要建成智能網(wǎng)絡安防監(jiān)控系統(tǒng)，首當其沖的應使網(wǎng)絡攝像機智能化。但如何充分利用網(wǎng)絡攝像機富余的CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識別的軟件算法到網(wǎng)絡攝像機中，是目前國內(nèi)外安防學者研究的重點之一，而這也是本文探討的重點。本文介紹一種用于平安城市的新的單路高清IP網(wǎng)絡攝像機的功能模塊方案、智能網(wǎng)絡攝像機可具備的合適的智能化功能，以及這種智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案。
美國9·11及英國爆炸案事件震驚全球，使世界各國均加強了安防建設與安防智能化的研究。我國也不例外，隨之提出了平安城市建設的要求，企圖通過一批批城市的安防試點，使全國城市均建設成平安城市。顯然，在平安城市中，為確保人民生命和財產(chǎn)的安全，一般都安裝了成千上萬的攝像機。雖然安防系統(tǒng)已由第一代模擬系統(tǒng)經(jīng)半數(shù)字化、數(shù)字化發(fā)展到第三代的網(wǎng)絡安防系統(tǒng)，但這種大系統(tǒng)也意味著安全保衛(wèi)人員必須長時間高度緊張地同時觀察很多監(jiān)視屏幕。這從人的生理角度來說，是不可能做到的，且這種系統(tǒng)也還是一種事后取證的系統(tǒng)，因而還不能真正保城市的平安。
科學地解決上述問題的方法，即要真正保城市的平安，就必須要使安防監(jiān)控系統(tǒng)智能化，即要使安防監(jiān)控系統(tǒng)做到自動探測、自動分析處理與識別，當發(fā)現(xiàn)有異常時，即能自動地準確地進行預/報警。因此，這就需要應用計算機技術(shù)、DSP分析技術(shù)、光電圖像測量技術(shù)等將人類從這種繁瑣、緊張而簡單的工作中解放出來。借助CPU的多任務處理能力，以及高端智能軟件算法，自動監(jiān)視和分析識別所監(jiān)控的光電圖像有無異常情況發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)異常，就立即預/報警，并自動啟動錄像與屏幕顯示，從而使危險事故消滅在萌芽狀態(tài)，以保城市的平安。
眾所周知，拾取所監(jiān)控的光電圖像要靠攝像機，而模擬攝像機只能傳輸單向的視頻信號，其性能受制于DVR和操作員的水平。但網(wǎng)絡攝像機能夠傳輸全雙工的數(shù)字化信息，并能夠與系統(tǒng)內(nèi)的其他設備有效集成，使它們能夠在一個分布式、可擴展的環(huán)境下達到更高的性能水平。網(wǎng)絡攝像機可以與多個應用系統(tǒng)并行通信，以實現(xiàn)各種不同的功能，例如偵測畫面中的運動情況，或發(fā)送不同格式的視頻流等。帶有IP地址的攝像機更加方便組網(wǎng)，因為它不需要進行額外的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，也不需要在攝像機端安裝發(fā)送設備，所以攝像機的尺寸將會越來越小，而這也更便于隱蔽，是安防監(jiān)控系統(tǒng)所需要的。
網(wǎng)絡攝像機將傳統(tǒng)攝像機和電腦的功能整合到了一起，其不僅將視頻信號數(shù)字化并壓縮，還擁有一個網(wǎng)絡接口。其視頻通過IP網(wǎng)絡傳輸，并記錄在裝有視頻管理軟件的標準PC上。用網(wǎng)絡攝像機組成的網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)是一個真正的網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)，同樣也是一個完全數(shù)字化的系統(tǒng)，因為沒有使用任何的模擬設備。