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浅析安防芯片技术的应用和发展

原来来自:惠州天志电子 文章作者:惠州监控 发表时间:2013-01-19

文/魏一  金鹏电子信息机器有限公司  广州金微软件技术有限公司
    摘要:安防视频监控市场的高速发展为安防芯片的发展注入了强大的动力。从技术发展趋势看,安防监控网络化的发展趋势将不可逆转,而视频处理智能化也将成为安防视频监控的下一个重要发展方向。随着安防视频监控向网络化、智能化、高清化方向发展的进一步延伸,对安防芯片也提出了更多和更高的要求。本文将针对安防网络化、智能化、高清化的特点,简要分析当前安防芯片技术发展与应用情况。
   关键词:网络视频监控  视频处理  安防芯片  DSP ASIC SOC  智能视频分析

  • 视频处理与安防芯片技术
    随着安防视频监控技术向网络化、平台化、集成化不断加快的发展趋势,安防监控系统管理的范围越来越大,管理的设备和用户数量也愈来愈多,应用也愈加多样化。这一趋势使得视频分析和处理技术受到人们的广泛关注:如何利用安防芯片技术来提升视频分析和处理的能力,使其能够满足用户不断增长的应用需求,成为当前安防界最为重视的问题之一。
    视频压缩是视频处理的第一步,它最早是采用PC机中的压缩软件对图像数据进行压缩处理。通过这种方式,PC机的数字硬盘完全取代了模拟监控中的模拟磁带录像机。但软件压缩存在“消耗大量CPU资源”“扩展性差”、“完全依赖PC处理器和总线带宽性能”等缺点。
    要想弥补软件压缩方式的缺陷,关键是要解决如何解放PC处理器的问题。由于压缩程序占用了大量的PC处理器资源,所以首先要解决的是压缩方法的问题。就是要把视音频压缩的任务完全交给视频采集卡来处理,然后经过PC外部总线送到PC机,PC机只要处理存储和网络传输等其他问题就可以了,压缩过程不需要PC处理器来干预,同时由于经过压缩的码流变小,外部总线的带宽也不再成为瓶颈。这样一台PC机就可以处理大路数的视频信号,同时视频采集卡就是视音频压缩卡,这种压缩方式被称为硬件压缩。
    在卡上完成压缩,必须要使用硬件芯片来实现,而视频编码芯片主要有两种系列:
    1.  ASIC(专用处理芯片)
    该芯片已包含了某些特殊算法,但核心算法属于芯片厂商,在应用中对具体需求的定制受到很多局限。
    2.  DSP(数字信号处理,通用视频处理芯片)
    基于DSP的压缩算法由板卡厂家自己来开发,灵活性大大增强。其优势主要有:
      (1)在通用DSP上开发拥有自主知识产权的视频压缩软件,不受压缩芯片约束,不受标准限制,可以采用视频编码的最新成果,并根据监控市场应用的需求,不断增添新的功能,支持多种个性化开发,可以满足市场不断提出的新要求,能在第一时间提升产品性能,增强产品的竞争能力。
    (2) DSP处理能力强,可以在一个DSP上同时实现多路视音频信号的压缩处理,同时为了满足不同应用的需要,还可以提供很多视频专用功能,比如视频滤波、De-interlace处理、高分辨显示输出、OSD功能等,甚至如网络接口、IDE接口都成为了视频DSP的主要功能,这样使得进一步大幅度降低产品成本成为可能。
    (3)DSP处理器具备内核处理能力强和专门针对图像处理的指令集,易于大量数据传输的低功耗硬件架构、高集成度、丰富的软件模块库、功能强大的开发工具等特点,能支持更多智能图像识别和实时视频分析等应用,如车牌识别、人脸识别、行为分析等。
    (4)开发周期短,可实现技术快速更新和产品换代。
(5)芯片功耗低,对提高产品的稳定性提供了可靠保障。
