視頻監(jiān)控系統(tǒng)掙脫技術束縛

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)在模擬世界中已經被冷落數十年了。但新技術正在催生一些令人驚奇的新型系統(tǒng)。正如今天的大多數其它視頻設備一樣，其發(fā)展方向是基于互聯網協(xié)議(IP)、數字、無線以及帶智能軟件的無人監(jiān)控系統(tǒng)，并能充分發(fā)揮這些技術改進帶來的所有好處。今天的最新系統(tǒng)包含許多新的功能：

　　單色到彩色：雖然脫離黑白世界并不是真正的新趨勢，但這種情況仍在繼續(xù)。事實上，今天的大多數監(jiān)控設備是彩色的。

　　模擬到數字：雖然80%以上的監(jiān)控攝像機是較老的模擬設備，但大多數新安裝的設備都是數字設備。

　　更高分辨率：隨著數字攝像機的興起，分辨率已經從標準清晰度(SD)電視標準發(fā)展到包括720和1080高清晰度(HD)標準在內的多種視頻格式。

　　IP攝像機：大多數新型的高清攝像機也是IP攝像機，這些攝像機可以將信號數字化，用TCP/IP對數據打包，然后在以太網鏈路上發(fā)送最終生成的數據。

　　新的壓縮方法：數字攝像機可以針對高清視頻產生超高數據速率。不過，新的視頻壓縮標準不僅極大地降低了傳輸數據速率，而且充分提高了存儲能力。運動JPEG、MPEG-4和H.264是最常用的壓縮方法。

　　無線連接：在大多數系統(tǒng)中，從攝像機到監(jiān)控中心的鏈路仍使用同軸電纜。但一些新系統(tǒng)使用以太局域網(LAN)或專門安裝的新型CAT5/6 LAN。在一些高端系統(tǒng)中甚至使用了光纖。但出于對便利性和低成本的考慮，無線連接已經成為許多新系統(tǒng)或現有有線系統(tǒng)擴容的首選鏈路。

　　磁盤存儲：視頻存檔已經從VHS VCR發(fā)展到硬盤驅動器。DVR和專用服務器可以按指定時段存儲壓縮視頻。大型系統(tǒng)甚至使用2Tb容量的磁盤陣列。

　　視頻分析技術：隨著高清數字視頻的普及，計算機或FPGA可以用來分析捕獲的場景，從而實現智能化。視頻分析技術使用人工智能算法和機器視覺技術檢測運動、識別物體甚至人臉。大多數專家一致認為，處理數量不斷增長的視頻的唯一方法是利用智能視頻分析技術部分或完全代替人工對捕獲視頻的分析。

攝像機

　　目前有兩種基本的攝像機類型：模擬和數字IP。這兩種攝像機的外形豐富多變。子彈型最常見，但半球型和針孔型“間諜”攝像機也很流行。還有室內和室外型號之分。雖然現在黑白攝像機仍有市場，但大多數是彩色攝像機。

　　基本的成像傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)，或者是CMOS。CCD已經發(fā)展得非常成熟，它是極高分辨率但速度非最重要因素的攝像機的首選傳感器。CMOS傳感器的分辨率已經差不多快趕上CCD了，但仍稍有落后。CMOS能提供非常高的速度，適合要求最大幀速率的場合使用。

　　市場上還有一種使用紅外傳感器的紅外(IR)攝像機，按照字面意義這種攝像機可以用在夜間攝像。紅外攝像機的前端通常有一組紅外LED，用于照明人眼無法看見的場景或物體。這些LED的照明距離通常限于數百英尺范圍內。

　　分辨率是攝像機的一個關鍵指標。最常見的是老式模擬標準NTSC視頻，總共525行(480行可見)掃描線以每秒30幀(fps)的速度隔行顯示。另外還有PAL、SECAM和CIF(通用中間格式)分辨率。分辨率被量化為電視線(TVL)分辨率或簡化為線分辨率(LOR)。380(最小值)、400、420和480線是基本線數。更高分辨率的模擬攝像機提供560、600或700LOR。

