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    数字视频监控核心技术

    作者:监控部    来源:不详    更新时间:2010-4-19 23:23:51    设计指数:          ★★★ 
    一、 概述 

      数字视频监控相关产品的技术和产业化发展近几年来一直是国内安防行业的一个热点,通过国内整个行业的不断努力,目前数字监控的技术水平达到了国际先进水平,开始直接参与国际竞争,同时产品已经开始进入国际市场。我们在国际市场上的竞争力来源于我们掌握了相关的核心技术,核心技术决定了产品在市场上的竞争力。 



      本文内容主要介绍一下目前数字监控行业相关的技术以及应用前景,探讨下一代产品的应用发展趋势。内容主要包括以下几个方面:1、视频压缩算法,这是决定产品主要特性的技术,压缩算法在不断发展之中;2、网络技术,这是面向未来多用途的视频多媒体设备以及大规模数字视频多媒体网络系统的构成基础;3、智能化技术,数字视频系统根据应用领域的不同可以提供各种智能化的功能,这样才能够拓展市场,提升产品的竞争力。 



      二、 视频压缩算法 



      1. H.264压缩算法 



      目前压缩算法分为两大类:标准算法和专用算法。标准算法为国际组织ISO/ITU发布,早期的JPEG压缩比太小,传输网络带宽要求过高;后期MPEG 1算法压缩比有所提高,但是还不能适应目前的宽带网络;近两年来MPEG 4/H.263 的推广使得远程传输成为可能。专用算法为一些专业公司开发的压缩技术,通用性较差,性能也千差万别,针对网络传输的算法可以支持低带宽网络,但是图像效果不令人满意。 



      H.264是最新的国际视频编码标准,由ITU-T和ISO/IEC两个国际标准化组织联合制定。标准在ITU-T将被最终通过为H.264;在ISO/IEC通过后,被称为国际标准14496-10(MEPG-4 第10部分)。因此可见H.264并不是比MPEG-4先进,他们其实是一回事。以前大量使用的MPEG-4 是采用了标准的MEPG-4 第10部分以前版本,目前名称对应的关系为: 



      H.264 Baseline Profile对应MPEG-4 SP 



      H.264 Main Profile对应MPEG-4 ASP 



      H.264 Extended Profile对应MPEG-4 ARTS or FGS 



      H.264 Baseline Profile对应MPEG-4 Studio。 



      作为目前最新的视频编码技术H.264,在安防行业应用有着非常大的前景。H.264标准采用了很多新技术用来提高压缩比降低码流,主要是采用了高精度、多模式预测技术。H.264 标准针对网络传输的需要设计了视频编码层VCL和网络提取层NAL结构,网络抽象层是提供“网络友好”的界面,从而使视频编码层能够在各种系统中得到有效的应用。H.264 标准针对网络传输的需要设计了差错消除的工具便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输,从而保证了视频传输的有效性。 



      2. H.264压缩算法的实现难度 



      H.264算法分为Baseline Profile、Main Profile、Extended Profile和High Profile四层,H.264算法与以前的算法相比,在算法复杂度上H.264 Baseline Profile是以前MPEG-4的2倍左右,H.264 Main Profile是MPEG-4的10倍以上,High Profile复杂度最高;在压缩码流方面,Base Profile低于MPEG-4 10-20%,Main Profile低于MPEG-4的一半。 

    大家可以看出,实现H.264 Main Profile 算法后可以使视频码流降低一半,可以实现CIF格式视频在普通的ADSL上实时连续传输,即使在网络有波动的情况下也不会受到影响。同时由于H.264算法具有网络编码层和网络传输层结构,这样对于普通的宽带网络和无线网络的适应性大大加强,不会由于网络的误码影响传输的质量。 



      然而目前的芯片处理能力还不能够实现完整的H.264算法,现在只能实现H.264算法中的部分功能,因此需要一个过程才能够体验到H.264给大家带来的优点。 

    3. H.264压缩算法的实现平台 



      在JPEG和MPEG-1/2的时代,压缩芯片以ASIC芯片为主,从MPEG-4开始压缩芯片已经过度到DSP时代,使用ASIC芯片的产品越来越少。这是由于芯片处理能力逐步提高,可以适应算法的不断优化,ASIC技术产品化周期长,已经无法适应目前算法进步的步伐。 



