算法和应用的深度整合加速智能视频分析的应用

作者：李云栋

　　传统视频监控系统，无论是模拟系统、模数混合系统还是数字系统，其数据流遵循的是采集、传输、显示、存储的流程。显然中间只有信息的获取，并没有对获取的信息进行理解。传统视频监控系统是依靠值班人员盯住视频画面，只当发现异常时才进行处理。这对值班人员是个挑战，特别是监控系统的规模日益庞大，实时发现异常并报警变的越来越不可能，只能事后通过录像进行追溯。智能视频分析正是为解决这个问题而出现的先进技术。智能视频监控系统相比传统监控系统最大的不同在于增加了对信息的理解和分析环节，即根据预设的规则对视频信息进行分析，并产生联动报警，从而实现实时报警和主动报警。

　　智能视频分析技术的应用现状

　　上世纪90年代，由美国国防高级研究项目署主导的视觉监控重大项目VSAM（Visual Surveillance Monitoring）吸引了众多高校科研机构的参与，从而拉开了智能视频分析技术研究与应用的序幕。至今，智能视频分析技术已经有近20年的应用，世界范围内已经部署了很多智能分析系统，并在运行。但是应该看到过去的智能视频分析应用基本属于集中式应用，大多是基于PC机的应用。直到近2、3年，随着网络视频监控系统的部署和众多大型监控项目的上马，基于嵌入式设备的智能分析系统才开始得到更多关注和应用。

　　智能分析的高层应用主要包括区域防范、行为理解、物体识别、烟雾火焰识别、PTZ跟踪、交通管理等。目前市场上智能分析应用大多局限于区域防范，包括入侵检测、绊线检测等，其它更复杂的工程应用还不多见。一方面我们认为智能分析是视频监控发展的重要方向之一，另一方面也应该看到智能分析的工程实践还面临很多问题。

　　究其原因，首先是技术方面的原因，智能分析是技术而绝对不是科学，它的成功实施需要多方面的配合，而智能分析技术也处于发展过程中；其次国内企业在技术积累方面做得不够，大多数OEM国外公司的算法，真正掌握核心算法的国内企业没有几家，很难针对具体场景做出算法上的调整。

　　智能分析技术可以根据底层建模和高层建模两部分进行划分。底层建模包括背景建模、目标检测、目标跟踪、特征提取等基本算法，高层建模则是根据预设规则进行判断，生成分析结果。

　　智能视频分析最理想的搭载平台

　　当前，国内智能视频监控系统刚刚开始实施，还没有相关标准可以依据。再加上智能分析本来也没有标准算法，没有标准指标，所以项目的实施大多根据设计人员的经验和业主的需求，系统实施更是见仁见智。

　　智能视频监控系统相对于传统监控的最本质不同在于增加了信息理解和分析环节。理论上，信息理解和分析可以发生在数据流的各个阶段，也就形成了不同的智能分析解决方案。信息理解和分析在前端采集单元执行，赋予摄像机以智能，形成智能摄像机，包括模拟摄像机和网络摄像机；信息理解和分析在中间单元执行，形成智能DVR设备；信息理解和分析当然也可以在后端服务器执行，形成集中式智能监控系统。

　　不同解决方案有不同的特点，对系统设计的要求也不相同。相对于中、后端的集中式部署，我们认为前端处理、分布式处理更具有竞争优势，原因如下：首先是处理器处理能力的问题。智能分析需要对图像像素逐点分析，运算量巨大，当输入视频路数较多时采用集中式处理处理器的带宽无法支撑。分布式处理虽然单个处理器能力并不强大，但仅处理一路还是足够的。

　　其次是网络带宽问题，集中式处理需要所有视频数据都传输到服务器，而分布式处理则可以根据分析结果选择性传输。

　　最后是成本问题，分布式处理可以在原来硬件的基础上不增加成本或者仅增加很少成本即可实现智能分析，相同视频路数显然集中式处理增加的成本更多。

　　综上所述，网络摄像机是智能视频分析最理想的搭载平台。

　　智能视频监控系统的设计

　　Emvideo是全球著名DSP供应商，ADI公司的第三方和紧密合作伙伴，专注于提供基于Blackfin DSP的视频解决方案。Emvideo可以提供处理器级、板级和系统级的三种智能分析解决方案，分别对应于新设备研发和老设备的改造。下面分别从这三方面阐述智能分析技术的整合。

　　1、智能分析处理器级整合

　　处理器级的智能整合是指智能分析算法直接运行于网络摄像机的主处理器之中，是最彻底且成本最低的整合方法，但是对处理器的运算能力要求较高。目前，市场上主流的网络摄像机方案包括TI Davinci系列、ADI Blackfin系列、Hisilicon 351x系列、Grain FIC81xx系列等。通常SOC处理器缺乏足够的灵活性和编程优化能力来满足智能分析算法带来的挑战，而DSP处理器良好的可扩展性、指令优化能力可以满足智能分析复杂的算法。Emvideo智能视频解决方案正是基于ADI Blackfin DSP处理器将智能分析算法移植到网络摄像机的处理器中，实现了算法和应用的深度整合。

　　Emvideo作为ADI的全球IP Camera合作伙伴，早在两年多前已经推出网络摄像机解决方案并已经协助客户量产。随后公司敏锐地把握到智能视频分析的市场机会，及时组织研发力量在高校多年研究成果的基础之上推出智能分析算法并内嵌到网络摄像机处理器平台中。利用原来网络摄像机中的Blackfin DSP强大的处理能力实现智能分析，而未增加硬件成本，这是Emvideo方案的一大特色。Emvideo CA3100智能网络摄像机方案的硬件组成结构如图一。