智能視頻監控應用系統設計攻略

? 隨著寬帶有線和無線網絡基礎設施的完善以及全球安防市場需求的增長，視頻監控的應用正呈爆發性的增長態勢。視頻監控系統的發展趨勢非常明顯，在經歷了數字化和網絡化之后，下一個重要的趨勢就是智能化，即智能監控和視頻分析技術的應用。

????? 傳統的視頻監控由人工進行視頻監測發現安全隱患或異常狀態，或者用于事后分析，這種應用具有其固有的缺點，難以實現實時的安全監控和檢測管理。帶有智能分析功能的監控系統可以通過區分監控對象的外形、動作等特征，做到主動收集、分析數據，并根據預設條件執行報警、記錄、分析等動作。智能監控系統可以運行于服務器，也可以運行在基于DSP的嵌入式系統上，而后者已逐漸成為主流。

????? 智能視頻的應用大體上可以分安防、人體行為檢測和智能交通三方面的應用。其中安防應用是被廣泛認為是最具潛力的市場，它包括以下幾個應用類別：入侵檢測，可以自動檢測出視頻畫面中的運動行為特征；物品移除檢測，可以自動檢測物品搬移事件——當防區內某特定位置的物品被拿走或搬走時發出報警；遺留物檢測，可以對遺棄物進行自動檢測——當物品在某個防區內被放置或遺棄的時候自動報警；智能跟蹤，可以使攝像機對自身的云臺和變焦鏡頭進行自主PTZ驅動。人體行為檢測應用包括脫崗檢測(可以實現自動檢測崗哨人員就位情況)、徘徊檢測(對重要區域人體徘徊檢測)。智能交通應用包括：對非法停留的交通工具進行檢測，當交通工具在防區內非法停留時發出報警；車輛逆行檢測，及時辨別逆行車輛。

????? 隨著準確率和可靠性逐步提高及產品成本的下降，智能視頻在越來越多的場合得到了應用，它能夠替代部分安防設備，降低安保人員的工作強度，提高工作效率，減少管理成本。事實上，智能視頻的應用具有非常巨大的潛力。隨著技術日趨成熟，智能視頻技術的應用領域正在迅速擴展，這些應用主要包括上述的安防、交通以及零售、服務等行業，如人數統計、人臉識別、人群控制、注意力控制和交通流量控制等。

????? 實時視頻監測的需求正在快速增長，特別是隨著實時安全監控應用的需求增加，實時發現安全隱患或目標異常行為的功能已經具有越來越重要的現實意義，智能視頻監測系統產品在這種日益增長的需求帶動下，正在成為視頻監控應用的新熱點。特別是隨著半導體技術的進步，例如以Blackfin匯聚式處理器為代表的先進嵌入式解決平臺方案的推出，具有極高性價比和極高實用性的智能視頻分析設備不斷推出，并在一些關鍵應用中發揮極為重要的作用。

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?支持哪些嵌入式操作系統。智能視頻分析通常是基于網絡的應用，必須要操作系統的支持，因此選擇具有廣泛嵌入式系統支持能力的解決方案非常重要，這樣能確保未來產品在更換操作系統時不至于必須更換硬件平臺，保證研發成果的持續可用性。目前可用的嵌入式操作系統眾多，各具優勢，硬件平臺方案對這些操作系統的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一。例如，Blackfin處理器可以支持目前主流的操作系統，包括uCLinux、ThreadX、Nucleus，uCOS-II等十多種嵌入式操作系統，客戶完全可以根據其自身要求選擇其熟悉的或更具成本效益的軟件架構基礎。

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二、開發工具和可用資源
????? 智能視頻監控設備是一個復雜的系統，涉及到復雜的軟硬件設計、人機界面、通信連接等，具有較高的系統設計難度。因此，所選擇的硬件平臺方案是否能提供完善的開發工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設計、系統設計支持，以及是否有完整的設計生態系統等，對于是否能按期高質量地完成系統設計非常關鍵。事實上，并不是所有平臺方案提供商都能提供這些支持。

????? 以Blackfin系列處理器為例，采用Blackfin處理器的硬件平臺從一般的DVR、IP攝像機、數字視頻監控到智能視頻監控，已經被全球大量的設備企業的廣泛采用。Blackfin處理器獲得眾多企業的青睞，具有完整的開發工具和參考設計等支持是其受廣泛歡迎的重要原因之一。ADI提供業界一流的工具、初學套件與支持，包括人們熟知的、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE?軟件與硬件工具，這些工具包括獲獎的VisualDSP++?集成開發與調試環境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite?評估版硬件。

