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解析安防监控系统中的四大关键视频技术

我爱方案网| 安防监控,图像传感器,流媒体,红外热成像,智能视频监控| 2012-10-23
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导读:视频监控在整个社会体系中扮演者越来越重要的角色,本文一一讲述监控中的四大关键性视频技术,包括:图像传感器技术、流媒体技术、红外热成像技术和智能视频监控技术。

视频监控的基本业务功能是提供实时监视的手段,并对被监视的画面进行录像存储,以便事后回放。在此基础上,高级的视频监控系统可以对监控装置进行远程控制,并能接收报警信号,进行报警触发与联动。最早的视频监控系统是全模拟的视频监控系统,图像信息采用视频电缆,以模拟方式传输,一般传输距离不能太远,主要应用于小范围内的监控,监控图像一般只能在控制中心查看。

随着宽带网络的普及,视频监控逐渐从本地监控向远程监控发展,出现了以网络视频服务器为代表的远程网络视频监控系统。网络视频服务器解决了视频流在网络上的传输问题,从图像采集开始进行数字化处理、传输,这样使得传输线路的选择更加多样性,只要有网络的地方,就提供了图像传输的可能。

计算机技术的发展使视频监控技术更加智能化,通过在图像及图像描述之间建立映射关系,从而使计算机能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容。视频监控技术网络化、智能化的基础是数字化。而智能化是“三化”的最高境界。系统由目视解释转变为机器自动解释是视频监控技术的飞跃,是安防技术的发展的必然。下面从四个方面简要探讨一下安防系统中的关键视频技术

一、图像传感器技术

视频监控系统的核心部分就是图像传感技术,目前,监控摄像机的图像传感器正逐渐从传统的CCD向CMOS转变。这两种传感器各有长短,但一直以来,CMOS传感器的缺点渐渐减少。CMOS图像传感器低成本、高集成度为其主要特点,图像质量已不输于CCD。与基于CCD的探头相比,CMOS探头的集成度更高,因为CMOS传感器集成了许多外围处理功能,所需器件比CCD探头少,且CMOS探头的功耗要低得多。从整个系统来看,CMOS传感器可将成本大大降低。

CMOS传感器与CCD传感器的比较CCD(ChargeCoupledDevice),即“电荷耦合器件”,以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素,指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片,用于捕捉图形,广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似,光线穿过一个镜头,将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是,CCD既没有能力记录图形数据,也没有能力永久保存下来,甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器,一个信号处理器以及一个存储设备(比如内存芯片或内存卡)。CCD有各式各样的尺寸和形状,最大的有2×2平方英寸。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后,人们利用这一技术制造了数码相机,将影像处理行业推进到一个全新领域。

CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor),即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导所需的大量资料。有人发现,将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器,其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。

从技术的角度比较,CCD与CMOS有如下四个方面的不同:
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1.信息读取方式:CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。

2.速度:CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多。

3.电源及耗电量:CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS光电传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

4.成像质量:CCD电荷耦合器制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年,随着CMOS电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

 
目前,CCD技术主要掌握在索尼、佳能、奥林巴斯等几大厂商手中。主流的数码相机均采用CCD作为光敏传感器件,像素数一般为三百万左右。其制造工艺复杂,功耗大,成本较高。未来,采用CCD传感器的数码相机将继续朝着提高像素数,增加拍摄功能,提高照片质量的方向发展,力争在各项指标上早日达到传统相机的标准。

采用CMOS传感器的数码相机一般低于130万像素,主要面向以家庭、个人用户为主的低端市场。其时尚化、多功能、价格低的优势受到了普通消费者的欢迎。国内的数码相机厂商对CMOS数码相机倾注了极高的热情,包括海鸥、先科、喜马拉雅等先后推出了相应产品。CMOS可塑性较高,未来除了数码相机之外,将在传真机、扫描仪、数字摄像机、安全侦测系统等方面得到广泛应用。目前市场上CMOS产品不多,但在美国,包括Intel、ATI在内的多家公司都在积极研发相关产品。今年7月,欧洲的独立半导体研究机构IMEC公布了两个有关CMOS的研发项目,其中探索CMOS技术极限的“AdvancedDeviceImplementationProgram”,其目标是确立国际半导体技术规划(ITRS)的最新版本,并提出面向60nm~30nm的技术。

