DSP平台全面推进摄像机高清智能及网络化

　　当数字信号处理器（DSP）开始在图像数字化中得到应用，人们就已开始着手设计数字照相机，尽管早期样机无论是采集性能和分辨率都与实用还有较大距离。DSP平台性能和功能的提高，数字视频处理技术得到迅速发展，人们自然又把数字摄像机作为一个产品目标。当然要使之能够实现还需要依赖于形成和完善相关的产业链，特别是面向数字视频监控的数字摄像机，因为这里不仅包含数字视频压缩标准的演进，还有视频前端的光电处理、音频压缩处理技术、数字网络连接标准等等。当这些技术逐步成熟并实现产业化之后，新的需求又接踵而至，其中首先是高清化和智能化，然后就是更有效的网络化互通互通。在这里将介绍和探讨DSP平台是如何全面推进监控摄像机的高清智能及网络化的历程和趋势。

　　基于DSP数字摄像机的前世和今生

　　作为DSP领先者的美国德州仪器公司（TI）在数字照相机应用方面同样独占鳌头。首先基于TMS320C54x通用平台上实现影像压缩，然后将影像前端处理的分立器件集成为一个专用芯片，进而把两者合二为一并集成ARM7通用处理器，就是TMS320DSC2x系列通用数字相机平台。这是TI为业界首创的单片影像处理体系架构（SOC），之后又不断提升该平台的性能和功能，并成功推进更新换代。

　　与此同时，在通用DSP上实现数字网络摄像机的尝试始终没有停止，而真正的突破在与TI的DSP专家采用C6211实现的MJPEG实时处理系统。虽然外围还需要不少分立的期间，但是依赖于C6x高速并行处理能力，其视频性能在业界处于优异的水平。而其功能已经可以满足数字监控基本需求，并且系统较为当时的市场所接受，因此很快得到实际应用，其中在中国的产品化进程并没有落在国际之后。随着通用数字媒体处理器DM642的问世，数字网络摄像机集成度更高，而且可以支持实时H.264,并已集成视频口和以太网接口。DM642对数字视频监控的贡献是划时代，其成功不仅在网络摄像机，还有数字视频服务器、视频压缩卡、嵌入式硬盘录像机等。

　　影像SOC的继续创新表现在核心处理上集成协处理器，先支持影像后支持视频增强能力；在控制器上由ARM7升级到ARM9;在前端处理方面也由影像提升到视频功能等。至此，产品由DSC系列上升到DM270再到DM320和DM355.DM系列就是Digital Media,即数字媒体处理器的含义，该系列不仅支持JPEG静态影响压缩，还可支持MPEG-4实时处理，因此已经是数字摄像机的理想平台。将该器件扩展以太网接口就是网络摄像机，而且DM355可支持实时MPEG-4达到分辨率为720P.由于这个体系有视频前处理子系统VPSS,可以直接连视频传感器，由在主芯片上进行ISP处理的可能，就是使得网络摄像机达到一个更高程度的集成。
 

　　后来，沿着DM642的轨迹有了称为"达芬奇"的DM644x系列，集成有ARM9、DSP和VPSS的SOC平台，于是支持D1实时地H.264产品不少迁移到此平台以提高集成度；再往后，沿着DM355的足迹有了DM365,不变的是720P高清的性能，但已是支持H.264,而且有了以太网接口，前端也是名副其实的ISP单元。

　　总之，DSP启动了摄像机市场，就推动了数字视频监控市场的发展，而以此为核心的SOC又使这样的推动力向更高更新的技术领域迈进。

　　高清智能化的技术趋势及实现手段

　　到这里该谈到当前数字视频监控市场的迫切需求。众所周知，视频监控的使命就是保证安全，而其关键就在于要得到尽可能清晰的视频影像。数字视频与模拟视频在D1分辨率下并没有绝对的优势，所以720P或以上的高清才是其必由之路。1080P是高清数字电视标准的分辨率，也是许多高清数字监视器所支持的制式，因此高清数字视频监控应用也期待着能够尽早实现，这将使现有数字监控系统达到一个新的水平。TI的DM368可支持H.264编码达到1080P分辨率下每秒30帧，而且与DM365体系和管脚兼容，TI还有相应的数字网络摄像机参考设计，可以加快客户的开发和产品化进程。

