數(shù)字監(jiān)控核心技術(shù)的發(fā)展概述

概述

    一、 

    數(shù)字視頻監(jiān)控相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展近幾年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)安防行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)，通過(guò)國(guó)內(nèi)整個(gè)行業(yè)的不斷努力目前數(shù)字監(jiān)控的技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，開(kāi)始直接參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。我們?cè)趪?guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)源于我們掌握了相關(guān)的核心技術(shù)，核心技術(shù)決定了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

    本文內(nèi)容主要介紹一下目前數(shù)字監(jiān)控行業(yè)相關(guān)的技術(shù)以及應(yīng)用前景，探討下一代產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

    視頻壓縮算法：這是決定產(chǎn)品主要特性的技術(shù)，壓縮算法在不斷發(fā)展之中。

    網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：面向未來(lái)多用途的視頻多媒體設(shè)備以及大規(guī)模數(shù)字視頻多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)。

    智能化技術(shù)：數(shù)字視頻系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可以提供各種智能化的功能，這樣才能夠拓展市場(chǎng)，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

    二、  視頻壓縮算法

    1.     H.264壓縮算法

    目前壓縮算法分為兩大類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)算法和專(zhuān)用算法。標(biāo)準(zhǔn)算法為國(guó)際組織ISO/ITU發(fā)布，早期的JPEG壓縮比太小，傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求過(guò)高；后期MPEG 1算法壓縮比有所提高，但是還不能適應(yīng)目前的寬帶網(wǎng)絡(luò)；近兩年來(lái)MPEG 4/H.263 的推廣使得遠(yuǎn)程傳輸成為可能。專(zhuān)用算法為一些專(zhuān)業(yè)公司開(kāi)發(fā)的壓縮技術(shù)，通用性較差，性能也千差萬(wàn)別，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃惴�可以支持低帶寬網(wǎng)絡(luò)，但是圖像效果不令人滿(mǎn)意。

    H.264是最新的國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，由ITU-T和ISO/IEC兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定。標(biāo)準(zhǔn)在ITU-T將被最終通過(guò)為H.264；在ISO/IEC，通過(guò)后，被稱(chēng)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)14496-10（MEPG-4 第10部分）。因此可見(jiàn)H.264并不是比MPEG-4先進(jìn)，他們其實(shí)是一回事。以前大量使用的MPEG-4 是采用了標(biāo)準(zhǔn)的MEPG-4 第10部分以前版本，目前名稱(chēng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：

    H.264 Baseline Profile對(duì)應(yīng)MPEG-4 SP

    H.264 Main Profile對(duì)應(yīng)MPEG-4 ASP

    H.264 Extended Profile對(duì)應(yīng)MPEG-4 ARTS or FGS

    H.264 Baseline Profile對(duì)應(yīng)MPEG-4 Studio

    作為目前最新的視頻編碼技術(shù)H.264，在安防行業(yè)應(yīng)用有著非常大的前景。H.264標(biāo)準(zhǔn)采用了很多新技術(shù)用來(lái)提高壓縮比降低碼流，主要是采用了高精度、多模式預(yù)測(cè)技術(shù)。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰�設(shè)計(jì)了視頻編碼層VCL和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)抽象層是提供“網(wǎng)絡(luò)友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。H.264 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰�設(shè)計(jì)了差錯(cuò)消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，從而保證了視頻傳輸?shù)挠行�性�?/P>

    2.     H.264壓縮算法的實(shí)現(xiàn)難度

    H.264算法分為Baseline Profile、Main Profile、Extended Profile和High Profile四層，H.264算法與以前的算法相比：

    算法復(fù)雜度：H.264 Baseline Profile是以前MPEG-4的2倍左右，H.264 Main Profile是MPEG-4的10倍以上，High Profile復(fù)雜度最高。

    壓縮碼流：Base Profile低于MPEG-4 10-20%，Main Profile低于MPEG-4的一半。

    大家可以看出，實(shí)現(xiàn)H.264 Main Profile 算法后可以使視頻碼流降低一半，可以實(shí)現(xiàn)CIF格式視頻在普通的ADSL上實(shí)時(shí)連續(xù)傳輸，即使在網(wǎng)絡(luò)有波動(dòng)的情況下也不會(huì)受到影響。同時(shí)由于H.264算法具有網(wǎng)絡(luò)編碼層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)于普通的寬帶網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，不會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)的誤碼影響傳輸?shù)馁|(zhì)量。

