智能家庭视频监控的技术挑战及解决之道(Altera)

家庭监控正逐步从报警能力有限的模拟技术过渡到压缩数字IP传送技术，其分析和监视能力几乎不受任何限制。家庭监控的需求多种多样，包括简单的安防以及儿童和保姆的全面监控等。考虑到多种视频输入的QOS(服务质量)要求，基于IP的家庭监控系统趋向于采用专门的互联网络，但最终会采用大众化的家庭网络技术。系统可以通过各种介质来联网，最常用的是以太网或者无线技术。通过动态IP分配与外界沟通，进行远程监控是最新一代监控系统必须具备的功能，在应用中非常重要。

 

基本家庭监控系统包括一组摄像头、监视器和中央存储单元(DVR)，DVR在存储之前对视频输入进行多路复用。具备嵌入式DVR的PC能够驱动基本分析功能，也可以完成监视和存储功能。基本家庭监控系统的分析和报警功能通常只限于简单的移动探测和时间/日期标记等。HMI(人机接口)受限于DVR设备，与PC联网后，控制和监视功能会大幅度提高。

 

图1. 采用FPGA的视频监控系统实例。

 

更高级的监控系统增加了音频监视(如婴儿哭泣、打碎玻璃等)、更多的视频输入、远程控制和监视互联网链接、CD刻录以及全面的报警和呼叫等功能。高端系统还包括服务器(流复用)，采用独立的附加存储单元来替代DVR。高端系统还能提供高级移动探测功能，包括智能区域和边界等。例如，在一个摄像头的观察范围内，人行道上有很多的人流不会引起报警，而家庭和人行道之间的区域出现大量人流则会触发移动报警。高级分析功能还包括某人闲逛甚至包裹(邮包坠落)探测等。系统能够识别出极少移动或者没有移动的物体。在非常高端的家庭系统中，摄像头就可以完成分析功能，进行实时探测和报警。

 

技术挑战及解决之道

 

家庭监控技术日前面临两大挑战：视频压缩和高级分析功能。它们都需要采用大量的数字信号处理以及复杂的算法来完成任务。

用户已开始习惯高清晰电视，他们通常希望看到质量更好的家庭监控视频。因此，家庭监控系统从QCIF视频流过渡到D1和标准清晰度(SD)，并已开始开发高清晰(HD)系统。在多摄像头系统中采用这些技术后，如果视频不经压缩，很快便会超出网络带宽能力。一个没有经过压缩的SD视频流能够达到270Mbps，大大超过了10/100M以太网以及大部分无线网络的带宽。因此必须采用压缩技术。目前实用的系统采用了MPEG-4和移动JPEG2000压缩标准。MPEG-4是最常用的，其压缩比要高于移动JPEG2000，但是移动质量要差一些。如果需要更好的视频完整性，则需要采用移动JPEG2000，但这会超出大部分家庭应用的需求。MPEG-4 part 10 (H.264)牺牲了部分压缩效率，其移动视频质量要优于标准MPEG-4，是视频监控最新的发展趋势。工业类监控系统已经开始采用H.264，它将很快成为家庭系统能够选用的技术。不管标准如何，视频压缩对DSP功能的需求很大。

 

在视频监控应用中选择合适的芯片技术非常重要。例如，H.264 ASSP可用于设计视频摄像机等大批量消费类应用，也能够用于视频监控。同样，它们也适用于视频流编码，但不能进行分析。FPGA是实现多数据流(DVR解码/编码)效率最好的技术。一片FPGA能够对使用H.264的1至16路标准清晰视频流进行编码。

 

 

图2. 家庭监控的特性和所采用的典型技术。

 

有的DSP芯片是针对工业视频监控应用的，对于家庭应用则过于昂贵，且用于分析的带宽有限，一般只能实现4路甚至更少的视频流。FPGA还可以用于摄像头编码和分析，非常适合多摄像头服务器和DVR编码/解码功能。此外，FPGA功能灵活，除了编码/解码之外，还能够完成各种规模的分析任务。最后，当产量上升时，FPGA还可以转换为HardCopy ASIC(Altera的结构化ASIC解决方案)，有效地降低了摄像头或者服务器/DVR的成本和功耗。

 

家庭监控的未来发展空间非常大。随着技术的进步，中端IP监控系统的基本处理能力大大超越了其它家庭系统。这种处理能力可以轻松地完成更多的任务，例如入室盗窃/火警系统、家电监视/控制等。最先采用的很可能是支持第三方监视服务的集成安防/监控系统和主人远程监视系统等。由于FPGA技术十分灵活，容易更新，非常适合这种发展迅速、变化很快的应用。此外，迅速转换为Altera的HardCopy结构化ASIC后，设备供应商能够很快地进行调整，提高产量，以满足消费类应用的需求。

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