淺談安防數(shù)字化監(jiān)控的網絡監(jiān)控

淺談安防數(shù)字化監(jiān)控的網絡監(jiān)控

一、媒體單片處理器soc平臺經濟的發(fā)展促使人們不斷提高安全意識。傳統(tǒng)的地方模擬監(jiān)控方法逐漸不能滿足特定行業(yè)的遠程監(jiān)控需求，而是通過網絡遠程傳輸圖像來監(jiān)控中央監(jiān)控。網絡監(jiān)控的優(yōu)勢和廣闊前景促使國內外安防廠商紛紛研發(fā)適合網絡監(jiān)控的產品,如以往的DVR,再到現(xiàn)在的網絡攝像機、網絡視頻服務器等。但熟悉遠程監(jiān)控的人都知道,將圖像攝取后進行遠程傳輸其視頻信號的質量和傳輸速度要取決于很多因素,除了復雜的布線工程、組網能力的強弱等以外,系統(tǒng)核心產品的性能和質量也不容小覷。因此,這些網絡產品依托于技術的不斷進步,可使傳輸帶寬和存儲要求達到更小化,以彌補因網絡帶寬不足而導致的缺陷。近年來,隨著數(shù)字監(jiān)控技術不斷的發(fā)展,數(shù)字產品平臺化的設計思想不斷涌現(xiàn),而媒體單片處理器(SoC)也將成為視頻監(jiān)控特別是網絡監(jiān)控的有力武器。隨著全球數(shù)字多媒體技術的不斷發(fā)展,數(shù)字視頻開發(fā)平臺也在相應提高。PHILIPS半導體攜多媒體處理發(fā)展的深厚底蘊,為數(shù)字化多媒體的搭建提供了單片系統(tǒng)SoC平臺,使數(shù)字多媒體方案更加美觀、節(jié)能、穩(wěn)定、高效。而由飛利浦公司一手打造的ViperII平臺則已在數(shù)字高清電視、機頂盒、IPTV等領域發(fā)揮著媒體處理方面的優(yōu)異性能?，F(xiàn)在,ViperII的觸角也已經延伸到了安防行業(yè),并將以其強勁的“脈搏”掀起一場視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的次世代革命。二、dvr產品的設計理念網絡視頻服務器和DVR具有明顯不同的定位,DVR主要是本地存儲、回放,遠程網絡監(jiān)看只是其中的一個輔助性功能。而視頻服務器主要功能是網絡監(jiān)看,而網絡監(jiān)看要解決的根本問題是解決視頻圖像占用大量帶寬與網絡帶寬資源相對有限的矛盾。而網絡監(jiān)控在技術的不成熟體現(xiàn)在以下方面:1、視頻質量與模擬相比還存在不同程度差距,高質量的視頻流往往占用大量網絡帶寬,而廣域網帶寬目前并不便宜;2、無論是硬件還是軟件,對于如何在復雜網絡環(huán)境下保證效果并沒有深入的研究和解決措施;3、硬件編碼、傳輸、聯(lián)動等沒有形成標準,各廠家往往各行其是;4、高品質,低價格的硬件產品還沒有出現(xiàn)。視頻服務器要解決帶寬問題,必須在視頻服務器產品本身的設計和使用理念上來超越。要想在同等帶寬下傳輸?shù)臄?shù)字視頻圖像更好,必須成倍的增強編碼的復雜度。要想在同等帶寬下攜帶更多的“信息”,必須采用智能的算法消除掉不感興趣的信息。而這兩者都是需要通過增加產品的成本才有可能來完成。之所以需要超越現(xiàn)有的產品使用理念在于:對于DVR產品,我們可以通過一次性增加硬盤來解決上述矛盾,而對基于視頻服務器的分布式網絡監(jiān)控系統(tǒng),增加網絡接入帶寬是長期的運營成本的投入,而不是一次性投入。因此,對于網絡視頻服務器產品,選購的時候應該考慮系統(tǒng)綜合投資和運營性價比,而不是簡單的比較視頻服務器產品本身的價格高低?；谝陨峡紤],視頻服務器產品的設計理念就是:使用最先進的編碼算法和最大程度的引入智能化功能。目前代表最先進編碼技術的算法依然是H.264,無論應用在幀間編碼還是幀內編碼。