智能化、集成化、民用化成芯片发展趋势

    【CPS中安网 cps.com.cn】走过2014年，2015年的安防行业充满着机遇与挑战。作为核心硬件设备的安防芯片也正在历经着技术的变革，无论从前端到后端均是如此。芯片技术的升级，最明显的就是产品设备在性能上的突破。现阶段，在视频压缩技术、视频处理技术以及智能化技术等方面都有明显突破。本文将从DSP芯片技术与图像传感芯片技术两个方面探讨安防芯片技术的发展。

　　DSP技术的智能化新突破

　　DSP是Digital Signal Processor，意思是数字信号处理器，就是用来完成数字信号处理的器件。

　　数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

　　新兴应用对DSP提出的特定需求安防称得上是在DSP应用方面走在最前列的领域之一。它正在经历更新换代过程，从以往用DSP进行视频编解码的普通DVR，发展到实现人脸识别、车牌识别、包丢失处理、入侵侦测等功能。这些先进的智能特性都需要通过DSP来实现大量先进的算法。如深圳富视安智能科技有限公司最新研发的视频监控设备智能分析、多目标跟踪系统，就是一个典型的智能视频监控应用。

　　多目标跟踪系统

　　多目标跟踪系统通过监控现场视频数据，对目标进行检测、跟踪、分类，并分析目标的行为，实时发送预警信息。当存在威胁或检测到异常活动及某种特定行为时，即时发出预警。通过已获得专利的算法检查视频中的每一个像素，并识别所有像素的变化。如果在一个区域有很多像素发生变化，该软件就认为这是一种移动。根据预定的策略和预警信息，对实时视频和记录视频中的移动或变化的检测会触发多种警报接口，并转发到蜂鸣或语音报警器、电邮或SMS信息，通过屏幕报警或其他行为以警示相关部门。

　　无论在室内还是室外，甚至在光线很暗的情况下，多目标跟踪系统先进的视频移动检测功能能够7×24小时内连续不断地精确检测多个移动目标的速度、方向以及大小。该算法还可定制以满足特定的安全需求。

 　　例如， 智能分析系统、多目标跟踪系统能够保护博物馆的馆藏，检测目标何时丢失、改变位置或违反规定的监视规则，如禁区、入侵检测系统等;还可以监控目标何时在何地停留了多长时间，这对在机场、火车站、地铁站找出潜在的恐怖装置尤为重要。

　　多个图像处理算法是电子警察系统实现实时智能视频监控的关键。因此，信号处理性能是富视安智能科技有限公司在选择处理器解决方案时的一个主要考虑。

　　公司的网络高清高速球机被选为使用核心DSP技术解决方案。不仅提供了更好的性价比，还提供了独特的双核设计。可将图像处理任务和系统控制任务分开在独立的计算域中，获得最稳定的实时性能。网络高清高速球能将现场情况拍摄并传给NVR存储等，允许用户配置IVS并恢复对象和事件列表。

　　基于纯DSP平台的电子警察

　　基于纯DSP平台的电子警察系统，是嵌入式高清纯视频电子警察系统(它同时具备闯红灯、卡口、监控等多项功能于一体)，具备高清纯视频检测车辆、号牌识别和红绿灯状态检测功能，可抓拍控制部分实现对检测部分采集的数据进行运算处理，分析违法过程，触发拍摄部分进行抓拍，压缩记录数据，实时网络数据传输等。目前，行业几乎都用工控机实现硬件构成，风扇、Windows操作系统都是工控机存在的不稳定因素。

　　富视安基于城市交通对电子警察的高标准需求，自主研发DSP嵌入式主机，采用最先进的数字处理技术，抓拍软件固化到DSP硬件中，属于纯硬件抓拍系统，在提高系统稳定性的同时，也大大提高系统的抓拍效力。中心违法后处理系统，安装通用型电子警察处理平台，平台兼容闯红灯系统、卡口系统、超速系统等捕获的违法数据，不论是高清抓拍还是标清图片均可录入违法系统中，方便一线干警实际工作，大大提高了工作效率。前端系统将违法照片自动传输到指定的数据服务器上，数据服务器端自动接收数据并入库。违法自动抓拍系统集多种功能于一身，系统在实时记录通过的车辆图像时，判断是否有违法驾驶行为(闯红灯、轧黄线、逆行、违法变线等)，同时识别车牌号码，并可测算车辆速度，数据传输可采用网络、串口、USB等多种方式。调节摄像头的光圈、快门等参数，保证抓拍图像的视觉效果，如图1、图2所示。可适应清晨、正午、傍晚、夜晚、夕照、车辆大灯、阳光直射、多云、以及雨、雪等天气情况。有能力处理大流量情况，可以处理每小时车道流量在10000辆(每秒3辆车)以上的极端情况。视频检测时间在5ms内完成，号牌识别在50ms内完成。系统高度集成，在原有闯红灯抓拍的基础上，拓展更多的功能，实现单台设备多台功能，多台设备单台的价格。主机可实现闯红灯及卡口监测自由切换，即实现红灯期间抓拍闯红灯，绿灯期间抓拍所有车辆实现卡口功能。本系统的各种判别方式、识别算法均采用软件实现，所以对系统的升级换代，只需更换软件，无需动硬件。