二、流媒体技术

实时视频监视与录像回放是视频监控的两大重要基本业务,其本质是将视频源上的多媒体数据传送到视频接收端。实时视频监视要求完成视频的实时传输,具有很强的实时性;录像回放则类似于VOD业务,具有一定的实时性(但并非很强),要求画面清晰流畅,并且能完成各种播放控制操作。

我们可以将前端的摄像机看成是实时的A/V源,而将录像文件看成是存储的A/V文件,那么目前解决此类问题的一个很好的办法便是运用流媒体技术。

我们知道,流式传输及流媒体(StreamingMedia)是为了解决信息传输实时性问题而开发的。流式传输主要指通过网络传输媒体(如音频、视频等)的技术总称,其特定含义为通过网络将音视频等信息传输到用户终端播放时,无须等全部文件下载完毕才可播放,而是将连续的音视频信息压缩后放于服务器,用户终端播放时只要将开始部分的内容存入其内存,其余数据流由用户终端在后台继续接收并播放,直至播放完毕或用户中止操作。这样,用户播放媒体的等待时间将显著减少,且无须太大缓存。流媒体指使用流式传输技术的连续时基媒体。

流式传输主要是为了区别于下载传输而提出的。传统的下载转输方式有两个基本条件,一是基于文件操作,二是文件要全部下载后才能使用(播放)。对于实时视频监视而言,不存在文件的概念,因此无法用“下载”的方式实现。对于录像业务,录像数据可以以文件形式存在,但是,如果录像数据如果必须等完全下载后才能播放的话,会带来很大的时延,用户无法忍受。所以,比较理想的方式是采用流式传输。

实现流式传输有顺序流式传输(ProgressiveStreaming)和实时流式传输(RealtimeStreaming)两种方法。视频监控业务主要采用实时流式传输。

网络摄像机可以看成是一台提供实时A/V源的服务器,当用户请求进行实时监视时,网络摄像机采用实时流式传输方式向用户终端传送监控画面。考虑到多个用户同时访问网络摄像机将带来流量瓶颈等问题,可以使用视频服务器来进行中转,让视频服务器来提供强大的负载能力。

以上只是原理性的简要说明。上述方案可以满足小型的视频监控系统,但在大型的视频监控系统中,监控前端设备与用户终端的数目都非常庞大,除了增加考虑组播、广播等方案外,更需要一套完善的媒体分发、调度机制来保证媒体的高效传送。在这方面,目前尚无现成的成熟方案,中国通信标准化组织(CCSA)正对此展开积极研究,以便为未来的视频监控系统提供标准的媒体传送机制。

 
三、红外热成像技术

人眼能够感受到的可见光波长为0.38~0.78微米。红外线属于波长大于0.78微米的电磁波。自然界中,一切物体都会辐射不同波长的红外线,因此能够利用特制的探测设备分别检测出监控目标本身和背景之间的红外线波长,从而可以得到不同的红外图像,这红外图像称为热图像。

采用红外热成像技术,探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备被称为红外热成像仪。

红外热成像仪在视频监控中的应用举例:

1.夜间及恶劣气候条件下的目标监控

夜晚,需可见光工作的设备已经不能正常工作,如果采用人工照明,则容易暴露目标。若采用微光夜视设备,它同样也工作在可见光波段,依然需要外界光照明。而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射,无论白天黑夜均可以正常工作,并且也不会暴露自己。同样在雨、雾等恶劣的气候条件下,由于可见光的波长短,克服障碍的能力差,因而观测效果差,但红外线的波长较长,特别是工作在8~14um的热成像仪,穿透雨、雾的能力较强,因此在夜间以及恶劣气候条件,采用红外热成像监控设备仍可以正常地对各种目标进行监控。

