淺析DSP智能攝像機發展的必然方向 (1)
隨著現代科學技術的發展，視頻監控系統也向智能化發展，而監控用的攝像機也必須智能化。DSP攝像機有普通型與智能型，以往的DSP智能攝像機主要是提高圖像質量型。本文主要介紹DSP智能攝像機的工作原理，過去的提高圖像質量型與現在需要的檢測識別報警型DSP攝像機的智能化功能，檢測識別報警型DSP攝像機在現代平安城市建設中的作用，以及DSP智能攝像機必須由提高圖像質量型向檢測識別報警型發展。
DSP (Digital Signal Processing)即數字信號處理，它是利用數字計算機或專用數字信號處理設備，以數值計算的方法對信號進行采集、變換、綜合、估值、識別等加工處理，借以達到提取有用信息、便于應用的目的。
由于有了DSP功能的芯片出現，所以近些年才出現了DSP的新型攝像機。這種攝像機的主要特點就是：在攝像機內部的電路采用了大規模數字信號處理集成電路(DSP LSI)，并且由微處理器對系統的狀態進行檢測與控制，因此其穩定性、可靠性、一致性等都大大提高。DSP芯片是一種特殊的微處理器，就是根據數字信號處理理論的數學模型和算法，設計出專門的數字信號微處理器芯片。計算程序全部“硬化”，數字濾波器所需要的其他設備也全部集成、硬化，比如加法器、存儲器、控制器、輸入/輸出接口，甚至其他類型的外部設備等。許多在模擬信號處理器中無法進行的工作，都可以在數字處理中進行，如二維數字濾波、數字動態圖像檢測、數字背景光補償、膚色輪廓校正、細節補償頻率調節、準確的彩色矩陣、精確的γ校正、自動聚焦等。因此，有了DSP的攝像機，可大大提高圖像的質量。
此外，通過數字設定，可進行畫面格式變換，還可均衡調節各參數值，把攝像機之間的差別縮減到最小。DSP彩色攝像機，還能方便地輸出亮度信號與色度信號分離的視頻信號(簡稱Y/C信號或S-Video信號)。DSP技術不僅使攝像機在性能上獲得優勢，而且縮小了體積，節省了零件及裝配時間，從而降低了成本。
一、DSP智能攝像機的工作原理
DSP攝像機的工作原理中，亮度/色度處理、編碼同步發生器及CCD驅動等部分電路均采用了數字信號處理技術，它們都由微處理器執行中心控制。雖然，由于AGC和γ校正電路是在A/D轉換之前，仍為模擬處理，但它們的控制電壓和補償信號是根據數字部分檢測決定的，因而仍然可以調節得很精確。
亮度/色度處理部分，需要微處理器對數字信號的數據進行檢測處理控制，以測量出信號峰值、平均值、差值等信息，并將這些測量結果經微處理器的運算處理，形成各種控制信號。如其中需要采用二維數字梳妝濾波(2-Dementional Digital Comb Filter)處理技術，用它可以減小亮度信號對色度信號的串擾，并最大限度地保留亮度信號高頻成分，從而進一步改善圖像質量。
關于檢測識別預/報警型的智能化功能，主要是通過智能化軟件固化在DSP中。通過所監控的圖像檢測，如得到所需的信息就去進行識別處理判斷，以驅動預/報警而阻止犯罪。
二、提高圖像質量型DSP攝像機的智能化功能
該類DSP攝像機在提高圖像效果的同時，而具有智能的特色。因為相對于模擬攝像機來說，數字信號處理攝像機能方便地使用一些改善圖像質量的新技術。因為通過數字信號處理技術，可以獲得許多模擬信號處理難以實現的效果。下面主要簡介一下提高圖像效果的智能型DSP彩色CCD攝像機中所采用的數字2H增強技術、數字拐點技術、智能數字背景光補償、數字自動跟蹤白平衡、數字動態展寬、自動聚焦、電子靈敏度增強、數字降噪及屏幕菜單顯示等智能功能。
1、數字2H增強技術
采用數字2H增強技術，可以有效地增強視頻信號的水平和垂直邊緣，從而獲得邊緣分明的清晰圖像。
在采用了2H增強信號與視頻信號合成后，就可使視頻信號的邊緣部分得到增強。
2、數字拐點技術
數字拐點技術可以有效地擴展視頻信號的動態范圍，這樣在拍攝高亮度景物時，不致于使圖像的高光部分被白色完全淹沒。圖3為數字拐點技術示意圖。
