什么是高清攝像機(jī)

　　直到10年前攝像機(jī)系統(tǒng)還只能產(chǎn)生大約320×240像素的影像——或者稱之為VGA標(biāo)準(zhǔn)。隨后，文件格式被更特別地引向采用諸如ITU-R PAL制式的352×288像素的視頻標(biāo)準(zhǔn)(這有賴于它們是否采用PAL或NTSC視頻標(biāo)準(zhǔn))，畫面大小就是眾所周知的1CIF。為節(jié)省存儲(chǔ)空間，通常就采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸四分之一的影像(稱為QCIF)。如果將一個(gè)QCIF或1CIF的影像不管用什么方法放大，畫面將會(huì)充滿顆粒感，這是因?yàn)橄袼財(cái)?shù)并沒(méi)有隨畫面放大而增加。為解決這一局限性，許多制造商研發(fā)了能拍出更多像素的攝像機(jī)系統(tǒng)。

　　最初，分辨率增大至1CIF尺寸的4倍的分界點(diǎn)，即704×576像素/幀，稱之為4CIF，以及720×576像素/幀，稱為D1。如果要計(jì)算1CIF影像中的像素?cái)?shù)，結(jié)果大約是0.1百萬(wàn)像素，一幅4CIF的畫像也僅有0.4百萬(wàn)像素。

　　如今的百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)每幀都擁有更多的像素(名副其實(shí)地超過(guò)百萬(wàn))。事實(shí)上，在筆者寫此文時(shí)，300萬(wàn)和500萬(wàn)像素的攝像機(jī)已經(jīng)隨處可見(jiàn)了，而且數(shù)家制造商已發(fā)布了其高分辨率的攝像機(jī)系統(tǒng)，分辨率越高，圖像越清晰，影像能被放大很多倍而細(xì)節(jié)依然清晰可辨。這就使得識(shí)別系統(tǒng)(比如人臉識(shí)別或車牌識(shí)別系統(tǒng))和其它需要獲取影像細(xì)節(jié)以便作視頻分析的系統(tǒng)，甚至那些只依靠工作人員手動(dòng)放大影像來(lái)獲得更多細(xì)節(jié)以作證據(jù)用的非智能系統(tǒng)都能顯著獲益。

　　有兩類芯片技術(shù)普遍流行于攝像機(jī)制造業(yè)：CCD和CMOS。CCD芯片廣泛用于較低分辨率的攝像機(jī)。

　　制造商采用CCD芯片是因?yàn)樗^之CMOS芯片感光更為敏感，在光線較暗的地方仍能獲得到較好的影像。相比CMOS芯片，CCD芯片還能提供更為“干凈”的圖像，它顯示的影像具有較少的細(xì)小的瑕疵——通常稱為“噪點(diǎn)”，而對(duì)于CMOS芯片顯示的噪點(diǎn)就相對(duì)較多。

　　而另一方面，CMOS芯片制造成本更低，耗能少，節(jié)省成本即能轉(zhuǎn)化成低價(jià)格。

　　現(xiàn)在，絕大多數(shù)較新的攝像機(jī)都采用CCD技術(shù)，但無(wú)論如何，多數(shù)百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)制造商都采用CMOS技術(shù)以降低價(jià)格。傳統(tǒng)攝像機(jī)和大多數(shù)百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)所得到的圖像之間有品質(zhì)上的差異。因而，百萬(wàn)像素圖片(如果它們是用CMOS攝像機(jī)拍的)可能會(huì)擁有更高的分辨率，但也潛在地會(huì)有更多的噪點(diǎn)，在低照明度環(huán)境下圖片會(huì)不夠清晰。

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　　高分辨率百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的優(yōu)勢(shì)

　　就人眼而言，觀看百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)和低分辨率攝像機(jī)所獲得的影像在清晰度上的差異是非常明顯的。

