智能摄像机的硬件架构及算法类型应用

　　智能摄像机的称呼由来已久，从最开始的模拟摄像机、模拟球机、标清网络摄像机到如今的高清摄像机，都有被称之为智能摄像机。而“智能”的定义，也是没有统一标准的，例如支持CCD的参数可调、具备自动白平衡、支持移动侦测、支持视频遮挡检测以及支持周界防范等都可以被称之为智能。以上因素在相当程度上造成目前市场上智能摄像机种类杂多的情况，以至于让用户很难区分，如雾里看花。

　　但是，随着最近两年高清视频监控的发展及市场应用的日趋成熟，行业内对智能摄像机的定义开始清晰，即具备智能视频分析功能的高清摄像机。这一理念已经逐步为厂商和用户所认可。智能摄像机的硬件架构比较简单，但是根据内嵌的智能分析算法的不同和输出的接口的差异，又可以分为很多种类。

　　智能摄像机的硬件架构

　　与传统的模拟摄像机或者网络摄像机相比，智能摄像机最大的特点是具备智能分析的功能，因此，在硬件上一般会多一颗CPU芯片——DSP、ARM或者FPGA。这颗芯片负责智能摄像机内部智能分析算法的运算。下图为一般的智能摄像机的结构框架。

　　SENSOR和ISP部分

　　SENSOR一般采用CCD或者CMOS。目前监控用的智能摄像机由于应用的领域较为关键、技术相对先进，所以大部分都采用200万像素以上的CCD芯片，但是随着CMOS技术的成熟，目前已经有逐步往CMOS发展的趋势。ISP部分主要指对CCD信号的后期处理，如白平衡、曝光时间等的调整，其又分为两种情况：传统情况下一般会采用一颗独立的DSP来完成，但是近年来也有芯片厂商将这部分的功能整合到视频压缩的ASIC芯片中，提高集成度。

　　智能分析运算CPU

　　 这部分的主要功能就是运算摄像机内嵌的智能分析算法，并主要采用FPGA和DSP来实现，且目前两种方案都有厂商在使用，比较而言后者应用更多，用户的认可度也较高。据悉，这部分目前也出现有视频压缩芯片厂商将之整合到视频ASIC中的情况，利用ASIC芯片中日益强大的ARM芯片来实现分析的功能。

　　视频压缩部分

　　这部分目前技术非常成熟，按实现方式主要分为三大类：一是用FPGA来实现，但是成本高，难度大，现在已经很少看到；二是用DSP来实现，这种方式非常成熟，不过也是由于成本和开发难度的问题，已经逐步为ASIC方式所替代；第三种就是ASIC方式，芯片厂商会在ASIC内部固化视频压缩算法及基本的功能API接口，终端厂商开发的难度大大降低，同时由于实现了专芯专用和批量化的流片，芯片的成本也大大降低，为网络摄像机的普及奠定了良好的基础。目前的ASIC芯片性能已经相当强劲，单芯片已经可以支持16个D1，压缩一个标准的1080P视频更不在话下。另外，ASIC芯片现在可以集成越来越多的功能，上文提及的ISP和智能分析CPU现在都可以集成到一颗ASIC芯片上。采用视频压缩芯片的智能摄像机方案一般都输出网络接口。

　　SDI的转换输出部分

　　这部分一般为可选部分，如果选择SDI的转换部分，上述的视频压缩部分就不再需要，经过ISP和 CPU处理分析的视频数据可以通过SDI的转换芯片转换为符合标准的HD-SDI信号，输出给相关的传输或者终端设备。

　　智能分析算法的几大类型及应用

　　智能分析是智能摄像机的核心功能，其功能和性能又完全取决于其内嵌的智能分析算法，根据目前业界发展的趋势和市场的需求来看，我们可以大致将目前应用的智能分析算法分为以下几个类型：

　　车牌识别功能

　　目前支持车牌识别的智能摄像机主要应用于交通领域，如闯红灯、卡口、停车场等的应用。和以前传统的摄像机配合处理主机的系统相比，智能摄像机采用一体化设计，一方面降低了成本，另一方面减少了系统连接，降低了故障率。内置车牌识别功能的智能摄像机是以后交通领域应用的趋势。

　　交通行为分析

　　主要是指除闯红灯以外的交通违章行为的检测和分析，如违章停车、压黄线、逆行、不按车道行驶、违章左行右行等。以前的系统受系统性能限制，基本上无法实现上述的功能。由于CPU芯片性能的提升和采用的高清相机具备更大的视野，智能摄像机目前已经可以较为完善的实现上述功能。

　　基础行为分析

　　基础的行为分析主要包括绊线、周界防范、物品遗留、物品丢失、人员聚集等，这部分的技术比较成熟，从智能分析进入安防领域开始，这些功能便开始存在，因此目前这些算法应用较为广泛。

　　视频质量诊断

　　视频质量诊断指的是对摄像机本身图像质量的监测，如雪花、条纹、视频丢失等，由于该算法主要是起到自测作用，因此一般会绑定其他功能一起使用。

　　流量计数统计

　　计数功能主要分为人员计数和车辆计数，人员计数主要用于出入口控制或统计，如地铁、机场、火车站、超市等。车辆计数主要用于卡口、交通密集度的监测等。

　　人脸识别功能

　　人脸识别功能分为人脸检测和人脸对比，后者需要基于前者来实现，前者主要用于辅助计数和目标侦测，后者主要用于人员识别以实现门禁权限控制、考勤、重要人物识别等。

　　外部输出接口的差异

　　 根据使用场合划分，智能摄像机的接口分为网络接口和HD-SDI接口。目前绝大部分的智能摄像机采用网络接口传输，传输协议采用标准的TCP/IP协议。不同的是有的智能摄像机采用网络接口传输图片，而有的智能摄像机采用网络接口传输经过压缩的视频流，目前这两类摄像机有整合的趋势，即一个摄像机支持多个码流，既可以传输图片又可以传输视频流。网络摄像机的优势是协议标准、部署方便且对传输媒质的要求相对较低。

　　HD-SDI接口是新兴的需求，由于网络接口有不可避免的画质损失和传输延时，在一些特定的场合，可以采用HD-SDI接口的智能摄像机。HD-SDI接口具备画质优秀，传输延时较低的特性，但是HD-SDI对传输的要求比较严格——短距离使用同轴电缆来传输，而远距离就必须使用光纤了。与网络接口相比，HD-SDI接口的设备在整体系统构建的时候需要投入的成本要高很多。

　　结束语

　　随着高清化和智能化的迅猛发展，优势结合后的高清智能摄像机势必会成为未来视频监控的代表性产品。相信通过业界同仁的共同努力，智能摄像机的技术和市场都会实现质的提高，智能摄像机将成为以后监控市场前端设备的主力军。
 

(作者单位：天津天地伟业数码科技有限公司)