用模擬攝像機拍攝高亮度景物時，其圖像的高光部分就被白色完全淹沒。通過數字攝像機的數字拐點技術，可對圖像高光部分進行壓縮，從而使這部分的圖像細節能夠顯現出來。
3、智能數字背景光補償(Intelligent Digital Back-light Compinsation)
背景光補償也即逆光補償。在松下的一些CCD攝像機中，均采用了自適應型的智能數字背景光補償技術。這種技術與常規的逆光補償技術相比，這里采用了數字檢測與數字運算技術，因而可獲得很好的逆光補償效果。
智能數字背景光補償的原理是：將攝像機攝取的整幅畫面平均分成48個(即8×6塊)正方形的小處理區域(如臺灣敏通公司的M88 DSP處理器就是這樣)，并對每一個小塊的平均亮度進行檢測，如果這些小塊的平均亮度差別過大，則通過先進的算法縮小這些小塊的亮度差，使過暗的景物能夠較為清晰地重現，而又不致于使圖像亮部區域出現過載。因此，采用這種智能化的數字檢測技術，即使是很小的、薄的或是不在畫面中心區域的景物，也能夠清晰地在畫面上呈現出來。
4、數字自動跟蹤白平衡(Digital Auto Tracing White Balance)
數字自動跟蹤白平衡技術能夠自動跟蹤畫面上的白色，對系統進行白平衡調整，因而它能夠明顯改善彩色圖像的重現效果。
數字自動跟蹤白平衡的原理與上述的智能背景光補償技術類似，它也是將攝像機攝取的一整幅畫面平均分成48個小塊，并檢測這些小塊中是否有白色，即使畫面上有很小的一塊白色，攝像機也能夠自動跟蹤它，并以它作為基準對系統的白平衡進行調整(有關白平衡的定義及調整在本人編著的《電視監控技術》一書第二章中有詳細說明)，使重現的圖像絢麗多彩。如松下等彩色攝像機，就采用了上述的數字自動跟蹤白平衡的技術。
5、數字動態展寬 (Digital Wide Dynamic Range)
一般攝像機攝取寬動態范圍的場景時，畫面上可能會同時出現明亮區域及灰暗區域。如明亮區域顯示合適時，灰暗區域則可能過于黑暗;反之，當灰暗區域顯示合適時，明亮區域則可能亮得過載。數字動態展寬技術可有效縮小寬動態范圍圖像的亮暗差別，使兩個區域的圖像同時在監視器屏幕上清晰地顯示出來。
數字動態展寬技術的基本原理是，采用雙速CCD圖像傳感器，能在同一時間內對攝取的場景分別進行長短不同時間的曝光，將此信號輸入專用的圖像處理集成電路中，通過變換、合成、校正等處理而輸出擴展了40倍動態范圍的清晰圖像。如松下WV-CP460系列DSP攝像機中，采用了兩組AGC電路及一些增強與降噪等處理技術，使攝像機的動態范圍進一步地從第一代的40倍增加到80倍，即“超動態二代(Super Dynamic Ⅱ)”。
有關數字動態展寬較詳細的原理，可參閱本人編著的《電視監控技術》一書第二章第六節中的超高動態CCD攝像機。
6、數字自動聚焦(Digital Self-regulation Focus)
在快速球與設置在云臺上的一體化攝像機中，一般都需要自動調焦系統。尤其在高速球中使用時，其自動聚焦的速度最好不超過1秒，當監控場景的距離相差太大而超過景深范圍時，尤為需要。因此，快速地自動聚焦的軟件算法的選擇與光圈等的控制配合就非常重要。
自動聚焦的方法很多，有測距法、聚焦檢測法與圖像處理法三類。目前一體化攝像機中大多采用圖像處理法，需了解自動聚焦詳情，可參閱本人編著的《電視監控技術》一書第一章第三節以及《安全與光電》論文集中“論各類自動調焦技術及其優劣”一文，這里就不敘述了。
7、電子靈敏度增強(Electronic Sensitivity Up)及數字降噪(Digital Noise Reduction)
一般，普通攝像機的AGC打開時，雖可以提高其感光的靈敏度，但干擾噪聲也相應放大，從而使監視器屏幕上顯示的圖像充滿雜亂的噪點。而采用電子靈敏度增強及數字降噪技術，可使重現的圖像清晰可辨。如松下的WV-CP610彩色攝像機中，在使用電子靈敏度增強及AGC技術提高其靈敏度的同時，還應用數字降噪技術降低其圖像的噪點。它不僅可使攝像機的靈敏度提高32倍，還能提高重現的圖像的質量。
