視頻監(jiān)控技術(shù)簡介與發(fā)展趨勢
盧秋波 2007/05/15
視頻監(jiān)控作為一種傳統(tǒng)視頻技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用，目前在國內(nèi)外已引起了越來越多的關(guān)注。本文對視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)作了簡單的介紹與回顧，指出當前視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在需求上的轉(zhuǎn)變，以及與視頻監(jiān)控相關(guān)的一些技術(shù)的進展情況，然后指出當前視頻監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的主要問題，以及為了解決這些問題所帶來的未來技術(shù)發(fā)展趨勢。
引言
視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)具有悠久的歷史，在傳統(tǒng)上廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域，是協(xié)助公共安全部門打擊犯罪、維持社會安定的重要手段。近年來，隨著寬帶的普及，計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控正越來越廣泛地滲透到教育、政府、娛樂、醫(yī)療、酒店、運動等其他各種領(lǐng)域。
業(yè)務(wù)簡介
視頻監(jiān)控的基本業(yè)務(wù)功能是提供實時監(jiān)視的手段，并對被監(jiān)視的畫面進行錄像存儲，以便事后回放。在此基礎(chǔ)上，高級的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對監(jiān)控裝置進行遠程控制，并能接收報警信號，進行報警觸發(fā)與聯(lián)動。業(yè)務(wù)功能如圖1所示。
圖1 視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)功能示意圖
最早的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是全模擬的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也稱閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（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(yīng)用于小范圍內(nèi)的監(jiān)控，監(jiān)控圖像一般只能在控制中心查看。全模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)以模擬視頻矩陣和磁帶式錄像設(shè)備VCR為核心。
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)從20世紀90年代中期開始出現(xiàn)，以數(shù)字控制的視頻矩陣替代原來的模擬視頻矩陣，以數(shù)字硬盤錄像機DVR替代原來的長延時模擬錄像機，將原來的磁帶存儲模式轉(zhuǎn)變成數(shù)字存儲錄像，實現(xiàn)了將模擬視頻轉(zhuǎn)為數(shù)字錄像。DVR集合了錄像機、畫面分割器等功能，跨出數(shù)字監(jiān)控的第一步。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了全數(shù)字的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以基于PC機或嵌入式設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，并進行多媒體管理。這類系統(tǒng)是目前視頻監(jiān)控市場的主流。
隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及，視頻監(jiān)控逐漸從本地監(jiān)控向遠程監(jiān)控發(fā)展，出現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器解決了視頻流在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸問題，從圖像采集開始進行數(shù)字化處理、傳輸，這樣使得傳輸線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?shù)目赡�。整個系統(tǒng)趨向平臺化、智能化。很多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已開始涉足此類視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，目前尚屬市場起步階段。
圖2給出了一種目前比較常用的網(wǎng)絡(luò)遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。
圖2 目前比較常用的網(wǎng)絡(luò)遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
圖中管理中心和監(jiān)控前端、監(jiān)控中心是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分，無線網(wǎng)絡(luò)部分則是視頻監(jiān)控和其他系統(tǒng)互通的一個示例。當然視頻監(jiān)控系統(tǒng)和其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)共同使用時，也可能會融為一體。
各組成部分的說明如下：
�。�1）監(jiān)控前端：用于采集被監(jiān)控點的監(jiān)控信息，并可以配備報警設(shè)備。監(jiān)控前端可分為兩類：