　　其一就是數(shù)字放大影像，百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)能看到的細(xì)節(jié)部位，對(duì)低分辨率攝像機(jī)是不可能看到的;另一就是能夠使攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)擁擠的大型露天運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，如果有足夠的像素，比如選用百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)就可能看清每個(gè)人的面部細(xì)節(jié)，而低分辨率攝像機(jī)是做不到的，除非安裝多臺(tái)。

　　因此，百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)制造商就著眼于提高成像質(zhì)量以及人們能從每幀照片中能獲取多少的細(xì)節(jié)信息。

　　考慮到城市監(jiān)控中要用到成千上萬(wàn)個(gè)攝像機(jī)。如果有一宗在某個(gè)攝像機(jī)鏡頭前實(shí)施的罪行被記錄了下來(lái)，那就有可能對(duì)影像中某個(gè)關(guān)系人通過(guò)數(shù)碼放大來(lái)辨識(shí)他或她。這將極大地提高擁有此類監(jiān)控系統(tǒng)的價(jià)值，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的低分辨率攝像機(jī)攝制的圖像是很難辨識(shí)出任何人。

　　百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的缺點(diǎn)

　　百萬(wàn)像素圖像有個(gè)主要的缺點(diǎn)就是，因有太多的信息使得這些攝像系統(tǒng)的成像在存儲(chǔ)和傳送方面的花費(fèi)更高。從存儲(chǔ)和傳送1CIF影像到存儲(chǔ)和傳送4CIF影像，成本要增大4倍，而百萬(wàn)像素影像則可能更是高達(dá)10倍。

　　一個(gè)500萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)較之一個(gè)1 CIF攝像機(jī)需要50倍于后者的存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬。

　　存儲(chǔ)和帶寬的考量是很重要的，即便人工系統(tǒng)也是如此。對(duì)一個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)而言，還有第三個(gè)因素不可忽略。要執(zhí)行視頻分析，在計(jì)算能力上花費(fèi)的成本與影像大小成正比。因此，如果一臺(tái)服務(wù)器支持25個(gè)能產(chǎn)生1CIF影像的攝像機(jī)，則它將只能處理一臺(tái)250萬(wàn)像素的攝像機(jī)。

　　即使存儲(chǔ)、帶寬和計(jì)算成本在下降，但像這樣10到50倍的成本增長(zhǎng)無(wú)疑會(huì)影響到項(xiàng)目的效益，用戶至少會(huì)衡量他們?cè)讷@益上是否值得。因而，對(duì)高分辨率圖像的信息價(jià)值和選用它的成本，用戶通常會(huì)在兩者之間尋得折衷方案。

　　很幸運(yùn)，有些高性能的用于偵測(cè)的視頻分析系統(tǒng)能在1CIF甚至QCIF影像上完成任務(wù)而僅有極小的精度誤差。因此，用戶列出系統(tǒng)要求清單以詳細(xì)說(shuō)明它們的需求就顯得非常重要。對(duì)一個(gè)智能系統(tǒng)而言，指明系統(tǒng)能較好工作所需要的最小影像分辨率的要求是必不可少的。

　　2009年3月22日，一名男子在悉尼機(jī)場(chǎng)被殺害，現(xiàn)場(chǎng)有多名旅客目擊了全過(guò)程。警方相信這是一起發(fā)生在敵對(duì)摩托車幫派之間的斗毆引起的血案，受害人被10名攻擊者毆打致死。機(jī)場(chǎng)內(nèi)到處都有攝像機(jī)，然而事后的調(diào)查報(bào)告指出，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有一臺(tái)攝像機(jī)拍下了清晰得足夠辨認(rèn)出攻擊者的照片，所有的圖像質(zhì)量都不足以用作證據(jù)。假如機(jī)場(chǎng)內(nèi)有合適的百萬(wàn)像素?cái)z像系統(tǒng)，這將不會(huì)成為問(wèn)題(事實(shí)上，警察和安全部門已接到旅客們的警示。機(jī)場(chǎng)內(nèi)數(shù)百套攝像系統(tǒng)毫無(wú)智能，盡管事發(fā)當(dāng)時(shí)可能有多名受過(guò)訓(xùn)練的安全人員盯著攝像畫面在監(jiān)看，但竟然沒(méi)有一人看到事發(fā)經(jīng)過(guò))。就因?yàn)槿鄙僖惶字悄苘浖讲坏貌换ㄉ显S多天的時(shí)間調(diào)出存儲(chǔ)的攝影資料，并一一地瀏覽以獲取有用的場(chǎng)景信息用于審訊。