    然而目前的芯片處理能力還不能夠?qū)崿F(xiàn)完整的H.264算法，現(xiàn)在只能實(shí)現(xiàn)H.264算法中的部分功能，因此需要一個(gè)過(guò)程才能夠體驗(yàn)到H.264給大家?guī)��?lái)的優(yōu)點(diǎn)。

    3.     H.264壓縮算法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

    在JPEG和MPEG-1/2的時(shí)代壓縮芯片以ASIC芯片為主，從MPEG-4開(kāi)始?jí)嚎s芯片已經(jīng)過(guò)度到DSP時(shí)代，使用ASIC芯片的產(chǎn)品越來(lái)越少。這是由于芯片處理能力逐步提高，可以適應(yīng)算法的不斷優(yōu)化，ASIC技術(shù)產(chǎn)品化周期長(zhǎng)，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)目前算法進(jìn)步的步伐。

    由于DSP體系結(jié)構(gòu)的限制，面對(duì)復(fù)雜的H.264算法實(shí)現(xiàn)低成本的實(shí)時(shí)壓縮已經(jīng)非常困難。在算法和芯片技術(shù)成熟以后，未來(lái)的主流壓縮平臺(tái)應(yīng)該是ASIC的天下，當(dāng)然ASIC和DSP技術(shù)相結(jié)合的芯片，同樣具有誘惑力，能夠適合未來(lái)算法發(fā)展的需要。

圖像預(yù)處理和后處理技術(shù)

    1.     圖像濾波

    目前最嚴(yán)重的問(wèn)題之一是攝像頭干擾問(wèn)題，中低檔的攝像頭比較明顯，特別在低照度的環(huán)境中干擾對(duì)圖像質(zhì)量有非常大的影響。根據(jù)分析主要有兩種噪聲會(huì)影響視頻質(zhì)量，一種是相鄰色素之間產(chǎn)生的偽顏色噪聲，一種是由于信號(hào)強(qiáng)度而產(chǎn)生的泊松噪聲（會(huì)影響物體的邊緣清晰度）。一般濾波器的工作原理是先做低通濾波，然后再做高通濾波。從頻譜上分析，物體的邊緣成分在做低通的時(shí)候已經(jīng)損失掉了一部分，盡管在高通后通過(guò)一定的處理可以還原大部分，但實(shí)際上它已經(jīng)不能夠達(dá)到最理想的效果。

    這些噪點(diǎn)隨著產(chǎn)品型號(hào)和工作環(huán)境而不同。由于視頻壓縮算法是通過(guò)前后幀圖像的差異實(shí)現(xiàn)壓縮，因此這種隨機(jī)噪點(diǎn)對(duì)壓縮的影響非常大，有的時(shí)候甚至造成碼流成倍上升，將壓縮算法的優(yōu)點(diǎn)全部掩蓋。

    噪點(diǎn)的處理使得中低檔攝像頭能夠同樣達(dá)到理想的壓縮效果，特別是對(duì)于光線(xiàn)不好的環(huán)境非常有意義。主要可以采用兩種濾波方式：時(shí)間軸上的濾波與空間軸上的濾波。時(shí)間軸濾波采用運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)方式來(lái)去處偽顏色噪聲同時(shí)還原運(yùn)動(dòng)物體。空間軸濾波用來(lái)去除泊松噪聲同時(shí)強(qiáng)化物體邊緣。除此之外，還包括一套柱狀均衡器，它通過(guò)平滑亮度信號(hào)的突變來(lái)改善對(duì)比度。在幀間編碼的技術(shù)中主要采用了針對(duì)攝像頭主要環(huán)境特征即靜止圖像和圖像變化不大的情況下壓縮處理，這樣保證在正常情況下圖像都可以以高質(zhì)量的水平保存。另一方面，通過(guò)實(shí)時(shí)濾波技術(shù)的應(yīng)用，使得在壓縮之前就排除了信號(hào)中的干擾，壓縮還原的圖像有很大的提高，同時(shí)也降低了碼流。

    2.     圖像的其他處理技術(shù)

    對(duì)于全幅圖像(Full D1)的處理有一個(gè)重要問(wèn)題，全幅圖像是由前后兩場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)合成的，如果圖像運(yùn)動(dòng)的比較快，就會(huì)造成兩場(chǎng)的圖像差別較大，運(yùn)動(dòng)快的部分圖像有了一定的位移，這樣就造成合成的圖像在運(yùn)動(dòng)快的部分圖像邊緣形成鋸齒效應(yīng)。而采用了De-interlace技術(shù)較好的解決了這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)，在解碼回放的時(shí)候也可以應(yīng)用了De-Block技術(shù)，排除了由于解碼而造成的各種干擾，可以使得圖像還原效果提升了一個(gè)層次。