2.防火监控

由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备,因此除了夜间可以作为现场监控使用外,还可以作为有效的防火报警设备。很多火灾往往是由不明显的隐火引发的。用现有的普通方法,很难发现这种隐性火灾苗头。而应用红外热成像仪可以快速有效地发现这些隐火,并且可以准确判定火灾的地点和范围,透过烟雾发现着火点,做到早知道、早预防、早扑灭。

3.伪装及隐蔽目标的识别

伪装是以防可见光观测为主,犯罪分子作案时通常会隐蔽在草丛及树林中,由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉,容易产生错误判断。红外热成像仪是被动接受目标自身的热辐射,人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射,因此不易伪装,也不容易产生错误判断。

 
四、智能视频监控技术

智能视频(IV,IntelligentVideo)源自计算机视觉(CV,ComputerVision)技术。计算机视觉技术是人工智能(AI,ArtificialIntelligent)研究的分支之一,它能够在图像及图像描述之间建立映射关系,从而使计算能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容。

视频监控中所提到的智能视频技术主要是指:“自动的分析和抽取视频源中的关键信息。”如果把摄像机看作人的眼睛,而智能视频系统或设备则可以看作人的大脑。

建造视频监控系统的目的,一是为了视觉上的延伸--把处于别地的画面通过网络与设备“拉近”到眼前,因此有了远程监控;二是为了智力上的延伸--让系统自动为我们分析问题并解决问题,于是有了智能监控。当然,后者是更高层次上的要求,但也是视频监控今后发展的必然要求。

传统的视频监控系统缺乏智能,在很大程度上依赖于人的判断。然而,人类有着自身难以克服的弱点,比如:(1)人力有限,人的反应与处理速度有限,导致我们在指定的时间内能够进行监视的地点有限。这也就意味着各个被监控点并非每时每刻都处于监控当中。(2)人并非一个可以完全信赖的观察者,无论是在观看实时的视频流还是在观看录像回放的时候,由于自身生理上的弱点,我们经常无法察觉安全威胁,从而导致漏报现象的发生。

从上述分析来看,当开展大规模视频监控以后,智能监控实际上已不是可有可无的装饰品,而是系统所必备的一种能力。

否则,巨大的投资将由于缺乏人力资源的跟进以及人类自身的弱点,而有可能变为一种浪费。

智能视频技术可以在很多地方得到应用。比如:

(1)高级视频移动侦测:在复杂的天气环境中(例如雨雪、大雾、大风等)精确地侦测和识别单个物体或多个物体的运动情况,包括运动方向、运动特征等。

(2)物体追踪:侦测到移动物体之后,根据物体的运动情况,自动发送PTZ控制指令,使摄像机能够自动跟踪物体,在物体超出该摄像机监控范围之后,自动通知物体所在区域的摄像机继续进行追踪。

(3)人物面部识别:自动识别人物的脸部特征,并通过与数据库档案进行比较来识别或验证人物的身份。此类应用又可以细分为“合作型”和“非合作型”两大类。“合作型”应用需要被监控者在摄像机前停留一段时间,通常与门禁系统配合使用。“非合作型”则可以在人群中识别出特定的个体,此类应用可以在机场、火车站、体育场馆等安防应用场景中发挥很大的作用。

(4)车辆识别:识别车辆的形状、颜色、车牌号码等特征,并反馈给监控者。此类应用可以用在被盗车辆追踪等场景中。

(5)非法滞留:当一个物体(如箱子、包裹、车辆、人物等)在敏感区域停留的时间过长,或超过了预定义的时间长度就产生报警。典型应用场景包括机场、火车站、地铁站等。

(6)交通流量控制:用于在公路上监视交通情况,例如统计通过的车数、平均车速、是否有非法停靠、是否有故障车辆等等。

从以前的模拟监控到现在的数字监控;从落后的现场监控到先进的远程监控;从有人值守监控到现在的无人值守监控,视频监控正朝着数字化、网络化、智能化方向蓬勃发展。无论从产业的发展角度,还是技术的发展角度,视频监控行业都将会有更广阔的市场和更大的发展空间。

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