從幀內編碼的效率來看,H.264由于采用了多種空間預測模式,編碼效率優(yōu)于使用WaveletTransform的JPEG2000。H.264算法的復雜度非常高,通過復雜的計算換取了編碼效率的提高。因此,要很好的實現(xiàn)H.264算法必須依賴強有力的硬件支持。三、網絡視頻監(jiān)控用視頻編解碼soc從基于MPEG4/H.264算法的視頻壓縮產品誕生開始,在技術上發(fā)生了兩次變革。第一次變革發(fā)生在2004年,從一個DSP處理一路視音頻迅速提升到了一個DSP處理四路視音頻,到目前為止,基本上所有的視頻編解碼產品都完成了這次變革;第二次變革也已經開始,那就是將媒體單片處理器System-on-Chip(以下簡稱SoC)技術運用在視頻編解碼產品上,以簡化硬件結構,提升系統(tǒng)處理能力,并大大增強其產品的可靠性。SoC是隨著IC技術和消費類電子的應用發(fā)展而興起的。SoC就是系統(tǒng)或子系統(tǒng)包括微處理器、DSP、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上。雖然SoC是在ASIC的基礎上發(fā)展起來的電路,但與ASIC完全不同,具有其獨特的優(yōu)勢:(1)SoC增加了功能并提高了性能:從單一功能轉變?yōu)橄到y(tǒng)的多功能,實現(xiàn)了高速、高集成度和低功耗。(2)SoC降低了整機的成本:由過去用多塊IC構成系統(tǒng),現(xiàn)在變成單一SoC。使得故障率大大降低,隨之維修成本也大為降低。(3)SoC降低了整機的體積:這是系統(tǒng)制造商進一步發(fā)展的方向,尤其對便攜式的電腦、通訊及多媒體產品的生產廠家更具有吸引力。(4)SoC促進了整機系統(tǒng)更新?lián)Q代的速度:它縮短了供需雙方的差距,整機更受用戶的歡迎,易于占領市場。目前實現(xiàn)H.264算法主要采用DSP或者ASIC實現(xiàn)。由于實現(xiàn)H.264視頻編碼的ASIC主要目標市場定位于手機視頻,編碼質量的要求無法滿足網絡視頻監(jiān)控應用的需求。因此,主流的解決方案依然是采用DSP芯片的解決方案。在視頻監(jiān)控領域音視頻編解碼產品的開發(fā)上,主流數(shù)字DVR廠商基本都采用了在專用DSP芯片上運行自己壓縮/解壓算法的方式以迎合客戶靈活多變的需求。從硬件的框架布局上看,無論采用任何芯片廠家的DSP,其基礎結構大同小異。以嵌入式DVR為例,硬件結構如圖一所示:四、table也模塊的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨著數(shù)字視頻監(jiān)控全面替代模擬視頻監(jiān)控,人們對數(shù)字視頻監(jiān)控的性能也提出了更多更高的要求。同時隨著音視頻編解碼技術的不斷發(fā)展,就需要DSP在編解碼方面有更高的性能。ViperII集成的內核能夠提供強大的處理能力,為復雜的H.264編碼運算提供了大量的指令。而DSP軟件的更新與發(fā)展在靈活性上將比ASIC有更強的適應性,這也符合視頻監(jiān)控一直發(fā)展的趨勢。目前,適合視頻服務器產品的最有代表性的SOC芯片主要是:NXP的VipperII和TI的Davinch。限于篇幅,本文將只就前者展開討論研究。ViperII是飛利浦電子集團推出NexperiaViperII作為典型的多媒體處理SoC,在多媒體產品的開發(fā)上一直有良好的表現(xiàn)。如圖2所示,ViperII集成了三個處理器內核,一個基于MIPS32的內核PR4450,兩個TM3260DSP內核,每個TM3260內核和大家所熟知的PNX1501的運算能力相當。