    四、  網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    1．  組網(wǎng)技術(shù)

    目前絕大多數(shù)視頻組網(wǎng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是采用集中式，二是采用私有控制協(xié)議。集中式可靠性和擴(kuò)展性差，對(duì)于小規(guī)模視頻應(yīng)用尚可，但對(duì)于較大的城域范圍甚至更大的應(yīng)用范圍，視頻接點(diǎn)成千上萬(wàn)，集中方式的中心節(jié)點(diǎn)將不堪重負(fù)，網(wǎng)絡(luò)非常脆弱。由于采用私有控制協(xié)議，已有的視頻組網(wǎng)只能一個(gè)應(yīng)用一個(gè)工程、一個(gè)工程一個(gè)設(shè)計(jì)的格局，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能互通，形成視頻應(yīng)用的“孤島”，維護(hù)管理和升級(jí)都非常復(fù)雜。

    隨著新的視頻應(yīng)用的增加，尤其是城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、城市智能交通、保安監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化以及各個(gè)行業(yè)的城域監(jiān)控網(wǎng)的建立，視頻組網(wǎng)的規(guī)模將越來(lái)越大，并且存在不斷擴(kuò)展的需要，因此視頻組網(wǎng)必須打破過(guò)去集中式和私有控制協(xié)議帶來(lái)的弊端，采用分布式、標(biāo)準(zhǔn)化的組網(wǎng)方案。

    基于SIP協(xié)議既能夠組建純SIP的下一代視頻多媒體網(wǎng)，也能夠與軟交換結(jié)合組建下一代視頻多媒體網(wǎng)，完全可以根據(jù)應(yīng)用的需要。由于SIP本身具有的簡(jiǎn)單靈活、分布式控制以及對(duì)移動(dòng)性良好支持等優(yōu)點(diǎn)，隨著Internet的迅猛發(fā)展，尤其在最近的兩年時(shí)間內(nèi)，由IETF首先提出的SIP協(xié)議已經(jīng)開(kāi)始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織)、IMTE等各種標(biāo)準(zhǔn)化組織所接受，并在這些組織中成立了與SIP相關(guān)的工作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員，在多年發(fā)展H323應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)SIP應(yīng)用在視頻領(lǐng)域的特點(diǎn)，提出了SIP的應(yīng)用指導(dǎo)，并推出了相應(yīng)的SIP協(xié)議棧，使得ITU的成員實(shí)現(xiàn)了這兩種協(xié)議之間的互通性。視頻多媒體需求的大眾化以及SIP相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，SIP已成為新興的視頻多媒體領(lǐng)域的主流信令控制協(xié)議。

    純SIP組網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式與傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式不同，它沒(méi)有長(zhǎng)途和本地之分，主要是基于內(nèi)容或者服務(wù)的運(yùn)營(yíng)模式。利用SIP可快速組網(wǎng)，靈活部署業(yè)務(wù)，為用戶(hù)提供可移動(dòng)的視訊服務(wù)。

    基于SIP組建網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻的移動(dòng)多媒體應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角。目前國(guó)外廠商已經(jīng)推出了基于SIP的即時(shí)信息、語(yǔ)音和視頻等應(yīng)用。如微軟的Windows XP采用SIP信令協(xié)議，這意味著SIP能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻多媒體應(yīng)用；3GPP(Third Generation Partnership Project)采用了SIP的3G體系結(jié)構(gòu)計(jì)劃，SIP成為3G用戶(hù)建立包括視頻在內(nèi)的實(shí)時(shí)通信會(huì)話(huà)的基石。

    2．  網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

    從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，面向?qū)嵱玫南到y(tǒng)面臨兩大難題，即視頻服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)信息安全問(wèn)題。即使在寬帶網(wǎng)絡(luò)上由于沒(méi)有有效的Qos機(jī)制，很難保障高質(zhì)量的視頻連續(xù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)信息安全是另一個(gè)限制數(shù)字視頻應(yīng)用發(fā)展的因素，目前的廣域網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有一個(gè)有效的安全保障機(jī)制，這樣就大大限制了網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的領(lǐng)域。

