視頻監(jiān)控系統(tǒng)掙脫技術(shù)束縛

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)在模擬世界中已經(jīng)被冷落數(shù)十年了。但新技術(shù)正在催生一些令人驚奇的新型系統(tǒng)。正如今天的大多數(shù)其它視頻設(shè)備一樣，其發(fā)展方向是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)、數(shù)字、無線以及帶智能軟件的無人監(jiān)控系統(tǒng)，并能充分發(fā)揮這些技術(shù)改進(jìn)帶來的所有好處。今天的最新系統(tǒng)包含許多新的功能：

　　單色到彩色：雖然脫離黑白世界并不是真正的新趨勢，但這種情況仍在繼續(xù)。事實(shí)上，今天的大多數(shù)監(jiān)控設(shè)備是彩色的。

　　模擬到數(shù)字：雖然80%以上的監(jiān)控?cái)z像機(jī)是較老的模擬設(shè)備，但大多數(shù)新安裝的設(shè)備都是數(shù)字設(shè)備。

　　更高分辨率：隨著數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的興起，分辨率已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)電視標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到包括720和1080高清晰度(HD)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的多種視頻格式。

　　IP攝像機(jī)：大多數(shù)新型的高清攝像機(jī)也是IP攝像機(jī)，這些攝像機(jī)可以將信號數(shù)字化，用TCP/IP對數(shù)據(jù)打包，然后在以太網(wǎng)鏈路上發(fā)送最終生成的數(shù)據(jù)。

　　新的壓縮方法：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)可以針對高清視頻產(chǎn)生超高數(shù)據(jù)速率。不過，新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)不僅極大地降低了傳輸數(shù)據(jù)速率，而且充分提高了存儲能力。運(yùn)動JPEG、MPEG-4和H.264是最常用的壓縮方法。

　　無線連接：在大多數(shù)系統(tǒng)中，從攝像機(jī)到監(jiān)控中心的鏈路仍使用同軸電纜。但一些新系統(tǒng)使用以太局域網(wǎng)(LAN)或?qū)ｉT安裝的新型CAT5/6 LAN。在一些高端系統(tǒng)中甚至使用了光纖。但出于對便利性和低成本的考慮，無線連接已經(jīng)成為許多新系統(tǒng)或現(xiàn)有有線系統(tǒng)擴(kuò)容的首選鏈路。

　　磁盤存儲：視頻存檔已經(jīng)從VHS VCR發(fā)展到硬盤驅(qū)動器。DVR和專用服務(wù)器可以按指定時段存儲壓縮視頻。大型系統(tǒng)甚至使用2Tb容量的磁盤陣列。

　　視頻分析技術(shù)：隨著高清數(shù)字視頻的普及，計(jì)算機(jī)或FPGA可以用來分析捕獲的場景，從而實(shí)現(xiàn)智能化。視頻分析技術(shù)使用人工智能算法和機(jī)器視覺技術(shù)檢測運(yùn)動、識別物體甚至人臉。大多數(shù)專家一致認(rèn)為，處理數(shù)量不斷增長的視頻的唯一方法是利用智能視頻分析技術(shù)部分或完全代替人工對捕獲視頻的分析。

攝像機(jī)

　　目前有兩種基本的攝像機(jī)類型：模擬和數(shù)字IP。這兩種攝像機(jī)的外形豐富多變。子彈型最常見，但半球型和針孔型“間諜”攝像機(jī)也很流行。還有室內(nèi)和室外型號之分。雖然現(xiàn)在黑白攝像機(jī)仍有市場，但大多數(shù)是彩色攝像機(jī)。

　　基本的成像傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)，或者是CMOS。CCD已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，它是極高分辨率但速度非最重要因素的攝像機(jī)的首選傳感器。CMOS傳感器的分辨率已經(jīng)差不多快趕上CCD了，但仍稍有落后。CMOS能提供非常高的速度，適合要求最大幀速率的場合使用。

　　市場上還有一種使用紅外傳感器的紅外(IR)攝像機(jī)，按照字面意義這種攝像機(jī)可以用在夜間攝像。紅外攝像機(jī)的前端通常有一組紅外LED，用于照明人眼無法看見的場景或物體。這些LED的照明距離通常限于數(shù)百英尺范圍內(nèi)。

　　分辨率是攝像機(jī)的一個關(guān)鍵指標(biāo)。最常見的是老式模擬標(biāo)準(zhǔn)NTSC視頻，總共525行(480行可見)掃描線以每秒30幀(fps)的速度隔行顯示。另外還有PAL、SECAM和CIF(通用中間格式)分辨率。分辨率被量化為電視線(TVL)分辨率或簡化為線分辨率(LOR)。380(最小值)、400、420和480線是基本線數(shù)。更高分辨率的模擬攝像機(jī)提供560、600或700LOR。

