淺談數(shù)字監(jiān)控智能視頻分析的三大技術(shù)

DSP處理器提升智能分析處理能力

在中國(guó)的監(jiān)控市場(chǎng)上，數(shù)字硬盤錄像機(jī)(DVR)曾經(jīng)占據(jù)著視頻監(jiān)控市場(chǎng)的半壁江山，不過，隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(IPC)和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)(NVR)也奮起直追。而這其中，視頻智能分析正在成為數(shù)字視頻監(jiān)控的熱點(diǎn)，而DSP則成為這一技術(shù)的推動(dòng)力。強(qiáng)大的SoC系統(tǒng)同樣是智能分析技術(shù)推動(dòng)力之一。

　　從技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控將逐漸成為主流模式；這已經(jīng)是不容置疑的趨勢(shì)。而隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展，智能視頻分析則成為IP視頻監(jiān)控發(fā)展的下一個(gè)重要方向。不過，對(duì)于大多數(shù)芯片廠商和系統(tǒng)廠商來說，隨著IP視頻監(jiān)控逐漸向高清、智能化方向發(fā)展，帶給他們的除了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，還有新的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)趨勢(shì)是需要達(dá)到高畫質(zhì)(1080p分辨率)、視頻分析、智能化管理、IP、H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)、更高的圖像信號(hào)處理清晰度、器件功能針對(duì)應(yīng)用并配合項(xiàng)目算法功能。這些新趨勢(shì)使開發(fā)人員必須要面對(duì)低功耗、低成本以及在環(huán)保方面的挑戰(zhàn)。

　　強(qiáng)大的SoC系統(tǒng)

　　TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)曾經(jīng)有力地推動(dòng)了數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，其中具有里程碑的是TMS320DM642通用數(shù)字媒體處理器。TI之后所推出的數(shù)字媒體處理單片系統(tǒng)達(dá)芬奇(DavinciTM)更是為數(shù)字視頻監(jiān)控提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。達(dá)芬奇的各種系列平臺(tái)可以完全覆蓋數(shù)字視頻監(jiān)控的各個(gè)應(yīng)用方向，其中有以ARM為主控處理器和以DSP為主處理器兩個(gè)主要的發(fā)展方向。其共同的特性就是可以支持多種視頻壓縮格式，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DSPSoC的方案在監(jiān)控市場(chǎng)占主流地位。同時(shí)，一些FPGA廠商希望能在差異化和客戶定制化方面顯示出自己的優(yōu)勢(shì)。通過針對(duì)監(jiān)控應(yīng)用將FPGA器件和MPU/DSP結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)師能從可編程協(xié)處理器的固有靈活性中得到好處，還可利用FPGA將精力集中在開發(fā)算法上，以充分利用MPU/DSP的處理能力。有的廠商就在其多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)中采用了DSP FPGA的方式，用到的是TI的TMS320DM6437，只有1個(gè)數(shù)字視頻輸入接口，為了連接8路視頻解碼器，需要在視頻解碼器與DSP的視頻輸入接口之間增加耦合邏輯，而可編程的FPGA可以方便實(shí)現(xiàn)二者之間的耦合邏輯。

　　為滿足未來數(shù)字視頻監(jiān)控市場(chǎng)的需求，更大限度的靈活性是必須的，視頻壓縮技術(shù)會(huì)向智能化編解碼發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控還是要向?qū)崟r(shí)智能分析發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)將會(huì)與數(shù)字化電子系統(tǒng)更緊密地結(jié)合。

　　DSP處理器提升智能分析處理能力

　　歷經(jīng)幾代技術(shù)的演進(jìn)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化(IP)和智能化方向邁進(jìn)。另外，模擬與數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)混合并存也會(huì)是未來幾年中國(guó)安防市場(chǎng)的特點(diǎn)。作為中高端的方案選擇，DSP是目前中國(guó)監(jiān)控市場(chǎng)的主流處理器。ASICSoC是后進(jìn)者，對(duì)市場(chǎng)有一定沖擊。此外，F(xiàn)PGA也在試圖進(jìn)入該市場(chǎng)，但目前還沒有明顯的成功例子。由于現(xiàn)階段還沒有標(biāo)準(zhǔn)的用于智能分析和處理的算法，基于不同的壓縮格式實(shí)現(xiàn)智能視頻分析處理會(huì)對(duì)DSP的MIPS要求有很大不同，所以算法的優(yōu)化非常關(guān)鍵。由于兼具靈活性和高性能，DSP更為擅長(zhǎng)智能分析處理工作。