　　图1  车辆监控现场

　　图2  抓拍车牌信息传送到平台

 　　DSP芯片集成化成趋势

　　DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，实现DSP系统级集成电路，也就是当前主流的单芯片解决方案，简称SoC。

　　H.265视频编解码技术带来的变革

　　视频编解码技术决定了监控设备的传输能力。当前，H.264是主流的编解码技术。不过，自从H.265出现后，其受关注程度可以说是空前。

　　H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265 标准围绕着现有的视频编码标准 H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。

　　H.264由于算法优化，可以4Mbps左右的速度实现高清数字图像传送;基本上安防数字产品已经全部采用H.264算法，而新一代的H.265算法已经在芯片企业的量产推广阶段，预计1-2年左右，H.265编码格式将全面应用于安防数字产品，更高的压缩效率更低的编码码流，无疑又讲推动安防产业进入一个新的时代。H265则可以实现利用 1～2Mbps的传输速度传送高清音视频。安防行业的网络化产品已经普及，而网络化监控带来的最直接影响就是高清数字图像网络带宽瞬间暴增，存储容量以PB级计算，如此大的带宽需求及存储需求，让安防行业陷入了被动，如何优化编解码技术、如何降低存储技术。特别近年来，4K、高帧率等高清网络产品的出现，进一步加剧了这一现状，且高像素的编解码技术，迫切需要 H.265 的支持。因此， 2015 年，H.265必将成为安防监控行业的一大热点话题。更低的带宽占用量、更高分辨率视频的编解码能力、更优的画质表现，都让 H.265 成为安防厂家的不二之选，呼声一浪高过一浪。目前，华为已正式推出了Hi3516A的 H.265芯片，富视安智能科技已经推出H.265编码格式IPC和NVR，我们也将看到更多、更优秀的H.265 产品。

　　图像传感芯片的进步

　　图像传感器作为核心的成像元件，决定了前端视频采集设备获取的图像质量。从技术角度和像素发展角度而言， 主要的突破点集中在高灵敏度和低噪声。

　　在目前的监控用高清摄像机产品中，以130万和200万像素为主，且200万及以下像素的产品在传感器方面以CCD、CMOS平分秋色，200万像素以上的产品则主要以CMOS为主，但总体而言，高清摄像机在低照度、宽动态方面的表现仍有待提高，而CMOS Sensor的半导体工艺使低成本、高清晰度、大画面的成像效果成为可能。

　　高灵敏度、高速、高信噪比、低噪声、低照度、高动态范围、更强大的功能、更紧凑的尺寸是当前图像传感器的主要技术发展方向。

　　就单像素尺寸的工艺发展,由之前的1/4、1/3、发展到现在1/2.8、1/2.9、1;低照度是每个安防厂商都注重的技术，低照度拍摄水平在不断地提升，CMOS已经达到甚至超越了CCD的低照度拍摄水平。这也是未来不断发展和成熟的方向，随着CMOS感光度的提升，未来的sensor基本上都具有低照度的性能。

　　传感器的另一技术体现在于高速。未来的高清拍摄，甚至超高清4K2K的拍摄，都离不开高速CMOS的支持，未来将从30fps的需求，到达60fps的视频播放视觉需求。更高的帧速需要CMOS和高速读出电路的支持，这两方面也是要不断改进的地方。

　　传感器的每一次技术改进，都会强调灵敏度和信噪比这两个参数，因为他们决定了画质的评价。也通过改进模拟噪点消除模块和增加数字噪点消除模块，同时改进CMOS生产工艺，来达到更低的噪声。

　　结束语

　　在安防的产业链中，处于上游地位的无疑是各种标准协议，标准协议对安防芯片的设计和生

　　产具有关键的指导作用，芯片厂商根据标准协议设计出不同应用类型的芯片，如数字信号处理芯片(DSP)和用于图像信息采集的图像传感芯片(CCD芯片和CMOS芯片)。视频监控是目前安防行业芯片应用量最大的领域。

　　视频压缩标准方面，安防压缩国际标准从MPEG4、H.264发展到如今的H.265标准，压缩能

　　力逐步上升，这些标准已经在市场上取得了巨大的成功，尤其是H.265已经成为了安防乃至消费领域的事实标准，得以大量普及，特别是在高清领域得到广泛应用。2013年ITU组织更是推出了H.265标准，有望比H264的压缩能力提高一倍。

　　硬件方面，自从视频录像数字化以来，芯片技术一直在不断发展。早期的视频压缩采用的是PC机的CPU利用压缩软件对图像进行处理，存在着成本高、体积大、功耗高和稳定性差的缺点。随着嵌入式芯片的发展，特别是国内以海思为代表的厂商推出了Hi3516A等芯片，对高清和4K极高清的支持更上一层楼。这一系列安防芯片性能和功能的提升使得安防设备得以小型化并广泛部署于前端，安防市场得以迅猛发展。

　　未来的安防将越来越精细化高清和宽动态范围低功耗，基本有一下几个主要的方向：一是专业的公共安全，大型的国家级别公安系统使用的安防平台产品，如富视安智能科技研发基于海思Hi3516A 的IP高清200W像素摄像机BB78、BB63以及NVR等，使用富视安配套的产品还能实现智能视频分析人脸识别和车牌号识别等功能;二是民用安防，富视安智能科技研发的K01可以用在看家，关注老人、婴儿等并实现了移动互联手机实时观看。

【作者单位：深圳市富视安智能科技有限公司】

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