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标题: 利用多媒体处理器构建基于IP网络的智能安全监控系统 [打印本页]
作者: admin    时间: 2014-10-13 09:08
标题: 利用多媒体处理器构建基于IP网络的智能安全监控系统
在安全意识日益增强的今天，像银行、办公室、商店、居民公寓以及公众场合对高质量的视频监控设备的需求正在不断增长。为了满足出这些需求，数字视频录像机(DVR)、IP网络和IP摄像机提供了比传统的模拟摄像机/VCR录像系统高得多的灵活性、可升级性和图像质量。基于IP系统的数字化的固有特征，也能够把更多的智能嵌入到从能够实现最大带宽的先进音视频编解码芯片到具有运动检测/跟踪和面部识别的先进图像分析功能的各类系统芯片中。
从VCR到DVR
        在过去十年中，安全监控系统经历了巨大的改变。尽管目前仍有不少的将复合视频信号用同轴电缆传送到中央控制/监控台的模拟摄像机，但目前控制台系统中的一系列传统的VCR设备已经被基于PC的DVR所取代。这些DVR将送进来的视频信号转换成数字信号，然后将它们压缩到某些数字格式(通常是运动JPEG或MPEG-4)，并将它们存入硬盘。对于安全技术来讲，这就不再需要不停地更换录像带，或者为了定位某个时间段而不得不翻阅数小时的录像资料。
        用数字形式来存储图像还可以实现基于VCR的系统无法实现的功能。经过私有IP网络或互联网可以访问存储在基于PC系统的硬盘上的数字视频，这就可以实现远程监控。图像分析和处理软件还可以实现额外的功能，例如运动探测、跟踪和图像合成，这样，工作人员可以立即获得一些非正常活动的告警，并对之进行监控。目前，为中小规模商场、楼宇或家庭提供低成本监护方案的基于周边DVR的系统，也开始具备上述的某些先进功能。
        传统上，无论是基于PC还是基于DVR的监控系统，都需要对多路视频流进行数字化处理并实时压缩成为运动JPEG或MPEG-4格式后再送入硬盘。这要依赖高速ADC和强大的DSP来实现，还要在基于PC的系统中或者单独的DVR中植入PCI总线卡。DSP中所需的处理能力取决于进来的视频信号的分辨率和所需的压缩比。过去，许多监控摄像机基于像素分辨率为352×240(NTSC)或352×288(PAL)的准普通媒体格式(CIF)图像传感器，而控制台设备仅将其压缩到运动JPEG格式，这种格式中，每个视频帧或交织场被分别压缩到JPEG图像。
        然而，由于发展趋势要求更高的图像质量和帧率，先进的基于PC和基于DVR的控制台需要处理来自于525线/60Hz或625线/50Hz的TV质量的全D1格式的视频。包含由YCbCr 4:2:2编码的未经压缩的分量视频以及PCM语音轨迹和时间码信息的D1格式，在被送入硬盘之前通常被压缩成复杂的MPEG-4格式。特别注意的是，MPEG-4编码需要非常强大的DSP能力。
        NXP半导体最近推出的基于32位TriMedia的PNX1500和带有媒体处理器的PNX1700正是为流媒体应用专门设计的。特别适合于监控应用的这些处理器的片上特有功能包括图形量化和解交织、用于单屏显示/图形交叠的二维图形加速，多路视频输入以及以太网10/100MAC。
        不过，它们在监控应用中最重要的还是将多路CIF和D1视频流实时编入MPEG-4和H.264码流中的能力，以及以相对较低的时钟(400~500MHz)确保冷运行和能量效率的方式来实现上述工作的能力。除了NXP媒体处理器的初始处理能力外，完成多通道的实时编码还很大程度上依赖于TriMedia核上运行的编码算法的质量。
        为了达到这些算法所需的性能，NXP与上海Suntimes电子技术有限公司合作。采用该公司最新的MPEG-4编码算法，一片单独的500MHz的PNX1700能够将两个D1视频通道或者8个CIF通道的视频实时编入MPEG-4码流中。这一在单芯片中编码多路通道的能力，大大地降低了成本、功耗以及监控设备中的印刷电路板面积。Suntimes公司的视频编码算法，符合ISO/IEC14496-2简化版标准，并支持从16×16到720×576像素高宽比的视频压缩、可变比特率(VBR)和可变压缩比(VCR)以及从100kbps~2Mbps的连续可变传输率。此外，还报告用于MPEG-4和H.264编码的存储器缓冲地址，这就使得系统主控软件可以审查缓冲器，来设置运动监测功能的检测区域和灵敏度。
        为了支持客户定制应用的研发，NXP提供了一系列包括媒体处理器的PCI总线卡，还有可供用C/C++进行软件开发的大型软件库。图1和图2给出了用于多通道视频编码的处理器典型架构。

