監(jiān)測識別報(bào)警型是DSP攝像機(jī)的發(fā)展方向

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也向智能化發(fā)展，而監(jiān)控用的攝像機(jī)也必須智能化。DSP攝像機(jī)有普通型與智能型，以往的DSP智能攝像機(jī)主要是提高圖像質(zhì)量型。本文主要介紹DSP智能攝像機(jī)的工作原理，過去的提高圖像質(zhì)量型與現(xiàn)在需要的檢測識別報(bào)警型DSP攝像機(jī)的智能化功能，檢測識別報(bào)警型DSP攝像機(jī)在現(xiàn)代平安城市建設(shè)中的作用，以及DSP智能攝像機(jī)必須由提高圖像質(zhì)量型向檢測識別報(bào)警型發(fā)展。

DSP(DigitalSignalProcessing)即數(shù)字信號處理，它是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理設(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對信號進(jìn)行采集、變換、綜合、估值、識別等加工處理，借以達(dá)到提取有用信息、便于應(yīng)用的目的。

由于有了DSP功能的芯片出現(xiàn)，所以近些年才出現(xiàn)了DSP的新型攝像機(jī)。這種攝像機(jī)的主要特點(diǎn)就是：在攝像機(jī)內(nèi)部的電路采用了大規(guī)模數(shù)字信號處理集成電路(DSPLSI)，并且由微處理器對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制，因此其穩(wěn)定性、可靠性、一致性等都大大提高。DSP芯片是一種特殊的微處理器，就是根據(jù)數(shù)字信號處理理論的數(shù)學(xué)模型和算法，設(shè)計(jì)出專門的數(shù)字信號微處理器芯片。計(jì)算程序全部“硬化”，數(shù)字濾波器所需要的其他設(shè)備也全部集成、硬化，比如加法器、存儲器、控制器、輸入/輸出接口，甚至其他類型的外部設(shè)備等。許多在模擬信號處理器中無法進(jìn)行的工作，都可以在數(shù)字處理中進(jìn)行，如二維數(shù)字濾波、數(shù)字動態(tài)圖像檢測、數(shù)字背景光補(bǔ)償、膚色輪廓校正、細(xì)節(jié)補(bǔ)償頻率調(diào)節(jié)、準(zhǔn)確的彩色矩陣、精確的γ校正、自動聚焦等。因此，有了DSP的攝像機(jī)，可大大提高圖像的質(zhì)量。

此外，通過數(shù)字設(shè)定，可進(jìn)行畫面格式變換，還可均衡調(diào)節(jié)各參數(shù)值，把攝像機(jī)之間的差別縮減到最小。DSP彩色攝像機(jī)，還能方便地輸出亮度信號與色度信號分離的視頻信號(簡稱Y/C信號或S-Video信號)。DSP技術(shù)不僅使攝像機(jī)在性能上獲得優(yōu)勢，而且縮小了體積，節(jié)省了零件及裝配時(shí)間，從而降低了成本。

一、DSP智能攝像機(jī)的工作原理

DSP攝像機(jī)的工作原理中，亮度/色度處理、編碼同步發(fā)生器及CCD驅(qū)動等部分電路均采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，它們都由微處理器執(zhí)行中心控制。雖然，由于AGC和γ校正電路是在A/D轉(zhuǎn)換之前，仍為模擬處理，但它們的控制電壓和補(bǔ)償信號是根據(jù)數(shù)字部分檢測決定的，因而仍然可以調(diào)節(jié)得很精確。

亮度/色度處理部分，需要微處理器對數(shù)字信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測處理控制，以測量出信號峰值、平均值、差值等信息，并將這些測量結(jié)果經(jīng)微處理器的運(yùn)算處理，形成各種控制信號。如其中需要采用二維數(shù)字梳妝濾波(2-DementionalDigitalCombFilter)處理技術(shù)，用它可以減小亮度信號對色度信號的串?dāng)_，并最大限度地保留亮度信號高頻成分，從而進(jìn)一步改善圖像質(zhì)量。

關(guān)于檢測識別預(yù)/報(bào)警型的智能化功能，主要是通過智能化軟件固化在DSP中。通過所監(jiān)控的圖像檢測，如得到所需的信息就去進(jìn)行識別處理判斷，以驅(qū)動預(yù)/報(bào)警而阻止犯罪。

