視頻監控技術(shù)簡(jiǎn)介與發(fā)展趨勢
盧秋波 2007/05/15
視頻監控作為一種傳統視頻技術(shù)與現代通信技術(shù)相結合的應用,目前在國內外已引起了越來(lái)越多的關(guān)注。本文對視頻監控業(yè)務(wù)作了簡(jiǎn)單的介紹與回顧,指出當前視頻監控業(yè)務(wù)與傳統視頻監控業(yè)務(wù)在需求上的轉變,以及與視頻監控相關(guān)的一些技術(shù)的進(jìn)展情況,然后指出當前視頻監控系統所面臨的主要問(wèn)題,以及為了解決這些問(wèn)題所帶來(lái)的未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢。
引言
視頻監控業(yè)務(wù)具有悠久的歷史,在傳統上廣泛應用于安防領(lǐng)域,是協(xié)助公共安全部門(mén)打擊犯罪、維持社會(huì )安定的重要手段。近年來(lái),隨著(zhù)寬帶的普及,計算機技術(shù)的發(fā)展,圖像處理技術(shù)的提高,視頻監控正越來(lái)越廣泛地滲透到教育、政府、娛樂(lè )、醫療、酒店、運動(dòng)等其他各種領(lǐng)域。
業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介
視頻監控的基本業(yè)務(wù)功能是提供實(shí)時(shí)監視的手段,并對被監視的畫(huà)面進(jìn)行錄像存儲,以便事后回放。在此基礎上,高級的視頻監控系統可以對監控裝置進(jìn)行遠程控制,并能接收報警信號,進(jìn)行報警觸發(fā)與聯(lián)動(dòng)。業(yè)務(wù)功能如圖1所示。
圖1 視頻監控業(yè)務(wù)功能示意圖
最早的視頻監控系統是全模擬的視頻監控系統,也稱(chēng)閉路電視監控系統(CCTV)。圖像信息采用視頻電纜,以模擬方式傳輸,一般傳輸距離不能太遠,主要應用于小范圍內的監控,監控圖像一般只能在控制中心查看。全模擬視頻監控系統以模擬視頻矩陣和磁帶式錄像設備VCR為核心。
隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展,數字視頻監控系統從20世紀90年代中期開(kāi)始出現,以數字控制的視頻矩陣替代原來(lái)的模擬視頻矩陣,以數字硬盤(pán)錄像機DVR替代原來(lái)的長(cháng)延時(shí)模擬錄像機,將原來(lái)的磁帶存儲模式轉變成數字存儲錄像,實(shí)現了將模擬視頻轉為數字錄像。DVR集合了錄像機、畫(huà)面分割器等功能,跨出數字監控的第一步。在此基礎上產(chǎn)生了全數字的視頻監控系統,可以基于PC機或嵌入式設備構成監控系統,并進(jìn)行多媒體管理。這類(lèi)系統是目前視頻監控市場(chǎng)的主流。
隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的普及,視頻監控逐漸從本地監控向遠程監控發(fā)展,出現了以網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器為代表的遠程網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統。網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器解決了視頻流在網(wǎng)絡(luò )上的傳輸問(wèn)題,從圖像采集開(kāi)始進(jìn)行數字化處理、傳輸,這樣使得傳輸線(xiàn)路的選擇更加多樣性,只要有網(wǎng)絡(luò )的地方,就提供了圖像傳輸的可能。整個(gè)系統趨向平臺化、智能化。很多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已開(kāi)始涉足此類(lèi)視頻監控系統的開(kāi)發(fā),目前尚屬市場(chǎng)起步階段。
圖2給出了一種目前比較常用的網(wǎng)絡(luò )遠程視頻監控系統的示意圖。
圖2 目前比較常用的網(wǎng)絡(luò )遠程視頻監控系統
圖中管理中心和監控前端、監控中心是視頻監控系統的組成部分,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部分則是視頻監控和其他系統互通的一個(gè)示例。當然視頻監控系統和其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )共同使用時(shí),也可能會(huì )融為一體。