????? 為提高開發效率，降低開發難度，開發時應盡量在已有的資源上進行，比如開放的例程，ADI為此提供了非常豐富的例程和資料。例如，ADI提供免費的“Image Tool Box”圖像處理函數庫軟件包，該軟件包專門針對圖像處理應用常用的數學函數進行了優化，供客戶在進行應用開發時調用。ADI還提供完整的參考設計，以及由本地合作伙伴開發的評估板、開發工具、算法IP、應用模塊，以及由第三方合作伙伴提供包括軟硬件在內的全套交鑰匙方案。Blackfin處理器的視頻監控應用目前在中國已經有多家具有豐富工程經驗的第三方合作伙伴，已經建立完善的生態系統。

????? 以ADI在今年三月份宣布提供基于該公司Blackfin BF526C的完整的IP監控和機器視覺攝像頭參考設計為例，該參考設計在單個匯聚處理器上提供了強大的視頻和音頻處理能力，為工程師提供了一個統一的軟件開發環境，可以實現更快的系統調試和部署，以及更低的系統成本。該處理器提供了集成的音頻編解碼器、流式視頻和IP協議、片上DRAM存儲器以及針對10/100以太網、USB和SD存儲和本地RS-232端口的接口。這種完全可編程的解決方案可以滿足多種視頻壓縮標準，例如H.264和MPEG4，支持音頻G.729標準的編碼。支持從控制中心到相機的雙向語音通信，以及利用Pelo-P或Pelo-D協議的鏡頭平移、傾斜和拉伸動作。該參考設計還提供一塊帶雙核BF561處理器的子卡，使系統能實現更高視頻分辨率，并提供實現高級視頻分析功能，如運動檢測和跟蹤。

應用方案揭秘——億維東方智能網絡攝像機
????? 北京億維東方科技有限公司(Emvideo)是專業智能安防產品的方案提供商，也是美國ADI公司授權的第三方合作伙伴。億維東方目前有多款基于ADI Blackfin處理器為核心的硬件平臺的產品，其中“軟件＋硬件”交鑰匙的WiFi無線視頻監控整體解決方案基于BF536＋BF561的雙處理器架構，方案硬件結構圖如圖3所示。

????? 其中BF536處理器作為主處理器，除負責完成音頻編碼、遠程控制以及用戶交互控制等一些基本的管理與控制外，還負責嵌入式操作系統uClinux的運行，以及先進的智能視頻分析功能，可以完成安防、人體行為、智能交通等多種智能視頻分析。雙核BF561作為協處理器負責視頻編碼算法，其強大的視頻處理能力使得該方案實現了H.264基本類@Level3.0和MPEG4 D1+CIF雙碼流的支持，未來更將可能擴展到能夠支持H.264 D1+CIF的雙碼流。兩個處理器之間可以通過高速同步串行接口通訊，視頻信號首先進入BF561處理器，采集編碼后的碼流發送到BF536處理器，然后通過網絡發送到客戶端進行解碼顯示。

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????? 該方案采用了先進的背景建模方法，能有效地克服光線變化、樹葉擺動以及水面波紋等背景對前景目標分析產生的干擾，實現準確的前景檢測，同時在目標跟蹤上采用了獨特的優化算放，實現了在入侵檢測(包括區域警戒、絆線檢測)的應用上超過90%的準確率。而所有這些都是基于BF536＋BF561雙處理器的硬件架構所具有的強大處理能力來實現的。

????? 該方案的智能視頻分析功能由億維東方公司自主開發，獨特的算法和豐富的智能視頻分析技術開發經驗確保實現客戶的智能識別應用需求，并為客戶提供包括軟件升級在內的完善服務。由于智能視頻識別應用目前并沒有任何可循的需求標準和測試標準，因此視頻分析方案通常需要針對客戶的應用特點和需求進行方案優化。例如有些用戶是地鐵系統的，他們需要的功能是檢測是否跨越候車的黃線、人群密度是否過大、是否有可疑的遺留物體等；有些用戶是銀行系統的，他們所需要的是ATM機的智能監控如分析是否有安裝假鍵盤、安裝吞卡器，在ATM機是否有暴力行為，是否出現犯罪分子的人臉等。利用該方案，客戶可以根據用戶的需求方便地進行調整算法。智能視頻處理要求芯片具有強大的處理能力，有許多算法實現時得采用并行處理，Blackfin DSP在算法并行處理上具有獨特的優勢，特別是ADSP-BF561的雙DSP核能夠實現很復雜的智能視頻處理算法。這是傳統的MCU+ASIC或采用一般DSP方案所難以實現的。

????? 該方案的軟硬件都經過了應用驗證，目前已經由多家客戶進行生產，目標應用將主要是政府行政效能監測、教育系統等行業用戶。

智能視頻應用設計攻略
????? 硬件平臺方案的選擇往往決定了系統的整體方案成本、性能、開發工具和方法的可用性，以及方案未來持續升級的可行性等，因此方案平臺選型至關重要。智能視頻應用自身的獨特性要求在硬件平臺的選擇上進行綜合權衡。視頻監控系統的網絡化和智能分析要求，以及大規模工程安裝對成本、體積和功耗的限制，非標準化的智能視頻分析方法和幾乎定制化的方案優化方式，使得結合了MCU和DSP優勢、具有軟件設計靈活性和強大處理能力的匯聚式處理器方案平臺體現出更加明顯的優勢。本文將結合ADI公司獨特的Blackfin匯聚式DSP處理器的特點，分析智能視頻設計中主要的設計技術要點。