　　目前流行的CIF標(biāo)準(zhǔn)采用352×288像素，速度是每秒30幀。從NTSC衍生出來的NTSC CIF具有352×240像素。四分之一CIF具有176×144個像素。4CIF可提供704×576像素，而16CIF號稱可以提供1408×1152像素。一些系統(tǒng)使用索尼的D1視頻格式，這是一種SMPTE VTR標(biāo)準(zhǔn)，支持720×480(面向NTSC)和720×576(面向PAL)像素。

　　數(shù)字IP攝像機(jī)可以提供更高的分辨率。具有640×480像素的標(biāo)準(zhǔn)VGA非常流行。常見的像素分辨率范圍從約100萬像素到1200萬像素甚至更高。市場上也有像標(biāo)準(zhǔn)高清電視那樣的720或1080LOR的攝像機(jī)，但價格很高。還有針對專業(yè)領(lǐng)域的更高分辨率的攝像機(jī)。

　　與分辨率緊密聯(lián)系在一起的是幀速率。雖然30fps被認(rèn)為是實(shí)時速率，但它會產(chǎn)生數(shù)量龐大的視頻用于存儲或傳送。為節(jié)省存儲空間，一些攝像機(jī)提供15或7.5fps的較低幀速率。還有幀速率低至1fps的攝像機(jī)，但在這么低的幀速率下一些關(guān)鍵動作可能會被遺漏。

　　鏡頭和物理控制也值得好好考慮。鏡頭的種類根據(jù)具體應(yīng)用不同而變化，例如是否要微距或長距拍攝，或者是否需要特殊的視角。一些鏡頭采用電機(jī)實(shí)現(xiàn)光圈和焦距的遙控。還有固定支架攝像機(jī)以及能夠水平、傾斜移動并具有變焦(PTZ)功能的攝像機(jī)。你甚至還可以買到帶紅色閃爍LED，使人們以為要上電視的仿攝影機(jī)。

　　許多攝像機(jī)采用麥克風(fēng)進(jìn)行聲音捕獲，并包含有運(yùn)動檢測電路，只有在檢測到動作時才打開攝像機(jī)或錄像機(jī)。在電源方面，大多數(shù)攝像機(jī)工作在12V或24V直流電源下。有些攝像機(jī)也采用電池供電。連接以太網(wǎng)LAN的IP攝像機(jī)可以使用以太網(wǎng)供電(PoE)。

　　在連接性方面，模擬攝像機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE視頻信號，在75Ω同軸電纜(RG-59或RG－6)上傳輸。最大傳輸距離約300英尺。模擬視頻也可以在類似CAT5的UTP電纜上傳輸，但并不常見。IP攝像機(jī)擁有一個RJ-45連接器和一個10/100以太網(wǎng)端口(圖1)，傳輸距離可達(dá)100米。大多數(shù)IP攝像機(jī)實(shí)際上是一臺小型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，擁有自己的IP地址。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)從任何地方監(jiān)視這種攝像機(jī)。

圖1：典型的IP攝像機(jī)包含面向H.264壓縮的傳感器和視頻處理電路。SDRAM提供視頻流的存儲。所有其它處理和接口通常都位于單片SoC或FPGA上。

　　從IP攝像機(jī)中的CCD或CMOS成像器輸出的信號已經(jīng)是數(shù)字信號。最新的寬動態(tài)范圍(WDR)CMOS傳感器可以直接輸出采用RGGB色彩方案的RAW/Bayer數(shù)字格式數(shù)據(jù)流。這種輸出可以達(dá)到20位/像素。在高幀速率、高清晰度下數(shù)據(jù)速率將快速提升。例如：

　　20 位/像素 × (1280 × 720) 像素/幀 × 60 幀/秒 = 1.10592 Gbps

　　這種設(shè)計(jì)的內(nèi)核是一個快速處理器，帶有閃存和SDRAM，并提供視頻編碼和壓縮功能。該設(shè)計(jì)還支持各種各樣的接口和以太網(wǎng)接口(通常是10/100Mbps)，但也有的提供1Gbps以太網(wǎng)接口。大多數(shù)設(shè)計(jì)使用單顆系統(tǒng)級芯片(SoC)，即FPGA或?qū)Ｓ肈SP執(zhí)行所有的功能。這些芯片一般都包含接口。存儲器位于獨(dú)立的芯片中(參考“Video Surveillance Compression, Bandwidth, And Storage(視頻監(jiān)控壓縮、帶寬和存儲)”一文)。

無線監(jiān)控

　　雖然在分辨率、IP連接和分析技術(shù)等方面的最新發(fā)展趨勢使得視頻監(jiān)控比以往更出色，但無線技術(shù)對于視頻監(jiān)控的普及貢獻(xiàn)最大。電纜安裝成本高、耗時長，常常令人煩惱。而且電纜有時會限制攝像機(jī)的擺放位置，從而無法獲得最佳的可視效果。