二、提高圖像質(zhì)量型DSP攝像機(jī)的智能化功能

該類DSP攝像機(jī)在提高圖像效果的同時(shí)，而具有智能的特色。因?yàn)橄鄬τ谀M攝像機(jī)來說，數(shù)字信號處理攝像機(jī)能方便地使用一些改善圖像質(zhì)量的新技術(shù)。因?yàn)橥ㄟ^數(shù)字信號處理技術(shù)，可以獲得許多模擬信號處理難以實(shí)現(xiàn)的效果。下面主要簡介一下提高圖像效果的智能型DSP彩色CCD攝像機(jī)中所采用的數(shù)字2H增強(qiáng)技術(shù)、數(shù)字拐點(diǎn)技術(shù)、智能數(shù)字背景光補(bǔ)償、數(shù)字自動跟蹤白平衡、數(shù)字動態(tài)展寬、自動聚焦、電子靈敏度增強(qiáng)、數(shù)字降噪及屏幕菜單顯示等智能功能。

1、數(shù)字2H增強(qiáng)技術(shù)

采用數(shù)字2H增強(qiáng)技術(shù)，可以有效地增強(qiáng)視頻信號的水平和垂直邊緣，從而獲得邊緣分明的清晰圖像。

在采用了2H增強(qiáng)信號與視頻信號合成后，就可使視頻信號的邊緣部分得到增強(qiáng)。

2、數(shù)字拐點(diǎn)技術(shù)

數(shù)字拐點(diǎn)技術(shù)可以有效地?cái)U(kuò)展視頻信號的動態(tài)范圍，這樣在拍攝高亮度景物時(shí)，不致于使圖像的高光部分被白色完全淹沒。圖3為數(shù)字拐點(diǎn)技術(shù)示意圖。

用模擬攝像機(jī)拍攝高亮度景物時(shí)，其圖像的高光部分就被白色完全淹沒。通過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)字拐點(diǎn)技術(shù)，可對圖像高光部分進(jìn)行壓縮，從而使這部分的圖像細(xì)節(jié)能夠顯現(xiàn)出來。

3、智能數(shù)字背景光補(bǔ)償(IntelligentDigitalBack-lightCompinsation)

背景光補(bǔ)償也即逆光補(bǔ)償。在松下的一些CCD攝像機(jī)中，均采用了自適應(yīng)型的智能數(shù)字背景光補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)與常規(guī)的逆光補(bǔ)償技術(shù)相比，這里采用了數(shù)字檢測與數(shù)字運(yùn)算技術(shù)，因而可獲得很好的逆光補(bǔ)償效果。

智能數(shù)字背景光補(bǔ)償?shù)脑硎牵簩z像機(jī)攝取的整幅畫面平均分成48個(gè)(即8×6塊)正方形的小處理區(qū)域(如臺灣敏通公司的M88DSP處理器就是這樣)，并對每一個(gè)小塊的平均亮度進(jìn)行檢測，如果這些小塊的平均亮度差別過大，則通過先進(jìn)的算法縮小這些小塊的亮度差，使過暗的景物能夠較為清晰地重現(xiàn)，而又不致于使圖像亮部區(qū)域出現(xiàn)過載。因此，采用這種智能化的數(shù)字檢測技術(shù)，即使是很小的、薄的或是不在畫面中心區(qū)域的景物，也能夠清晰地在畫面上呈現(xiàn)出來。

4、數(shù)字自動跟蹤白平衡(DigitalAutoTracingWhiteBalance)

數(shù)字自動跟蹤白平衡技術(shù)能夠自動跟蹤畫面上的白色，對系統(tǒng)進(jìn)行白平衡調(diào)整，因而它能夠明顯改善彩色圖像的重現(xiàn)效果。

數(shù)字自動跟蹤白平衡的原理與上述的智能背景光補(bǔ)償技術(shù)類似，它也是將攝像機(jī)攝取的一整幅畫面平均分成48個(gè)小塊，并檢測這些小塊中是否有白色，即使畫面上有很小的一塊白色，攝像機(jī)也能夠自動跟蹤它，并以它作為基準(zhǔn)對系統(tǒng)的白平衡進(jìn)行調(diào)整(有關(guān)白平衡的定義及調(diào)整在本人編著的《電視監(jiān)控技術(shù)》一書第二章中有詳細(xì)說明)，使重現(xiàn)的圖像絢麗多彩。如松下等彩色攝像機(jī)，就采用了上述的數(shù)字自動跟蹤白平衡的技術(shù)。

5、數(shù)字動態(tài)展寬(DigitalWideDynamicRange)