所監(jiān)控場景的視頻信號，從網(wǎng)絡攝像機持續(xù)不斷地通過IP網(wǎng)絡進行傳輸，無論瀏覽者所處何處，攝像機都能給瀏覽者提供穩(wěn)定的圖像質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡攝像機最適于應用在平安城市的網(wǎng)絡安防監(jiān)控系統(tǒng)中。而要建設成智能網(wǎng)絡安防監(jiān)控系統(tǒng)，首當其沖的應使網(wǎng)絡攝像機智能化。這樣，所監(jiān)控的視頻圖像，經(jīng)過前端智能網(wǎng)絡攝像機的分析識別后，可只將有異常的圖像傳輸?shù)胶蠖巳ビ涗浥c顯示，因而可大大減輕網(wǎng)絡的負擔。但如將智能軟件算法全部加入前端網(wǎng)絡攝像機中，由于其本身的CPU資源有限，往往需要提高前端設備的配置或者使用專用的視頻分析儀器共同作用，這樣勢必使設備的體積與成本大大增加，因而也不是我們所需要的。
由此，如何充分利用網(wǎng)絡攝像機的富余的CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識別的軟件算法到網(wǎng)絡攝像機中，是國內(nèi)外安防學者研究的重點之一，而這也是本文探討的重點。
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單路IP網(wǎng)絡攝像機的功能模塊方案
與普通的攝像機相比,網(wǎng)絡攝像機的內(nèi)部主要是增加數(shù)字化處理與數(shù)字視頻壓縮以及網(wǎng)絡接入功能，即將數(shù)字化的視頻信號轉(zhuǎn)換成符合網(wǎng)絡傳輸協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）的數(shù)據(jù)流，以便送到網(wǎng)上傳輸。因此，一臺網(wǎng)絡攝像機可以被看作是一臺攝像機和一臺電腦的結(jié)合體。它能夠捕獲影像并直接通過IP網(wǎng)絡進行傳輸，從而使授權(quán)用戶能夠通過標準的基于IP的網(wǎng)絡基礎構(gòu)架，在本地或者遠程地點實現(xiàn)觀看、存儲和管理視頻數(shù)據(jù)，或者監(jiān)聽該攝像機內(nèi)置麥克風采集的現(xiàn)場聲音。
由于網(wǎng)絡攝像機上還有通信（COM）接口，使網(wǎng)絡攝像機具有控制數(shù)據(jù)的捕獲及轉(zhuǎn)換功能。因為通過COM接口可與外接的解碼器相連接。因此，網(wǎng)絡上任一授權(quán)用戶的PC機，就可通過網(wǎng)絡傳輸經(jīng)由攝像機COM口，對其外接的解碼器發(fā)送指令，使攝像機云臺與鏡頭根據(jù)需要動作。同時，該COM接口也可以從前端接受數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上的任一臺PC機上。
網(wǎng)絡攝像機上還有報警（ALARM_I/O）接口。這種報警信號接入端子可以接收由各類報警傳感器傳來的開關(guān)量信號，并對其進行編碼，而后送入TCP/IP網(wǎng)絡，通過應用軟件對該報警信號進行各種聯(lián)動響應設置（如發(fā)出聲、光報警與進行報警錄像等）。
由于每臺網(wǎng)絡攝像機都擁有自己獨立的IP地址，能夠直接連接到網(wǎng)絡，并內(nèi)置Web服務器、FTP服務器、FTP客戶端、Email客戶端、報警管理、可編程能力以及其他眾多的功能。網(wǎng)絡攝像機無需與PC機連接，也可以獨立運行，并可安置在任何一個具備IP網(wǎng)絡接口的地點。除了視頻信息之外，網(wǎng)絡攝像機還能夠通過同一網(wǎng)絡連接去實現(xiàn)更多其他的功能，并傳輸其他一些有用信息，如視頻移動偵測、音頻、數(shù)字化輸入和輸出（可用于實現(xiàn)報警聯(lián)動，如觸發(fā)警報或激活現(xiàn)場照明等）、用于傳輸串行數(shù)據(jù)或進行PTZ設備驅(qū)動的串行端口等。網(wǎng)絡攝像機中的圖像緩存，還可保存并發(fā)送報警發(fā)生前后的視頻圖像。
