浅谈视频监控系统中的视频处理技术

随着近3-4年来中国数字视频监控市场每年都以超过30%的比例增长和其他领域的增长，视频处理芯片市场也随之得到了增长，安防监控行业的需求逐渐明确，芯片厂家开始关注并主动去推广视频监控这个潜力巨大的市场。视频监控成为工业自动化、消费电子、电话机等领域之外芯片厂商一个新的利润角逐场。视频监控产业的发展吸引了越来越多的芯片厂商加入。监控行业必将成为视频处理芯片的重要应用领域。

2004年，美国SPI公司特别针对视频监控应用而成立，并于2006年开始在中国市场上推广。谈到SPI为何专门瞄准视频监控领域，迈吉伦(美国SPI中国总代理)科技股份有限公司项目经理黄石华认为，相对于机顶盒、电话机等领域，安防市场的应用趋于成熟，需求比较很明显。只要产品表现好，就一定能抢占到市场。目前美国SPI公司正借助中国代理商的力量，从一些中小型客户着手，悉心培养自己的客户。据NXP亚太区高级系统营销总监陈石明透露，目前在芯片市场，至少有25家厂商在竞争。可以预见，随着抢食者的增多，未来竞争将更加激烈。

继1999年，某芯片在中国推广并得到应用之后，2003年，TI推出通用数字媒体处理器，正式进军中国数字视频监控领域。2004年左右，某公司作为全球率先推出H.264soc监控专用芯片的半导体公司，在经历了三年多的调研和研发之后，进入到大家的视野之中。几乎在同一时间，台湾某公司(智原)开始整合ARMcore，兼容FA526CPU和MPEG4/MJPEGcodec及多项外围IP，造就为数字监控量身打造的视频编解码芯片SoC。

随着电信运营商加大对安防监控市场的持续投入，网络监控在2007年开始发酵，台湾升迈科技产品市场企划处部长赖荣兴则预测，未来DVS、IPcamera、NVR等网络监控设备的成长率将会倍增，从而将更加吸引芯片厂商加大对视频安防市场的投入。

双编码技术与距阵

回顾一下，数字硬盘录像机(DVR)的发展已经有很多年了，总的来说发展很快，各种新技术、新产品、新概念层出不穷，但录像清晰度、录像成本始终是监控系统中关注的二大重要因素。录像清晰度与图像质量、分辨率、码率、帧结构等视频编码参数有很大的关系，录像成本与压缩效率有很大关系，要取得高的图像质量，那么势必增加录像成本，反之，要降低录像成本，那么势必影响图像质量。具体应用中，如何做到兼顾这2个因素呢?为此，海康威视提出并实现了“动态调整编码参数”技术。

“动态调整编码参数”就是在不启停录像(不切换录像文件)的情况下，对编码参数进行调整，同时生效。在具体的应用中，对于静止或一般的监控场景，调整相应编码参数，使录像保持在很低的码率，而在图像发生变化，或产生报警时，可以调整相应编码参数，实现高质量的录像，可以动态修改的参数包括：分辨率、录像质量、码率控制、帧率控制以及帧结构。由于上述参数可以动态修改，因此可以保持图像的连续、无需频繁的切换文件，即满足了在关键时刻对高图像质量的要求，又节省了硬盘空间。

联网监控是在银行系统完成数字化改造以后的又一重要需求，特别是对于无人值守的离行式ATM机来说，联网监控是高效运维的重要手段，监控中心不仅可以实时了解DVR的在线状况，也可以实时查看有警情的现场图像，一定程度上改变了单纯通过录像复合，进行事后处理的现状。

对于金融行业来说，录像的清晰度要得到保证，这样的话视频数据较大，而网络资源是有限的，所以网络带宽成了传输视频数据的瓶颈。为解决这个问题，某公司提出并实现了双编码技术。

输出码流的图像质量、分辨率、帧率、码率等视频参数都可以独立设置。这样生成的两个码流就可以满足不同的应用需求，比如主码流用于录像，子码流用于网络传输。随着视频监控应用领域的拓展，编码技术的发展，多编码技术的实现将成为可能，这样多个码流可满足不同传输信道、不同应用的需求，如通过千兆网、VPN专网、ADSL、无线网络等传输信道，以及重要用户、一般用户等可以传输不同码率、不同图像质量的视频数据。

