高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)及其智能化的方案設(shè)計(jì)

　　眾所周知，拾取所監(jiān)控的光電圖像要靠攝像機(jī)，而模擬攝像機(jī)只能傳輸單向的視頻信號(hào)，其性能受制于DVR和操作員的水平。但網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠傳輸全雙工的數(shù)字化信息，并能夠與系統(tǒng)內(nèi)的其它設(shè)備有效集成，使它們能夠在一個(gè)分布式、可擴(kuò)展的環(huán)境下達(dá)到更高的性能水平。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以與多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)并行通信，以實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，例如偵測(cè)畫面中的運(yùn)動(dòng)情況，或發(fā)送不同格式的視頻流等。帶有IP地址的攝像機(jī)更加方便組網(wǎng)，因?yàn)樗恍枰M(jìn)行額外的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，也不需要在攝像機(jī)端安裝發(fā)送設(shè)備，所以攝像機(jī)的尺寸將會(huì)越來(lái)越小，而這也更便于隱蔽，是安防監(jiān)控系統(tǒng)所需要的。

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將傳統(tǒng)攝像機(jī)和電腦的功能整合到了一起，它不僅將視頻信號(hào)數(shù)字化并壓縮，還擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。其視頻通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，并記錄在裝有視頻管理軟件的標(biāo)準(zhǔn)PC上。用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)是一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，同樣也是一個(gè)完全數(shù)字化的系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有使用任何的模擬設(shè)備。所監(jiān)控場(chǎng)景的視頻信號(hào)，從網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)持續(xù)不斷地通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，無(wú)論瀏覽者所處何處，攝像機(jī)都能給瀏覽者提供穩(wěn)定的圖像質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最適于應(yīng)用在平安城市的網(wǎng)絡(luò)安防監(jiān)控系統(tǒng)中，而要建設(shè)成智能網(wǎng)絡(luò)安防監(jiān)控系統(tǒng)，首當(dāng)其沖的應(yīng)使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)智能化。這樣，所監(jiān)控的視頻圖像，經(jīng)過(guò)前端智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的分析識(shí)別后，可只將有異常的圖像傳輸?shù)胶蠖巳ビ涗浥c顯示，因而可大大減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。但如將智能軟件算法全部加入前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，由于其本身的CPU資源有限，往往需要提高前端設(shè)備的配置或者使用專用的視頻分析儀器共同作用，這樣會(huì)使設(shè)備的體積與成本大大增加，因而也不是用戶所需要的。

　　由此，如何充分利用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的富余CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識(shí)別的軟件算法到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，是國(guó)內(nèi)外安防學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。本文介紹一種新的單路高清IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的功能模塊方案、并在此基礎(chǔ)上嵌入智能功能組成智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，文中還介紹了其組成方案、設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)等。

　　高清IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的功能模塊解決方案與普通的攝像機(jī)相比，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的內(nèi)部主要是增加數(shù)字化處理與數(shù)字視頻壓縮以及網(wǎng)絡(luò)接入功能，即將數(shù)字化的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)的數(shù)據(jù)流，以便送到網(wǎng)上傳輸。因此，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以被看作是一臺(tái)攝像機(jī)和一臺(tái)電腦的結(jié)合體。它能夠捕獲影像并直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而使授權(quán)用戶能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的基于IP的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)架，在本地或者遠(yuǎn)程地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)觀看、存儲(chǔ)和管理視頻數(shù)據(jù)，或者監(jiān)聽(tīng)該攝像機(jī)內(nèi)置麥克風(fēng)采集的現(xiàn)場(chǎng)聲音。

　　由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上還有通信(COM)接口，使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具有控制數(shù)據(jù)的捕獲及轉(zhuǎn)換功能。因?yàn)橥ㄟ^(guò)COM接口可與外接的解碼器相連接。因此，網(wǎng)絡(luò)上任一授權(quán)用戶的PC機(jī)，就可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)由攝像機(jī)COM口，對(duì)其外接的解碼器發(fā)送指令，使攝像機(jī)云臺(tái)與鏡頭根據(jù)需要?jiǎng)幼?。同時(shí)，該COM接口也可以從前端接受數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上的任一臺(tái)PC機(jī)上。