因此，IP網(wǎng)絡攝像機可將獲取的視頻源在本地進行預處理、壓縮，然后通過IP網(wǎng)絡進行遠端傳送與存貯。其重要組成部分包含視頻預處理、視頻壓縮以及IP網(wǎng)絡視頻(Video-OverIP)功能。目前，IP攝像機的輸入數(shù)據(jù)格式是：1路D1/25幀/s＋1路CIF/25幀/s，這樣通?？捎?片Cyclone Ⅱ EP2C35和1片低成本處理器來實現(xiàn)。
由于目前IP攝像機的分辨率正在由標清D1逐步進化到高清(1280×1024)，并且必須進行本地實時壓縮，因而只能采用硬壓縮方式。如果采用多片DSP處理器，則將使系統(tǒng)成本、集成度和功耗增加，而讓用戶無法接受；如果采用單片低成本的FPGA器件，則性能又無法滿足設計要求。但若采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件，則可達到要求。因為這種器件是具有相對應的結(jié)構(gòu)化ASIC_Hard_Copy系列器件，它還可進一步將成本降低到1/10，并降低50%的功耗。因此，采用這種FPGA器件的單路高清IP攝像機的功能模塊如圖1所示。
圖1中，視頻輸入預處理部分(含濾波、縮放等功能)，可以用Altera公司的VIP套件實現(xiàn)。而1路1280×1024/25幀/s＋1路CIF/25幀/s與H.264視頻壓縮則均將在FPGA硬件中實現(xiàn)。NiosⅡ處理器和VoIP參考設計可實現(xiàn)視頻到IP網(wǎng)絡的映射，并在以太網(wǎng)上傳輸。
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此外，還可通過連接一片低成本的DSP處理器，來協(xié)助做一些視頻碼流的分析工作，雖然這些工作的邏輯關(guān)系比較復雜，但對性能要求并不高。采用Altera公司自定義的片內(nèi)總線Avalon和SOPCBuilder系統(tǒng)集成工具，可將所需外設自動集成互連在一起，從而可大大提高設計效率。
由于平安城市建設的需要，更加推動了視頻監(jiān)控的發(fā)展，從而也推動了FPGA在這一領域的應用。尤其現(xiàn)在要求多通道、高清晰、網(wǎng)絡化、通信接口高速化、智能化，都促進了FPGA在這一領域的進一步發(fā)展。反之，F(xiàn)PGA的芯片技術(shù)、IP核、參考設計的進步和更新，又推動了視頻監(jiān)控的發(fā)展。
智能網(wǎng)絡攝像機可具備的智能功能
利用網(wǎng)絡攝像機的優(yōu)勢而形成的智能網(wǎng)絡攝像機，是嵌入有智能化功能的網(wǎng)絡攝像機。我認為可充分利用前端網(wǎng)絡視頻設備所富余的CPU資源，來實現(xiàn)一些較簡單而基本的智能視頻功能。這樣，根據(jù)不同的應用可嵌入網(wǎng)絡攝像機中的智能化功能有。
可有視頻遮擋與視頻丟失偵測的識別與預/報警功能
在一個大型的安防監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控中心的值班人員所能顧及或者查看的最大可能是幾十路視頻圖像。如果系統(tǒng)中某一路視頻圖像被遮擋或丟失時，大多是這一路攝像機被人為遮擋或破壞或本身故障等，而值班人員很難在第一時間發(fā)現(xiàn)，這有可能會帶來重大的安全隱患。但當系統(tǒng)具有視頻遮擋或視頻丟失偵測感知的智能識別與預/報警功能時，值班人員則能第一時間根據(jù)聲光報警去進行查看與處理，從而可消除視頻圖像被遮擋或丟失所造成的安全隱患。
可有視頻變換偵測的識別與預/報警功能