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　　從百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)中提取價(jià)值和回報(bào)

　　正如大家所見(jiàn)，百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)可以在人或機(jī)動(dòng)車輛識(shí)別中大有用武之地，因?yàn)樗転閮烧叩姆直嫣峁┐罅康男畔ⅲ苁鼓憧吹絻烧叩奶貙懏嬅妗?/P>

　　然而，在對(duì)人員或車輛進(jìn)行識(shí)別之前，用戶必須提出一個(gè)進(jìn)行這兩類識(shí)別的任務(wù)需求，并且該需求通常由一套有效的偵測(cè)系統(tǒng)來(lái)提供。偵測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)是捕獲所有不正常的行為，比如，假如有人闖入了禁區(qū)，你希望能辨識(shí)他;或者，有人跌倒或遺棄了一個(gè)行李包或在涂鴉。同樣地，如果有車輛違章停車，逆向行駛，或停在不該停車的地方，都有必要識(shí)別它。

　　偵測(cè)需要廣角視野，能總攬場(chǎng)景中所有能被觀察到的個(gè)體或目標(biāo)的行為。識(shí)別需要近景特寫同一個(gè)人或目標(biāo)。因此，完成這兩項(xiàng)任務(wù)傳統(tǒng)習(xí)慣上會(huì)需要多個(gè)安裝在不同部位的低分辨率攝像機(jī)。

　　在過(guò)去，可控?cái)z像機(jī)(PTZ攝像機(jī))(見(jiàn)圖1)　

　　常被用于試圖同時(shí)做這兩件事。因此，此類攝像機(jī)會(huì)看到全部場(chǎng)景。講一件曾發(fā)生過(guò)的事情：有人跳越圍墻進(jìn)入一片受監(jiān)控的區(qū)域，PTZ攝像機(jī)立刻捕捉住他并放大用近景去識(shí)別闖入者。

　　起初的方式是由人工完成這一操作，一旦偵測(cè)到闖入，操作員會(huì)手動(dòng)控制攝像機(jī)去放大聚焦在跳過(guò)圍墻的闖入者身上。但很快就發(fā)現(xiàn)，手工操作很容易出差錯(cuò)，很難將鏡頭聚焦在目標(biāo)身上，即使是一個(gè)熟練的操作員也不易將攝像機(jī)鏡頭直接鎖定在目標(biāo)人物上。

　　這等同于用來(lái)復(fù)槍準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)，失之毫厘，謬以千里。這個(gè)目標(biāo)鎖定操作是如此的困難，以至于當(dāng)有宣稱能自動(dòng)聚焦在目標(biāo)上的產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)，市場(chǎng)自然就熱烈追捧。在這種系統(tǒng)中，當(dāng)攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)有入侵者時(shí)，它會(huì)立即控制PTZ攝像機(jī)鎖定入侵者的座標(biāo)位置。

　　但這種方法也有一個(gè)非常大的局限性：它很容易被任何熟悉PTZ攝像機(jī)的人蒙騙。先送入一個(gè)誘餌，攝像機(jī)馬上聚焦在誘餌上，而真的入侵者會(huì)從另一端進(jìn)入場(chǎng)景。下一步的進(jìn)展是采用兩個(gè)攝像機(jī)，一個(gè)固定的攝像機(jī)用于偵測(cè)，當(dāng)有入侵者出現(xiàn)時(shí)，獨(dú)立的PTZ攝像機(jī)就會(huì)聚焦在入侵者身上進(jìn)行識(shí)別。而此時(shí)第一個(gè)攝像機(jī)繼續(xù)偵測(cè)，如果這時(shí)有第二個(gè)人闖入也被偵測(cè)到，但不幸這第二個(gè)入侵者將不會(huì)被識(shí)別，因?yàn)镻TZ攝像機(jī)正忙于識(shí)別第一個(gè)入侵者。