图1：8通道CIF DVR配置示意图。



图2：4通道D1 DVR配置示意图。

从模拟到IP摄像机
        尽管控制台已经全部数字化，但从摄像机到控制台的视频信号传输网络的拓扑结构并没有改变。每个模拟摄像机仍然需要用专用的同轴电缆把信号送到控制台，或者送到时分复用器。为了保证图像质量还要求电缆尽可能地短。模拟摄像机这些缺点，以及基于以太LAN的数字网络的日益普遍，加速了IP摄像机的使用。
        和模拟摄像机的模拟复合视频不一样，IP摄像机在内部就将来自图像传感器的信号进行数字化，并压缩至MPEG-4格式，然后利用以太LAN这类的IP网络传输相应的码流。因为码流是按数据包的形式分发的，多台摄像机可以同时共享同一网络电缆。同一网络电缆上的摄像机的数量只受带宽的限制，这就是绝大多数的摄像机都采用MPEG-4这类的高压缩比的缘由，而将来还会采用压缩比更高的H.264。事实上，任何网络架构都可以采用，包括内嵌集线器和路由器的环形和星形网络。甚至摄像机还可以和其它数据业务共享网络。
        由于IP摄像机采用MPEG压缩，需要采用低功耗且处理能力强的DSP，例如NXP公司300MHz的带有媒体处理器的PNX1502。基于TriMedia的PNX1502执行MPEG-4先进简单格式(ASP)，以高达30帧/秒的速率对来自D1格式图像传感器的码流进行编码，然后以以太流媒体联盟(ISMA)格式经片上的以太MAC输出，执行视频压缩、运动检测和时间/数据印记，并运行一个HTTP软件栈来设置摄像机以及管理功能。
        由于每台IP摄像机有其自己的IP地址，IP摄像机的最大优点是能够通过本地网络、互联网或专用的WAN来远程访问某台摄像机。对于中国各大城市普遍存在的大型公寓的视频对讲系统来说，这一能够很容易地在某台摄像机与多个接入点之间传输视频流的能力也是最为有用的。
        除了视频流之外，IP摄像机还可以输出状态数据和事件相关数据--例如，当检测到运动时自动触发报警。为了减少或者根本不用电缆，在IP摄像机中加入像IEEE802.11 Wi-Fi接口这样的无线功能也是容易的事情。有关研发IP摄像机解决方案的完全参考设计，用户可以从NXP的合作伙伴——Alarity公司获得，该方案如图3所示。


图3：为工程师提供全面的硬件和软件平台的IP摄像机解决方案的完全参考设计。

        Nexperia IP摄像机参考设计为制造商研发自己的纯IP摄像机安全设计提供一个完整的设计框架。基于NXP PNX1502多媒体处理器，该参考设计允许制造商快速为市场提供优异的、可配置的IP摄像机方案，而且还可以通过一系列客户选择来实现差异化。这些参考设计利用Alarity的成熟的编解码和软件架构，基于该设计的IP摄像机可以将30帧/秒的全D1视频通道码流编入符合ISMA MPEG-4码流中并利用包括RTP/RTSP/RTCP的各种业界标准协议进行输出。Alarity公司还提供一个能够通过网络浏览器接口来容易地实现配置和管理的全HTTP服务器应用模块。集成UpnP并符合DLNA的软件能够确保IP摄像机和其它网络设备之间的最大互操作性。
        另外一家公司--深圳Banny数字技术有限公司，成功地综合利用了IP网络和压缩技术的优点，为中国的家庭和公寓楼提供了真正的安全方案。该公司的数字智能家庭网关系统利用公寓楼群的有线或无线IP网络、按标准的TCP/IP格式来传输IP摄像机图像、数据和流媒体。对所有这些内容可以进行监控和分析，或者保存下来供后续调用(图4)。


图4：深圳Bonny 数字技术有限公司的数字家庭网关系统示意图。

        作为楼宇综合设备的一部分，该系统允许集成商实现一系列的数字社区功能，例如可视对讲、智能家庭控制和个人监控，以及门禁和停车管理。门禁管理产品允许住户通过基于IP的网络与外部的、门口安装的IP摄像机和每个家庭的客户端机顶盒以视频方式来识别来访者。来自IP摄像机的来访者的实时流媒体视频录像被立即传送到住户的家中，使得他们在决定是否允许进入之前可以看清站在门口的来访者。
未来的发展趋势
        随着媒体处理器继续获得更强大的功能，从中央控制台到IP摄像机的各种设备中将增加更多的智能化功能。智能IP摄像机最终将能够完成更先进的图像处理工作，例如运动跟踪、图像增强、3维图像模型甚至是面部和生物识别。同时，日益增强的DSP处理能力将允许MPEG-4到H.264编码格式的演进，H.264是众所周知的MPEG-4 Part 10或先进视频编码(AVC)。作为国际电信联盟(ITU)、视频编码专家小组(VCEG)和ISO/IEC运动图像专家组(MPEG)的合作成果，H.264能够提供与MPEG-2相同的编码质量，而所用的数据率却只有一半。此外，H.264整合了专为高效传输包头数据而设计的网络提取层，从而增强了错误恢复能力。就像编码格式将从MPEG-4演进到H.264一样，处理器日益增加的处理能力也将允许分辨率编码格式从CIF格式演进到D1，并允许实现记录数据的缩放功能，而这在今天的系统中则是无法实现的。
        随着安全技术的继续发展，这些先进的系统甚至能够将保密技术和数字版权管理(DRM)技术结合到一起，从而使得监控系统本身更加安全。标准的网络业务将会受到黑客的攻击，而IP摄像机的图像和视频也一样难逃攻击。如何向客户证明该业务的超安全性将是该领域向全数字化迈进的关键。
        多媒体处理器性能日益增强，而半导体芯片的价格却又迅速降低，这将意味着安全系统将从商业和专用的场合步入家庭和个人用户。随着包括以太网和Wi-Fi的家庭网络的普及，为用户在PC上安装IP摄像机或者通过互联网进行远程访问提供了可能。


图5：NXP与Vivotek公司合作开发的IP3137 IP摄像机外观图。

图5所给出的例子，就是与Vivotek合作开发的IP3137摄像机，它采用了MPEG-4压缩和802.11g。该摄像机在用于家庭时，具有很高的性价比。
作者：Chris Day
总经理
Stephen Tomasello
行销经理
多媒体处理部
NXP半导体



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