和研發(fā)之后，進(jìn)入到大家的視野之中。幾乎在同一時(shí)間，臺(tái)灣升邁科技母公司(智原)開始整合ARMcore，兼容FA526CPU和MPEG4/MJPEGcodec及多項(xiàng)外圍IP，造就為數(shù)字監(jiān)控量身打造的視頻編解碼芯片SoC。

隨著電信運(yùn)營商加大對安防監(jiān)控市場的持續(xù)投入，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在2007年開始發(fā)酵，臺(tái)灣升邁科技產(chǎn)品市場企劃處部長賴榮興則預(yù)測，未來DVS、IPcamera、NVR等網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的成長率將會(huì)倍增，從而將更加吸引芯片廠商加大對視頻安防市場的投入。

雙編碼技術(shù)與距陣

回顧一下，數(shù)字硬盤錄像機(jī)(DVR)的發(fā)展已經(jīng)有很多年了，總的來說發(fā)展很快，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品、新概念層出不窮，但錄像清晰度、錄像成本始終是監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)注的二大重要因素。錄像清晰度與圖像質(zhì)量、分辨率、碼率、幀結(jié)構(gòu)等視頻編碼參數(shù)有很大的關(guān)系，錄像成本與壓縮效率有很大關(guān)系，要取得高的圖像質(zhì)量，那么勢必增加錄像成本，反之，要降低錄像成本，那么勢必影響圖像質(zhì)量。具體應(yīng)用中，如何做到兼顧這2個(gè)因素呢?為此，?？低曁岢霾?shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)”技術(shù)。

“動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)”就是在不啟停錄像(不切換錄像文件)的情況下，對編碼參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)生效。在具體的應(yīng)用中，對于靜止或一般的監(jiān)控場景，調(diào)整相應(yīng)編碼參數(shù)，使錄像保持在很低的碼率，而在圖像發(fā)生變化，或產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，可以調(diào)整相應(yīng)編碼參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的錄像，可以動(dòng)態(tài)修改的參數(shù)包括：分辨率、錄像質(zhì)量、碼率控制、幀率控制以及幀結(jié)構(gòu)。

由于上述參數(shù)可以動(dòng)態(tài)修改，因此可以保持圖像的連續(xù)、無需頻繁的切換文件，即滿足了在關(guān)鍵時(shí)刻對高圖像質(zhì)量的要求，又節(jié)省了硬盤空間。

聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控是在銀行系統(tǒng)完成數(shù)字化改造以后的又一重要需求，特別是對于無人值守的離行式ATM機(jī)來說，聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控是高效運(yùn)維的重要手段，監(jiān)控中心不僅可以實(shí)時(shí)了解DVR的在線狀況，也可以實(shí)時(shí)查看有警情的現(xiàn)場圖像，一定程度上改變了單純通過錄像復(fù)合，進(jìn)行事后處理的現(xiàn)狀。

對于金融行業(yè)來說，錄像的清晰度要得到保證，這樣的話視頻數(shù)據(jù)較大，而網(wǎng)絡(luò)資源是有限的，所以網(wǎng)絡(luò)帶寬成了傳輸視頻數(shù)據(jù)的瓶頸。為解決這個(gè)問題，?？低曁岢霾?shí)現(xiàn)了雙編碼技術(shù)。

輸出碼流的圖像質(zhì)量、分辨率、幀率、碼率等視頻參數(shù)都可以獨(dú)立設(shè)置。這樣生成的兩個(gè)碼流就可以滿足不同的應(yīng)用需求，比如主碼流用于錄像，子碼流用于網(wǎng)絡(luò)傳輸。隨著視頻監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，編碼技術(shù)的發(fā)展，多編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將成為可能，這樣多個(gè)碼流可滿足不同傳輸信道、不同應(yīng)用的需求，如通過千兆網(wǎng)、VPN專網(wǎng)、ADSL、無線網(wǎng)絡(luò)等傳輸信道，以及重要用戶、一般用戶等可以傳輸不同碼率、不同圖像質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)。

對于傳統(tǒng)的CCTV監(jiān)控中心來說，矩陣是一個(gè)很重要的設(shè)備，它主要完成視頻切換、PTZ控制等功能，同時(shí)還可對切換規(guī)則進(jìn)行編程設(shè)置，視頻切換的路數(shù)取決于矩陣主機(jī)背板的切換能力，切換是通過電路來實(shí)現(xiàn)的。?？低曖槍?shù)字監(jiān)控提出并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字矩陣，并在兩個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