在一般的網(wǎng)絡安防監(jiān)控系統(tǒng)中，當其中某一路視頻圖像變換了(即不是原設定的設防點的視頻圖像范圍)時，這多半是罪犯想對原設防點實施犯罪而移動了攝像機或攝像機受到較大的震動而移動等，值班人員在第一時間也很難發(fā)現(xiàn)。但當系統(tǒng)具有視頻變換偵測感知的識別與預/報警的智能功能時，值班人員則能在第一時間根據(jù)聲光報警進行查看與處理，從而可消除視頻變換所造成的安全隱患。
可有視頻模糊與對火災、霧災、風沙災偵測的識別與預/報警功能
在智能安防監(jiān)控系統(tǒng)中，當偵測到其中某一路視頻圖像模糊，即可能是攝像機鏡頭被移動(即焦距丟失)，或者是火災前的煙霧、或大霧天氣、或風沙災(即大風或沙塵)引起的原設定的視頻圖像模糊不清等時，即可自動啟動錄像、定點顯示與預/報警。這樣，值班人員就能第一時間根據(jù)聲光報警的指示位置去進行查看與處理。并且，還可參考氣象臺當天的預報，以判別是天災或者人禍。
可有對水災、危房、橋梁、山石崩、雪崩、地震偵測的識別與預/報警功能
在智能安防監(jiān)控系統(tǒng)中，還必須有對城市水災的水位、危房、橋梁易斷處、道路危險路段或鐵路公路旁易發(fā)生山石崩、雪崩以及地震站偵測地震等的地方，進行智能檢測與識別。為檢測方便易行，最好安置帶十字刻度標尺的攝像機加上這種智能軟件模塊去進行監(jiān)視。當視頻設防點的視頻圖像移動到十字標尺的某一警告刻度時，經(jīng)智能軟件識別即能自動啟動錄像、定點顯示與預/報警，從而使值班人員能第一時間根據(jù)聲光報警去進行查看與處理。
可有視頻移動偵測的識別與預/報警功能
在智能安防監(jiān)控系統(tǒng)中，必須至少有視頻移動偵測的預/報警功能，這尤其在銀行、珠寶店、商店、倉庫、財會室、軍械室、保密室、博物館、油庫、以及一切重要的監(jiān)控的場所對安全性要求比較高的地方均需設置。當然，這一功能必須要濾除老鼠、貓、狗等小動物以及由光線變化等環(huán)境帶來的干擾，尤其在如雨雪、大霧、大風等復雜的天氣環(huán)境中，要能精確地偵測和識別單個物體或多個物體的運動情況，包括其運動方向、運動特征等。此外，視頻移動的檢測區(qū)域還可單獨地進行開或關(guān)，以適應特殊時間段各出入口、大廳、停車場等的要求等。
當偵測與識別到是不認識的移動人體侵入時，即自動啟動錄像、定點顯示與預/報警，使值班人員能第一時間根據(jù)聲光報警去進行查看與處理。并且，還要能根據(jù)其運動情況，自動發(fā)送PTZ控制指令，使帶云臺的攝像機能夠自動跟蹤物體。如人體超出該攝像機監(jiān)控范圍，也能自動通知人體所在區(qū)域的其它攝像機繼續(xù)進行追蹤，直到抓捕罪犯。
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可有出入口人數(shù)統(tǒng)計功能
可嵌入出入口人數(shù)統(tǒng)計功能，該功能可通過對攝像機所監(jiān)控的畫面進行分析，自動統(tǒng)計計算穿越國家重要部門、重要出入口或指定區(qū)域的人或物體的數(shù)量。
這一智能化功能的應用，還可廣泛在服務、零售等行業(yè)用來協(xié)助管理者分析營業(yè)情況，或提高服務質(zhì)量，如為業(yè)主計算某天光顧其店鋪的顧客數(shù)量等。
可有自動開關(guān)燈光、調(diào)整光強的智能功能
在黨政機關(guān)、學校、企業(yè)和大型家居環(huán)境，還可采用智能視頻分析技術(shù)消除巨大的電能浪費與安全隱患，如自動關(guān)閉不必要的燈或打開有人辦公工作的燈或視需要調(diào)整燈光的強度等。因為智能安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)可隨時計算出在一定的環(huán)境中什么位置有人走動或辦公，自動打開或增強相應位置的燈光，自動關(guān)閉或減弱其它位置的燈光。此外，它還可用來自動分析這些環(huán)境中的人是否與數(shù)據(jù)庫中己有的一致，如發(fā)現(xiàn)有外人，則及時預/報警等。