除了集成上面所提到的RISC和DSP內核之外,還集成了大量用于視頻處理的協(xié)處理器,包括MBS(MemoryBasedScaler)、QVCP(QualityVideoCompositionProcessor)、QTNR(QualityTemporalNoiseReduction)、VPK(VerticalPeaking)、2DE(2DDrawingEngine)、VLD(VariableLengthDecoder)、MSP(MPEGSystemProcessor)等。1)ViperII內部包含兩個MBS協(xié)處理器,主要完成高質量的圖像縮放,可以保證不同編碼圖像壓縮格式下都能夠獲取最佳圖像效果和清晰的圖像預覽效果,減輕主處理器的壓力。2)QVCP模塊除了具備圖像格式轉換之外,還支持硬件圖層的疊加,可用于實現(xiàn)OSD(OnScreenDisplay)和字符菜單的疊加。QVCP單元還可以實現(xiàn)復雜的GUI(GraphicUserInterface)系統(tǒng),設計出友好的圖形用戶界面,并結合二維圖形加速引擎(2DE)實現(xiàn)快速的圖形填充和變換。3)QVCP5L模塊則可以用于支持最高達到1920*1080i*60分辨率輸出,甚至可以滿足數(shù)字高清的顯示要求。4)QTNR模塊用于噪音測量和動態(tài)降噪以及灰度直方圖統(tǒng)計,并結合QVCP實現(xiàn)對圖像的定標和渲染。同時ViperII集成了MIPS核的PR4450作為操作系統(tǒng)處理器,在視頻服務器和嵌入式方面的優(yōu)勢是顯而易見的。通過MIPS核進行圖像界面的設計再通過QVCP的5層圖形疊加,整個操作系統(tǒng)的界面將是相當華麗美觀與人性化的。當前l(fā)inux2.6中集合了該MIPS的底層交互控制。而采用Linux的網絡功能將相當?shù)慕?。在以往的嵌入式或者網絡視頻服務器都需要以DSP配加ARM或者MIPSCPU的模式才能設計方案,而ViperII提供集成的方案大大減少了布板空間,并加強了穩(wěn)定性,減少了功耗,降低了成本。從以上幾點來看,ViperII高度集成化和各個硬核之間的配合將會大大提高網絡視頻服務器的綜合性能,從而保證整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的完整性和高效率。恒億電子基于VipperII開發(fā)的視頻服務器平臺,結合Linux2.6內核,支持豐富的網絡協(xié)議。由于SOC處理器包含一個MIPS32內核,可以處理事務性任務,兩個DSP內核和多個協(xié)處理器內核,豐富的資源可以用于完成高復雜度的編碼算法。在此平臺基礎上,演變出了三種不同的產品:單路D1,兩路D1,4路CIF(其中一路可以完成D1編碼)。在編碼算法上可以依據(jù)使用的需要設定不同檔次的H.264編碼算法(普通H.264和增強H.264),廣泛適用于不同的網絡接入方式。由于平臺資源有較大程度的冗余,恒億電子目前也正在開發(fā)一些智能算法,而這些智能識別算法則可以通過軟件升級的方式加入?？傊?為了數(shù)字家庭娛樂設計的ViperII,在具備強大的視頻編解碼處理能力的同時,還具備強大的高清晰視頻顯示和處理能力,除了適合開發(fā)數(shù)字電視、機頂盒之外,也同樣適合于開發(fā)嵌入式DVR/DVS產品。多核的架構,適合于完成數(shù)字視頻的前處理、后處理、編碼和智能視頻分析處理,為優(yōu)秀的視頻服務器產品的開發(fā)提供了一個良好的基礎。五、恒通電子的pnx6550對于國外一些知名芯片廠商而言,視頻監(jiān)控市場似乎遠遠比不上機頂盒這樣的產品更具吸引力,所以,原本在微電子視頻處理領域已經運用得爐火純青的SoC技術到目前為止能夠應用在安防監(jiān)控這個領域可供選擇芯片產品并不多,已經量產的就更少。地處武漢·中國光谷的武漢恒億電子科技發(fā)展有限公司(以下簡稱恒億電子)是一家湖北省高新技術企業(yè)。