各組成部分的說(shuō)明如下:
(1)監控前端:用于采集被監控點(diǎn)的監控信息,并可以配備報警設備。監控前端可分為兩類(lèi):
- 普通攝像頭+視頻服務(wù)器。普通攝像頭可以是模擬攝像頭,也可以是數字攝像頭。原始視頻信號傳到視頻服務(wù)器,經(jīng)視頻服務(wù)器編碼后,以TCP/IP協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳至其他設備。
- 網(wǎng)絡(luò )攝像頭。網(wǎng)絡(luò )攝像頭是融攝像、視頻編碼、Web服務(wù)于一體的高級攝像設備,內嵌了TCP/IP協(xié)議棧。可以直接連接到網(wǎng)絡(luò )。
(2)管理中心:承擔所有前端設備的管理、控制、報警處理、錄像、錄像回放、用戶(hù)管理等工作。各部分功能分別由專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器各司其職。
(3)監控中心:用于集中對所轄區域進(jìn)行監控,包括電視墻、監控客戶(hù)終端群組成。系統中可以有一個(gè)或多個(gè)監控中心。
(4)PC客戶(hù)端:在監控中心之外,也可以由PC機接到網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行遠程監控。
(5)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋:無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋用于接入無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò ),并訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋,可以將IP網(wǎng)上的監控信息傳至無(wú)線(xiàn)終端,也可以將無(wú)線(xiàn)終端的控制指令傳給IP網(wǎng)上的視頻監控管理系統。目前常用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為CDMA網(wǎng)絡(luò )。
業(yè)務(wù)需求的轉變
當前,對于監控系統而言,用戶(hù)對其功能的需求已經(jīng)體現出多元化與系統化。主要表現在以下幾個(gè)方面的要求:
- 遠程訪(fǎng)問(wèn)。傳統的視頻監控一般是在小范圍內進(jìn)行,而目前用戶(hù)普遍要求訪(fǎng)問(wèn)地點(diǎn)不受地域限制,能隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)被監控地點(diǎn)。
- 多人同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)監控點(diǎn)。傳統上,一個(gè)監控點(diǎn)一般是被一個(gè)監控中心(用戶(hù))所訪(fǎng)問(wèn)。而目前,同一個(gè)監控點(diǎn)很可能會(huì )同時(shí)被多個(gè)用戶(hù)所訪(fǎng)問(wèn),并且這些用戶(hù)之間可能毫無(wú)關(guān)系。用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的復雜化將要求系統強化對訪(fǎng)問(wèn)權限的管理。
- 監控點(diǎn)趨向分散,同時(shí)監控趨向集中。屬于同一用戶(hù)的監控點(diǎn)越來(lái)越分散,不受地域所限。而對這些分散的監控點(diǎn),需要集中的管理與控制。
- 要求監控系統具有開(kāi)放性和擴展性。同一系統應當支持多種不同類(lèi)型的監控設備,用戶(hù)數、被監控點(diǎn)的數量可以方便地增減。
- 海量數據存儲。網(wǎng)絡(luò )化使得傳統的本地錄像功能可以轉移到遠程服務(wù)器上來(lái)實(shí)現,使得海量數據存儲成為可能。同時(shí),也要求系統具備更強的存儲、檢索和備份等功能。
- 信息安全。系統復雜化,用戶(hù)的多元化,加上視頻監控本身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)必然要求對系統對信息安全提供有力的保證。