數字降噪方法不少，如由幀間積分平均器組成的數字式雜波降低器已有商品出售，其最大信噪比的改善可達15dB，其降噪原理在本人編著的《電視監控技術》一書第十一章中有詳細敘述。
8、屏幕菜單顯示(On-Screen Display簡稱OSD)
由于新型的DSP攝像機的功能不斷增多，而這些功能又必須通過設定(Setup)才能奏效，因此通過監視器屏幕上的菜單顯示，對攝像機的工作狀態進行設定，可以為使用者帶來極大的方便。如松下的和LG-Honeywell 的一些攝像機大都具備這種屏幕菜單顯示的功能。
新型的DSP攝像機的參數的設定，可配合專用的中心端控制設備，通過單同軸電纜(對松下系列攝像機)或RS485/RS232通訊線(對其他品牌攝像機)等傳到前端的攝像機，從而使其工作在所設定的狀態。
一般，新型的DSP攝像機除了OSD功能外，還內置可以獨立設定的ID識別碼，這對于具有數十臺甚至數百臺攝像機的大型電視監控系統來說，顯得尤為重要。
松下公司的WV-CP610系列攝像機的屏幕菜單設置流程圖，如圖4所示。由該圖可見，攝像機的ID碼、ALC/ELC、背景光補償、電子快門速度、自動增益控制、電子靈敏度增強級數、同步方式、白平衡、數字動態展寬、數字運動檢測、數字降噪以及色彩、基準電平、孔徑電平等參數，均可以通過屏幕菜單進行調整。
上述調整過程除了可通過WV-CP610攝像機后面板上的5個按鈕(WV-CP654的5個按鈕在攝像機機身側面的蓋板內)來完成外，還可通過中心端的攝像機遙控器WV-RM70來完成。這里，WV-RM70與WV-CP610的通訊并不需額外的連接線，而是直接通過視頻同軸電纜以多工方式來實現。WV-RM70還可以進一步通過其RS-485接口與普通的PC計算機相連，從而也可通過計算機對系統進行設置。
三、檢測識別報警型DSP攝像機的智能化功能
要想使視頻監控技術智能化，必須使攝像機或系統盡可能多地嵌入智能化功能，下面列舉一些可以嵌入的智能化功能：
1、視頻移動探測、跟蹤與預/報警
視頻移動檢測是對運動的物體進行及時的檢測和跟蹤，因此運動檢測是指在指定區域能識別圖像的變化，檢測運動物體的存在并避免由光線變化帶來的干擾。在如雨雪、大霧、大風等復雜的天氣環境中，要能精確地探測和識別單個物體或多個物體的運動情況，包括其運動方向、運動特征等。
視頻移動檢測技術的原理，也是多將攝像機攝取的一整幅畫面平均分成48個小塊，并連續檢測每一個小塊的圖像變化。一旦檢測到有運動物體，該攝像機即可通過視頻電纜將報警信息回傳到中心端，并啟動錄像機等相關視頻設備。并且，要能根據物體的運動情況，自動發送PTZ控制指令，使攝像機能夠自動跟蹤物體。如物體超出該攝像機監控范圍之后，能自動通知物體所在區域的攝像機繼續進行追蹤。
在這種工作方式下，要求移動物體的尺寸必須占據圖像面積的2%以上，即物體必須占據48個小區域中的1個場景區域以上。此外，要求背景和移動物體之間的對比度也必須超過5%，移動物體從圖像的一端到另一端的最小移動速度為0.1s。
2、人的面像識別、跟蹤與預/報警
人的面像識別，不像指紋識別與眼虹膜識別等需要人的配合，它可以在離攝像頭有相當遠的距離內在人群中識別出特定的個體。這種面像識別系統，可以在機場、火車站、體育場館等安防應用場景中發揮很大的作用。如追捕通輯逃犯，可通過與數據庫檔案中的面像特征進行比較，來識別或驗證是否逃犯的身份。
在識別出該逃犯后，立即預/報警，并跟蹤鎖定其面部，直到被公安人員抓捕，解除警報為止。
3、人的步態識別、跟蹤與預/報警
人的步態識別，更適合于智能視頻監控的應用，因為它比面像識別的距離更遠，并且人在任何方向走均可識別，即使背對著攝像頭也可。如追捕通輯逃犯，可通過與數據庫檔案中的步態特征進行比較，來識別或驗證是否逃犯的身份。
在識別出該逃犯后，立即預/報警，并跟蹤鎖定其腿部，直到被公安人員抓捕，解除警報為止。
