浅谈安防数字化监控的网络监控

浅谈安防数字化监控的网络监控

一、媒体单片处理器soc平台经济的发展促使人们不断提高安全意识。传统的地方模拟监控方法逐渐不能满足特定行业的远程监控需求，而是通过网络远程传输图像来监控中央监控。网络监控的优势和广阔前景促使国内外安防厂商纷纷研发适合网络监控的产品,如以往的DVR,再到现在的网络摄像机、网络视频服务器等。但熟悉远程监控的人都知道,将图像摄取后进行远程传输其视频信号的质量和传输速度要取决于很多因素,除了复杂的布线工程、组网能力的强弱等以外,系统核心产品的性能和质量也不容小觑。因此,这些网络产品依托于技术的不断进步,可使传输带宽和存储要求达到更小化,以弥补因网络带宽不足而导致的缺陷。近年来,随着数字监控技术不断的发展,数字产品平台化的设计思想不断涌现,而媒体单片处理器(SoC)也将成为视频监控特别是网络监控的有力武器。随着全球数字多媒体技术的不断发展,数字视频开发平台也在相应提高。PHILIPS半导体携多媒体处理发展的深厚底蕴,为数字化多媒体的搭建提供了单片系统SoC平台,使数字多媒体方案更加美观、节能、稳定、高效。而由飞利浦公司一手打造的ViperII平台则已在数字高清电视、机顶盒、IPTV等领域发挥着媒体处理方面的优异性能。现在,ViperII的触角也已经延伸到了安防行业,并将以其强劲的“脉搏”掀起一场视频监控系统中的次世代革命。二、dvr产品的设计理念网络视频服务器和DVR具有明显不同的定位,DVR主要是本地存储、回放,远程网络监看只是其中的一个辅助性功能。而视频服务器主要功能是网络监看,而网络监看要解决的根本问题是解决视频图像占用大量带宽与网络带宽资源相对有限的矛盾。而网络监控在技术的不成熟体现在以下方面:1、视频质量与模拟相比还存在不同程度差距,高质量的视频流往往占用大量网络带宽,而广域网带宽目前并不便宜;2、无论是硬件还是软件,对于如何在复杂网络环境下保证效果并没有深入的研究和解决措施;3、硬件编码、传输、联动等没有形成标准,各厂家往往各行其是;4、高品质,低价格的硬件产品还没有出现。视频服务器要解决带宽问题,必须在视频服务器产品本身的设计和使用理念上来超越。要想在同等带宽下传输的数字视频图像更好,必须成倍的增强编码的复杂度。要想在同等带宽下携带更多的“信息”,必须采用智能的算法消除掉不感兴趣的信息。而这两者都是需要通过增加产品的成本才有可能来完成。之所以需要超越现有的产品使用理念在于:对于DVR产品,我们可以通过一次性增加硬盘来解决上述矛盾,而对基于视频服务器的分布式网络监控系统,增加网络接入带宽是长期的运营成本的投入,而不是一次性投入。因此,对于网络视频服务器产品,选购的时候应该考虑系统综合投资和运营性价比,而不是简单的比较视频服务器产品本身的价格高低。基于以上考虑,视频服务器产品的设计理念就是:使用最先进的编码算法和最大程度的引入智能化功能。目前代表最先进编码技术的算法依然是H.264,无论应用在帧间编码还是帧内编码。从帧内编码的效率来看,H.264由于采用了多种空间预测模式,编码效率优于使用WaveletTransform的JPEG2000。H.264算法的复杂度非常高,通过复杂的计算换取了编码效率的提高。因此,要很好的实现H.264算法必须依赖强有力的硬件支持。三、网络视频监控用视频编解码soc从基于MPEG4/H.264算法的视频压缩产品诞生开始,在技术上发生了两次变革。第一次变革发生在2004年,从一个DSP处理一路视音频迅速提升到了一个DSP处理四路视音频,到目前为止,基本上所有的视频编解码产品都完成了这次变革;第二次变革也已经开始,那就是将媒体单片处理器System-on-Chip(以下简称SoC)技术运用在视频编解码产品上,以简化硬件结构,提升系统处理能力,并大大增强其产品的可靠性。SoC是随着IC技术和消费类电子的应用发展而兴起的。SoC就是系统或子系统包括微处理器、DSP、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上。虽然SoC是在ASIC的基础上发展起来的电路,但与ASIC完全不同,具有其独特的优势:(1)SoC增加了功能并提高了性能:从单一功能转变为系统的多功能,实现了高速、高集成度和低功耗。(2)SoC降低了整机的成本:由过去用多块IC构成系统,现在变成单一SoC。