- 智能視頻監控。未來(lái)的視頻監控系統將不僅僅局限于被動(dòng)地提供視頻畫(huà)面,更要求系統本身有足夠的智能,能夠識別不同的物體,發(fā)現監控畫(huà)面中的異常情況,以最快和最佳的方式發(fā)出警報和提供有用信息,從而更加有效地協(xié)助安全人員處理危機,并最大限度地降低誤報和漏報現象,成為應對襲擊和處理突發(fā)事件的有力輔助工具。智能視頻監控還可以應用在交通管理、客戶(hù)行為分析、客戶(hù)服務(wù)等多種非安全相關(guān)的場(chǎng)景,以提高用戶(hù)的投資回報。
相關(guān)技術(shù)進(jìn)展
1、CMOS圖像傳感器技術(shù)的成熟
監控攝像機的圖像傳感器正逐漸從傳統的CCD向CMOS轉變。這兩種傳感器各有長(cháng)短,但一直以來(lái),CMOS傳感器的缺點(diǎn)漸漸減少。CMOS圖像傳感器低成本、高集成度為其主要特點(diǎn),圖像質(zhì)量已不輸于CCD。與基于CCD的探頭相比,CMOS探頭的集成度更高,因為CMOS傳感器集成了許多外圍處理功能,所需器件比CCD探頭少,且CMOS探頭的功耗要低得多。從整個(gè)系統來(lái)看,CMOS傳感器可將成本大大降低。
2、智能分析技術(shù)的發(fā)展
IEEE在圖像的智能分析等方面有比較大的成果,比如運動(dòng)檢測、人臉識別、目標跟蹤等。
運動(dòng)檢測是指在指定區域能識別圖像的變化,檢測運動(dòng)物體的存在并避免由光線(xiàn)變化帶來(lái)的干擾。由于背景圖像的動(dòng)態(tài)變化,如天氣、光照、影子及混亂干擾等的影響,使得運動(dòng)檢測成為一項相當困難的工作。早期的運動(dòng)檢測是對編碼后產(chǎn)生的I幀進(jìn)行比較分析,通過(guò)視頻幀的比較來(lái)檢測圖像變化。目前常用的方法有背景減除(Background
Subtraction)、時(shí)間差分(Temporal Difference)、光流(OpticalFlow)、運動(dòng)向量檢測法等。
3、芯片技術(shù)為視頻監視產(chǎn)品提供新方案
IP攝像機通常集成了視頻捕獲、視頻編碼/處理和網(wǎng)絡(luò )接口功能。在視頻監控市場(chǎng),能夠支持這些功能的各種視頻信號處理器芯片性能差異很大,但也是最能突顯優(yōu)勢的產(chǎn)品。從功能需求最少的低端產(chǎn)品到高性能的采用多核數字信號處理器(DSP)芯片的高端產(chǎn)品,針對不同的市場(chǎng),對視頻信號處理器的要求差別很大。高性能的DSP芯片使視頻處理器性能得到極大提升。這些DSP是催生智能攝像機的關(guān)鍵要素。正因為這些DSP,IP視頻服務(wù)器才具備同時(shí)對多視頻流進(jìn)行智能管理的能力。
4、視頻壓縮格式越來(lái)越先進(jìn)
以前的數字視頻監控的圖像格式主要以MJPEG與MPEG2為主。隨著(zhù)圖像壓縮技術(shù)的提高,出現了越來(lái)越先進(jìn)的視頻壓縮格式,如MPEG-4,H.264,國內正在大力發(fā)展具有自主產(chǎn)權的AVS編碼格式。視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展為視頻監控在圖像傳輸、錄像存儲等方面帶來(lái)極大的好處。
面臨的主要問(wèn)題與技術(shù)發(fā)展趨勢
目前,大規模的網(wǎng)絡(luò )視頻監控業(yè)務(wù)尚處于起步探索階段,網(wǎng)絡(luò )化、數字化、智能化是視頻監控的必然趨勢。面對這個(gè)大趨勢,目前的視頻監控在一些關(guān)鍵技術(shù)方面,存在著(zhù)不少不足之處,主要表現在以下幾個(gè)方面。
1、媒體分發(fā)
目前的視頻監控系統在視頻媒體的分發(fā)方面普遍處理得比較簡(jiǎn)單,一般采用用戶(hù)直接對網(wǎng)絡(luò )攝像機進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),或通過(guò)視頻服務(wù)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的媒體轉發(fā)處理,而面對越來(lái)越龐大的用戶(hù)群,這種媒體傳送方式將會(huì )成為圖像傳輸的瓶頸。是否具備高效的媒體分發(fā)機制將成為判斷視頻監控系統優(yōu)劣的一項重要指標。
