基于魚眼鏡頭的全景高清監(jiān)控攝像機(jī)

全景視頻監(jiān)控是近幾年視頻監(jiān)控領(lǐng)域新興的監(jiān)控模式，它是解決傳統(tǒng)監(jiān)控攝像機(jī)視場角限制的最有效方案。不過，對于全景監(jiān)控方案的設(shè)計，目前市場上還是停留在采用多支攝像機(jī)或是高速球機(jī)所構(gòu)建的全景視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但無論是前者或后者，均不能實現(xiàn)真正意義上的全景無盲區(qū)監(jiān)控。市場需求催生攝像機(jī)技術(shù)的不斷提升，基于單攝像機(jī)實現(xiàn)全景監(jiān)控的方案也就是全景攝像機(jī)是需求與技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其也是對全景視頻監(jiān)控最好的詮釋。

　　在當(dāng)前的安防市場上，全景攝像機(jī)主要有兩種類型，一種是基于超廣角魚眼鏡頭的全景攝像機(jī)，另一種是在單支攝像機(jī)中設(shè)計多個攝像頭形成的全景成像，這兩種類型全景攝像機(jī)雖然在技術(shù)與結(jié)構(gòu)上都有區(qū)別，但兩者的本質(zhì)卻是一樣--實現(xiàn)全景監(jiān)控。本文主要分析基于魚眼鏡頭技術(shù)的全景攝像機(jī)，并從技術(shù)層面與應(yīng)用層面探討其呈現(xiàn)的特性。

　　“三合一”監(jiān)控系統(tǒng)

　　在魚眼全景監(jiān)控系統(tǒng)中，只需要一臺魚眼全景攝像機(jī)即可實現(xiàn)全景無盲區(qū)監(jiān)控，沒有任何的機(jī)械部件，圖像通過超廣角的魚眼鏡頭攝取監(jiān)控現(xiàn)場的全景圖像，根據(jù)安裝方式的不同，可達(dá)到180度或360的全景畫面，并通過內(nèi)嵌或者是外置的圖像處理軟件將橢圓或圓形的變形圖像修正為正常的視頻圖像。如果嚴(yán)格來講，全景攝像機(jī)并不是一臺攝像機(jī)，它是由魚眼鏡頭+高清攝像機(jī)+圖像處理軟件構(gòu)成的“三合一”全景監(jiān)控系統(tǒng)。

　　這種特殊的攝像機(jī)稱得上是對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的改造與升級。一般的監(jiān)控探頭視場角度在60度-90度左右，如果監(jiān)控場所有大范圍的監(jiān)控需求，就不得不依賴多支攝像頭實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域的覆蓋，這無疑會增加攝像頭成本與安裝成本，而且后端的顯示與存儲成本也會相應(yīng)的增加；即便是球機(jī)可以通過云臺實現(xiàn)360度全范圍監(jiān)控，但卻不能達(dá)到同時監(jiān)控360度的范圍，而且在實際應(yīng)用當(dāng)中，多數(shù)球機(jī)都通過設(shè)置預(yù)置位對場景進(jìn)行監(jiān)控，難以避免重要事件被“漏控”的情況出現(xiàn)。隨著視頻監(jiān)控盲點越發(fā)不被人們所忍受，市場對無盲點視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也愈來愈烈。而全景攝像機(jī)的出現(xiàn)可在真正意義上消除監(jiān)控盲區(qū)，確保視頻的可靠性、完整性，對用戶乃至對社會而言意義非凡。

　　關(guān)鍵技術(shù)造就獨有特性

　　上述提到全景攝像機(jī)是由魚眼鏡頭搭配高清模塊到后端的圖像處理模塊構(gòu)成無任何機(jī)械的全景監(jiān)控系統(tǒng)，這也是從側(cè)面角度反應(yīng)了全景攝像機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)所在。具體而言，全景攝像機(jī)相比其他種類攝像機(jī)所呈現(xiàn)的技術(shù)差異化與特性體現(xiàn)在魚眼鏡頭技術(shù)、高分辨率、后期軟件較正技術(shù)、虛擬PTZ技術(shù)。

魚眼鏡頭技術(shù)

　　魚眼鏡頭是構(gòu)建全景視覺最簡單有效的方法之一，它的突出特點是一次性可攝入超過180度視角內(nèi)所有的信息，從而達(dá)到無盲區(qū)效果。從特性而言，魚眼鏡頭是一種超廣角的特殊鏡頭，這種攝影鏡頭的前鏡片直徑且呈拋物狀向鏡頭前部凸出，其視覺效果類似于魚眼觀察水面上的景物。它是一種短焦距鏡頭，一般焦距在F=6-16mm之間，根據(jù)光學(xué)成像原理，短焦距才能呈現(xiàn)出大視場的監(jiān)控效果。