一般攝像機(jī)攝取寬動態(tài)范圍的場景時(shí)，畫面上可能會同時(shí)出現(xiàn)明亮區(qū)域及灰暗區(qū)域。如明亮區(qū)域顯示合適時(shí)，灰暗區(qū)域則可能過于黑暗;反之，當(dāng)灰暗區(qū)域顯示合適時(shí)，明亮區(qū)域則可能亮得過載。數(shù)字動態(tài)展寬技術(shù)可有效縮小寬動態(tài)范圍圖像的亮暗差別，使兩個(gè)區(qū)域的圖像同時(shí)在監(jiān)視器屏幕上清晰地顯示出來。

數(shù)字動態(tài)展寬技術(shù)的基本原理是，采用雙速CCD圖像傳感器，能在同一時(shí)間內(nèi)對攝取的場景分別進(jìn)行長短不同時(shí)間的曝光，將此信號輸入專用的圖像處理集成電路中，通過變換、合成、校正等處理而輸出擴(kuò)展了40倍動態(tài)范圍的清晰圖像。如松下WV-CP460系列DSP攝像機(jī)中，采用了兩組AGC電路及一些增強(qiáng)與降噪等處理技術(shù)，使攝像機(jī)的動態(tài)范圍進(jìn)一步地從第一代的40倍增加到80倍，即“超動態(tài)二代(SuperDynamicⅡ)”。

有關(guān)數(shù)字動態(tài)展寬較詳細(xì)的原理，可參閱本人編著的《電視監(jiān)控技術(shù)》一書第二章第六節(jié)中的超高動態(tài)CCD攝像機(jī)。

6、數(shù)字自動聚焦(DigitalSelf-regulationFocus)

在快速球與設(shè)置在云臺上的一體化攝像機(jī)中，一般都需要自動調(diào)焦系統(tǒng)。尤其在高速球中使用時(shí)，其自動聚焦的速度最好不超過1秒，當(dāng)監(jiān)控場景的距離相差太大而超過景深范圍時(shí)，尤為需要。因此，快速地自動聚焦的軟件算法的選擇與光圈等的控制配合就非常重要。

自動聚焦的方法很多，有測距法、聚焦檢測法與圖像處理法三類。目前一體化攝像機(jī)中大多采用圖像處理法，需了解自動聚焦詳情，可參閱本人編著的《電視監(jiān)控技術(shù)》一書第一章第三節(jié)以及《安全與光電》論文集中“論各類自動調(diào)焦技術(shù)及其優(yōu)劣”一文，這里就不敘述了。

7、電子靈敏度增強(qiáng)(ElectronicSensitivityUp)及數(shù)字降噪(DigitalNoiseReduction)

一般，普通攝像機(jī)的AGC打開時(shí)，雖可以提高其感光的靈敏度，但干擾噪聲也相應(yīng)放大，從而使監(jiān)視器屏幕上顯示的圖像充滿雜亂的噪點(diǎn)。而采用電子靈敏度增強(qiáng)及數(shù)字降噪技術(shù)，可使重現(xiàn)的圖像清晰可辨。如松下的WV-CP610彩色攝像機(jī)中，在使用電子靈敏度增強(qiáng)及AGC技術(shù)提高其靈敏度的同時(shí)，還應(yīng)用數(shù)字降噪技術(shù)降低其圖像的噪點(diǎn)。它不僅可使攝像機(jī)的靈敏度提高32倍，還能提高重現(xiàn)的圖像的質(zhì)量。

數(shù)字降噪方法不少，如由幀間積分平均器組成的數(shù)字式雜波降低器已有商品出售，其最大信噪比的改善可達(dá)15dB，其降噪原理在本人編著的《電視監(jiān)控技術(shù)》一書第十一章中有詳細(xì)敘述。

8、屏幕菜單顯示(On-ScreenDisplay簡稱OSD)

由于新型的DSP攝像機(jī)的功能不斷增多，而這些功能又必須通過設(shè)定(Setup)才能奏效，因此通過監(jiān)視器屏幕上的菜單顯示，對攝像機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，可以為使用者帶來極大的方便。如松下的和LG-Honeywell的一些攝像機(jī)大都具備這種屏幕菜單顯示的功能。

新型的DSP攝像機(jī)的參數(shù)的設(shè)定，可配合專用的中心端控制設(shè)備，通過單同軸電纜(對松下系列攝像機(jī))或RS485/RS232通訊線(對其他品牌攝像機(jī))等傳到前端的攝像機(jī)，從而使其工作在所設(shè)定的狀態(tài)。