- 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(shù)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)議通過網(wǎng)絡(luò)傳至其他設(shè)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(shè)備，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧�？梢灾苯舆B接到網(wǎng)絡(luò)。
�。�2）管理中心：承擔(dān)所有前端設(shè)備的管理、控制、報警處理、錄像、錄像回放、用戶管理等工作。各部分功能分別由專門的服務(wù)器各司其職。
�。�3）監(jiān)控中心：用于集中對所轄區(qū)域進行監(jiān)控，包括電視墻、監(jiān)控客戶終端群組成。系統(tǒng)中可以有一個或多個監(jiān)控中心。
�。�4）PC客戶端：在監(jiān)控中心之外，也可以由PC機接到網(wǎng)絡(luò)上進行遠程監(jiān)控。
�。�5）無線網(wǎng)橋：無線網(wǎng)橋用于接入無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并訪問互聯(lián)網(wǎng)。通過無線網(wǎng)橋，可以將IP網(wǎng)上的監(jiān)控信息傳至無線終端，也可以將無線終端的控制指令傳給IP網(wǎng)上的視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)。目前常用的無線網(wǎng)絡(luò)為CDMA網(wǎng)絡(luò)。
業(yè)務(wù)需求的轉(zhuǎn)變
當前，對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，用戶對其功能的需求已經(jīng)體現(xiàn)出多元化與系統(tǒng)化。主要表現(xiàn)在以下幾個方面的要求：
- 遠程訪問。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控一般是在小范圍內(nèi)進行，而目前用戶普遍要求訪問地點不受地域限制，能隨時隨地訪問被監(jiān)控地點。
- 多人同時訪問同一個監(jiān)控點。傳統(tǒng)上，一個監(jiān)控點一般是被一個監(jiān)控中心（用戶）所訪問。而目前，同一個監(jiān)控點很可能會同時被多個用戶所訪問，并且這些用戶之間可能毫無關(guān)系。用戶訪問的復(fù)雜化將要求系統(tǒng)強化對訪問權(quán)限的管理。
- 監(jiān)控點趨向分散，同時監(jiān)控趨向集中。屬于同一用戶的監(jiān)控點越來越分散，不受地域所限。而對這些分散的監(jiān)控點，需要集中的管理與控制。
- 要求監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性和擴展性。同一系統(tǒng)應(yīng)當支持多種不同類型的監(jiān)控設(shè)備，用戶數(shù)、被監(jiān)控點的數(shù)量可以方便地增減。
- 海量數(shù)據(jù)存儲。網(wǎng)絡(luò)化使得傳統(tǒng)的本地錄像功能可以轉(zhuǎn)移到遠程服務(wù)器上來實現(xiàn)，使得海量數(shù)據(jù)存儲成為可能。同時，也要求系統(tǒng)具備更強的存儲、檢索和備份等功能。
- 信息安全。系統(tǒng)復(fù)雜化，用戶的多元化，加上視頻監(jiān)控本身的業(yè)務(wù)特點必然要求對系統(tǒng)對信息安全提供有力的保證。
- 智能視頻監(jiān)控。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將不僅僅局限于被動地提供視頻畫面，更要求系統(tǒng)本身有足夠的智能，能夠識別不同的物體，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控畫面中的異常情況，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(xiàn)象，成為應(yīng)對襲擊和處理突發(fā)事件的有力輔助工具。智能視頻監(jiān)控還可以應(yīng)用在交通管理、客戶行為分析、客戶服務(wù)等多種非安全相關(guān)的場景，以提高用戶的投資回報。
相關(guān)技術(shù)進展
1、CMOS圖像傳感器技術(shù)的成熟
監(jiān)控攝像機的圖像傳感器正逐漸從傳統(tǒng)的CCD向CMOS轉(zhuǎn)變。這兩種傳感器各有長短，但一直以來，CMOS傳感器的缺點漸漸減少。CMOS圖像傳感器低成本、高集成度為其主要特點，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。從整個系統(tǒng)來看，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，比如運動檢測、人臉識別、目標跟蹤等。
運動檢測是指在指定區(qū)域能識別圖像的變化，檢測運動物體的存在并避免由光線變化帶來的干擾。由于背景圖像的動態(tài)變化，如天氣、光照、影子及混亂干擾等的影響，使得運動檢測成為一項相當困難的工作。早期的運動檢測是對編碼后產(chǎn)生的I幀進行比較分析，通過視頻幀的比較來檢測圖像變化。目前常用的方法有背景減除（Background
Subtraction）、時間差分（Temporal Difference）、光流（OpticalFlow）、運動向量檢測法等。
3、芯片技術(shù)為視頻監(jiān)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(jiān)控市場，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(shù)字信號處理器（DSP）芯片的高端產(chǎn)品，針對不同的市場，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)器才具備同時對多視頻流進行智能管理的能力。
4、視頻壓縮格式越來越先進
以前的數(shù)字視頻監(jiān)控的圖像格式主要以MJPEG與MPEG2為主。隨著圖像壓縮技術(shù)的提高，出現(xiàn)了越來越先進的視頻壓縮格式，如MPEG-4，H.264，國內(nèi)正在大力發(fā)展具有自主產(chǎn)權(quán)的AVS編碼格式。視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展為視頻監(jiān)控在圖像傳輸、錄像存儲等方面帶來極大的好處。
