文/李云棟

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)論是模擬系統(tǒng)、模擬數(shù)字混合系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)流遵循的是采集、傳輸、顯示、存儲(chǔ)的流程。顯然中間只有信息的獲取，并沒(méi)有對(duì)獲取的信息進(jìn)行理解。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是依靠值班人員盯住視頻畫面，發(fā)現(xiàn)異常并處理的。這對(duì)值班人員是個(gè)挑戰(zhàn)，特別是監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警變的越來(lái)越不可能，只能事后通過(guò)錄像進(jìn)行追溯。智能視頻分析正是為解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)最大的不同在于增加了對(duì)信息的理解和分析環(huán)節(jié)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和主動(dòng)報(bào)警。

智能視頻分析技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代，由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目署主導(dǎo)的視覺(jué)監(jiān)控重大項(xiàng)目VSAM(Visual Surveillance Monitoring)吸引了眾多高校科研機(jī)構(gòu)的參與，從而拉開了智能視頻分析技術(shù)研究與應(yīng)用的序幕。至今，智能視頻分析技術(shù)已經(jīng)有近20年的應(yīng)用，世界范圍內(nèi)已經(jīng)部署了很多智能分析系統(tǒng)在運(yùn)行。但是應(yīng)該看到過(guò)去的智能視頻分析應(yīng)用基本屬于集中式應(yīng)用，大多是基于PC機(jī)的應(yīng)用。直到近2、3年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部署和眾多大型監(jiān)控項(xiàng)目的上馬，基于嵌入式設(shè)備的智能分析系統(tǒng)才開始得到更多關(guān)注和應(yīng)用。

智能分析的高層應(yīng)用主要包括區(qū)域防范、行為理解、物體識(shí)別、煙霧火焰識(shí)別、PTZ跟蹤、交通管理等。目前市場(chǎng)上智能分析的應(yīng)用大多局限于區(qū)域防范，包括入侵檢測(cè)、絆線檢測(cè)等，其它更復(fù)雜的工程應(yīng)用還不多見。一方面我們認(rèn)為智能分析是視頻監(jiān)控發(fā)展的重要方向之一，另一方面也應(yīng)該看到智能分析的工程實(shí)踐還面臨很多問(wèn)題。

究其原因，首先是技術(shù)方面的原因，智能分析是技術(shù)而絕對(duì)不是科學(xué)，它的成功實(shí)施需要多方面的配合，而智能分析技術(shù)也處于發(fā)展過(guò)程中；其次國(guó)內(nèi)企業(yè)在技術(shù)積累方面做的不夠，大多數(shù)OEM國(guó)外公司的算法，真正掌握核心算法的國(guó)內(nèi)企業(yè)沒(méi)有幾家，很難針對(duì)具體場(chǎng)景做出算法上的調(diào)整。

智能分析技術(shù)可以根據(jù)底層建模和高層建模兩部分進(jìn)行劃分。底層建模包括背景建模、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、特征提取等基本算法，高層建模則是根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行判斷，生成分析結(jié)果。

智能視頻分析最理想的搭載平臺(tái)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)剛剛開始實(shí)施，還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)。再加上智能分析本來(lái)也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)算法，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，所以項(xiàng)目的實(shí)施大多根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)主的需求，系統(tǒng)實(shí)施更是見仁見智。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)控的最本質(zhì)不同在于增加了信息理解和分析環(huán)節(jié)。理論上信息理解和分析可以發(fā)生在數(shù)據(jù)流的各個(gè)階段，也就形成了不同的智能分析解決方案。信息理解和分析在前端采集單元執(zhí)行，賦予攝像機(jī)以智能，形成智能攝像機(jī)，包括模擬攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；信息理解和分析在中間單元執(zhí)行，形成智能DVR設(shè)備；信息理解和分析當(dāng)然也可以在后端服務(wù)器執(zhí)行，形成集中式智能監(jiān)控系統(tǒng)。

不同解決方案有不同的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也不盡同。相對(duì)于中、后端的集中式部署，我們認(rèn)為前端處理、分布式處理更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，原因如下：首先是處理器處理能力的問(wèn)題。智能分析需要對(duì)圖像像素逐點(diǎn)分析，運(yùn)算量巨大，當(dāng)輸入視頻路數(shù)較多時(shí)采用集中式處理處理器的帶寬無(wú)法支撐。分布式處理雖然單個(gè)處理器能力并不強(qiáng)大，但是僅處理一路帶寬還是足夠的。