一般，新型的DSP攝像機(jī)除了OSD功能外，還內(nèi)置可以獨(dú)立設(shè)定的ID識別碼，這對于具有數(shù)十臺甚至數(shù)百臺攝像機(jī)的大型電視監(jiān)控系統(tǒng)來說，顯得尤為重要。

松下公司的WV-CP610系列攝像機(jī)的屏幕菜單設(shè)置流程圖，如圖4所示。由該圖可見，攝像機(jī)的ID碼、ALC/ELC、背景光補(bǔ)償、電子快門速度、自動增益控制、電子靈敏度增強(qiáng)級數(shù)、同步方式、白平衡、數(shù)字動態(tài)展寬、數(shù)字運(yùn)動檢測、數(shù)字降噪以及色彩、基準(zhǔn)電平、孔徑電平等參數(shù)，均可以通過屏幕菜單進(jìn)行調(diào)整。

上述調(diào)整過程除了可通過WV-CP610攝像機(jī)后面板上的5個(gè)按鈕(WV-CP654的5個(gè)按鈕在攝像機(jī)機(jī)身側(cè)面的蓋板內(nèi))來完成外，還可通過中心端的攝像機(jī)遙控器WV-RM70來完成。這里，WV-RM70與WV-CP610的通訊并不需額外的連接線，而是直接通過視頻同軸電纜以多工方式來實(shí)現(xiàn)。WV-RM70還可以進(jìn)一步通過其RS-485接口與普通的PC計(jì)算機(jī)相連，從而也可通過計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

三、檢測識別報(bào)警型DSP攝像機(jī)的智能化功能

要想使視頻監(jiān)控技術(shù)智能化，必須使攝像機(jī)或系統(tǒng)盡可能多地嵌入智能化功能，下面列舉一些可以嵌入的智能化功能：

1、視頻移動探測、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

視頻移動檢測是對運(yùn)動的物體進(jìn)行及時(shí)的檢測和跟蹤，因此運(yùn)動檢測是指在指定區(qū)域能識別圖像的變化，檢測運(yùn)動物體的存在并避免由光線變化帶來的干擾。在如雨雪、大霧、大風(fēng)等復(fù)雜的天氣環(huán)境中，要能精確地探測和識別單個(gè)物體或多個(gè)物體的運(yùn)動情況，包括其運(yùn)動方向、運(yùn)動特征等。

視頻移動檢測技術(shù)的原理，也是多將攝像機(jī)攝取的一整幅畫面平均分成48個(gè)小塊，并連續(xù)檢測每一個(gè)小塊的圖像變化。一旦檢測到有運(yùn)動物體，該攝像機(jī)即可通過視頻電纜將報(bào)警信息回傳到中心端，并啟動錄像機(jī)等相關(guān)視頻設(shè)備。并且，要能根據(jù)物體的運(yùn)動情況，自動發(fā)送PTZ控制指令，使攝像機(jī)能夠自動跟蹤物體。如物體超出該攝像機(jī)監(jiān)控范圍之后，能自動通知物體所在區(qū)域的攝像機(jī)繼續(xù)進(jìn)行追蹤。

在這種工作方式下，要求移動物體的尺寸必須占據(jù)圖像面積的2%以上，即物體必須占據(jù)48個(gè)小區(qū)域中的1個(gè)場景區(qū)域以上。此外，要求背景和移動物體之間的對比度也必須超過5%，移動物體從圖像的一端到另一端的最小移動速度為0.1s。

2、人的面像識別、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

人的面像識別，不像指紋識別與眼虹膜識別等需要人的配合，它可以在離攝像頭有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)在人群中識別出特定的個(gè)體。這種面像識別系統(tǒng)，可以在機(jī)場、火車站、體育場館等安防應(yīng)用場景中發(fā)揮很大的作用。如追捕通輯逃犯，可通過與數(shù)據(jù)庫檔案中的面像特征進(jìn)行比較，來識別或驗(yàn)證是否逃犯的身份。

在識別出該逃犯后，立即預(yù)/報(bào)警，并跟蹤鎖定其面部，直到被公安人員抓捕，解除警報(bào)為止。

3、人的步態(tài)識別、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

人的步態(tài)識別，更適合于智能視頻監(jiān)控的應(yīng)用，因?yàn)樗让嫦褡R別的距離更遠(yuǎn)，并且人在任何方向走均可識別，即使背對著攝像頭也可。如追捕通輯逃犯，可通過與數(shù)據(jù)庫檔案中的步態(tài)特征進(jìn)行比較，來識別或驗(yàn)證是否逃犯的身份。