鉴于DSP的优势,目前数字监控中安防芯片的压缩技术主要采用DSP技术,DSP在中国安防市场占据了主流位置。而随着压缩算法技术的快速发展,视频监控图像的质量也越来越高,以前安防监控中常用的CIF和D1等术语也逐渐被720P和1080P这些高清术语所取代。为了满足安防市场对高清图像的需求,安防芯片厂商最首要的工作是要提高视频图像的清晰度,不断地提高压缩比及算法优化。于是SOC(System -on-Chlp)开始出现,它是将片上资源、处理器资源、内存资源、外侧接口、编解码算法等都集成在单个平台上,其中大部分功能固化在芯片上。而对于一些特别功能的需求,则采用提供源代码方式给用户,用户再根据不同的应用需求进行二次开发;除此之外,SOC还可以增加视频协处理器以及其它视频子系统,实现如预览、缩放、光学处理、图文叠加等功能,从而进一步增强视频处理能力,使得SOC方案成为当前最主流的安防芯片解决方案,能够有效满足当今安防监控市场对复杂视频处理能力的需求。
  • 安防芯片技术的发展趋势
    安防芯片技术的发展趋势与安防视频监控产业的发展趋势是一致的,而整个安防视频监控产业的发展过程,可以划分为三个时代。
    第一代是模拟视频监控时代,核心技术是光学成像技术。此时,安防芯片技术还是默默无闻。
    第二代是半数字视频监控时代,这个时代的特点是实现了视频存储数字化,DVR取代了磁带机,并获得了极大的市场成功,但DVR本身并不属于安防监控的核心技术,DVR所采用视频编解码算法、硬件芯片技术才是其核心所在。此时安防硬件芯片技术开始展露头脚,如果说第一代的光学成像技术相当于视频监控的眼睛,那么第二代的安防芯片技术就相当于视频监控系统的心脏。安防芯片开始成为安防产品最为关键的部件,安防芯片技术能否快速发展,对安防产业的影响起着举足轻重的作用。
    第三代是全数字视频监控时代,这个时代的一个重要特点是继视频存储数字化之后,视频传输和视频处理都开始全面走向数字化,网络视频监控产品(如NVR, IP Camera、视频联网管理平台)、智能视频分析产品(移动侦测、人脸识别、行为分析、目标跟踪)都成为了市场追逐的热点。
    首先,网络视频技术的发展,使视频监控从局域走向广域,视频信息容量从少量走向海量,视频图像从标清走向高清,这些都对视频压缩能力提出了更高的要求,也相应推动了视频编解码和安防芯片技术的发展水平。
    其次,随着智能化监控时代的来临,不少智能分析技术,如车牌识别、入侵检测等简单的智能视频分析技术已经趋向成熟和商用,而更多复杂的智能技术,如多摄像头联动、目标跟踪、异常行为分析、图像清晰化处理等也正在不断完善并开始进入实用阶段。对于智能视频分析技术,可以借助软件或者直接以硬件算法固化的形式来进行产品化应用。目前各个智能视频分析厂家的智能视频分析方式也并不相同,用纯软件进行分析的智能算法功能强大,但其稳定性和可用性还在进一步演化,而当前市场上更多的是采用硬件芯片技术来实现智能视频分析,即将智能分析算法集成到硬件芯片或者前端设备,并选择相应的智能视频分析技术用硬件加以实现。以前智能视频分析计算是通过PC机的CPU来实现,安防芯片较少涉及智能化的处理,而随着市场上越来越多智能视频分析应用的展开,前端嵌入式视频设备(如IP Camera,DVS)开始运用到智能视频分析技术,由此对视频处理芯片提出了新的要求。对于视频处理芯片来说,由于目前还没有标准的用于智能视频分析和处理的算法,因此对原有算法的优化非常重要,而与ASIC芯片相比,DSP芯片的灵活性和高性能,使其成为智能视频分析处理芯片的首选方案。
    另一方面,安防监控数字化也加速了安防监控与其他技术(移动通信、物联网、信息安全)的融合趋势。因此在不远的将来,安防芯片也将集成更多的射频识别(RFID )、数字基带、3G移动通信以及安全存储和可信计算等相关领域的芯片技术,为今后数字城市、智慧城市的建设提供一颗颗强有力的“芯脏”。
 

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