‧ 智慧攝影機的硬體架構及演算法類型應用

來源:CPS中安網 作者:馬可威

　　智慧攝影機的稱呼由來已久，從最開始的類比攝影機、類比球機、標清網路攝影機到如今的高清攝影機，都有被稱之為智能攝影機。而“智慧”的定義，也是沒有統一標準的，例如支持CCD的參數可調、具備自動白平衡、支持移動偵測、支援視頻遮擋檢測以及支援周界防範等都可以被稱之為智慧。以上因素在相當程度上造成目前市場上智慧攝影機種類雜多的情況，以至於讓使用者很難區分，如霧裡看花。

　　但是，隨著最近兩年高清視頻監控的發展及市場應用的日趨成熟，行業內對智慧攝影機的定義開始清晰，即具備智慧視頻分析功能的高清攝影機。這一理念已經逐步為廠商和用戶所認可。智慧攝影機的硬體架構比較簡單，但是根據內嵌的智慧分析演算法的不同和輸出的介面的差異，又可以分為很多種類。

智慧攝影機的硬體架構
　　與傳統的類比攝影機或者網路攝影機相比，智慧攝影機最大的特點是具備智慧分析的功能，因此，在硬體上一般會多一顆CPU晶片--DSP、ARM或者FPGA。這顆晶片負責智慧攝影機內部智慧分析演算法的運算。下圖為一般的智慧攝影機的結構框架。

SENSOR和ISP部分
　　SENSOR一般採用CCD或者CMOS。目前監控用的智慧攝影機由於應用的領域較為關鍵、技術相對先進，所以大部分都採用200萬畫素以上的CCD晶片，但是隨著CMOS技術的成熟，目前已經有逐步往CMOS發展的趨勢。ISP部分主要指對CCD信號的後期處理，如白平衡、曝光時間等的調整，其又分為兩種情況：傳統情況下一般會採用一顆獨立的DSP來完成，但是近年來也有晶片廠商將這部分的功能整合到視訊壓縮的ASIC晶片中，提高集成度。

智慧分析運算CPU
　　這部分的主要功能就是運算攝影機內嵌的智慧分析演算法，並主要採用FPGA和DSP來實現，且目前兩種方案都有廠商在使用，比較而言後者應用更多，用戶的認可度也較高。據悉，這部分目前也出現有視訊壓縮晶片廠商將之整合到視頻ASIC中的情況，利用ASIC晶片中日益強大的ARM晶片來實現分析的功能。

視訊壓縮部分

　　這部分目前技術非常成熟，按實現方式主要分為三大類：一是用FPGA來實現，但是成本高，難度大，現在已經很少看到；二是用DSP來實現，這種方式非常成熟，不過也是由於成本和開發難度的問題，已經逐步為ASIC方式所替代；第三種就是ASIC方式，晶片廠商會在ASIC內部固化視訊壓縮演算法及基本的功能API介面，終端廠商開發的難度大大降低，同時由於實現了專芯專用和批量化的流片，晶片的成本也大大降低，為網路攝影機的普及奠定了良好的基礎。目前的ASIC晶片性能已經相當強勁，單晶片已經可以支援16個D1，壓縮一個標準的1080P視頻更不在話下。另外，ASIC晶片現在可以集成越來越多的功能，上文提及的ISP和智慧分析CPU現在都可以集成到一顆ASIC晶片上。採用視訊壓縮晶片的智慧攝影機方案一般都輸出網路介面。

SDI的轉換輸出部分
　　這部分一般為可選部分，如果選擇SDI的轉換部分，上述的視訊壓縮部分就不再需要，經過ISP和 CPU處理分析的視頻資料，可以通過SDI的轉換晶片轉換為符合標準的HD-SDI信號，輸出給相關的傳輸或者終端設備。

智慧分析演算法的幾大類型及應用
　　智慧分析是智慧攝影機的核心功能，其功能和性能又完全取決於其內嵌的智慧分析演算法，根據目前業界發展的趨勢和市場的需求來看，我們可以大致將目前應用的智慧分析演算法分為以下幾個類型：

車牌識別功能
　　目前支持車牌識別的智慧攝影機主要應用於交通領域，如闖紅燈、卡口、停車場等的應用。和以前傳統的攝影機配合處理主機的系統相比，智慧攝影機採用一體化設計，一方面降低了成本，另一方面減少了系統連接，降低了故障率。內置車牌識別功能的智慧攝影機是以後交通領域應用的趨勢。

交通行為分析
　　主要是指除闖紅燈以外的交通違章行為的檢測和分析，如違章停車、壓黃線、逆行、不按車道行駛、違章左行右行等。以前的系統受系統性能限制，基本上無法實現上述的功能。由於CPU晶片性能的提升和採用的高清相機具備更大的視野，智慧攝影機目前已經可以較為完善的實現上述功能。

基礎行為分析
　　基礎的行為分析主要包括周界防範、物品遺留、物品丟失、人員聚集等，這部分的技術比較成熟，從智慧分析進入安防領域開始，這些功能便開始存在，因此目前這些演算法應用較為廣泛。

視頻品質診斷
　　視頻品質診斷指的是對攝影機本身圖像品質的監測，如雪花、條紋、視頻丟失等，由於該演算法主要是起到自測作用，因此一般會綁定其他功能一起使用。

流量計數統計
　　計數功能主要分為人員計數和車輛計數，人員計數主要用於出入口控制或統計，如地鐵、機場、火車站、超市等。車輛計數主要用於卡口、交通密集度的監測等。

人臉識別功能
　　人臉識別功能分為人臉檢測和人臉對比，後者需要基於前者來實現，前者主要用於輔助計數和目標偵測，後者主要用於人員識別以實現門禁許可權控制、考勤、重要人物識別等。

外部輸出介面的差異
　　根據使用場合劃分，智慧攝影機的介面分為網路介面和HD-SDI介面。目前絕大部分的智慧攝影機採用網路介面傳輸，傳輸協定採用標準的TCP/IP協定。不同的是有的智慧攝影機採用網路介面傳輸圖片，而有的智慧攝影機採用網路介面傳輸經過壓縮的視頻流，目前這兩類攝影機有整合的趨勢，即一個攝影機支援多個碼流，既可以傳輸圖片又可以傳輸視頻流。網路攝影機的優勢是協定標準、部署方便且對傳輸媒質的要求相對較低。

　　

　　HD-SDI介面是新興的需求，由於網路介面有不可避免的畫質損失和傳輸延時，在一些特定的場合，可以採用HD-SDI介面的智慧攝影機。HD-SDI介面具備畫質優秀，傳輸延時較低的特性，但是HD-SDI對傳輸的要求比較嚴格--短距離使用同軸電纜來傳輸，而遠距離就必須使用光纖了。與網路介面相比，HD-SDI介面的設備在整體系統構建的時候需要投入的成本要高很多。

　　　隨著高清化和智慧化的迅猛發展，優勢結合後的高清智慧攝影機勢必會成為未來視頻監控的代表性產品。相信通過業界同仁的共同努力，智慧攝影機的技術和市場都會實現質的提高，智慧攝影機將成為以後監控市場前端設備的主力軍。