　　目前流行的CIF標準采用352×288像素，速度是每秒30幀。從NTSC衍生出來的NTSC CIF具有352×240像素。四分之一CIF具有176×144個像素。4CIF可提供704×576像素，而16CIF號稱可以提供1408×1152像素。一些系統(tǒng)使用索尼的D1視頻格式，這是一種SMPTE VTR標準，支持720×480(面向NTSC)和720×576(面向PAL)像素。

　　數字IP攝像機可以提供更高的分辨率。具有640×480像素的標準VGA非常流行。常見的像素分辨率范圍從約100萬像素到1200萬像素甚至更高。市場上也有像標準高清電視那樣的720或1080LOR的攝像機，但價格很高。還有針對專業(yè)領域的更高分辨率的攝像機。

　　與分辨率緊密聯系在一起的是幀速率。雖然30fps被認為是實時速率，但它會產生數量龐大的視頻用于存儲或傳送。為節(jié)省存儲空間，一些攝像機提供15或7.5fps的較低幀速率。還有幀速率低至1fps的攝像機，但在這么低的幀速率下一些關鍵動作可能會被遺漏。

　　鏡頭和物理控制也值得好好考慮。鏡頭的種類根據具體應用不同而變化，例如是否要微距或長距拍攝，或者是否需要特殊的視角。一些鏡頭采用電機實現光圈和焦距的遙控。還有固定支架攝像機以及能夠水平、傾斜移動并具有變焦(PTZ)功能的攝像機。你甚至還可以買到帶紅色閃爍LED，使人們以為要上電視的仿攝影機。

　　許多攝像機采用麥克風進行聲音捕獲，并包含有運動檢測電路，只有在檢測到動作時才打開攝像機或錄像機。在電源方面，大多數攝像機工作在12V或24V直流電源下。有些攝像機也采用電池供電。連接以太網LAN的IP攝像機可以使用以太網供電(PoE)。

　　在連接性方面，模擬攝像機采用標準的IEEE視頻信號，在75Ω同軸電纜(RG-59或RG－6)上傳輸。最大傳輸距離約300英尺。模擬視頻也可以在類似CAT5的UTP電纜上傳輸，但并不常見。IP攝像機擁有一個RJ-45連接器和一個10/100以太網端口(圖1)，傳輸距離可達100米。大多數IP攝像機實際上是一臺小型的網絡服務器，擁有自己的IP地址。人們可以通過互聯網從任何地方監(jiān)視這種攝像機。

圖1：典型的IP攝像機包含面向H.264壓縮的傳感器和視頻處理電路。SDRAM提供視頻流的存儲。所有其它處理和接口通常都位于單片SoC或FPGA上。

　　從IP攝像機中的CCD或CMOS成像器輸出的信號已經是數字信號。最新的寬動態(tài)范圍(WDR)CMOS傳感器可以直接輸出采用RGGB色彩方案的RAW/Bayer數字格式數據流。這種輸出可以達到20位/像素。在高幀速率、高清晰度下數據速率將快速提升。例如：

　　20 位/像素 × (1280 × 720) 像素/幀 × 60 幀/秒 = 1.10592 Gbps

　　這種設計的內核是一個快速處理器，帶有閃存和SDRAM，并提供視頻編碼和壓縮功能。該設計還支持各種各樣的接口和以太網接口(通常是10/100Mbps)，但也有的提供1Gbps以太網接口。大多數設計使用單顆系統(tǒng)級芯片(SoC)，即FPGA或專用DSP執(zhí)行所有的功能。這些芯片一般都包含接口。存儲器位于獨立的芯片中(參考“Video Surveillance Compression, Bandwidth, And Storage(視頻監(jiān)控壓縮、帶寬和存儲)”一文)。

無線監(jiān)控

　　雖然在分辨率、IP連接和分析技術等方面的最新發(fā)展趨勢使得視頻監(jiān)控比以往更出色，但無線技術對于視頻監(jiān)控的普及貢獻最大。電纜安裝成本高、耗時長，常常令人煩惱。而且電纜有時會限制攝像機的擺放位置，從而無法獲得最佳的可視效果。