在識別出該逃犯后，立即預(yù)/報(bào)警，并跟蹤鎖定其腿部，直到被公安人員抓捕，解除警報(bào)為止。

4、人的聲音識別、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

人的聲音識別，是通過所監(jiān)聽場景中的聲音，記錄與識別出特定的個(gè)體。如追捕通輯逃犯，可通過與數(shù)據(jù)庫檔案中的聲音特征進(jìn)行比較，來識別或驗(yàn)證是否逃犯的身份。

在識別出該逃犯后，立即預(yù)/報(bào)警，并跟蹤鎖定其聲音，直到被公安人員抓捕，解除警報(bào)為止。

5、人與物的異常行為及非法滯留的識別、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

這是通過檢測圖像序列人與物的異常行為，如檢測到人翻越院墻、欄桿，汽車開進(jìn)綠化草地、逆行等，即鎖定跟蹤與預(yù)/報(bào)警。
當(dāng)人或箱子、包裹、車輛等物體，在敏感區(qū)域停留的時(shí)間過長(如放置爆炸物等)，或超過了預(yù)定義的時(shí)間長度就產(chǎn)生報(bào)警。其典型的應(yīng)用場景包括機(jī)場、火車站、地鐵站等重要領(lǐng)域。

該項(xiàng)智能化功能，能事先排出爆炸物，制止打架、斗毆、搶劫與綁架等犯罪行為，即使來不及制止也能盡快破案。

6、人群及其注意力檢測控制、識別與預(yù)/報(bào)警

該項(xiàng)智能化功能，能識別人群的整體運(yùn)動特征，包括速度、方向等，用以避免形成擁塞，或者及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能有打群架等異常情況。其典型的應(yīng)用場景包括超級市場、火車站、娛樂場所等人員聚集的地方。

此外，還可統(tǒng)計(jì)人們在某物體前面停留的時(shí)間。據(jù)此還可以用來評估新產(chǎn)品或新促銷策略的吸引力，也可以用來計(jì)算為顧客提供服務(wù)所用的時(shí)間等。

7、車輛的視頻檢測及異常行為的識別、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

該項(xiàng)智能化功能，能識別車輛的形狀、顏色、類型、車牌號碼等特征，并反饋給監(jiān)控者。此類應(yīng)用可以用在被盜車輛追蹤等場景中。尤其能用于在高速公路或環(huán)線公路上監(jiān)視交通情況。如統(tǒng)計(jì)通過的車輛數(shù)、平均車速、是否有非法?？?、是否有故障車輛等。

8、平安城市交通擁堵檢測及自動疏導(dǎo)系統(tǒng)

該項(xiàng)智能化功能，能檢測交通擁堵，并在十字路口自適應(yīng)控制紅綠燈的轉(zhuǎn)換時(shí)間等，并通過交通信息牌和無線臺對交通進(jìn)行自動疏導(dǎo)。

9、出入口人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

該項(xiàng)智能化功能，能夠通過視頻監(jiān)控設(shè)備對監(jiān)控畫面的分析，自動統(tǒng)計(jì)計(jì)算穿越重要部門、重要出入口或指定區(qū)域的人或物體的數(shù)量。

該一智能化功能的應(yīng)用，還可在服務(wù)、零售等行業(yè)用來協(xié)助管理者分析營業(yè)情況，或提高服務(wù)質(zhì)量。如為業(yè)主計(jì)算某天光顧其店鋪的顧客數(shù)量等。

10、平安城市火災(zāi)的探測、跟蹤與預(yù)/報(bào)警

該項(xiàng)智能化功能，是通過攝像頭探測到一定的煙霧與火苗的情況，能及時(shí)預(yù)/報(bào)警，使消防隊(duì)盡快趕到現(xiàn)場，以便即時(shí)撲滅火患。

上述10條智能化功能，可固化在不同的DSP模塊中，并根據(jù)平安城市不同監(jiān)控場景的需要，而嵌入所需的攝像機(jī)，或者視頻服務(wù)器和DVR上。因此，利用檢測識別報(bào)警型DSP智能攝像機(jī)，能取代監(jiān)控任務(wù)中人的大部分工作，是新一代的具有高度智能的監(jiān)控技術(shù)的需要。