對于單臺(tái)的DVR來說，實(shí)際上就是一個(gè)基于數(shù)據(jù)總線的視頻切換矩陣。對于PC式DVR，輸入的視頻路數(shù)是視音頻壓縮卡的路數(shù)，一路視頻可切換輸出到顯卡，通過增加解碼卡，也可以將多路視頻切換到解碼輸出通道(輸出路數(shù)的多少取決于解碼卡的多少)?？偣材軌蚯袚Q的路數(shù)主要取決于總線的帶寬。另外，通過PC平臺(tái)可以非常容易地設(shè)置切換規(guī)則、進(jìn)行PTZ控制。對于嵌入式DVR，輸入的視頻路數(shù)就是DVR的視頻輸入路數(shù)，輸出路數(shù)一般至少有一路，有的DVR輸出兩路、四路等，同樣通過DVR可以設(shè)置切換規(guī)則、可以進(jìn)行PTZ控制。

對于一個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)來說，前端視頻的輸入、IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、后端的解碼設(shè)備以及控制設(shè)備共同組成基于IP交換的數(shù)字矩陣。

視頻輸入的路數(shù)取決于控制端能訪問的前端視頻編碼的路數(shù)，視頻輸出的路數(shù)取決于解碼服務(wù)器的數(shù)量，以及各服務(wù)器解碼輸出通道的路數(shù)，同時(shí)也取決于IP網(wǎng)絡(luò)的帶寬。切換規(guī)則由控制臺(tái)設(shè)置完成，控制臺(tái)同時(shí)可以方便地進(jìn)行PTZ控制。

數(shù)字矩陣相對于傳統(tǒng)的模擬矩陣，在切換規(guī)則的設(shè)置，切換界面的友好性，以及切換畫面的處理方面，具有較強(qiáng)的靈活性，同時(shí)，切換路數(shù)的擴(kuò)展性方面也更加方便，成本更低。如對于切換畫面的處理方面，無需畫面分割器，在DSP平臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)畫面分割線是，以窗口為單位進(jìn)行視頻輸出?？傊瑪?shù)字矩陣更加具有發(fā)展?jié)摿Α?/P>

高清視頻編解碼

經(jīng)過近10年的發(fā)展，芯片的編碼能力有了很大的提升。之前要實(shí)現(xiàn)1080i的圖像質(zhì)量需要用10顆芯片編碼，現(xiàn)在只要兩、三顆就可以了。

結(jié)合市場需求來看，追求更好的圖像品質(zhì)是用戶非常合理且永恒的要求。而隨著智能化監(jiān)控時(shí)代的來臨，為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像的分析處理要求，如車牌識(shí)別、人臉識(shí)別等，則對圖像質(zhì)量提出了更高的要求，例如高清格式。這對芯片的編解碼能力提出了更大的挑戰(zhàn)。

“對于我們前端芯片廠商來說，最首要的是要提高視頻圖像的清晰度，原來我們的產(chǎn)品分辨率只能做到400線左右，TW2864通過采用10位ADC和增強(qiáng)型4H自適應(yīng)梳狀濾波器，使圖像清晰度高達(dá)450線以上，且能獲得更佳的圖像質(zhì)量、豐富色彩品質(zhì)已經(jīng)圖像敏銳度。”TECHWELL程黎明介紹說。

另外一方面，壓縮算法的不斷升級也改變著圖像的畫質(zhì)。隨著市場上主流的壓縮格式向H.264，甚至更為高級的算法格式發(fā)展，不斷地提高壓縮比、并進(jìn)行算法優(yōu)化成為芯片廠商的追求?！熬瓦\(yùn)算量而言，MPEG-4比JPEG復(fù)雜4倍，H.264又較MPEG4復(fù)雜3倍以上，除了decoder的兼容性和encoder的壓縮質(zhì)量的基本要求，高速的系統(tǒng)架構(gòu)、內(nèi)存頻寬、高效率的DMA控制器，甚至多核的平行處理都是SoC效能是否優(yōu)秀的關(guān)鍵。”

從當(dāng)前市場上主流的芯片廠商所推出的產(chǎn)品來看，大多有支持高清格式的產(chǎn)品，例如，ADI的ADV202、212產(chǎn)品可以支持高清格式。TI的DM355即可支持720p下的MPEG4實(shí)時(shí)編碼，碼率為4Mbp至8Mbps，可以作為高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)或高清視頻服務(wù)器的核心處理器。據(jù)了解，TI可支持720p下的H.264實(shí)時(shí)編碼芯片也即將推出。高清編碼芯片的誕生，將可以使視頻監(jiān)控產(chǎn)品在更低的碼流下獲得更高的圖像畫質(zhì)。

近幾年來，中國的安防監(jiān)控市場發(fā)展迅猛，受到了世界的矚目。DVR產(chǎn)品作為國內(nèi)監(jiān)控行業(yè)的主流產(chǎn)品已經(jīng)引領(lǐng)風(fēng)騷5、6年了。在數(shù)字監(jiān)控技術(shù)引導(dǎo)下，國內(nèi)監(jiān)控市場出現(xiàn)暴發(fā)性的增長，單就DVR而言每年增長幅度超過40%，隨著市場往縱深化方向發(fā)展，數(shù)字監(jiān)控產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化、智能化，平臺(tái)化趨勢也日益明顯。