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上還有報(bào)警(ALARMI/O)接口。這種報(bào)警信號(hào)接入端子可以接收由各類報(bào)警傳感器傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行編碼，而后送入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)應(yīng)用軟件對(duì)該報(bào)警信號(hào)進(jìn)行各種聯(lián)動(dòng)響應(yīng)設(shè)置(如發(fā)出聲、光報(bào)警與進(jìn)行報(bào)警錄像等)。

　　由于每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)都擁有自己獨(dú)立的IP地址，能夠直接連接到網(wǎng)絡(luò)，并內(nèi)置Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、FTP客戶端、Email客戶端、報(bào)警管理、可編程能力以及其它眾多的功能。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)無(wú)需與PC機(jī)連接，也可以獨(dú)立運(yùn)行，并可安置在任何一個(gè)具備IP網(wǎng)絡(luò)接口的地點(diǎn)。除了視頻信息之外，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)還能夠通過(guò)同一網(wǎng)絡(luò)連接去實(shí)現(xiàn)更多其它的功能，并傳輸其它一些有用信息，如視頻移動(dòng)偵測(cè)、音頻、數(shù)字化輸入和輸出(可用于實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)，如觸發(fā)警報(bào)或激活現(xiàn)場(chǎng)照明等)、用于傳輸串行數(shù)據(jù)或進(jìn)行PTZ設(shè)備驅(qū)動(dòng)的串行端口等。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中的圖像緩存，還可以保存并發(fā)送報(bào)警發(fā)生前后的視頻圖像。

　　因此，IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可將獲取的視頻源在本地進(jìn)行預(yù)處理、壓縮，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)端傳送與存儲(chǔ)。其重要組成部分包含視頻預(yù)處理、視頻壓縮以及IP網(wǎng)絡(luò)視頻(Video-OverIP)功能。目前，IP攝像機(jī)的輸入數(shù)據(jù)格式是：1路D1/25幀/s+1路CIF/25幀/s，這樣通?？捎?片CycloneⅡEP2C35和1片低成本處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由于目前IP攝像機(jī)的分辨率正在由標(biāo)清D1逐步進(jìn)化到高清(1280×1024)，并且必須進(jìn)行本地實(shí)時(shí)壓縮，因而只能采用硬壓縮方式。如果采用多片DSP處理器，則將使系統(tǒng)成本、集成度和功耗增加，而讓用戶無(wú)法接受;如果采用單片低成本的FPGA器件，則性能又無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，但若采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件，則可達(dá)到要求。因?yàn)檫@種器件是具有相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)化ASICHardCopy系列器件，它還可進(jìn)一步將成本降低到1/10，并降低50%的功耗。

　　通過(guò)前述的采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件的單路高清IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的功能模塊方案，加上嵌入的智能軟件算法模塊即可組成智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。顯然，一臺(tái)智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，即由攝像鏡頭、CCD或CMOS成像器件、A/D與預(yù)處理部分、智能軟件算法模塊、編碼壓縮模塊部分與網(wǎng)絡(luò)接口模塊等六部分組成。

　　由圖2可知，攝像鏡頭收集所監(jiān)控場(chǎng)景的光學(xué)圖像，并將它們聚焦成像到CCD或CMOS成像器件的感光面上，其轉(zhuǎn)換輸出的視頻電信號(hào)經(jīng)A/D變換與去除噪聲、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理后，再送入嵌入智能軟件算法的模塊中。智能軟件算法是智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最重要的部分，其算法的優(yōu)劣、異常信號(hào)分析識(shí)別的準(zhǔn)確與否是該攝像機(jī)能否實(shí)用的關(guān)鍵。當(dāng)智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)開(kāi)始進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)時(shí)，會(huì)把所監(jiān)控場(chǎng)景的圖像經(jīng)編碼壓縮通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后就只將有識(shí)別異常的信號(hào)，才經(jīng)編碼壓縮，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口送到網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣就可大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的資源。