　　再有就是所有"监控"的更高境界就是不仅要能监视，还要能够控制，特别是自动地控制，这就是为什么对智能视频内容分析的呼声越来越高。然而，智能视频的发展现状又如何呢？其实，从DM642开始，视频内容分析技术就由基于PC机的后端处理转向基于DSP的嵌入式前端处理，并且取得令人瞩目的进展。在达芬奇平台上，智能视频分析算法又得到了长足的进展，这不仅归功于DM644x平台，还得益于DM643x平台的推广。DM643x是以C64+的DSP核心为主，同时也由视频前端VPSS,还有SPI和PCI接口，可以作为从处理器协同出处理器工作。针对C64+核心，TI开发出一套名为VLIB的智能视频处理基础函数库，其类型多达五十多种，客户只需调用就可开发自己的智能算法，而且该软件包是免费的。

　　至此，一台高清智能化网络摄像机的雏形已经完成，如图1所示。由于DM36x已经免费捆绑了H.264、MPEG-4、JPEG和音频语音算法，客户需要做的工作就是在主控ARM9上开发有特色化的应用程序，还有就是在ISP上进行光电结合的独特调试。至于智能化的性能，DM36x前端已有人脸检测和视频稳定的功能可启用，若需要更多的功能不妨在智能视频处理子板上开发自己的算法或与第三方合作。目前已有许多厂商在该架构上开发，不久将会有众多的高清智能化的应用得到推广。不过要有更广泛的普及还有赖于智能视频与网络化更深层次的结合。

　　智能视频与网络化结合的必由之路

　　数字摄像机的智能化是按类型，分阶段来实现的。从应用领域来看，交通运输、商业和银行、政府职能部门为三个主要的应用，而这三个领域又都有分布较广，监控对象相对密集而监控人员有限，因此适合于网络化的数字监控产品，并且以采用高清智能化的网络摄像机为优选产品，这样就可以依托于诊-有的宽带网络系统。目前高端的网络摄像机可以采用高清智能化的比例还很低，这主要还是过去采用的方案成本较高且不过灵活。如果采用前面讨论过的典型设计将有可能使智能化的比例大大提高。为使IP Camera也有可能实现智能化而不增加太多的成本，TI新近推出DMVAx系列平台，可以兼顾高清、标清，甚至模拟摄像机的应用，如图2所示。
 

　　DMVAx也是的SOC的体系架构，同DM36x系列类似，而且管脚兼容，不过内部集成了一个视觉协处理器，所以在支持智能视频分析的同时，还可以实现视频编解码。DMVAx分为两代，DMVA1支持实时H.264下D1分辨率，DMVA2支持实时H.264下720P分辨率。它们所支持的智能视频功能有人数统计、警戒区监测、智能运动检测、摄像机防遮挡或攻击检测以及流媒体目标元数据分析等。与多芯片解决方案相比，该集成单芯片可将电子材料清单成本锐降三分之一，将板级空间减少一半，不但可满足低成本应用需求，而且还可为更广泛的安全监控应用实现视频分析功能。此外，该智能分析功能还可将供应链与设计复杂性简化为只需TI直接支持，从而可加速产品的上市进程。

　　在IP Camera的实际应用，网络带宽是影响推广的一个重要因素，特别是广域网。TI基于DM36x和DMVAx中的视频编解码对此采用一种称为Smart Codec的标准，可以在网络带宽较诚-,或码率很低的情况下对视频图像的感兴趣区进行特别的处理，以使之得到较多的码率而变得清晰。这种技术结合智能视频分析技术，可以确保数字视频远程传输质量不会因带宽的变化而恶化。例如，在启用人脸检测时，Smart Codec可以使得人脸的图像始终保持清晰；在对门口或窗口设定区域时，Smart Codec能够使任何进入这两个区域的目标都将显得清晰；若对特定警戒区采用Smart Codec,则该范围内的影像将持续清晰可辨。

　　Smart Codec的H.264编码符合标准，可以用通用的解码器播放。如图3为采用DMVAx的智能视频和网络化的结合。
 

　　为了更好地推广智能视频和网络化的结合，TI主导推进了IP Camera 的行业标准PSIA,同时也支持ONVIF标准，这将有益于更多的数字视频监控厂商和集成商更加方便地推广和使用网络视频监控新产品和新技术。  （作者系TI中国区通用DSP业务发展经理）