对于传统的CCTV监控中心来说，矩阵是一个很重要的设备，它主要完成视频切换、PTZ控制等功能，同时还可对切换规则进行编程设置，视频切换的路数取决于矩阵主机背板的切换能力，切换是通过电路来实现的。某公司针对数字监控提出并实现了数字矩阵，并在两个平台上实现。

对于单台的DVR来说，实际上就是一个基于数据总线的视频切换矩阵。对于PC式DVR，输入的视频路数是视音频压缩卡的路数，一路视频可切换输出到显卡，通过增加解码卡，也可以将多路视频切换到解码输出通道(输出路数的多少取决于解码卡的多少)。总共能够切换的路数主要取决于总线的带宽。另外，通过PC平台可以非常容易地设置切换规则、进行PTZ控制。对于嵌入式DVR，输入的视频路数就是DVR的视频输入路数，输出路数一般至少有一路，有的DVR输出两路、四路等，同样通过DVR可以设置切换规则、可以进行PTZ控制。

对于一个基于IP网络的监控系统来说，前端视频的输入、IP网络设备、后端的解码设备以及控制设备共同组成基于IP交换的数字矩阵。

视频输入的路数取决于控制端能访问的前端视频编码的路数，视频输出的路数取决于解码服务器的数量，以及各服务器解码输出通道的路数，同时也取决于IP网络的带宽。切换规则由控制台设置完成，控制台同时可以方便地进行PTZ控制。

数字矩阵相对于传统的模拟矩阵，在切换规则的设置，切换界面的友好性，以及切换画面的处理方面，具有较强的灵活性，同时，切换路数的扩展性方面也更加方便，成本更低。如对于切换画面的处理方面，无需画面分割器，在DSP平台上就可以实现画面分割线是，以窗口为单位进行视频输出。总之，数字矩阵更加具有发展潜力。

高清视频编解码

经过近10年的发展，芯片的编码能力有了很大的提升。之前要实现1080i的图像质量需要用10颗芯片编码，现在只要两、三颗就可以了。结合市场需求来看，追求更好的图像品质是用户非常合理且永恒的要求。而随着智能化监控时代的来临，为了满足监控系统对视频图像的分析处理要求，如车牌识别、人脸识别等，则对图像质量提出了更高的要求，例如高清格式。这对芯片的编解码能力提出了更大的挑战。

“对于我们前端芯片厂商来说，最首要的是要提高视频图像的清晰度，原来我们的产品分辨率只能做到400线左右，TW2864通过采用10位ADC和增强型4H自适应梳状滤波器，使图像清晰度高达450线以上，且能获得更佳的图像质量、丰富色彩品质已经图像敏锐度。”TECHWELL程黎明介绍说。

另外一方面，压缩算法的不断升级也改变着图像的画质。随着市场上主流的压缩格式向H.264，甚至更为高级的算法格式发展，不断地提高压缩比、并进行算法优化成为芯片厂商的追求。“就运算量而言，MPEG-4比JPEG复杂4倍，H.264又较MPEG4复杂3倍以上，除了decoder的兼容性和encoder的压缩质量的基本要求，高速的系统架构、内存频宽、高效率的DMA控制器，甚至多核的平行处理都是SoC效能是否优秀的关键。”

从当前市场上主流的芯片厂商所推出的产品来看，大多有支持高清格式的产品，例如，ADI的ADV202、212产品可以支持高清格式。TI的DM355即可支持720p下的MPEG4实时编码，码率为4Mbp至8Mbps，可以作为高清网络摄像机或高清视频服务器的核心处理器。据了解，TI可支持720p下的H.264实时编码芯片也即将推出。高清编码芯片的诞生，将可以使视频监控产品在更低的码流下获得更高的图像画质。

近几年来，中国的安防监控市场发展迅猛，受到了世界的瞩目。DVR产品作为国内监控行业的主流产品已经引领风骚5、6年了。在数字监控技术引导下，国内监控市场出现暴发性的增长，单就DVR而言每年增长幅度超过40%，随着市场往纵深化方向发展，数字监控产品的网络化、智能化，平台化趋势也日益明显。