　　常見的魚眼鏡頭有兩種，一種是圓形成像，一種是矩形成像。前者可攝的三維角度相比后者要大，目前大多數(shù)全景攝像機(jī)選用的魚眼鏡頭均是第一種，因為其三維視角可達(dá)到360度x180度，達(dá)到理想的全景視角。雖然視場角提供了無與倫比的享受，但卻是以犧牲原有監(jiān)控畫面為前提獲得的，魚眼鏡頭這種變形的圖像一般稱之為桶形畸變，這種畸變會隨著視場角的擴(kuò)大而嚴(yán)重，不過，這也是一種合理現(xiàn)象。

　　魚眼圖像較正技術(shù)

　　通過魚眼鏡頭采集的圖像會出現(xiàn)嚴(yán)重的變形失真情況，概括而言，魚眼圖像失真可分為三種：徑向失真、非正交失真與中心偏移。徑向失真是由于魚眼鏡頭徑向曲率的不規(guī)則引起；非正交失真是由于魚眼光軸與傳感器平面不能完全正交所致；中心偏移是由于魚眼鏡頭光軸不可能正好穿過傳感器的中心產(chǎn)生的。不可避免的失真現(xiàn)象會讓人難以辨別視頻監(jiān)控圖像，也不符合人們正常的視覺習(xí)慣，所以魚眼較正技術(shù)變得尤為重要。目前，主要的較正方式有兩種：一是需要PC基于軟件對魚眼桶形畸變視頻進(jìn)行修正，另一種是基于監(jiān)控前端的解決方案。

　　基于PC的軟件校正：這種較正技術(shù)是早期也是大多數(shù)廠家沿用至今的圖像修正技術(shù)，通過PC上的修正軟件對變形的圖像進(jìn)行處理，最后得到一種或多種視角的正常矩形圖像，雖然可以改善圖像效果，但在實際的監(jiān)控應(yīng)用中，要想在PC軟件處理圖像的同時獲得實時視頻基本是不可能實現(xiàn)；另外，增加一臺PC也就等于增加了系統(tǒng)成本。

　　基于監(jiān)控前端的較正技術(shù)：該技術(shù)是將魚眼視頻修正算法加入到前端全景攝像機(jī)SoC當(dāng)中或另加一塊具備魚眼修正算法的FPGA編程邏輯芯片，也就相當(dāng)于在前端攝像機(jī)內(nèi)部加載魚眼圖像處理軟件。前端CCD或CMOS透過魚眼采集到變形圖像，經(jīng)過芯片處理，最后以標(biāo)準(zhǔn)矩形輸出并提供經(jīng)校正的圖像，一般可以得到一個360度或兩個180度的高分辨率畫面或四個90度的標(biāo)準(zhǔn)分辨率畫面，也可同時呈現(xiàn)，處理后的畫面清晰可辨，也符合人們的觀看習(xí)慣。這種處理方式可直接往后端傳輸正常的圖像，不僅可以減輕網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力和磁盤存儲壓力，也可降低后端平臺軟件的負(fù)荷。

填補(bǔ)市場空缺前景廣闊

　　相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控探頭，全景攝像機(jī)屬于“小弟”級產(chǎn)品，雖然它的強(qiáng)勢出爐對安防監(jiān)控市場產(chǎn)生了一定震撼力，但其市場鋪設(shè)與民眾接受程度并未見成熟，市場需求還處于萌芽階段，所以在應(yīng)用層面上并不太理想。當(dāng)然，這并不能否認(rèn)其發(fā)展態(tài)勢，畢竟全景攝像機(jī)可以填補(bǔ)特定監(jiān)控場所因視場角受限而需要跟換前端探頭的市場空缺，恰恰這個空缺也只有全景攝像機(jī)產(chǎn)品能勝任。

　　全景攝像機(jī)特殊的構(gòu)造造就其獨有的無盲區(qū)監(jiān)控，讓其在民用、商用、警用或是特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用都十分適合。具體而言，全景攝像機(jī)的實際應(yīng)用需求一般可分為高分辨率監(jiān)控需求和標(biāo)準(zhǔn)分辨率監(jiān)控需求。高分辨率的場所是指在那些容易發(fā)生搶劫、盜竊等安全事件的場合，如銀行、商場、超市等，這類場所需要高清晰的圖像畫質(zhì)，不僅需要將整個作案過程全景監(jiān)控錄像，更需要清晰的辨認(rèn)嫌疑人的面孔，對后期的刑偵調(diào)查提供便利。標(biāo)準(zhǔn)分辨率的監(jiān)控場所只要求監(jiān)控全范圍局勢，對視頻細(xì)節(jié)要求不高，如空曠的廣場、運動場館、大范圍的公共場所、交通路口、交通樞紐等。這類場所只需要有清晰的大范圍監(jiān)控畫面從而實現(xiàn)監(jiān)控調(diào)度即可，對視頻質(zhì)量要求并不高，而且也很難專為監(jiān)控攝像機(jī)建立太多的支點，所以在制高點設(shè)置一臺全景攝像機(jī)完全可以滿足應(yīng)用需求。