      由于DSP体系结构的限制,面对复杂的H.264算法实现低成本的实时压缩已经非常困难。在算法和芯片技术成熟以后,未来的主流压缩平台应该是ASIC的天下,当然ASIC和DSP技术相结合的芯片,同样具有诱惑力,能够适合未来算法发展的需要。 



      三、 图像预处理和后处理技术 



      1. 图像滤波 



      目前最严重的问题之一是摄像头干扰问题,中低档的摄像头比较明显,特别在低照度的环境中干扰对图像质量有非常大的影响。根据分析主要有两种噪声会影响视频质量,一种是相邻色素之间产生的伪颜色噪声,一种是由于信号强度而产生的泊松噪声(会影响物体的边缘清晰度)。一般滤波器的工作原理是先做低通滤波,然后再做高通滤波。从频谱上分析,物体的边缘成分在做低通的时候已经损失掉了一部分,尽管在高通后通过一定的处理可以还原大部分,但实际上它已经不能够达到最理想的效果。 



      这些噪点随着产品型号和工作环境而不同。由于多数视频压缩算法是通过前后帧图像的差异实现压缩,因此这种随机噪点对压缩的影响非常大,有的时候甚至造成码流成倍上升,将压缩算法的优点全部掩盖。 



      噪点的处理使得中低档摄像头能够同样达到理想的压缩效果,特别是对于光线不好的环境非常有意义。主要可以采用两种滤波方式:时间轴上的滤波与空间轴上的滤波。时间轴滤波采用运动自适应方式来去处伪颜色噪声同时还原运动物体。空间轴滤波用来去除泊松噪声同时强化物体边缘。除此之外,还包括一套柱状均衡器,它通过平滑亮度信号的突变来改善对比度。在帧间编码的技术中主要采用了针对摄像头主要环境特征即静止图像和图像变化不大的情况下压缩处理,这样保证在正常情况下图像都可以以高质量的水平保存。另一方面,通过实时滤波技术的应用,使得在压缩之前就排除了信号中的干扰,压缩还原的图像有很大的提高,同时也降低了码流。 



      2. 图像的其他处理技术 



      对于全幅图像(Full D1)的处理有一个重要问题,全幅图像是由前后两场图像数据合成的,如果图像运动的比较快,就会造成两场的图像差别较大,运动快的部分图像有了一定的位移,这样就造成合成的图像在运动快的部分图像边缘形成锯齿效应。而采用了De-interlace技术较好的解决了这个问题。同时,在解码回放的时候也可以应用了De-Block技术,排除了由于解码而造成的各种干扰,可以使得图像还原效果提升了一个层次。 



      四、 网络技术 



      1. 组网技术 



      目前绝大多数视频组网有两个特点:一是采用集中式,二是采用私有控制协议。集中式可靠性和扩展性差,对于小规模视频应用尚可,但对于较大的城域范围甚至更大的应用范围,视频接点成千上万,集中方式的中心节点将不堪重负,网络非常脆弱。由于采用私有控制协议,已有的视频组网只能一个系统应用于一个工程、一个工程一个设计的格局,费时费力,不能互通,形成视频应用的“孤岛”,维护管理和升级都非常复杂。 



      随着新的视频应用的增加,尤其是城市应急联动、城市智能交通、保安监测网络化以及各个行业的城域监控网的建立,视频组网的规模将越来越大,并且存在不断扩展的需要,因此视频组网必须打破过去集中式和私有控制协议带来的弊端,采用分布式、标准化的组网方案。 



      基于SIP协议既能够组建纯SIP的下一代视频多媒体网,也能够与软交换结合组建下一代视频多媒体网,完全可以适应应用的需要。由于SIP本身具有的简单灵活、分布式控制以及对移动性良好支持等优点,随着Internet的迅猛发展,尤其在最近的两年时间内,由IETF首先提出的SIP协议已经开始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(欧洲标准化组织)、IMTE等各种标准化组织所接受,并在这些组织中成立了与SIP相关的工作组。特别是作为ITU-T SG16主要成员,在多年发展H323应用的基础上,针对SIP应用在视频领域的特点,提出了SIP的应用指导,并推出了相应的SIP协议栈,使得ITU的成员实现了这两种协议之间的互通性。视频多媒体需求的大众化以及SIP相关技术的逐渐成熟,SIP已成为新兴的视频多媒体领域的主流信令控制协议。 