　　無線鏈路可以解決這些問題。給每臺攝像機(jī)安裝高性能無線調(diào)制解調(diào)器后，一直到中心采集點(diǎn)的任何地方都可以建立連接。安裝起來超級快速和方便，而成本要比電纜低幾個數(shù)量級。無線方式之所以可行，是因?yàn)檫@種技術(shù)現(xiàn)在可以支持在合理距離內(nèi)傳輸所需的高數(shù)據(jù)速率。

　　視頻攝像機(jī)可以使用三種基本的無線拓?fù)渲唬狐c(diǎn)對點(diǎn)(PTP)、多點(diǎn)對一點(diǎn)(MTP)和網(wǎng)狀拓?fù)洹Ｔ谛⌒?、簡單系統(tǒng)中，直接PTP通常是很好的解決方案。有些系統(tǒng)可以支持多個PTP連接。在MTP拓?fù)渲?，多臺攝像機(jī)使用單個無線采集點(diǎn)，數(shù)據(jù)在此完成匯聚、存儲或處理。但當(dāng)攝像機(jī)超出主MTP控制節(jié)點(diǎn)的范圍時，就要使用網(wǎng)狀拓?fù)浞桨浮?

　　無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開發(fā)了很多年，業(yè)界也已推出許多性能優(yōu)異的系統(tǒng)。在網(wǎng)狀系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)通?？梢耘c任何鄰近的其它節(jié)點(diǎn)通信。每個節(jié)點(diǎn)都可以用作中繼器，完成數(shù)據(jù)收發(fā)，或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰節(jié)點(diǎn)。這種轉(zhuǎn)發(fā)功能使得攝像機(jī)和節(jié)點(diǎn)可以散布在很大的范圍內(nèi)，而這個范圍一般都會超出單臺無線設(shè)備的范圍限制。

　　無線設(shè)備通常是數(shù)字的，被設(shè)計(jì)用于傳送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。它們大多兼容最新的IP攝像機(jī)。不過早先的模擬系統(tǒng)也可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器兼容無線設(shè)備，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬輸出信號數(shù)字化并分組為適合無線傳送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。

　　無線技術(shù)的選擇取決于許多因素，如覆蓋范圍、可靠性、成本和所要求的數(shù)據(jù)容量。也許使用最為廣泛的無線技術(shù)是Wi-Fi類技術(shù)，即廣受歡迎的采用2.4GHz頻段或5.8MHz頻段(某些情況下)的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)是針對以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，可以很快、很方便地匹配任何有線以太網(wǎng)LAN。

　　802.11a/g數(shù)據(jù)速率有可能高達(dá)54Mbps，用于IP傳輸?shù)牡湫椭凳?2Mbps。隨著802.11n設(shè)備的推出，甚至可以實(shí)現(xiàn)超過100Mbps的更高數(shù)據(jù)速率。多入多出(MIMO)技術(shù)的使用極大地?cái)U(kuò)展了802.11的覆蓋范圍和可靠性。定向天線還能將范圍擴(kuò)大到數(shù)英里。此外，市場上還有多種私有的2.4GHz無線技術(shù)。

　　雖然用于傳輸視頻的900MHz無線設(shè)備較少見，但在需要超長距離傳輸?shù)膱龊弦灿惺褂?。頻移鍵控(FSK)或簡單的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制技術(shù)使得它們在有噪聲的地區(qū)或有許多其它2.4GHz干擾源的場合中非?？煽俊Ｓ捎谄涔逃械聂敯粜?，900MHz無線設(shè)備在UAV中非常流行。

　　另一種能夠滿足更快速率和更長距離需求的技術(shù)是WiMAX。這種寬帶無線技術(shù)能夠可靠地將高速率數(shù)據(jù)傳輸數(shù)英里遠(yuǎn)。WiMAX系統(tǒng)通常是需獲得許可的，在美國使用的是2.3GHz頻段。5.8GHz頻段在美國也得到了廣泛使用。在一些特殊情況下甚至?xí)褂脵C(jī)器對機(jī)器(M2M)蜂窩或微波/毫米波回傳系統(tǒng)。

　　覆蓋范圍在很大程度上取決于多種因素，如工作頻率、發(fā)射功率、接收靈敏度、天線類型、天線的增益和高度以及環(huán)境條件。在大多數(shù)情況下數(shù)百英尺是很容易實(shí)現(xiàn)的，但覆蓋幾英里的范圍需要使用專用的設(shè)備。

　　所要求的數(shù)據(jù)速率也是一個重點(diǎn)考慮因素。該要求最終歸結(jié)為這些內(nèi)容：視頻格式、幀速率、壓縮類型以及無線技術(shù)的上限等。大多數(shù)無線裝置可以輕松處理壓縮后的視頻。即使是30fps幀速率下使用MPEG4-SP的CIF格式，所需最大數(shù)據(jù)速率也僅為600kbps。即使是高清視頻和使用H.264的合理幀速率下，超過數(shù)Mbps的數(shù)據(jù)速率也很少見。所有這些速率都在大多數(shù)可用技術(shù)的指標(biāo)范圍內(nèi)。