　　PTZ攝像機(jī)通常通過(guò)編程用來(lái)追蹤場(chǎng)景中最大的目標(biāo)。假如有只鳥(niǎo)偶然飛過(guò)PTZ攝像機(jī)鏡頭前，PTZ攝像機(jī)將會(huì)追蹤這只鳥(niǎo)(因?yàn)轼B(niǎo)比較靠近而顯得大)而忽視真正的入侵者。正因?yàn)镻TZ攝像機(jī)有這些先天的缺陷，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊曨l分析系統(tǒng)用戶在作此類偵測(cè)和變焦應(yīng)用時(shí)拒絕使用PTZ攝像機(jī)。

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　　如今在許多領(lǐng)域行之有效的解決方案已引入一種完全不同的技術(shù)——即采用百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)。隨著百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)越來(lái)越廣泛應(yīng)用，比如說(shuō)采用500萬(wàn)像素來(lái)記錄的影像，可以同時(shí)既被用作偵測(cè)又用于目標(biāo)識(shí)別，即對(duì)同一個(gè)攝像視野進(jìn)行多任務(wù)偵測(cè)和識(shí)別。然而，如前所探討的，百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)有其固有的缺點(diǎn)：使用成本出奇的昂貴，因?yàn)樾枰獜?qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)處理這些圖像，以及海量存儲(chǔ)和高帶寬傳輸。

　　直到2008年(甚至現(xiàn)在，對(duì)所有其它研發(fā)視頻分析的公司而言)，偵測(cè)和識(shí)別技術(shù)采用了完全不同的算法，該算法針對(duì)不同類型的圖像，獨(dú)立工作又彼此區(qū)別。事實(shí)上，既能做偵測(cè)又能做識(shí)別的公司是非常罕見(jiàn)的。

　　目前已經(jīng)有個(gè)別公司的創(chuàng)新技術(shù)引導(dǎo)了偵測(cè)和識(shí)別兩大技術(shù)的結(jié)合，一套已在成功運(yùn)作中的基于這種技術(shù)的產(chǎn)品，已于2008年中導(dǎo)入市場(chǎng)。這項(xiàng)革新技術(shù)就包含了使用百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)(見(jiàn)圖2)

　　圖2 偵測(cè)和識(shí)別兩大技術(shù)結(jié)合的百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的智能識(shí)別圖

　　它優(yōu)化了在不同分辨率圖像上執(zhí)行偵測(cè)和識(shí)別以獲取如下幾個(gè)重要性能：

　　·不會(huì)像PTZ攝像機(jī)那樣易受誘餌的迷惑;

　　·不像基于標(biāo)準(zhǔn)百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的系統(tǒng)那樣需要較高的計(jì)算能力、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源(當(dāng)采用500萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)時(shí)，該系統(tǒng)較之使用傳統(tǒng)方式處理圖片的同等系統(tǒng)對(duì)計(jì)算資源的要求要少200倍);

　　·能在同一攝像機(jī)上對(duì)同一場(chǎng)景同時(shí)進(jìn)行偵測(cè)(所有類型和全部智能級(jí)別)和識(shí)別(車牌識(shí)別和人臉識(shí)別)。

　　最后，偵測(cè)和識(shí)別最終能以商業(yè)應(yīng)用方式在同一攝像機(jī)上實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)不會(huì)被一些了解此類系統(tǒng)如何工作的人所蒙騙，并且作為一項(xiàng)開(kāi)放式的技術(shù)，它可以被應(yīng)用于任何的百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)系統(tǒng)中。

　　該技術(shù)也推動(dòng)了百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)經(jīng)濟(jì)化，采用該技術(shù)，使得百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)的應(yīng)用最終達(dá)到了一個(gè)新的階段：在不致于大幅增加計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸成本的同時(shí)，其內(nèi)在的潛能被充分地發(fā)掘出來(lái)。