其次是網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題，集中式處理需要所有視頻數(shù)據(jù)都傳輸?shù)椒?wù)器，而分布式處理則可以根據(jù)分析結(jié)果選擇性傳輸。

最后是成本問(wèn)題，分布式處理可以在原來(lái)硬件的基礎(chǔ)上不增加成本或者僅增加很少成本即可實(shí)現(xiàn)智能分析，相同視頻路數(shù)顯然集中式處理增加的成本更多。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是智能視頻分析最理想的搭載平臺(tái)。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Emvideo是全球著名DSP供應(yīng)商ADI公司的第三方和緊密合作伙伴，專注于提供基于Blackfin DSP的視頻解決方案。Emvideo可以提供處理器級(jí)、板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的三種智能分析解決方案，分別對(duì)應(yīng)于新設(shè)備研發(fā)和老設(shè)備的改造。下面分別從這三方面闡述智能分析技術(shù)的整合。

智能分析的處理器級(jí)整合

處理器級(jí)的智能整合是指智能分析算法直接運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的主處理器之中，是最徹底且成本最低的整合方法，但是對(duì)處理器的運(yùn)算能力要求較高。目前，市場(chǎng)上主流的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案包括TI Davinci系列、ADI Blackfin系列、Hisilicon 351x系列、Grain FIC81xx系列等。通常SOC處理器缺乏足夠的靈活性和編程優(yōu)化能力來(lái)滿足智能分析算法帶來(lái)的挑戰(zhàn)，而DSP處理器良好的可擴(kuò)展性、指令優(yōu)化能力可以滿足智能分析復(fù)雜的算法。Emvideo智能視頻解決方案正是基于ADI Blackfin DSP處理器將智能分析算法移植到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的處理器中，實(shí)現(xiàn)了算法和應(yīng)用的深度整合。

Emvideo作為ADI的全球IPCamera合作伙伴，早在兩年多前已經(jīng)推出網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案并已經(jīng)協(xié)助客戶量產(chǎn)。隨后公司敏銳的把握到智能視頻分析的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，及時(shí)組織研發(fā)力量在高校多年研究成果的基礎(chǔ)之上推出智能分析算法并內(nèi)嵌到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器平臺(tái)中。利用原來(lái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中的Blackfin DSP強(qiáng)大的處理能力實(shí)現(xiàn)智能分析，而未增加硬件成本，這是Emvideo方案的一大特色。Emvideo CA3100智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：Emvideo智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)方案硬件框圖

如圖1所示，本方案的核心是2顆DSP處理器――BF536和BF561，其中BF561處理器是主頻600MHz的雙核處理器，作為協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)H.264/MPEG-4編碼算法。BF536是主頻300MHz的單核處理器，作為主處理器完成IPCamera的基本功能，包括用戶管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取３ミ\(yùn)行這些功能，BF536的處理能力還剩余80%-90%，這使得在BF536運(yùn)行智能分析算法成為可能。系統(tǒng)工作原理是這樣的：模擬視頻信號(hào)經(jīng)ADV7180解碼后的ITU656格式的信號(hào)分別進(jìn)入BF536和BF561處理器，分別完成視頻編碼和智能分析工作，智能分析的結(jié)果和視頻編碼后的碼流數(shù)據(jù)組合在一起，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。如果使用CMOS圖像傳感器，則跳過(guò)ADV7180解碼，傳感器輸出的ITU601格式的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入2顆DSP處理器。

智能分析的板級(jí)整合

對(duì)于廣大設(shè)備廠商已有的IPC、DVS或者DVR設(shè)備，板級(jí)整合是一個(gè)比較有效的途徑。已有設(shè)備或是因?yàn)樘幚砥髂芰κ芟?，或是因?yàn)殚_發(fā)不方便，無(wú)法做到處理器級(jí)別的整合。Emvideo可以提供智能分析模塊實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的改造。Emvideo提供的模塊基于BF536處理器，體積小巧，用戶可以方便的嵌入到自己的設(shè)備中。用戶可以把智能分析模塊看作是一個(gè)黑匣子，只需要關(guān)注模塊的輸入、輸出接口，而毋須關(guān)注內(nèi)部的工作原理。Emvideo智能分析模塊如圖2所示。

