利用多媒體處理器構(gòu)建基于IP網(wǎng)絡(luò)的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

在安全意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，像銀行、辦公室、商店、居民公寓以及公眾場(chǎng)合對(duì)高質(zhì)量的視頻監(jiān)控設(shè)備的需求正在不斷增長(zhǎng)。為了滿足出這些需求，數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)、IP網(wǎng)絡(luò)和IP攝像機(jī)提供了比傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)/VCR錄像系統(tǒng)高得多的靈活性、可升級(jí)性和圖像質(zhì)量。基于IP系統(tǒng)的數(shù)字化的固有特征，也能夠把更多的智能嵌入到從能夠?qū)崿F(xiàn)最大帶寬的先進(jìn)音視頻編解碼芯片到具有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)/跟蹤和面部識(shí)別的先進(jìn)圖像分析功能的各類系統(tǒng)芯片中。

從VCR到DVR

在過(guò)去十年中，安全監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了巨大的改變。盡管目前仍有不少的將復(fù)合視頻信號(hào)用同軸電纜傳送到中央控制/監(jiān)控臺(tái)的模擬攝像機(jī)，但目前控制臺(tái)系統(tǒng)中的一系列傳統(tǒng)的VCR設(shè)備已經(jīng)被基于PC的DVR所取代。這些DVR將送進(jìn)來(lái)的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將它們壓縮到某些數(shù)字格式(通常是運(yùn)動(dòng)JPEG或MPEG-4)，并將它們存入硬盤。對(duì)于安全技術(shù)來(lái)講，這就不再需要不停地更換錄像帶，或者為了定位某個(gè)時(shí)間段而不得不翻閱數(shù)小時(shí)的錄像資料。

用數(shù)字形式來(lái)存儲(chǔ)圖像還可以實(shí)現(xiàn)基于VCR的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。經(jīng)過(guò)私有IP網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)可以訪問存儲(chǔ)在基于PC系統(tǒng)的硬盤上的數(shù)字視頻，這就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖像分析和處理軟件還可以實(shí)現(xiàn)額外的功能，例如運(yùn)動(dòng)探測(cè)、跟蹤和圖像合成，這樣，工作人員可以立即獲得一些非正?；顒?dòng)的告警，并對(duì)之進(jìn)行監(jiān)控。目前，為中小規(guī)模商場(chǎng)、樓宇或家庭提供低成本監(jiān)護(hù)方案的基于周邊DVR的系統(tǒng)，也開始具備上述的某些先進(jìn)功能。

傳統(tǒng)上，無(wú)論是基于PC還是基于DVR的監(jiān)控系統(tǒng)，都需要對(duì)多路視頻流進(jìn)行數(shù)字化處理并實(shí)時(shí)壓縮成為運(yùn)動(dòng)JPEG或MPEG-4格式后再送入硬盤。這要依賴高速ADC和強(qiáng)大的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，還要在基于PC的系統(tǒng)中或者單獨(dú)的DVR中植入PCI總線卡。DSP中所需的處理能力取決于進(jìn)來(lái)的視頻信號(hào)的分辨率和所需的壓縮比。過(guò)去，許多監(jiān)控?cái)z像機(jī)基于像素分辨率為352×240(NTSC)或352×288(PAL)的準(zhǔn)普通媒體格式(CIF)圖像傳感器，而控制臺(tái)設(shè)備僅將其壓縮到運(yùn)動(dòng)JPEG格式，這種格式中，每個(gè)視頻幀或交織場(chǎng)被分別壓縮到JPEG圖像。

然而，由于發(fā)展趨勢(shì)要求更高的圖像質(zhì)量和幀率，先進(jìn)的基于PC和基于DVR的控制臺(tái)需要處理來(lái)自于525線/60Hz或625線/50Hz的TV質(zhì)量的全D1格式的視頻。包含由YCbCr 4:2:2編碼的未經(jīng)壓縮的分量視頻以及PCM語(yǔ)音軌跡和時(shí)間碼信息的D1格式，在被送入硬盤之前通常被壓縮成復(fù)雜的MPEG-4格式。特別注意的是，MPEG-4編碼需要非常強(qiáng)大的DSP能力。

NXP半導(dǎo)體最近推出的基于32位TriMedia的PNX1500和帶有媒體處理器的PNX1700正是為流媒體應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的。特別適合于監(jiān)控應(yīng)用的這些處理器的片上特有功能包括圖形量化和解交織、用于單屏顯示/圖形交疊的二維圖形加速，多路視頻輸入以及以太網(wǎng)10/100MAC。

不過(guò)，它們?cè)诒O(jiān)控應(yīng)用中最重要的還是將多路CIF和D1視頻流實(shí)時(shí)編入MPEG-4和H.264碼流中的能力，以及以相對(duì)較低的時(shí)鐘(400~500MHz)確保冷運(yùn)行和能量效率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上述工作的能力。除了NXP媒體處理器的初始處理能力外，完成多通道的實(shí)時(shí)編碼還很大程度上依賴于TriMedia核上運(yùn)行的編碼算法的質(zhì)量。

為了達(dá)到這些算法所需的性能，NXP與上海Suntimes電子技術(shù)有限公司合作。采用該公司最新的MPEG-4編碼算法，一片單獨(dú)的500MHz的PNX1700能夠?qū)蓚€(gè)D1視頻通道或者8個(gè)CIF通道的視頻實(shí)時(shí)編入MPEG-4碼流中。這一在單芯片中編碼多路通道的能力，大大地降低了成本、功耗以及監(jiān)控設(shè)備中的印刷電路板面積。Suntimes公司的視頻編碼算法，符合ISO/IEC14496-2簡(jiǎn)化版標(biāo)準(zhǔn)，并支持從16×16到720×576像素高寬比的視頻壓縮、可變比特率(VBR)和可變壓縮比(VCR)以及從100kbps~2Mbps的連續(xù)可變傳輸率。此外，還報(bào)告用于MPEG-4和H.264編碼的存儲(chǔ)器緩沖地址，這就使得系統(tǒng)主控軟件可以審查緩沖器，來(lái)設(shè)置運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的檢測(cè)區(qū)域和靈敏度。

為了支持客戶定制應(yīng)用的研發(fā)，NXP提供了一系列包括媒體處理器的PCI總線卡，還有可供用C/C++進(jìn)行軟件開發(fā)的大型軟件庫(kù)。圖1和圖2給出了用于多通道視頻編碼的處理器典型架構(gòu)。

圖1：8通道CIF DVR配置示意圖。

圖2：4通道D1 DVR配置示意圖。

從模擬到IP攝像機(jī)

盡管控制臺(tái)已經(jīng)全部數(shù)字化，但從攝像機(jī)到控制臺(tái)的視頻信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒有改變。每個(gè)模擬攝像機(jī)仍然需要用專用的同軸電纜把信號(hào)送到控制臺(tái)，或者送到時(shí)分復(fù)用器。為了保證圖像質(zhì)量還要求電纜盡可能地短。模擬攝像機(jī)這些缺點(diǎn)，以及基于以太LAN的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的日益普遍，加速了IP攝像機(jī)的使用。