使得故障率大大降低,随之维修成本也大为降低。(3)SoC降低了整机的体积:这是系统制造商进一步发展的方向,尤其对便携式的电脑、通讯及多媒体产品的生产厂家更具有吸引力。(4)SoC促进了整机系统更新换代的速度:它缩短了供需双方的差距,整机更受用户的欢迎,易于占领市场。目前实现H.264算法主要采用DSP或者ASIC实现。由于实现H.264视频编码的ASIC主要目标市场定位于手机视频,编码质量的要求无法满足网络视频监控应用的需求。因此,主流的解决方案依然是采用DSP芯片的解决方案。在视频监控领域音视频编解码产品的开发上,主流数字DVR厂商基本都采用了在专用DSP芯片上运行自己压缩/解压算法的方式以迎合客户灵活多变的需求。从硬件的框架布局上看,无论采用任何芯片厂家的DSP,其基础结构大同小异。以嵌入式DVR为例,硬件结构如图一所示:四、table也模块的数字视频监控系统随着数字视频监控全面替代模拟视频监控,人们对数字视频监控的性能也提出了更多更高的要求。同时随着音视频编解码技术的不断发展,就需要DSP在编解码方面有更高的性能。ViperII集成的内核能够提供强大的处理能力,为复杂的H.264编码运算提供了大量的指令。而DSP软件的更新与发展在灵活性上将比ASIC有更强的适应性,这也符合视频监控一直发展的趋势。目前,适合视频服务器产品的最有代表性的SOC芯片主要是:NXP的VipperII和TI的Davinch。限于篇幅,本文将只就前者展开讨论研究。ViperII是飞利浦电子集团推出NexperiaViperII作为典型的多媒体处理SoC,在多媒体产品的开发上一直有良好的表现。如图2所示,ViperII集成了三个处理器内核,一个基于MIPS32的内核PR4450,两个TM3260DSP内核,每个TM3260内核和大家所熟知的PNX1501的运算能力相当。除了集成上面所提到的RISC和DSP内核之外,还集成了大量用于视频处理的协处理器,包括MBS(MemoryBasedScaler)、QVCP(QualityVideoCompositionProcessor)、QTNR(QualityTemporalNoiseReduction)、VPK(VerticalPeaking)、2DE(2DDrawingEngine)、VLD(VariableLengthDecoder)、MSP(MPEGSystemProcessor)等。1)ViperII内部包含两个MBS协处理器,主要完成高质量的图像缩放,可以保证不同编码图像压缩格式下都能够获取最佳图像效果和清晰的图像预览效果,减轻主处理器的压力。2)QVCP模块除了具备图像格式转换之外,还支持硬件图层的叠加,可用于实现OSD(OnScreenDisplay)和字符菜单的叠加。QVCP单元还可以实现复杂的GUI(GraphicUserInterface)系统,设计出友好的图形用户界面,并结合二维图形加速引擎(2DE)实现快速的图形填充和变换。3)QVCP5L模块则可以用于支持最高达到1920*1080i*60分辨率输出,甚至可以满足数字高清的显示要求。4)QTNR模块用于噪音测量和动态降噪以及灰度直方图统计,并结合QVCP实现对图像的定标和渲染。同时ViperII集成了MIPS核的PR4450作为操作系统处理器,在视频服务器和嵌入式方面的优势是显而易见的。通过MIPS核进行图像界面的设计再通过QVCP的5层图形叠加,整个操作系统的界面将是相当华丽美观与人性化的。当前linux2.6中集合了该MIPS的底层交互控制。而采用Linux的网络功能将相当的健壮。在以往的嵌入式或者网络视频服务器都需要以DSP配加ARM或者MIPSCPU的模式才能设计方案,而ViperII提供集成的方案大大减少了布板空间,并加强了稳定性,减少了功耗,降低了成本。从以上几点来看,ViperII高度集成化和各个硬核之间的配合将会大大提高网络视频服务器的综合性能,从而保证整个视频监控系统的完整性和高效率。恒亿电子基于VipperII开发的视频服务器平台,结合Linux2.6内核,支持丰富的网络协议。由于SOC处理器包含一个MIPS32内核,可以处理事务性任务,两个DSP内核和多个协处理器内核,丰富的资源可以用于完成高复杂度的编码算法。在此平台基础上,演变出了三种不同的产品:单路D1,两路D1,4路CIF(其中一路可以完成D1编码)。