    由于網(wǎng)絡(luò)的帶寬不固定，同時(shí)有一定的誤碼率，需要采用動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臓顩r，實(shí)時(shí)調(diào)整壓縮的參數(shù)，保證能夠自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化完成圖像的傳輸，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量。同時(shí)解碼器能夠正確處理誤碼，保證工作長(zhǎng)期穩(wěn)定。

    同時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全是一個(gè)制約應(yīng)用的重要因素，視頻數(shù)據(jù)加密的技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻具有重要的意義，保障網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩��?/P>

    3．  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

    從產(chǎn)業(yè)化角度來(lái)考慮，由于IP地址資源的限制和目前網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，很大程度上約束了大容量系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)幾路視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸是一回事，建立管理一個(gè)數(shù)千路視頻應(yīng)用是另外一回事，在目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系下幾乎是不可能的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv6是未來(lái)發(fā)展的重要方向，IPv6支持網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)配置和動(dòng)態(tài)域名服務(wù)、安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)安全、服務(wù)質(zhì)量保證；支持DHCP/PPPoE等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持組播功能。

    可以看出，IPv6真正解決了目前IPv4中存在的諸多問(wèn)題及不足之處，是未來(lái)構(gòu)建數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)最理想的平臺(tái)。目前國(guó)家已經(jīng)建立了多個(gè)IPv6的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，很快大家就可以體驗(yàn)到IPv6帶來(lái)的新的機(jī)遇。

數(shù)字監(jiān)控智能化技術(shù)

    智能化技術(shù)是與應(yīng)用領(lǐng)域緊密結(jié)合的技術(shù)，可以針對(duì)各種應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出不同類(lèi)型的應(yīng)用技術(shù)，提升產(chǎn)品的適應(yīng)力，例如：

    圖像識(shí)別：實(shí)時(shí)圖像識(shí)別是對(duì)視頻的圖像壓縮序列進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，來(lái)達(dá)到不同應(yīng)用環(huán)境的要求。目標(biāo)類(lèi)型識(shí)別用于識(shí)別目標(biāo)的類(lèi)型、位置，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)人像匹配、車(chē)輛分析（顏色、車(chē)型、車(chē)牌）；目標(biāo)自動(dòng)跟蹤技術(shù)是通過(guò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別，自動(dòng)控制攝像機(jī)來(lái)跟蹤目標(biāo)的移動(dòng)，監(jiān)視目標(biāo)的整個(gè)移動(dòng)過(guò)程。這些智能化工作方式在多種應(yīng)用環(huán)境下都很有價(jià)值。

    圖像分析：移動(dòng)目標(biāo)的分析技術(shù)是通過(guò)對(duì)畫(huà)面中移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別，分析統(tǒng)計(jì)目標(biāo)的類(lèi)型、流量、運(yùn)動(dòng)方向、速度等信息，可以用于交通道路指揮自動(dòng)化以及重要場(chǎng)合自動(dòng)檢測(cè)分析，也可以用于環(huán)境監(jiān)控中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)報(bào)警。

    六、  結(jié)論

    監(jiān)控行業(yè)的數(shù)字視頻除了能夠應(yīng)用于視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、視頻監(jiān)控等方面外，可逐步滲透到數(shù)字視頻應(yīng)用的方方面面，如消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)電視等各種數(shù)字視頻相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

    早期的數(shù)字視頻技術(shù)主要來(lái)源于家用的視頻產(chǎn)品技術(shù)，沒(méi)有針對(duì)監(jiān)控行業(yè)特點(diǎn)需求及應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行完善，因此在應(yīng)用上還有不盡人意的地方。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品將會(huì)不斷提升換代，開(kāi)拓出更廣闊的市場(chǎng)空間。

    可以看出未來(lái)的主流技術(shù)可以概括為三點(diǎn)：第一需要有最優(yōu)化的壓縮算法支持高質(zhì)量數(shù)字視頻的應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)圖像質(zhì)量的要求是沒(méi)有限制的，現(xiàn)在CIF格式產(chǎn)品的大量應(yīng)用不能說(shuō)明市場(chǎng)能夠滿(mǎn)意這種圖像質(zhì)量；第二需要有網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用體系，這樣才能夠構(gòu)建起大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻系統(tǒng)，提供安全方便的服務(wù)；第三需要對(duì)不同用戶(hù)和行業(yè)提供個(gè)性化的產(chǎn)品和服務(wù)，這樣才能夠進(jìn)一步滿(mǎn)足市場(chǎng)不斷發(fā)展的需要。