　　由于通過(guò)視頻壓縮后傳輸，會(huì)失去一部分真實(shí)信息并產(chǎn)生一些噪音信號(hào)，這時(shí)用智能軟件對(duì)壓縮后的視頻進(jìn)行分析與識(shí)別處理，相對(duì)會(huì)有更多的漏報(bào)警和誤報(bào)警。而本方案的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是對(duì)沒(méi)有壓縮的原始圖像進(jìn)行目標(biāo)提取，就顯然沒(méi)有上述問(wèn)題。并且，它只有在出現(xiàn)異常需預(yù)/報(bào)警的情況下，才需要把相關(guān)的視頻發(fā)送到后端進(jìn)行監(jiān)視和記錄，而一般情況下只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送很少的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，這些目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的流量還不到視頻流量的1/50，從而減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求和消耗，減少了用戶在網(wǎng)絡(luò)方面的投資，而同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的用戶也帶來(lái)了使用智能視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的可能。

　　因此，實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案的重點(diǎn)是，選擇與設(shè)計(jì)好的智能軟件算法，然后將其嵌入DSP或與FPGA中，以形成智能軟件模塊部分。

　　智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案的設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)

　　實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案的設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

　　模塊化設(shè)計(jì)

　　這里所說(shuō)的模塊化設(shè)計(jì)，主要是使智能化功能模塊化。個(gè)人認(rèn)為，上節(jié)所述的可嵌入智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中的8個(gè)智能化功能，除前3個(gè)最基本的功能每個(gè)攝像機(jī)都需要而組成一個(gè)模塊外，其余可單獨(dú)組成。這樣比較靈活方便，可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)控地點(diǎn)的需要而選取不同的模塊裝入，從而可減少資金投入，工程商也愿意接受。因此，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)不僅可以給生產(chǎn)廠家?guī)?lái)方便，也非常適合實(shí)際中的需要。

　　可靠性設(shè)計(jì)

　　任何產(chǎn)品均需進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，即要求系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品經(jīng)久耐用、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。這樣，必須進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，要可抗EMI、防雷電及各種干擾等，以便能適應(yīng)各種惡劣氣候環(huán)境而不出現(xiàn)故障。

　　人性化操作設(shè)計(jì)

　　所謂人性化操作設(shè)計(jì)，即非常適合于人的簡(jiǎn)單方便的操作使用。如盡量采用

　　按鍵式操作，要有明確的指示燈和喇叭提示，在它安裝得隱蔽與高的情況下，還可使用遙控器，將日常操作集中在遙控器上。

　　實(shí)用化設(shè)計(jì)

　　所謂實(shí)用化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)非常實(shí)用，操作使用簡(jiǎn)單方便、環(huán)節(jié)少、易學(xué)。能自動(dòng)地方便地進(jìn)行功能設(shè)置，以及與防盜、防火、門禁等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)化程度高，使系統(tǒng)能在實(shí)際可能發(fā)生受侵害的情況下及時(shí)預(yù)/報(bào)警。此外，還要求有自檢功能，并將自檢結(jié)果定時(shí)上報(bào)給管理中心，接受管理中心監(jiān)控，以便出現(xiàn)故障立即維護(hù)。

　　經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)

　　在考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，除考慮降低系統(tǒng)的研發(fā)成本、生產(chǎn)成本外，還要顧及系統(tǒng)的使用成本，即已包括使用期間的維護(hù)費(fèi)、備件費(fèi)等。

　　為獲得較高的性價(jià)比，設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)盲目追求復(fù)雜高級(jí)的方案。在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能采用簡(jiǎn)單的方案，因?yàn)榉桨负?jiǎn)單，意味著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低。

　　在上述因素綜合考慮后，再選擇確定適當(dāng)?shù)姆桨浮?/P>