智能家庭視頻監(jiān)控的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決之道

　　家庭監(jiān)控正逐步從報(bào)警能力有限的模擬技術(shù)過(guò)渡到壓縮數(shù)字IP傳送技術(shù)，其分析和監(jiān)視能力幾乎不受任何限制。

　　家庭監(jiān)控的需求多種多樣，包括簡(jiǎn)單的安防以及兒童和保姆的全面監(jiān)控等?？紤]到多種視頻輸入的QOS(服務(wù)質(zhì)量)要求，基于IP的家庭監(jiān)控系統(tǒng)趨向于采用專門(mén)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但最終會(huì)采用大眾化的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。系統(tǒng)可以通過(guò)各種介質(zhì)來(lái)聯(lián)網(wǎng)，最常用的是以太網(wǎng)或者無(wú)線技術(shù)。通過(guò)動(dòng)態(tài)IP分配與外界溝通，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是最新一代監(jiān)控系統(tǒng)必須具備的功能，在應(yīng)用中非常重要。

　　基本家庭監(jiān)控系統(tǒng)包括一組攝像頭、監(jiān)視器和中央存儲(chǔ)單元(DVR)，DVR在存儲(chǔ)之前對(duì)視頻輸入進(jìn)行多路復(fù)用。具備嵌入式DVR的PC能夠驅(qū)動(dòng)基本分析功能，也可以完成監(jiān)視和存儲(chǔ)功能?；炯彝ケO(jiān)控系統(tǒng)的分析和報(bào)警功能通常只限于簡(jiǎn)單的移動(dòng)探測(cè)和時(shí)間/日期標(biāo)記等。HMI(人機(jī)接口)受限于DVR設(shè)備，與PC聯(lián)網(wǎng)后，控制和監(jiān)視功能會(huì)大幅度提高。

圖1. 采用FPGA的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例

　　更高級(jí)的監(jiān)控系統(tǒng)增加了音頻監(jiān)視(如嬰兒哭泣、打碎玻璃等)、更多的視頻輸入、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視互聯(lián)網(wǎng)鏈接、CD刻錄以及全面的報(bào)警和呼叫等功能。高端系統(tǒng)還包括服務(wù)器(流復(fù)用)，采用獨(dú)立的附加存儲(chǔ)單元來(lái)替代DVR。高端系統(tǒng)還能提供高級(jí)移動(dòng)探測(cè)功能，包括智能區(qū)域和邊界等。例如，在一個(gè)攝像頭的觀察范圍內(nèi)，人行道上有很多的人流不會(huì)引起報(bào)警，而家庭和人行道之間的區(qū)域出現(xiàn)大量人流則會(huì)觸發(fā)移動(dòng)報(bào)警。高級(jí)分析功能還包括某人閑逛甚至包裹(郵包墜落)探測(cè)等。系統(tǒng)能夠識(shí)別出極少移動(dòng)或者沒(méi)有移動(dòng)的物體。在非常高端的家庭系統(tǒng)中，攝像頭就可以完成分析功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)和報(bào)警。

　　技術(shù)挑戰(zhàn)及解決之道

　　家庭監(jiān)控技術(shù)日前面臨兩大挑戰(zhàn)：視頻壓縮和高級(jí)分析功能。它們都需要采用大量的數(shù)字信號(hào)處理以及復(fù)雜的算法來(lái)完成任務(wù)。

　　用戶已開(kāi)始習(xí)慣高清晰電視，他們通常希望看到質(zhì)量更好的家庭監(jiān)控視頻。因此，家庭監(jiān)控系統(tǒng)從QCIF視頻流過(guò)渡到D1和標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)，并已開(kāi)始開(kāi)發(fā)高清晰(HD)系統(tǒng)。在多攝像頭系統(tǒng)中采用這些技術(shù)后，如果視頻不經(jīng)壓縮，很快便會(huì)超出網(wǎng)絡(luò)帶寬能力。一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的SD視頻流能夠達(dá)到270Mbps，大大超過(guò)了10/100M以太網(wǎng)以及大部分無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬。因此必須采用壓縮技術(shù)。

　　目前實(shí)用的系統(tǒng)采用了MPEG-4和移動(dòng)JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4是最常用的，其壓縮比要高于移動(dòng)JPEG2000，但是移動(dòng)質(zhì)量要差一些。如果需要更好的視頻完整性，則需要采用移動(dòng)JPEG2000，但這會(huì)超出大部分家庭應(yīng)用的需求。MPEG-4 part 10 (H.264)犧牲了部分壓縮效率，其移動(dòng)視頻質(zhì)量要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4，是視頻監(jiān)控最新的發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)類監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始采用H.264，它將很快成為家庭系統(tǒng)能夠選用的技術(shù)。不管標(biāo)準(zhǔn)如何，視頻壓縮對(duì)DSP功能的需求很大。

　　在視頻監(jiān)控應(yīng)用中選擇合適的芯片技術(shù)非常重要。例如，H.264 ASSP可用于設(shè)計(jì)視頻攝像機(jī)等大批量消費(fèi)類應(yīng)用，也能夠用于視頻監(jiān)控。同樣，它們也適用于視頻流編碼，但不能進(jìn)行分析。FPGA是實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流(DVR解碼/編碼)效率最好的技術(shù)。一片F(xiàn)PGA能夠?qū)κ褂肏.264的1至16路標(biāo)準(zhǔn)清晰視頻流進(jìn)行編碼。

圖2. 家庭監(jiān)控的特性和所采用的典型技術(shù)

　　有的DSP芯片是針對(duì)工業(yè)視頻監(jiān)控應(yīng)用的，對(duì)于家庭應(yīng)用則過(guò)于昂貴，且用于分析的帶寬有限，一般只能實(shí)現(xiàn)4路甚至更少的視頻流。FPGA還可以用于攝像頭編碼和分析，非常適合多攝像頭服務(wù)器和DVR編碼/解碼功能。此外，F(xiàn)PGA功能靈活，除了編碼/解碼之外，還能夠完成各種規(guī)模的分析任務(wù)。最后，當(dāng)產(chǎn)量上升時(shí)，F(xiàn)PGA還可以轉(zhuǎn)換為HardCopy ASIC(Altera的結(jié)構(gòu)化ASIC解決方案)，有效地降低了攝像頭或者服務(wù)器/DVR的成本和功耗。

　　家庭監(jiān)控的未來(lái)發(fā)展空間非常大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，管理將更容易，能夠吸引更多的普通用戶，還可以與其它家用系統(tǒng)集成。隨著DTV的出現(xiàn)，中端IP監(jiān)控系統(tǒng)的基本處理能力大大超越了其它家庭系統(tǒng)。這種處理能力可以輕松地完成更多的任務(wù)，例如入室盜竊/火警系統(tǒng)、家電監(jiān)視/控制等。最先采用的很可能是支持第三方監(jiān)視服務(wù)的集成安防/監(jiān)控系統(tǒng)和主人遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等。由于FPGA技術(shù)十分靈活，容易更新，非常適合這種發(fā)展迅速、變化很快的應(yīng)用。此外，迅速轉(zhuǎn)換為Altera的HardCopy結(jié)構(gòu)化ASIC后，設(shè)備供應(yīng)商能夠很快地進(jìn)行調(diào)整，提高產(chǎn)量，以滿足消費(fèi)類應(yīng)用的需求。