在编码算法上可以依据使用的需要设定不同档次的H.264编码算法(普通H.264和增强H.264),广泛适用于不同的网络接入方式。由于平台资源有较大程度的冗余,恒亿电子目前也正在开发一些智能算法,而这些智能识别算法则可以通过软件升级的方式加入。总之,为了数字家庭娱乐设计的ViperII,在具备强大的视频编解码处理能力的同时,还具备强大的高清晰视频显示和处理能力,除了适合开发数字电视、机顶盒之外,也同样适合于开发嵌入式DVR/DVS产品。多核的架构,适合于完成数字视频的前处理、后处理、编码和智能视频分析处理,为优秀的视频服务器产品的开发提供了一个良好的基础。五、恒通电子的pnx6550对于国外一些知名芯片厂商而言,视频监控市场似乎远远比不上机顶盒这样的产品更具吸引力,所以,原本在微电子视频处理领域已经运用得炉火纯青的SoC技术到目前为止能够应用在安防监控这个领域可供选择芯片产品并不多,已经量产的就更少。地处武汉·中国光谷的武汉恒亿电子科技发展有限公司(以下简称恒亿电子)是一家湖北省高新技术企业。自2001年成立之初,就一直专注于数字视频监控核心产品的研发和生产,公司从成立到现在,已陆续推出了基于MPEG4/H.264算法(拥有完全自主知识产权)的多系列音视频压缩卡共20多种产品。就硬件平台而言,武汉恒亿电子科技发展有限公司在基于飞利浦PNX系列芯片的开发上积累了丰富的经验;就软件平台而言,武汉恒亿电子科技发展有限公司所有的软件代码全部具有核心知识产权,在视频编码和LINUX嵌入式操作系统应用软件上的开发也同样具有非常强大的优势。恒亿电子在综合考虑量产时间、芯片后续发展能力、芯片内核微代码质量以及外围配套芯片的多少等各种因素后,慎重选择了飞利浦半导体的VIPERⅡ平台产品PNX8550芯片。PNX8550原身是飞利浦半导体很早就成熟应用在消费类电子产品的一款芯片,最初市场定位为IP机顶盒,集成了双节目条件接收、双节目MPEG2TS流的去复用、双标清或单高清的视频解码,支持现在流行的CRT、液晶、等离子等各种类型显示设备,内置DVD-CSS、支持DVD播放,同时还支持VCD、SVCD、CD的播放。目前,恒亿电子是第一个将PNX8550应用在数字视频监控领域,并且最早推出成熟整机产品的厂家之一,之所以选择这款芯片,正是因为看到了VIPERⅡ集成的强大内核,包括一个250MHz的MIPS32和两个240MHz的PNX1500,如果将其应用在嵌入式DVR和DVS上将大大降低成本及提高产品的可靠性,如果应用在压缩卡上,将能进一步提高单卡路数和补充更多智能化功能。从飞利浦半导体的工程师第一次推荐这款芯片开始,恒亿电子就充分捕捉到了PNX8550将会给数字视频监控领域带来第二次技术变革并引爆其中所蕴藏的巨大商机。下图是将其应用在DVR上以后,DVR的硬件结构框图,可以和图一做一个对比。原来的控制CPU包括其外围电路、压缩DSP全部被集成于PNX8550之中,以此为基础,可以开发出更小体积、更长使用寿命、更廉价但是图像性能更高的DVR产品。在以PNX8550为基础开发的DVR中,如果去掉视频、音频输出等一些模块,以及完全不需要的一些控制器,便可立即简化为DVS设备,这样可以将各种产品线的软硬件平台统一,同时在同一平台上可以快速地推出多系列产品,而相对于使用单个DSP芯片的DVS解决方案而言,PNX8550方案由于具备主控CPU的Linux支持,有多个DSP处理核,以及强大的外围借口,因此具有更好的系统扩展灵活性和更高的系统处理能力。此外,恒亿电子在原有的嵌入式硬盘录像机中就采用了基于Linux的Montavista实时操作系统,积累了相当丰富的开发经验。而PNX8550中集成的MIPS内核正好也是使用的Montavista操作系统,因此,从原有的第二代嵌入式录像机转为使用SoC技术的第三代录像机,在软件上对恒亿电子而言是平滑移植的。这也是恒亿电子能快速推出成熟产品的一个重要原因。如果将PNX8550应用在压缩卡上,原来很多必须要借助PC机的处理能力才能实现的智能化功能,例如智能检索、人脸分析、车牌识别、运动轨迹跟踪等现在都可以利用PNX8550高性能的DSP加以实现。如果飞利浦半导体在下一阶段将PNX8550的中的内核提升到更高的主频,VIPERⅡ的潜力将会进一步得到挖掘和提升。六、视频监控和网络技术应用展望就目前视频监控系统的应用需求和市场现状来看,网络视频