自2001年成立之初,就一直專注于數(shù)字視頻監(jiān)控核心產品的研發(fā)和生產,公司從成立到現(xiàn)在,已陸續(xù)推出了基于MPEG4/H.264算法(擁有完全自主知識產權)的多系列音視頻壓縮卡共20多種產品。就硬件平臺而言,武漢恒億電子科技發(fā)展有限公司在基于飛利浦PNX系列芯片的開發(fā)上積累了豐富的經驗;就軟件平臺而言,武漢恒億電子科技發(fā)展有限公司所有的軟件代碼全部具有核心知識產權,在視頻編碼和LINUX嵌入式操作系統(tǒng)應用軟件上的開發(fā)也同樣具有非常強大的優(yōu)勢。恒億電子在綜合考慮量產時間、芯片后續(xù)發(fā)展能力、芯片內核微代碼質量以及外圍配套芯片的多少等各種因素后,慎重選擇了飛利浦半導體的VIPERⅡ平臺產品PNX8550芯片。PNX8550原身是飛利浦半導體很早就成熟應用在消費類電子產品的一款芯片,最初市場定位為IP機頂盒,集成了雙節(jié)目條件接收、雙節(jié)目MPEG2TS流的去復用、雙標清或單高清的視頻解碼,支持現(xiàn)在流行的CRT、液晶、等離子等各種類型顯示設備,內置DVD-CSS、支持DVD播放,同時還支持VCD、SVCD、CD的播放。目前,恒億電子是第一個將PNX8550應用在數(shù)字視頻監(jiān)控領域,并且最早推出成熟整機產品的廠家之一,之所以選擇這款芯片,正是因為看到了VIPERⅡ集成的強大內核,包括一個250MHz的MIPS32和兩個240MHz的PNX1500,如果將其應用在嵌入式DVR和DVS上將大大降低成本及提高產品的可靠性,如果應用在壓縮卡上,將能進一步提高單卡路數(shù)和補充更多智能化功能。從飛利浦半導體的工程師第一次推薦這款芯片開始,恒億電子就充分捕捉到了PNX8550將會給數(shù)字視頻監(jiān)控領域帶來第二次技術變革并引爆其中所蘊藏的巨大商機。下圖是將其應用在DVR上以后,DVR的硬件結構框圖,可以和圖一做一個對比。原來的控制CPU包括其外圍電路、壓縮DSP全部被集成于PNX8550之中,以此為基礎,可以開發(fā)出更小體積、更長使用壽命、更廉價但是圖像性能更高的DVR產品。在以PNX8550為基礎開發(fā)的DVR中,如果去掉視頻、音頻輸出等一些模塊,以及完全不需要的一些控制器,便可立即簡化為DVS設備,這樣可以將各種產品線的軟硬件平臺統(tǒng)一,同時在同一平臺上可以快速地推出多系列產品,而相對于使用單個DSP芯片的DVS解決方案而言,PNX8550方案由于具備主控CPU的Linux支持,有多個DSP處理核,以及強大的外圍借口,因此具有更好的系統(tǒng)擴展靈活性和更高的系統(tǒng)處理能力。此外,恒億電子在原有的嵌入式硬盤錄像機中就采用了基于Linux的Montavista實時操作系統(tǒng),積累了相當豐富的開發(fā)經驗。而PNX8550中集成的MIPS內核正好也是使用的Montavista操作系統(tǒng),因此,從原有的第二代嵌入式錄像機轉為使用SoC技術的第三代錄像機,在軟件上對恒億電子而言是平滑移植的。這也是恒億電子能快速推出成熟產品的一個重要原因。如果將PNX8550應用在壓縮卡上,原來很多必須要借助PC機的處理能力才能實現(xiàn)的智能化功能,例如智能檢索、人臉分析、車牌識別、運動軌跡跟蹤等現(xiàn)在都可以利用PNX8550高性能的DSP加以實現(xiàn)。如果飛利浦半導體在下一階段將PNX8550的中的內核提升到更高的主頻,VIPERⅡ的潛力將會進一步得到挖掘和提升。六、視頻監(jiān)控和網絡技術應用展望就目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用需求和市場現(xiàn)狀來看,網絡視頻