有能聯(lián)動相應防區(qū)的其它安全防范設備的綜合安全防范功能
一個智能安防監(jiān)控系統(tǒng)除必要的視頻監(jiān)控系統(tǒng)外，至少要能聯(lián)動相應防區(qū)的安全防范設備，如出入口控制系統(tǒng)，防火防盜報警系統(tǒng)等。即需要與門禁探測器、防火與防盜及煤氣與放射線泄漏等安全的報警探測器等設備聯(lián)動，以達到綜合化的安全防范功能。例如，當接收到門禁探測器、或防火、防盜及煤氣與放射線等泄漏的報警信號時，相應位置的網(wǎng)絡攝像機即可通過可預置云臺自動轉(zhuǎn)到相應的預置位，以自動進行錄像，并觸發(fā)警鈴與燈，以進行聲光報警，從而實現(xiàn)綜合化的安全防范功能。
上述的智能化功能，可根據(jù)用戶不同監(jiān)控地點的需要，分別安置於安防監(jiān)控系統(tǒng)前端的不同位置的攝像機中，當然有的較復雜一點的也可嵌入DVS與DVR中。
智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案
上述8項智能功能均可全部或部分嵌入網(wǎng)絡攝像機中，從而形成智能網(wǎng)絡攝像機。這種智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案，可通過前述的采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件的單路高清IP網(wǎng)絡攝像機的功能模塊方案，加上嵌入的智能軟件算法模塊來實現(xiàn)。
方案的組成與原理
一臺智能網(wǎng)絡攝像機，由攝像鏡頭、CCD或CMOS成像器件、A/D與預處理部分、智能軟件算法模塊、編碼壓縮模塊部分與網(wǎng)絡接口模塊等六部分組成。因此，實現(xiàn)智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案，其組成與工作原理框圖如圖2所示。
由圖2可知，攝像鏡頭收集所監(jiān)控場景的光學圖像，并將它們聚焦成像到CCD或CMOS成像器件的感光面上，其轉(zhuǎn)換輸出的視頻電信號經(jīng)A/D變換與除噪、圖像增強等預處理后，再送入嵌入智能軟件算法的模塊中。智能軟件算法是智能網(wǎng)絡攝像機最重要的部分，其算法的優(yōu)劣、異常信號分析識別的準確與否是該攝像機能否實用的關(guān)鍵。當智能網(wǎng)絡攝像機開始進入監(jiān)控狀態(tài)時，會把所監(jiān)控場景的圖像經(jīng)編碼壓縮通過網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后就只將有識別異常的信號，才經(jīng)編碼壓縮，通過網(wǎng)絡接口送到網(wǎng)絡中傳輸，這樣就可大大節(jié)省網(wǎng)絡帶寬的資源。
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由于通過視頻壓縮后傳輸，會失去一部分真實信息并產(chǎn)生一些噪音信號，這時用智能軟件對壓縮后的視頻進行分析與識別處理，相對會有更多的漏報警和誤報警。而本方案的智能網(wǎng)絡攝像機是對沒有壓縮的原始圖像進行目標提取，就顯然沒有上述問題。并且，它只有在出現(xiàn)異常需預/報警的情況下，才需要把相關(guān)的視頻發(fā)送到后端進行監(jiān)視和記錄，而一般情況下只需要通過網(wǎng)絡傳送很少的目標數(shù)據(jù)信息，這些目標數(shù)據(jù)信息的流量還不到視頻流量的1/50，從而減少了對網(wǎng)絡帶寬的要求和消耗，減少了用戶在網(wǎng)絡方面的投資，而同時對網(wǎng)絡條件不是很好的用戶也帶來了使用智能視頻網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的可能。