　　無線鏈路可以解決這些問題。給每臺攝像機安裝高性能無線調制解調器后，一直到中心采集點的任何地方都可以建立連接。安裝起來超級快速和方便，而成本要比電纜低幾個數量級。無線方式之所以可行，是因為這種技術現在可以支持在合理距離內傳輸所需的高數據速率。

　　視頻攝像機可以使用三種基本的無線拓撲之一：點對點(PTP)、多點對一點(MTP)和網狀拓撲。在小型、簡單系統(tǒng)中，直接PTP通常是很好的解決方案。有些系統(tǒng)可以支持多個PTP連接。在MTP拓撲中，多臺攝像機使用單個無線采集點，數據在此完成匯聚、存儲或處理。但當攝像機超出主MTP控制節(jié)點的范圍時，就要使用網狀拓撲方案。

　　無線網狀網絡已經開發(fā)了很多年，業(yè)界也已推出許多性能優(yōu)異的系統(tǒng)。在網狀系統(tǒng)中，每個節(jié)點通常可以與任何鄰近的其它節(jié)點通信。每個節(jié)點都可以用作中繼器，完成數據收發(fā)，或將數據轉發(fā)給相鄰節(jié)點。這種轉發(fā)功能使得攝像機和節(jié)點可以散布在很大的范圍內，而這個范圍一般都會超出單臺無線設備的范圍限制。

　　無線設備通常是數字的，被設計用于傳送以太網數據包。它們大多兼容最新的IP攝像機。不過早先的模擬系統(tǒng)也可以通過數據轉換器兼容無線設備，這些數據轉換器的作用是將模擬輸出信號數字化并分組為適合無線傳送的以太網數據包。

　　無線技術的選擇取決于許多因素，如覆蓋范圍、可靠性、成本和所要求的數據容量。也許使用最為廣泛的無線技術是Wi-Fi類技術，即廣受歡迎的采用2.4GHz頻段或5.8MHz頻段(某些情況下)的IEEE 802.11標準。該技術是針對以太網設計，可以很快、很方便地匹配任何有線以太網LAN。

　　802.11a/g數據速率有可能高達54Mbps，用于IP傳輸的典型值是22Mbps。隨著802.11n設備的推出，甚至可以實現超過100Mbps的更高數據速率。多入多出(MIMO)技術的使用極大地擴展了802.11的覆蓋范圍和可靠性。定向天線還能將范圍擴大到數英里。此外，市場上還有多種私有的2.4GHz無線技術。

　　雖然用于傳輸視頻的900MHz無線設備較少見，但在需要超長距離傳輸的場合也有使用。頻移鍵控(FSK)或簡單的直接序列擴頻(DSSS)調制技術使得它們在有噪聲的地區(qū)或有許多其它2.4GHz干擾源的場合中非?？煽俊Ｓ捎谄涔逃械聂敯粜?，900MHz無線設備在UAV中非常流行。

　　另一種能夠滿足更快速率和更長距離需求的技術是WiMAX。這種寬帶無線技術能夠可靠地將高速率數據傳輸數英里遠。WiMAX系統(tǒng)通常是需獲得許可的，在美國使用的是2.3GHz頻段。5.8GHz頻段在美國也得到了廣泛使用。在一些特殊情況下甚至會使用機器對機器(M2M)蜂窩或微波/毫米波回傳系統(tǒng)。

　　覆蓋范圍在很大程度上取決于多種因素，如工作頻率、發(fā)射功率、接收靈敏度、天線類型、天線的增益和高度以及環(huán)境條件。在大多數情況下數百英尺是很容易實現的，但覆蓋幾英里的范圍需要使用專用的設備。

　　所要求的數據速率也是一個重點考慮因素。該要求最終歸結為這些內容：視頻格式、幀速率、壓縮類型以及無線技術的上限等。大多數無線裝置可以輕松處理壓縮后的視頻。即使是30fps幀速率下使用MPEG4-SP的CIF格式，所需最大數據速率也僅為600kbps。即使是高清視頻和使用H.264的合理幀速率下，超過數Mbps的數據速率也很少見。所有這些速率都在大多數可用技術的指標范圍內。