　　針對(duì)圖像處理應(yīng)用的理想DSP處理器必須具備以下幾方面的特點(diǎn)：內(nèi)核處理能力強(qiáng)；專門針對(duì)圖像處理的指令集；易于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸挠布軜?gòu)；高集成度；豐富的軟件模塊庫(kù)；功能強(qiáng)大的開發(fā)工具。對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，最適合的控制和處理應(yīng)該是控制功能和數(shù)字信號(hào)處理功能合二為一的匯聚處理器。

　　中國(guó)國(guó)內(nèi)早期的視頻監(jiān)控產(chǎn)品大部分都是采用DSP，在多通道、高分辨率視頻編解碼應(yīng)用中，DSP用軟件很難達(dá)到系統(tǒng)的要求。而FPGA采用硬件加速的方法，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行多通道壓縮。FPGA的優(yōu)勢(shì)是可編程，非常適合需要靈活性高、提供差異化的應(yīng)用設(shè)計(jì)。目前，采用FPGA芯片的視頻監(jiān)控產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。

H.264視頻編解碼技術(shù)

　　在視頻監(jiān)控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU定義的專用于低比特率視頻電話的標(biāo)準(zhǔn)，包括H.261/2/3；由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO針對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用的，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像壓縮定義了MPEG標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG1/2/4；由ITU與ISO根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用合作(聯(lián)合視頻小組JVT)定義了H.264編解碼技術(shù)，有些標(biāo)準(zhǔn)至今仍并存著。目前主要在應(yīng)用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三種，我們通過以下幾點(diǎn)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

　　實(shí)現(xiàn)成本：包括算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和資源占有程度，技術(shù)獲取的難度和代價(jià)，以及其最終體現(xiàn)在產(chǎn)品中的成本高低；

　　編碼性能：主要體現(xiàn)在同等主、客觀視覺質(zhì)量情況下，壓縮后所得到的碼流大小，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲(chǔ)都非常關(guān)鍵；

　　網(wǎng)絡(luò)支持：對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持的好壞主要取決于對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包和出錯(cuò)的容錯(cuò)能力與支持網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力；

　　應(yīng)用支持范圍：由于視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，一個(gè)平臺(tái)對(duì)不同需求的支持能力也非常重要；

　　未來潛力：以發(fā)展的眼光來看，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的潛力大小體現(xiàn)在未來被行業(yè)接受的廣泛程度，在相關(guān)應(yīng)用上轉(zhuǎn)化的平滑程度，和對(duì)互聯(lián)互通的支持程度等方面。

　　在視頻監(jiān)控產(chǎn)品中，編碼器始終是方案的重點(diǎn)，一個(gè)合適的編碼器方案往往能夠決定一個(gè)產(chǎn)品的成敗。H.264編碼方案正在成為市場(chǎng)的主流，其以卓越的編碼性能和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)同。它不僅可以支持寬廣的應(yīng)用環(huán)境，還可滿足不同分辨率、不同碼率以及不同傳輸和存儲(chǔ)環(huán)境的需求。

　　H.264是先進(jìn)的視頻處理技術(shù)，業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)，在同樣的視頻回放質(zhì)量條件下，H.264比MPEG4約節(jié)省近40%的傳輸帶寬或硬盤存儲(chǔ)空間，這無疑為遠(yuǎn)程監(jiān)控的推廣應(yīng)用起到很重要的作用。但H.264的編碼效率是以其遠(yuǎn)較MPEG4復(fù)雜的運(yùn)算量為代價(jià)的，其采用最先進(jìn)的禎間預(yù)測(cè)模式，包括復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、1/2和1/4像素預(yù)測(cè)；遠(yuǎn)較MPEG4先進(jìn)的禎內(nèi)預(yù)測(cè)模式，包括多達(dá)13種禎內(nèi)預(yù)測(cè)模式；H.264引進(jìn)全新的環(huán)路濾波(in-loopfiltering)技術(shù)，對(duì)視頻回放質(zhì)量的大幅提高貢獻(xiàn)巨大。

　　但是應(yīng)用新技術(shù)均需要大量的運(yùn)算處理，對(duì)視頻編解碼處理平臺(tái)也提出了新的要求。對(duì)軟件形式的視頻編解碼器，如用DSP等通用處理器實(shí)現(xiàn)的編解碼器，因處理能力的限制，只能舍棄很多H.264的最先進(jìn)技術(shù)(如禎內(nèi)，間編碼預(yù)測(cè)模式，環(huán)路濾波等)，這樣的結(jié)果是其編碼效果回復(fù)到MPEG4的水平。更嚴(yán)重的是這樣的編碼器輸出的碼流不符合H.264標(biāo)準(zhǔn)，所有通用解碼器均不能與其配套組成開放的系統(tǒng)。選用非標(biāo)準(zhǔn)的編碼器，用戶只能限制選用與其配套的非標(biāo)準(zhǔn)解碼器，從而變成了一個(gè)封閉的系統(tǒng)。