實(shí)際上,媒體分發(fā)是任何一個(gè)視頻業(yè)務(wù)在發(fā)展到一定規模后必將面臨的問(wèn)題,視頻監控可以與其他視頻業(yè)務(wù)——比如IPTV——來(lái)共同研究視頻分發(fā)的問(wèn)題。未來(lái)的視頻監控系統將會(huì )基于一個(gè)比較完善的媒體分發(fā)平臺來(lái)傳輸實(shí)時(shí)視頻信息與錄像視頻信息。
2、錄像存儲
目前,基于網(wǎng)絡(luò )的視頻監控系統基本上采用中心錄像服務(wù)器來(lái)存儲錄像。中央錄像服務(wù)器管理方便,安全可靠,但因為錄像隨時(shí)進(jìn)行,數據流量大,對承載網(wǎng)帶來(lái)很大壓力。如果將錄像存儲邊緣化,雖然可以減少視頻流的數量,緩減承載網(wǎng)壓力,但分散的錄像數據將給錄像的管理帶來(lái)很大的麻煩,錄像數據的安全性也將大大降低。由此可見(jiàn),未來(lái)大量的存儲需求發(fā)生的位置不可能由中心統一存儲來(lái)承擔,而大量的分布式、差異性存儲卻沒(méi)有可用的技術(shù)方案。未來(lái)的視頻監控系統要在錄像存儲方面進(jìn)行合理的結構設計,才能滿(mǎn)足實(shí)際的錄像要求。
3、并發(fā)調度
目前的視頻監控系統的用戶(hù)在一個(gè)視頻監控點(diǎn)上一般不存在并發(fā)需求,即便批量用戶(hù)可能對同一視頻監控點(diǎn)的信息有同時(shí)調用要求,這種調用也沒(méi)有差異。在未來(lái),系統服務(wù)的使用者來(lái)源多樣化并且不可控,其使用目的存在同樣的情況,監控系統對于同一監控點(diǎn)存在著(zhù)并發(fā)的沖突調用問(wèn)題,因此必須考慮優(yōu)先權限和分配機制。
4、計費
目前的視頻監控計費模式非常單一,通常以租用為主,或者只需考慮用戶(hù)接入后使用的單一視頻監控點(diǎn)的上傳信息的時(shí)長(cháng)或流量即可,其業(yè)務(wù)計費點(diǎn)和計費尺度無(wú)需太復雜,一般考慮簡(jiǎn)單的RADIUS協(xié)議即可。未來(lái)視頻監控系統考慮的計費問(wèn)題包括單用戶(hù)對單資源的使用、單用戶(hù)對多資源的使用、多用戶(hù)對多資源的使用,這是單計費點(diǎn)和計費尺度、僅僅依靠目前的簡(jiǎn)明扼要單的計費協(xié)議所無(wú)法支持的。未來(lái)的系統應支持可靈活改變、可批量同時(shí)實(shí)施的多業(yè)務(wù)策略,支持上述各種業(yè)務(wù)策略的實(shí)時(shí)計費功能。
5、分級
目前的一些遠程視頻監控系統可以支持分級,但這種分級僅僅涉及內容分發(fā)的分級,對網(wǎng)絡(luò )中其它子功能系統還是作為一級來(lái)考慮。
未來(lái)視頻監控系統需要考慮的分級決不僅僅是內容分配上的分級,因為全網(wǎng)中不同地區的服務(wù)提供商對于用戶(hù)控制、業(yè)務(wù)管理、內容分配、運營(yíng)支撐這四個(gè)層次分級要求是存在差異的,這一點(diǎn)上用戶(hù)控制和業(yè)務(wù)管理上分級的需求更接近會(huì )議電視系統而不是簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)會(huì )話(huà)系統,需要全部重新設計。
6、業(yè)務(wù)融合
目前的遠程監控不考慮和其它業(yè)務(wù)系統之間的互相調用。未來(lái)的視頻監控系統將和多個(gè)其它業(yè)務(wù)系統交叉調用,不同系統之間的多層互通和資源共享是必須考慮的問(wèn)題。
結束語(yǔ)
從以前的模擬監控到現在的數字監控;從落后的現場(chǎng)監控到先進(jìn)的遠程監控;從有人值守監控到現在的無(wú)人值守監控,視頻監控正朝著(zhù)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、規模化方向蓬勃發(fā)展。當然,目前仍存在著(zhù)不少需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。相對于其他通信業(yè)務(wù),視頻監控業(yè)務(wù)顯得比較年輕,視頻監控市場(chǎng)目前也尚未出現能夠控制整個(gè)市場(chǎng)的領(lǐng)導者。對于各通信設備廠(chǎng)商以及電信運營(yíng)商而言,視頻監控將會(huì )是很好的發(fā)展機會(huì )。
泰爾網(wǎng)
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