影響智能視頻分析發(fā)展的幾種技術(shù)剖析

曾經(jīng)，在中國的監(jiān)控市場上，數(shù)字硬盤錄像機(DVR)占據(jù)著視頻監(jiān)控市場的半壁江山，不過，隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像機(IPC)和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(NVR)也奮起直追。而這其中，視頻智能分析正在成為數(shù)字視頻監(jiān)控的熱點，而DSP則成為這一技術(shù)的推動力。目前還沒有關(guān)于智能數(shù)字視頻分析的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此只有可編程的高性能DSP和視頻處理器才使得更復(fù)雜的監(jiān)測算法的實現(xiàn)成為可能。

強大的SoC系統(tǒng)

TI公司的數(shù)字信號處理器(DSP)曾經(jīng)有力地推動了數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，其中具有里程碑的是TMS320DM642通用數(shù)字媒體處理器。TI之后所推出的數(shù)字媒體處理單片系統(tǒng)達芬奇(DavinciTM)更是為數(shù)字視頻監(jiān)控提供了強大的平臺。達芬奇的各種系列平臺可以完全覆蓋數(shù)字視頻監(jiān)控的各個應(yīng)用方向，其中有以ARM為主控處理器和以DSP為主處理器兩個主要的發(fā)展方向。其共同的特性就是可以支持多種視頻壓縮格式，包括H.264/MPEG-4等等，所有DSP核心均具有支持VCA的能力。

目前基于DSP SoC的方案在監(jiān)控市場占主流地位。同時，一些FPGA廠商希望能在差異化和客戶定制化方面顯示出自己的優(yōu)勢。通過針對監(jiān)控應(yīng)用將FPGA器件和MPU/DSP結(jié)合在一起，設(shè)計師能從可編程協(xié)處理器的固有靈活性中得到好處，還可利用FPGA將精力集中在開發(fā)算法上，以充分利用MPU/DSP的處理能力。有的廠商就在其多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺中采用了DSP+FPGA的方式，用到的是TI的TMS320DM6437，只有1個數(shù)字視頻輸入接口，為了連接8路視頻解碼器，需要在視頻解碼器與DSP的視頻輸入接口之間增加耦合邏輯，而可編程的FPGA可以方便實現(xiàn)二者之間的耦合邏輯。

為滿足未來數(shù)字視頻監(jiān)控市場的需求，更大限度的靈活性是必須的，視頻壓縮技術(shù)會向智能化編解碼發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控還是要向?qū)崟r智能分析發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)將會與數(shù)字化電子系統(tǒng)更緊密地結(jié)合。

DSP處理器提升智能分析處理能力

歷經(jīng)幾代技術(shù)的演進，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化(IP)和智能化方向邁進。另外，模擬與數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)混合并存也會是未來幾年中國安防市場的特點。作為中高端的方案選擇，DSP是目前中國監(jiān)控市場的主流處理器。ASIC SoC是后進者，對市場有一定沖擊。此外，F(xiàn)PGA也在試圖進入該市場，但目前還沒有明顯的成功例子。由于現(xiàn)階段還沒有標(biāo)準(zhǔn)的用于智能分析和處理的算法，基于不同的壓縮格式實現(xiàn)智能視頻分析處理會對DSP的MIPS要求有很大不同，所以算法的優(yōu)化非常關(guān)鍵。由于兼具靈活性和高性能，DSP更為擅長智能分析處理工作。

針對圖像處理應(yīng)用的理想DSP處理器必須具備以下幾方面的特點：內(nèi)核處理能力強;專門針對圖像處理的指令集;易于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸挠布軜?gòu);高集成度;豐富的軟件模塊庫;功能強大的開發(fā)工具。對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，最適合的控制和處理應(yīng)該是控制功能和數(shù)字信號處理功能合二為一的匯聚處理器。

