成就視頻監控的模擬與數字技術(shù)

趙娟 2011/07/19

圖:Intersil公司視頻產(chǎn)品全球營(yíng)銷(xiāo)總裁馬大倫

　　 此外，科勝訊、美信、升邁和Nextchip等公司也積極的推出了相關(guān)的多通道解碼器產(chǎn)品，通過(guò)集成高位ADC、濾波器、多種業(yè)界標準接口推動(dòng)了這一轉換趨勢。

　　前端攝像頭的傳感器廠(chǎng)商、視頻IP廠(chǎng)商與FPGA廠(chǎng)商合作，通過(guò)在FPGA中實(shí)現的傳感器處理設計，包括全ISP，完成自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡功能等，能夠快速實(shí)現高清寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)CMOS圖像傳感器處理解決方案。例如，Altera的Cyclone FPGA搭配Apical的IP實(shí)現的MT9M033高清晰WDR CMOS圖像傳感器；萊迪思半導體公司支持使用LatticeXP2 FPGA的Aptina的高速串行像素接口(HiSPi)，該參考設計實(shí)現了任意帶有傳統CMOS并行總線(xiàn)的圖像信號處理器(ISP)與Aptina HiSPi CMOS傳感器的連接。

　　“很多廠(chǎng)商的視頻監控產(chǎn)品是面向全球市場(chǎng)的，而市場(chǎng)的需求是不一樣的。這就需要開(kāi)發(fā)不同傳感器的系統，”賽靈思公司亞太區市場(chǎng)及應用總監張宇清指出，“而搭配Spartan-6 FPGA與賽靈思公司的前端ISP(iPipe IP)的優(yōu)勢就在于可針對不同傳感器和應用提供針對性的功能，滿(mǎn)足差異化要求，提高設計靈活性。目前中國已有很多廠(chǎng)商采用FPGA為前端的ISP來(lái)搭配傳感器作為方案。”

圖： 賽靈思公司亞太區市場(chǎng)及應用總監張宇清

　　“橫向市場(chǎng)的硬件廠(chǎng)商與縱向市場(chǎng)的應用專(zhuān)家合作模式在技術(shù)行業(yè)非常普遍。人們只要看看IBM個(gè)人電腦和微軟視窗就可以此類(lèi)推。PC硬件和專(zhuān)門(mén)軟件之間存在著(zhù)進(jìn)一步的合作，例如Adobe和Autodesk。”萊迪思半導體公司企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)副總裁及幕僚長(cháng)Douglas Hunter指出：“在FPGA行業(yè)，FPGA供應商與縱向市場(chǎng)知識產(chǎn)權(IP)供應商之間的合作在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信等市場(chǎng)已經(jīng)非常常見(jiàn)。萊迪思攝像機解決方案就將這個(gè)概念擴展到攝相機市場(chǎng)。這種模式極大地有利于客戶(hù)，因為他們是兩全其美的：高度優(yōu)化的FPGA架構適合他們的市場(chǎng)，最好的IP適用于縱向市場(chǎng)。我們的觀(guān)點(diǎn)是，這就是持久的合作模式。”

圖：萊迪思半導體公司企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)副總裁及幕僚長(cháng)Douglas Hunter

　　另一方面，通用媒體處理器的廠(chǎng)商也試圖更好的將視頻前端集成到處理器中，宣稱(chēng)這樣既可以增加集成度，降低成本，同時(shí)對于提升系統性能也有可靠的保證。“在TI新的體系結構中，以增強型ISP為核心的前端模塊有專(zhuān)門(mén)的M3微處理器控制，而高達1GHz的Cortex A8主處理器在必要時(shí)則可以分擔前端視頻的處理能力。”TI公司通用DSP業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理鄭小龍表示。

圖：TI公司通用DSP業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理鄭小龍

　　智能視頻分析的發(fā)展障礙

　　盡管目前智能視頻分析已經(jīng)應用于特定行業(yè)，但其規模相對很小，技術(shù)、標準以及實(shí)用性等多方面的原因使其發(fā)展受限。不過(guò)網(wǎng)絡(luò )化給智能監控帶來(lái)積極的推動(dòng)，技術(shù)實(shí)現上更靈活，既可以在IP前端集成智能，也可以在平臺集成智能。芯片廠(chǎng)商們則積極的自行開(kāi)發(fā)或與第三方合作，將智能分析整合進(jìn)自己的產(chǎn)品中。

　　在攝像頭端，DSP設計復雜度高，成本高，ASIC由于之前采用處理器性能比較低，不能充分滿(mǎn)足智能的需要；如果把智能算法放到后端(云端)處理，后端運算壓力較大，且無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)和一些特殊應用的需求。海思采用高性能ARM cortex-A9內核的IP Cam SoC Hi3516則能充分滿(mǎn)足IP Camera高清、前端智能的需求，采用硬件編碼，使高性能A9處理器完全解放出來(lái)用于做智能算法，并且有許多專(zhuān)業(yè)的智能算法第三方設計公司能夠提供智能方案。

　　其實(shí)很多目前已大量采用的ASIC和SoC芯片都有智能分析應用，只是智能程度有高有低而已。“智能視頻分析算法進(jìn)展太慢的原因當然是難度越來(lái)越高，對處理器的要求也是越來(lái)越高。”董伯明認為，“將智能分析算法固化進(jìn)處理器的最大好處就是提高了速度。局限性當然是當有更新更好的智能分析算法時(shí)，不得不重新設計，制造一個(gè)新的處理器。”