4、人的聲音識別、跟蹤與預/報警
人的聲音識別，是通過所監聽場景中的聲音，記錄與識別出特定的個體。如追捕通輯逃犯，可通過與數據庫檔案中的聲音特征進行比較，來識別或驗證是否逃犯的身份。
在識別出該逃犯后，立即預/報警，并跟蹤鎖定其聲音，直到被公安人員抓捕，解除警報為止。
5、人與物的異常行為及非法滯留的識別、跟蹤與預/報警
這是通過檢測圖像序列人與物的異常行為，如檢測到人翻越院墻、欄桿，汽車開進綠化草地、逆行等，即鎖定跟蹤與預/報警。
當人或箱子、包裹、車輛等物體，在敏感區域停留的時間過長(如放置爆炸物等)，或超過了預定義的時間長度就產生報警。其典型的應用場景包括機場、火車站、地鐵站等重要領域。
該項智能化功能，能事先排出爆炸物，制止打架、斗毆、搶劫與綁架等犯罪行為，即使來不及制止也能盡快破案。
6、人群及其注意力檢測控制、識別與預/報警
該項智能化功能，能識別人群的整體運動特征，包括速度、方向等，用以避免形成擁塞，或者及時發現可能有打群架等異常情況。其典型的應用場景包括超級市場、火車站、娛樂場所等人員聚集的地方。
此外，還可統計人們在某物體前面停留的時間。據此還可以用來評估新產品或新促銷策略的吸引力，也可以用來計算為顧客提供服務所用的時間等。
7、車輛的視頻檢測及異常行為的識別、跟蹤與預/報警
該項智能化功能，能識別車輛的形狀、顏色、類型、車牌號碼等特征，并反饋給監控者。此類應用可以用在被盜車輛追蹤等場景中。尤其能用于在高速公路或環線公路上監視交通情況。如統計通過的車輛數、平均車速、是否有非法停靠、是否有故障車輛等。
8、平安城市交通擁堵檢測及自動疏導系統
該項智能化功能，能檢測交通擁堵，并在十字路口自適應控制紅綠燈的轉換時間等，并通過交通信息牌和無線臺對交通進行自動疏導。
9、出入口人數統計系統
該項智能化功能，能夠通過視頻監控設備對監控畫面的分析，自動統計計算穿越重要部門、重要出入口或指定區域的人或物體的數量。
這一智能化功能的應用，還可在服務、零售等行業用來協助管理者分析營業情況，或提高服務質量。如為業主計算某天光顧其店鋪的顧客數量等。
10、平安城市火災的探測、跟蹤與預/報警
該項智能化功能，是通過攝像頭探測到一定的煙霧與火苗的情況，能及時預/報警，使消防隊盡快趕到現場，以便即時撲滅火患。
上述10條智能化功能，可固化在不同的DSP模塊中，并根據平安城市不同監控場景的需要，而嵌入所需的攝像機，或者視頻服務器和DVR上。因此，利用檢測識別報警型DSP智能攝像機，能取代監控任務中人的大部分工作，是新一代的具有高度智能的監控技術的需要。
四、檢測識別報警型DSP攝像機在平安城市建設中的作用
目前，許多城市和地區正在或準備建立大型視頻監控系統，攝像機的數量大，監視的范圍廣。雖然能利用網絡來傳輸視頻信號，但一個大系統有大量的圖像，如果還是用人觀察來提取有價值的信息效果很差，除了效率低之外，圖像信息的利用也不充分。而在目前城市治安管理中，由于城市地方擴大、人口增加等原因，公安警力的增加遠遠不能滿足實際需求的速度，因而都需要城市安防監控系統智能化，將科技手段轉化為直接戰斗力。由此，需將監控工作交給計算機。也就是說，安防監控系統要實現讓計算機代替人去監看視頻圖像。這樣，就需要更多的DSP智能攝像機，內嵌智能化軟件平臺，通過預先設定的錄像比對平臺，將系統監控到的情況與保安管理方案作對比，從而自動分析檢測出存在的隱患并及時報警。
并且，城市重點區域監控、交通干道監控、卡口監控、娛樂場所監控、監獄監控、審問室與法院遠程監控等系統必須與城市中各派出所及上級公安分局到市局進行多級聯網。從而至少保證事件發生時，公安機關相應部門能第一時間把握現場畫面情況，并協助上級指揮現場，以提高管理者的管理效率。同時，也增加公安系統內部管理的方便。