圖2：智能分析的板級(jí)整合

如圖2所示，智能分析模塊的工作原理如下：首先模擬視頻信號(hào)或者ITU656/601數(shù)字信號(hào)進(jìn)入模塊，規(guī)則和各種參數(shù)通過(guò)UART或者Ethernet設(shè)置到模塊，然后模塊接受啟動(dòng)命令開始進(jìn)行分析，最后分析結(jié)果經(jīng)過(guò)UART或者Ethernet發(fā)送到IPC/DVS/DVR主板。

智能分析的系統(tǒng)級(jí)整合

系統(tǒng)級(jí)的整合是更高層次的應(yīng)用層面的整合。Emvideo提供智能分析儀產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的整合。其工作原理是智能分析儀和IPC/DVS/DVR設(shè)備接入同一局域網(wǎng)，共享同一視頻源，二者具有不同的IP地址?？蛻舳送ㄟ^(guò)分析儀廠家提供的SDK接口對(duì)智能分析儀進(jìn)行設(shè)置，并接收分析結(jié)果，然后，將分析結(jié)果和視頻監(jiān)控軟件集成，或者直接使用分析儀廠家提供的客戶端軟件進(jìn)行操作。智能分析儀市場(chǎng)上同類產(chǎn)品較多，其工作原理這里不再贅述。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型

前面已經(jīng)提到智能視頻分析的最佳載體是嵌入式設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。目前市場(chǎng)上主流的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件平臺(tái)包括DSP和SOC兩大陣營(yíng)。DSP包括TI Davinci 6446（ARM+DSP，也可認(rèn)為是SOC）、ADI Blackfin系列、NXP系列等。SOC主要包括TI DM355、Hisilicon 3510/3511/3512、Grain FIC8120/8161/8180等。這幾款方案各有其特點(diǎn)，都可以滿足普通網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的要求。但對(duì)于搭載智能分析算法的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)而言，并不是所有的方案都能夠滿足要求。究其原因，還是智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對(duì)硬件平臺(tái)有更高的要求。筆者認(rèn)為一個(gè)理想的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件平臺(tái)應(yīng)該滿足以下幾方面的要求：

運(yùn)算能力強(qiáng)

智能分析過(guò)程包括背景建模、連通計(jì)算、形態(tài)學(xué)處理等過(guò)程，基本都是對(duì)像素逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，而且要保證每秒10幀以上的處理能力，運(yùn)算量非常之大。所以強(qiáng)大的處理能力是智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件平臺(tái)的基本要求。在這一點(diǎn)上DSP明顯優(yōu)于SOC處理器。目前SOC多是ARM架構(gòu)的，ARM處理器的特點(diǎn)是低功耗和體積小，指令優(yōu)化能力有限。DSP處理器一般具有較強(qiáng)的指令并行處理能力，同時(shí)針對(duì)像素字節(jié)運(yùn)算具有專門的指令。充分利用DSP的并行處理能力、專用視頻指令和高速片上內(nèi)存以及合理安排DMA操作，可以大大提高算法運(yùn)算效率。

編程靈活性好

現(xiàn)階段智能視頻分析技術(shù)處于發(fā)展過(guò)程中，同時(shí)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施依賴于具體場(chǎng)景。智能視頻分析沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的算法，更多的是多算法的融合和對(duì)特定場(chǎng)景的調(diào)整。因此良好的可編程性是處理器必須具備的條件。

支持先進(jìn)的視頻編碼方式

H.264視頻編碼以其碼率低、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一逐漸成為安防監(jiān)控領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。D1分辨率也是目前編碼器的主流配置。雙碼流的支持會(huì)成為智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展方向。

更低的成本

成本控制始終是需要重視的問(wèn)題。智能視頻分析功能的實(shí)現(xiàn)最好是在原有平臺(tái)基礎(chǔ)上增加很少硬件成本甚至是不增加硬件成本。

綜上所述，Emvideo智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件平臺(tái)選擇ADI Blackfin DSP處理器，原因如下：