　　上述的兩種監(jiān)控需求也不全然是固定的模式，應(yīng)用環(huán)境也是重要的決定性因素。在室內(nèi)場合的應(yīng)用如展廳、倉庫、辦公室大廳、4S店等對攝像機(jī)的防護(hù)性要求普通達(dá)標(biāo)即可，但在諸如電站、煤礦、銀行保險庫、重要機(jī)房等或是炎熱干旱地區(qū)、多雨多霧地區(qū)的監(jiān)控場所，就需要全景攝像機(jī)具備耐高低溫、防暴性、防水等防護(hù)性能達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，這是對機(jī)器一項耐受性能的挑戰(zhàn)。

　　技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展推動

　　雖然全景攝像機(jī)問世時間不長，但觀近兩年各地安防展會上展示全景攝像機(jī)的廠商卻在逐年增多，這種現(xiàn)象很好的喻示了全景攝像機(jī)的市場正在逐步開花。不過，我們也要意識到全景攝像機(jī)技術(shù)和應(yīng)用上存在的短板。在技術(shù)層面上，受限于魚眼鏡頭的特殊結(jié)構(gòu)，監(jiān)控距離短是其致命的缺陷，對此廠商也是無能為力，只能在清晰度上下功夫，但高清視頻意味著更高的帶寬與更大的存儲，這也是不得不考慮的問題；在應(yīng)用層面上，用戶對全景攝像機(jī)認(rèn)知的不足與昂貴的造價是市場推廣緩慢的主要原因，單是魚眼鏡頭造價就比普通的攝像機(jī)要昂貴許多，即便全景攝像機(jī)是理想的全景監(jiān)控產(chǎn)品，但客戶在成本面前卻不得不低頭。

　　所以，對于全景攝像機(jī)的前景發(fā)展，拋開客觀存在的缺陷，我們需要理性的去定位全景攝像機(jī)，從而在技術(shù)與應(yīng)用上揚(yáng)長避短，充分利用其特殊的優(yōu)勢。

　　在技術(shù)上，更高的分辨率在全景攝像機(jī)的體現(xiàn)是毋庸置疑的，它不僅可以讓機(jī)器得到更清晰的圖像，還可以通過虛擬PTZ看到任何細(xì)節(jié)；另外，可通過全景攝像機(jī)與煙感探頭、開關(guān)量報警、火宅報警、紅外探測器等各種傳感器進(jìn)行防盜報警聯(lián)動，在全景畫面中可迅速定位；全景攝像機(jī)結(jié)合智能視頻分析模塊可達(dá)到最優(yōu)化的事件邏輯判斷，如移動偵測、事件計數(shù)、丟失報警、越線報警等，還有智能視頻錄制，當(dāng)發(fā)生相應(yīng)的觸發(fā)事件時才對監(jiān)控畫面進(jìn)行錄制，可在很大程度上減少后端的存儲壓力；全景攝像機(jī)全天候的生存能力，中國是個地域遼闊的國家，東西南北氣候差異極大，夏天南方的道路溫度可以達(dá)到60度，冬天漠河的最低氣溫可以達(dá)到零下40多度。南方的梅雨季節(jié)或夏天的雨后，空氣的相對濕度達(dá)90%以上，這就要求戶外的攝象機(jī)有足夠的生存能力。

　　在應(yīng)用上，加大市場宣傳力度是必然的，這樣即可加深用戶對全景攝像機(jī)的認(rèn)知度，也可潛移默化的使用戶接受全景攝像機(jī)，才能便于全景攝像機(jī)市場的推動和深入發(fā)展。當(dāng)全景攝像機(jī)逐步得到普及應(yīng)用時，產(chǎn)量的增加與同行之間的競爭迫使全景攝像機(jī)產(chǎn)品不得不對價格進(jìn)行調(diào)整，而只有價格控制在一定范圍內(nèi)時，全景攝像機(jī)才能實現(xiàn)全面開花。

　　高分辨率

　　談到全景攝像機(jī)，離不開“高清”賦予它的另一層意義。高分辨率的圖像傳感器對于全景攝像機(jī)而言是不可或缺，因其本身在視場角得天獨厚的優(yōu)勢令其擁有豐富強(qiáng)大的視頻信息，所以信息處理量就非常大，如果傳感器分辨率不夠高的話，圖像放大后用戶就會看得不夠清晰，這樣即便是擁有無盲點監(jiān)控優(yōu)勢卻不能夠辨別監(jiān)控物體，不得不讓人覺得形同虛設(shè)。所以市場上少則200萬像素，高則300萬像素、500萬像素的高清分辨率產(chǎn)品比比皆是，為用戶呈現(xiàn)的是一場全景高清的視覺盛宴，也是安防高清時代對于高清攝像機(jī)的應(yīng)用升級

　　虛擬PTZ技術(shù)

　　虛擬PTZ是全景攝像機(jī)獨有的技術(shù)特性，該技術(shù)使得用戶可以查看圖像的任何細(xì)節(jié)部分，相當(dāng)于在一個詳細(xì)的地圖上我們用放大鏡可以找到所需的一切，類似于高速球機(jī)的云臺控制，但其卻無任何機(jī)械部件，在很大程度上減少設(shè)備功耗與發(fā)熱，減少器件損耗，延長設(shè)備和系統(tǒng)的使用壽命。