中國國內(nèi)早期的視頻監(jiān)控產(chǎn)品大部分都是采用DSP，在多通道、高分辨率視頻編解碼應(yīng)用中，DSP用軟件很難達到系統(tǒng)的要求。而FPGA采用硬件加速的方法，可以實時進行多通道壓縮。FPGA的優(yōu)勢是可編程，非常適合需要靈活性高、提供差異化的應(yīng)用設(shè)計。目前，采用FPGA芯片的視頻監(jiān)控產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。

H.264視頻編解碼技術(shù)

在視頻監(jiān)控歷史上，曾先后有多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由國際電信聯(lián)盟ITU定義的專用于低比特率視頻電話的標(biāo)準(zhǔn)，包括H.261/2/3；由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO針對消費類應(yīng)用的，對運動圖像壓縮定義了MPEG標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG1/2/4；由ITU與ISO根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用合作（聯(lián)合視頻小組JVT）定義了H.264編解碼技術(shù)，有些標(biāo)準(zhǔn)至今仍并存著。目前主要在應(yīng)用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三種，我們通過以下幾點對這些標(biāo)準(zhǔn)進行比較。

實現(xiàn)成本：包括算法實現(xiàn)的復(fù)雜度和資源占有程度，技術(shù)獲取的難度和代價，以及其最終體現(xiàn)在產(chǎn)品中的成本高低；

編碼性能：主要體現(xiàn)在同等主、客觀視覺質(zhì)量情況下，壓縮后所得到的碼流大小，這對于網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲都非常關(guān)鍵；

網(wǎng)絡(luò)支持：對網(wǎng)絡(luò)支持的好壞主要取決于對網(wǎng)絡(luò)丟包和出錯的容錯能力與支持網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力；

應(yīng)用支持范圍：由于視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，一個平臺對不同需求的支持能力也非常重要；

未來潛力：以發(fā)展的眼光來看，一個標(biāo)準(zhǔn)的潛力大小體現(xiàn)在未來被行業(yè)接受的廣泛程度，在相關(guān)應(yīng)用上轉(zhuǎn)化的平滑程度，和對互聯(lián)互通的支持程度等方面。

幾種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的對比

在視頻監(jiān)控產(chǎn)品中，編碼器始終是方案的重點，一個合適的編碼器方案往往能夠決定一個產(chǎn)品的成敗。H.264編碼方案正在成為市場的主流，其以卓越的編碼性能和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性得到了市場的廣泛認同。它不僅可以支持寬廣的應(yīng)用環(huán)境，還可滿足不同分辨率、不同碼率以及不同傳輸和存儲環(huán)境的需求。

H.264是先進的視頻處理技術(shù)，業(yè)內(nèi)人士公認，在同樣的視頻回放質(zhì)量條件下，H.264比MPEG4約節(jié)省近40%的傳輸帶寬或硬盤存儲空間，這無疑為遠程監(jiān)控的推廣應(yīng)用起到很重要的作用。但H.264的編碼效率是以其遠較MPEG4復(fù)雜的運算量為代價的，其采用最先進的禎間預(yù)測模式，包括復(fù)雜的運動估計、1/2和1/4像素預(yù)測；遠較MPEG4先進的禎內(nèi)預(yù)測模式，包括多達13種禎內(nèi)預(yù)測模式；H.264引進全新的環(huán)路濾波（in-loopfiltering）技術(shù)，對視頻回放質(zhì)量的大幅提高貢獻巨大。

但是應(yīng)用新技術(shù)均需要大量的運算處理，對視頻編解碼處理平臺也提出了新的要求。對軟件形式的視頻編解碼器，如用DSP等通用處理器實現(xiàn)的編解碼器，因處理能力的限制，只能舍棄很多H.264的最先進技術(shù)（如禎內(nèi)，間編碼預(yù)測模式，環(huán)路濾波等），這樣的結(jié)果是其編碼效果回復(fù)到MPEG4的水平。更嚴重的是這樣的編碼器輸出的碼流不符合H.264標(biāo)準(zhǔn)，所有通用解碼器均不能與其配套組成開放的系統(tǒng)。選用非標(biāo)準(zhǔn)的編碼器，用戶只能限制選用與其配套的非標(biāo)準(zhǔn)解碼器，從而變成了一個封閉的系統(tǒng)。