因此，實現(xiàn)智能網(wǎng)絡攝像機方案的重點是，選擇與設計好的智能軟件算法，然后將其嵌入DSP或與FPGA中，以形成智能軟件模塊部分。
方案的設計原則及要點
實現(xiàn)智能網(wǎng)絡攝像機方案的設計原則及要點是：
1、模塊化設計
這里所說的模塊化設計，主要是使智能化功能模塊化。個人認為上節(jié)所述的可嵌入智能網(wǎng)絡攝像機中的8個智能化功能，除前3個最基本的功能每個攝像機都需要而組成一個模塊外，其余可單獨組成。這樣比較靈活方便，可以根據(jù)實際監(jiān)控地點的需要而選取不同的模塊裝入，從而可減少資金投入，工程商也愿意接受。因此，進行模塊化設計不僅可給生產(chǎn)廠家?guī)矸奖?，也非常適合實際中的需要。
2、可靠性設計
任何產(chǎn)品均需進行可靠性設計，即要求系統(tǒng)所設計的結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品經(jīng)久耐用、系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。這樣，必須進行EMC設計，要可抗EMI、防雷電及各種干擾等，以便能適應各種惡劣氣候環(huán)境而不出現(xiàn)故障。
3、人性化操作設計
所謂人性化操作設計，即非常適合于人的簡單方便的操作使用。如盡量采用按鍵式操作，要有明確的指示燈和喇叭提示，在它安裝得隱蔽與高的情況下，還可使用遙控器，將日常操作集中在遙控器上。
4、實用化設計
所謂實用化設計，即系統(tǒng)非常實用，操作使用簡單方便、環(huán)節(jié)少、易學。能自動地方便地進行功能設置，以及與防盜、防火、門禁等系統(tǒng)聯(lián)動，自動化程度高，使系統(tǒng)能在實際可能發(fā)生受侵害的情況下及時預/報警。此外，還要求有自檢功能，并將自檢結(jié)果定時上報給管理中心，接受管理中心監(jiān)控，以便出現(xiàn)故障立即維護。
結(jié)語
由上可知，利用網(wǎng)絡攝像機的優(yōu)勢而形成的智能網(wǎng)絡攝像機，是嵌入有智能化功能的網(wǎng)絡攝像機。顯然，這種前端監(jiān)控設備的智能化，能有效地節(jié)省帶寬資源，是網(wǎng)絡智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一種較好的組成方式。這樣，在有智能網(wǎng)絡攝像機的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的后端，就只需集中對前端攝像機發(fā)送過來的目標數(shù)據(jù)信息進行管理，而不需要對視頻信號進行處理與識別，所以后端系統(tǒng)不需要昂貴的設備也能完成高效的智能視頻分析。由于后端只有前端發(fā)送來的預/報警事件的關(guān)聯(lián)畫面顯示，使監(jiān)控中心工作人員能夠很輕松地完成整個系統(tǒng)的監(jiān)視。而這種關(guān)聯(lián)錄像的功能，也使錄像搜索和回放變得簡單迅速，從而又節(jié)省了寶貴的時間。因此，上述智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案，是一種非常實用而有效的方案，歡迎咨詢合作與洽談。
值得指出的是，雖然智能網(wǎng)絡攝像機的實現(xiàn)方案比較好，但不能將所有的智能分析與識別功能都通過前端網(wǎng)絡攝像機來實現(xiàn)。因為它本身的CPU資源有限，要嵌入較復雜的智能軟件算法，往往需要提高前端設備配置，或者使用專用的視頻分析儀器共同作用，才能實現(xiàn)在前端進行視頻分析與識別的功能，所以需要合理配置。
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