      纯SIP组网的运营模式与传统的运营模式不同,它没有长途和本地之分,主要是基于内容或者服务的运营模式。利用SIP可快速组网,灵活部署业务,为用户提供可移动的视讯服务。  



      基于SIP组建网络为用户提供语音、数据和视频的移动多媒体应用已经开始崭露头角。目前国外厂商已经推出了基于SIP的即时信息、语音和视频等应用。如微软的Windows XP采用SIP信令协议,这意味着SIP能够在个人计算机上实现视频多媒体应用;3GPP(Third Generation Partnership Project)采用了SIP的3G体系结构计划,SIP成为3G用户建立包括视频在内的实时通信会话的基石。 



    2. 网络传输技术 



      从目前的应用情况来看,面向实用的系统面临两大难题,即视频服务质量和网络信息安全问题。即使在宽带网络上由于没有有效的Qos机制,很难保障高质量的视频连续传输。网络信息安全是另一个限制数字视频应用发展的因素,目前的广域网络上没有一个有效的安全保障机制,这样就大大限制了网络视频应用的领域。 



      由于网络的带宽不固定,同时有一定的误码率,需要采用动态参数调整技术,自动探测网络传输的状况,实时调整压缩的参数,保证能够自动适应网络的变化完成图像的传输,保证传输的质量。同时解码器能够正确处理误码,保证工作长期稳定。 



      同时网络数据安全是一个制约应用的重要因素,视频数据加密的技术对实时网络视频具有重要的意义,可保障网络传输的安全。 



      3. 网络协议 



      从产业化角度来考虑,由于IP地址资源的限制和目前网络的体系结构,很大程度上约束了大容量系统的建设和应用,实现几路视频的网络传输是一回事,建立、管理一个数千路视频应用是另外一回事,在目前的网络技术体系下几乎是不可能的。网络协议IPv6是未来发展的重要方向,IPv6支持网络地址自动配置和动态域名服务、安全认证、数据安全、服务质量保证;支持DHCP/PPPoE等多种网络协议,支持组播功能。 



      可以看出,IPv6真正解决了目前IPv4中存在的诸多问题及不足之处,是未来构建数字视频网络最理想的平台。目前国家已经建立了多个IPv6的实验网络,很快大家就可以体验到IPv6带来的新的机遇。 



      五、 智能化技术 



        智能化技术是与应用领域紧密结合的技术,可以针对各种应用环境的特点开发出不同类型的应用技术,提升产品的适应力,例如: 



      图像识别:实时图像识别是对视频的图像压缩序列进行实时处理,来达到不同应用环境的要求。目标类型识别用于识别目标的类型、位置,进一步可以实现人像匹配、车辆分析(颜色、车型、车牌);目标自动跟踪技术是通过对移动目标的识别,自动控制摄像机来跟踪目标的移动,监视目标的整个移动过程。这些智能化工作方式在多种应用环境下都很有价值。 



      图像分析:移动目标的分析技术是通过对画面中移动目标的识别,分析统计目标的类型、流量、运动方向、速度等信息,可以用于交通道路指挥自动化以及重要场合自动检测分析,也可以用于环境监控中的自动化监测报警。 



      六、 结论 



      监控行业的数字视频除了能够应用于视频会议、网络点播、远程教育、视频监控等方面外,可逐步渗透到数字视频应用的方方面面,如消费类产品、网络电视等各种数字视频相关产业。 

    早期的数字视频技术主要来源于家用的视频产品技术,没有针对监控行业特点需求及应用特点进行完善,因此在应用上还有不尽人意的地方。随着技术的不断进步,产品将会不断提升换代,开拓出更广阔的市场空间。 



        可以看出未来的主流技术可以概括为三点:第一需要有最优化的压缩算法支持高质量数字视频的应用,用户对图像质量的要求是没有限制的,现在CIF格式产品的大量应用不能说明市场能够满足这种图像质量;第二需要有网络化的应用体系,这样才能够构建起大规模的网络数字视频系统,提供安全方便的服务;第三需要对不同用户和行业提供个性化的产品和服务,这样才能够进一步满足市场不断发展的需要。 

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