1、Blackfin處理器基于ADI與Intel聯(lián)合開發(fā)的MSA架構(gòu)，集RISC處理器與DSP的優(yōu)點(diǎn)于一身，既適合密集性運(yùn)算，又適合做控制使用。Blackfin處理器具有較強(qiáng)的并行處理能力，同時(shí)具有專門的視頻操作指令，配合片上SRAM和DMA操作，大大提高算法運(yùn)行效率。

2、Emvideo方案采用的雙DSP架構(gòu)，相比ARM+DSP的雙處理器架構(gòu)，開發(fā)工具統(tǒng)一，代碼兼容性好，更加方便開發(fā)工作。

3、Blackfin處理器支持uClinux操作系統(tǒng)，使得應(yīng)用程序的開發(fā)更加方便簡(jiǎn)潔。

模擬攝像機(jī)的智能化與現(xiàn)有系統(tǒng)的升級(jí)改造

盡管視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向是數(shù)字化和智能化，但是，毋庸置疑的是模擬攝像機(jī)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)會(huì)和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)共存。因此，如何推進(jìn)模擬攝像機(jī)的智能化也是不可回避的話題。

在GDSF2009研討會(huì)暨展覽會(huì)上已經(jīng)可以看到此類的產(chǎn)品。松下公司展出一種內(nèi)嵌智能分析的模擬攝像機(jī)，可以通過(guò)菜單設(shè)置工作參數(shù)，報(bào)警結(jié)果是通過(guò)開關(guān)量動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的。模擬攝像機(jī)由于缺乏友好的人機(jī)界面，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的規(guī)則設(shè)置，比較適于實(shí)現(xiàn)區(qū)域入侵檢測(cè)、絆線檢測(cè)等基本的智能分析功能。

另一方面，現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括模擬系統(tǒng)、模擬數(shù)字混合系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)，如何對(duì)數(shù)量眾多的現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，是考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員智慧的工作。

針對(duì)老系統(tǒng)的改造工作，筆者有以下幾點(diǎn)建議：

選擇合適的切入點(diǎn)

系統(tǒng)的智能化改造是仁者見仁智者見智的工作，智能化可以在前端、中間或者后端實(shí)現(xiàn)。用戶要根據(jù)自己系統(tǒng)的實(shí)際情況，權(quán)衡改造的難度、成本、可靠性等因素選擇合適的改造方案，既要最大限度的保護(hù)已有的投資又能融合新技術(shù)的功能。

選擇合適的產(chǎn)品

目前市場(chǎng)上智能分析功能較多，而且很多功能屬于智能分析的不同擴(kuò)展應(yīng)用，名稱雖然不同，其實(shí)有可能是實(shí)現(xiàn)同樣的功能。用戶弄清楚這些功能的使用范圍，選擇適合自己需求的功能。同時(shí)用戶對(duì)智能分析要有清醒的認(rèn)識(shí)，既不能一味貶低，也不能期望過(guò)高。在項(xiàng)目實(shí)施中要充分利用先驗(yàn)知識(shí)，靈活運(yùn)用才能收到好的效果。

智能分析要為監(jiān)控服務(wù)

不能為分析而分析，分析是有針對(duì)性的，智能分析的結(jié)果要有機(jī)的整合到視頻監(jiān)控平臺(tái)軟件中，要實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。目前市場(chǎng)上很多智能分析產(chǎn)品僅是提供一個(gè)簡(jiǎn)單的客戶端，有的甚至連錄像等基本功能都沒(méi)有，還需要安裝專業(yè)視頻監(jiān)控軟件，這是需要注意的問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展逐步邁入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的階段。得益于市場(chǎng)需求與技術(shù)發(fā)展的良性互動(dòng)，智能分析技術(shù)開始進(jìn)入安防領(lǐng)域，并且從集中式應(yīng)用逐漸向嵌入式、分布式應(yīng)用過(guò)渡。智能分析技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高安防監(jiān)控領(lǐng)域的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)報(bào)警和實(shí)時(shí)報(bào)警。目前智能分析的應(yīng)用還存在一些不足，尚需廣大研發(fā)機(jī)構(gòu)、設(shè)備商、系統(tǒng)集成商通力合作，深度整合各種資源，抓住市場(chǎng)機(jī)會(huì)，推進(jìn)智能分析應(yīng)用，創(chuàng)造更多的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。