一、硬件平臺選型
????? 可定制化能力非常重要。有很多因素制約著視頻監控系統智能化的應用步伐：首先是智能監控的視頻算法比較復雜，難于標準化，各個系統提供商的視頻分析軟件都有自己的獨特算法，導致市場上的產品沒有統一的標準；其次，視頻監控系統的應用場景比較復雜，用戶的要求多樣化，所以定制化的要求比較多。因此，視頻分析方案通常需要針對客戶的應用特點和需求進行方案優化，采用的算法千差萬別。此外，由于智能視頻應用的高復雜性，對方案的處理能力提出了更高的要求。MCU+ASIC的視頻監控傳統方案難以實現各種個性化的設計和高運算能力要求，即使選擇普通DSP+MCU的雙芯片方案通常也難以滿足智能視頻監控應用的復雜運算需求，需要增加協處理器，這種復雜的解決方案無論是BOM成本、功耗還是開發難度都不足取。Blackfin處理器充分發揮了MCU+DSP匯聚式架構的優勢，滿足了智能視頻應用的系統控制和高強度的運算需求，特別是以BF561為代表的高性能雙內核架構已經成為智能視頻應用的首選方案平臺。

????? 方案的可擴展性也是需要考慮的因素。智能視頻分析應用除了需要針對應用環境、應用目的進行方案優化外，不同的客戶可能還有其他方面的不同需求。例如，當前一些領先的數字視頻監控方案實現了H.264基本類@Level3.0和MPEG4 D1+CIF雙碼流的支持，未來可能擴展到支持H.264 D1+CIF的雙碼流。隨著智能視頻分析的更廣泛應用，如IP攝像機、無線視頻監控、智能交通系統等，不同應用都可能對各種接口功能、通信標準、用戶界面等的需求有較大的差異化，硬件平臺方案對各種需求的靈活擴展性非常重要。同時，正如前文所述，智能視頻分析技術發展不過數年的時間，隨著技術的不斷成熟以及一些相關的標準的出臺和改進，產品的可升級特性至關重要，既是開發者須關注的問題也是終端客戶關切的重要特性。Blackfin DSP在算法并行處理上具有獨特優勢，特別是ADSP-BF561采用雙DSP核，能夠實現很復雜的智能視頻處理算法。

????? 視頻應用優化特性。一些方案盡管具有較強的處理能力和可擴展性，方案是否主要針對視頻應用進行過優化設計也值得關注，因為這直接關系到設計工程師可用的軟硬件設計資源以及系統設計難度和可實現的性能。以Blackfin處理器為例，Blackfin為高強度、高數據率的數字和媒體處理做了專門優化：Blackfin的幾十個DMA通道和可靈活配置的Cache很好地滿足了視頻監控系統對大運算量、高數據吞吐率的要求；ADI專門開發了完全優化的音視頻編解碼器，并免費提供給大客戶；針對視頻應用Blackfin集成了很多硬件驅動，包括WiFi的驅動、音/視頻編解碼器的驅動；Blackfin的4個視頻算術運算單元和視頻象素指令集大大加速了視頻運算速度；在智能視頻分析的一些基礎算子中，例如直方圖統計、中值運算、Sobel運算、形態學中的膨脹運算等都可以利用Blackfin的MIN、MAX指令來消除條件跳轉，節省處理器周期。不僅如此，Blackfin還支持13種非視頻數據的向量運算。適當設計數據結構，在前背景分離、閾值計算和更新等多個環節都可以運用Blackfin的特色指令讓智能視頻分析算法更快捷。這些本身就很有效的指令中，大部分指令都能夠并行執行，使得Blackfin的處理能力再加倍。

????? 低功耗和穩定性很重要。考慮到智能視頻監控設備通常都是一周7天，每天24小時運行的，穩定性和功耗也比較重要。在低功耗上，Blackfin處理器采用了多種節能技術：基于一種選通時鐘內核設計，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源；支持多種針對所需CPU動作極少期間的斷電模式；Blackfin處理器支持一種自含動態電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執行的算法的性能要求；大多數Blackfin處理器都提供片上內核穩壓電路，并可在低至0.8V的電壓下工作。而Blackfin獨特的匯聚式處理架構、90nm工藝等打下了其領先的低功耗處理的基礎。由于高處理能力，基于Blackfin平臺的系統方案可以減少主芯片數量，豐富的功能和接口可以滿足各種外設和功能擴展需求，降低元器件數量，從而保證更高的穩定可靠性。目前在同價位DSP中Blackfin DSP的低功耗特性和穩定性是最好的。