　　“目前制約智能視頻應用推廣的主要原因在于以往的算法大多在高端PC上實(shí)現，而前端嵌入式處理的應用開(kāi)發(fā)不夠。”鄭小龍表示。

　　車(chē)牌識別、異常行為分析、人流車(chē)流分析、遺留物體分析等等需要采用高速處理器處理，于是IP攝像機平臺所集成的DSP核心的大有用武之地。“當然，將智能分析算法集成到SOC單片處理器有其局限性，即客戶(hù)只能直接應用而不容易根據實(shí)際應用改變和調整算法，”鄭小龍表示，“但是由于這樣集成的分析算法已經(jīng)比較成熟，而且都留有不少參數根據應用進(jìn)行設置，因此仍不失為智能視頻分析的入門(mén)級解決方案。對于專(zhuān)業(yè)智能視頻分析系統，則強大的DSP核心將是前端嵌入式處理的重要保證，為此TI專(zhuān)門(mén)提供了多達50多種的智能分析基礎函數庫（VLIB）供客戶(hù)下載。”

　　Hunter 則認為有兩方面的原因阻礙了視頻分析技術(shù)的發(fā)展，“首先，視頻分析算法需要高品質(zhì)的圖像，以更有效地展現其結果。圖像分辨率和動(dòng)態(tài)范圍必須足夠高，以確保視頻分析算法能精確地實(shí)施，不會(huì )產(chǎn)生誤測。以前(在攝相機中使用FPGA之前)行業(yè)無(wú)能力以合理的成本提供所需要的圖像質(zhì)量一直是視頻分析快速增長(cháng)的障礙之一。”

　　“另一個(gè)原因是，傳統上視頻分析算法已被設計為運行在個(gè)人電腦上，因此已用像C這樣的高級語(yǔ)言編寫(xiě)。為了利用增強的圖像質(zhì)量，視頻分析算法開(kāi)發(fā)者提供針對和優(yōu)化FPGA的算法前，會(huì )有一個(gè)有限的時(shí)間滯后和學(xué)習過(guò)程。”Hunter表示，“成熟的算法已經(jīng)包括人/對象跟蹤、人臉識別、車(chē)牌識別、周邊入侵檢測和物體跟蹤，僅舉幾例。萊迪思目前正與視頻分析算法開(kāi)發(fā)者合作，但在這個(gè)時(shí)候討論我們的計劃還為期過(guò)早。”

　　配合專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的第三方合作伙伴開(kāi)發(fā)IP核是實(shí)現智能視頻的快速路徑，方便為客戶(hù)提供交鑰匙解決方案。例如賽靈思與美國Eutecus公司合作提供基于Sparta-3A DSP的視頻分析解決方案。其中，高性能視頻分析IP—多核視頻分析引擎(MVE)具有高度優(yōu)化的架構，可顯著(zhù)提高性能，主要針對高精度的原始高清處理分析應用。

　　此外，鄭小龍認為視頻改良也是智能視頻分析的一項新技術(shù)，就是將以前不可視、模糊不清，或者是在振動(dòng)的畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化以增加視頻的可監控性能，可應用于夜視圖像增強處理、圖像畫(huà)面穩定系統和交通識別影像增強系統。

　　3D技術(shù)，視頻監控的奢侈品？

　　在采訪(fǎng)中，大多數受訪(fǎng)者對3D在視頻監控中的應用持保守態(tài)度。董伯明就明確表示在自己的客戶(hù)中“暫時(shí)未能在客戶(hù)中發(fā)現有此需求。”

　　“3D技術(shù)是沒(méi)有可能在短時(shí)間內運用到模擬監控市場(chǎng)中來(lái)，”馬大倫認為：“這是因為3D技術(shù)是依賴(lài)于昂貴的LCD 屏幕以及LCD顯示技術(shù)，這一技術(shù)代價(jià)高昂，而且與視頻解碼技術(shù)毫無(wú)關(guān)聯(lián)。”

　　“這是一個(gè)困難的需求預測。”Hunter認為，“視頻監控使用3D會(huì )獲得一些優(yōu)點(diǎn)，主要是深度/距離的計算。但是，到目前為止我們已經(jīng)從視頻市場(chǎng)體驗了針對距離計算的需求，而不是監控。因此，是否監控市場(chǎng)會(huì )考慮深度/距離計算，對重要的推動(dòng)者仍有待觀(guān)察。”

　　不過(guò)，張宇清則認為在高端視頻分析應用中需要3D，“2D視頻的主要缺陷在于測量觀(guān)測到的物體的深度影像和實(shí)際尺寸時(shí)有非常大的誤差。這將限制視頻分析的一些應用，比如在繁忙的景象中需要精確地追蹤人物。3D在視頻監控中的部署可以解決這樣的問(wèn)題，彌補2D視頻的不足。在視頻分析算法中，低端DSP無(wú)法實(shí)時(shí)處理3D視頻。而FPGA則是這類(lèi)應用中的理想解決方案。”

　　“如果是因為圖形顯示的需要，那么3D圖形加速器就非常重要。在TI新的單片系統體系架構中就集成有3D圖形加速協(xié)處理器，可以支持立體的圖形菜單顯示。”鄭小龍表示，“當然對于智能視頻的3D要求則是不同的需求，例如三維人臉識別就需要雙攝像頭處理。”

　　目前看起來(lái)雖然用戶(hù)需求還不那么明顯，但電子行業(yè)技術(shù)引領(lǐng)需求已成家常便飯，要實(shí)現3D視頻監控技術(shù)上應該是可行的，或許，就有用戶(hù)喜歡技術(shù)奢侈品。

電子工程專(zhuān)輯