面臨的主要問題與技術(shù)發(fā)展趨勢
目前，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)尚處于起步探索階段，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化是視頻監(jiān)控的必然趨勢。面對這個大趨勢，目前的視頻監(jiān)控在一些關(guān)鍵技術(shù)方面，存在著不少不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1、媒體分發(fā)
目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在視頻媒體的分發(fā)方面普遍處理得比較簡單，一般采用用戶直接對網(wǎng)絡(luò)攝像機進行訪問，或通過視頻服務(wù)器進行簡單的媒體轉(zhuǎn)發(fā)處理，而面對越來越龐大的用戶群，這種媒體傳送方式將會成為圖像傳輸?shù)钠款i。是否具備高效的媒體分發(fā)機制將成為判斷視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)劣的一項重要指標。
實際上，媒體分發(fā)是任何一個視頻業(yè)務(wù)在發(fā)展到一定規(guī)模后必將面臨的問題，視頻監(jiān)控可以與其他視頻業(yè)務(wù)——比如IPTV——來共同研究視頻分發(fā)的問題。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會基于一個比較完善的媒體分發(fā)平臺來傳輸實時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(jiān)控系統(tǒng)基本上采用中心錄像服務(wù)器來存儲錄像。中央錄像服務(wù)器管理方便，安全可靠，但因為錄像隨時進行，數(shù)據(jù)流量大，對承載網(wǎng)帶來很大壓力。如果將錄像存儲邊緣化，雖然可以減少視頻流的數(shù)量，緩減承載網(wǎng)壓力，但分散的錄像數(shù)據(jù)將給錄像的管理帶來很大的麻煩，錄像數(shù)據(jù)的安全性也將大大降低。由此可見，未來大量的存儲需求發(fā)生的位置不可能由中心統(tǒng)一存儲來承擔(dān)，而大量的分布式、差異性存儲卻沒有可用的技術(shù)方案。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)要在錄像存儲方面進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能滿足實際的錄像要求。
3、并發(fā)調(diào)度
目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的用戶在一個視頻監(jiān)控點上一般不存在并發(fā)需求，即便批量用戶可能對同一視頻監(jiān)控點的信息有同時調(diào)用要求，這種調(diào)用也沒有差異。在未來，系統(tǒng)服務(wù)的使用者來源多樣化并且不可控，其使用目的存在同樣的情況，監(jiān)控系統(tǒng)對于同一監(jiān)控點存在著并發(fā)的沖突調(diào)用問題，因此必須考慮優(yōu)先權(quán)限和分配機制。
4、計費
目前的視頻監(jiān)控計費模式非常單一，通常以租用為主，或者只需考慮用戶接入后使用的單一視頻監(jiān)控點的上傳信息的時長或流量即可，其業(yè)務(wù)計費點和計費尺度無需太復(fù)雜，一般考慮簡單的RADIUS協(xié)議即可。未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)考慮的計費問題包括單用戶對單資源的使用、單用戶對多資源的使用、多用戶對多資源的使用，這是單計費點和計費尺度、僅僅依靠目前的簡明扼要單的計費協(xié)議所無法支持的。未來的系統(tǒng)應(yīng)支持可靈活改變、可批量同時實施的多業(yè)務(wù)策略，支持上述各種業(yè)務(wù)策略的實時計費功能。
5、分級
目前的一些遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以支持分級，但這種分級僅僅涉及內(nèi)容分發(fā)的分級，對網(wǎng)絡(luò)中其它子功能系統(tǒng)還是作為一級來考慮。
未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要考慮的分級決不僅僅是內(nèi)容分配上的分級，因為全網(wǎng)中不同地區(qū)的服務(wù)提供商對于用戶控制、業(yè)務(wù)管理、內(nèi)容分配、運營支撐這四個層次分級要求是存在差異的，這一點上用戶控制和業(yè)務(wù)管理上分級的需求更接近會議電視系統(tǒng)而不是簡單的點到點會話系統(tǒng)，需要全部重新設(shè)計。
6、業(yè)務(wù)融合
目前的遠程監(jiān)控不考慮和其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的互相調(diào)用。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將和多個其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)交叉調(diào)用，不同系統(tǒng)之間的多層互通和資源共享是必須考慮的問題。
結(jié)束語
從以前的模擬監(jiān)控到現(xiàn)在的數(shù)字監(jiān)控；從落后的現(xiàn)場監(jiān)控到先進的遠程監(jiān)控；從有人值守監(jiān)控到現(xiàn)在的無人值守監(jiān)控，視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化方向蓬勃發(fā)展。當然，目前仍存在著不少需要進一步探討的問題。相對于其他通信業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)顯得比較年輕，視頻監(jiān)控市場目前也尚未出現(xiàn)能夠控制整個市場的領(lǐng)導(dǎo)者。對于各通信設(shè)備廠商以及電信運營商而言，視頻監(jiān)控將會是很好的發(fā)展機會。
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