當前建設的平安城市的監控系統，必須要真正保證城市的平安。因此，城市安防監控系統必須要有事前預/報警的功能。要有這種事前預/報警的功能，城市安防監控系統必須要數字化、網絡化、智能化。如根據人或物異常行為的檢測與跟蹤，可及時發現有人帶了可疑爆炸物品進入公共場所等情況。由此可見，檢測識別報警型DSP智能攝像機，可以使安防監控系統具有預/報警的能力，并真正發揮“防患于未然”的作用。
檢測識別報警型DSP智能攝像機能夠識別不同的物體，發現監控畫面中的異常情況，并能夠以最快和最佳的方式發出警報和提供有用信息，從而能夠更加有效地協助安全人員處理危機，并最大限度地降低誤報和漏報現象。尤其在世界反恐斗爭日趨嚴峻的今天，檢測識別報警型DSP智能攝像機，顯然能夠成為應對恐怖主義襲擊和處理突發事件的有力輔助工具。因此，DSP智能攝像機必須從提高圖像質量型向檢測識別報警型發展。
目前，具有DSP智能攝像機的智能視頻監控系統，不僅僅被認為是事后搜尋犯罪嫌疑人的手段，而且是一種阻止犯罪發生的輔助手段。視頻分析涉及到復雜的軟件算法，它可以通過編程識別出奇怪的行為。視頻內容分析軟件能通過分析現場或記錄的視頻流，從而檢測出可疑的活動、事件或者行為模式。預計，內容分析算法將逐漸嵌入到攝像機，或者視頻服務器和DVR上。由于智能設備能判定什么時候它所感興趣的內容會發生，并且只有在那時才傳輸視頻，從而可有效節省帶寬，因此極大地提高了可用網絡帶寬。
智能化視頻監控系統可以及時處理攝像機捕捉到的每一個人臉或步態的圖像，提取特征，并將其與電腦記錄進行比對。若比對匹配，系統則迅速提取該犯罪嫌疑人的當前所在位置及其他相關信息通知警方。值得注意的是，索尼公司推出了3款智能網絡攝像機，它們除技術指標先進外，能提供其他方便的功能，如可以自動甄別在監控區域內的入侵物體和可疑危險物品、隱私區遮掩、活動檢測、曝光控制等。
隨著光電技術、微電子技術和計算機技術的迅猛發展，與普通的視頻監控DSP攝像機相比較，DSP智能攝像機的硬件成本增加并不多，主要是軟件成本的增加。但它隨著推廣數量的增長會迅速下降，其性價比將凸現。顯然，平安城市建設市場的巨大需求、技術的進步與成熟，DSP智能攝像機將會迅速崛起。
五、結束語
由上看出，數字化、網絡化、智能化是視頻監控技術發展的必然趨勢，DSP智能攝像機的出現正是這一趨勢的直接體現。電視監控系統由目視解釋轉變為自動解釋，是電視監控技術的飛躍，是安防監控技術發展的必然。
DSP智能攝像機，尤其是檢測識別報警型比普通的DSP攝像機具備更加強大的圖像處理識別能力和智能因素，因此可以為用戶提供更多高級的視頻分析功能，它可以極大地提高視頻監控系統的能力，并使視頻資源能夠發揮更大的作用。顯然，沒有檢測識別報警型DSP智能攝像機的監控系統，大多是事后的亡羊補牢，而不能事前預警，防患于未然，也就不能真正做到保平安。因此，智能化是電視監控技術的發展方向。
隨著光電圖像處理技術、視頻分析技術、多媒體數據庫、人工智能技術的發展，檢測識別報警型DSP智能攝像機能夠及時、自動地從原始信息中提取大量的有用信息。這些信息可以傳輸保存和檢索，也可以驅動其他數據、觸發其他行為，輕而易舉地完成人力很難完成的任務。計算機和光電圖像技術的結合，使得圖像自動檢測、視頻分析成為可能，從而可以使視頻監控系統具備智能，從而產生了許多新型的應用。視頻分析可以大大提高監控效率，還能從復雜的數據中辨認行為和類型，還可提供操作命令、數據和信息。未來的視頻監控系統很大程度取決于DSP智能攝像機的智能分析系統的成功與否，它有望提供高效低廉的、能有效地監視、警告、預報安全威脅的全面的安全監控系統。
顯然，DSP智能攝像機具有廣泛的應用前景，并且已經顯示了巨大的市場價值。尤其是美國9·11恐怖襲擊事件與英國爆炸案以后，各國都高度重視這樣一個問題，即如何對國家重要安全部門和敏感的公共場合進行全天候、自動的、實時的智能監控。而有著檢測識別報警型DSP智能攝像機的智能視頻監控系統，就是解決這一問題的最有效的手段。
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