Altera：智能家庭視頻監(jiān)控的技術挑戰(zhàn)及解決之道

　　家庭監(jiān)控正逐步從報警能力有限的模擬技術過渡到壓縮數(shù)字IP傳送技術，其分析和監(jiān)視能力幾乎不受任何限制。

　　家庭監(jiān)控的需求多種多樣，包括簡單的安防以及兒童和保姆的全面監(jiān)控等?？紤]到多種視頻輸入的QOS(服務質量)要求，基于IP的家庭監(jiān)控系統(tǒng)趨向于采用專門的互聯(lián)網(wǎng)絡，但最終會采用大眾化的家庭網(wǎng)絡技術。系統(tǒng)可以通過各種介質來聯(lián)網(wǎng)，最常用的是以太網(wǎng)或者無線技術。通過動態(tài)IP分配與外界溝通，進行遠程監(jiān)控是最新一代監(jiān)控系統(tǒng)必須具備的功能，在應用中非常重要。

　　基本家庭監(jiān)控系統(tǒng)包括一組攝像頭、監(jiān)視器和中央存儲單元(DVR)，DVR在存儲之前對視頻輸入進行多路復用。具備嵌入式DVR的PC能夠驅動基本分析功能，也可以完成監(jiān)視和存儲功能?；炯彝ケO(jiān)控系統(tǒng)的分析和報警功能通常只限于簡單的移動探測和時間/日期標記等。HMI(人機接口)受限于DVR設備，與PC聯(lián)網(wǎng)后，控制和監(jiān)視功能會大幅度提高。

圖1. 采用FPGA的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實例

　　更高級的監(jiān)控系統(tǒng)增加了音頻監(jiān)視(如嬰兒哭泣、打碎玻璃等)、更多的視頻輸入、遠程控制和監(jiān)視互聯(lián)網(wǎng)鏈接、CD刻錄以及全面的報警和呼叫等功能。高端系統(tǒng)還包括服務器(流復用)，采用獨立的附加存儲單元來替代DVR。高端系統(tǒng)還能提供高級移動探測功能，包括智能區(qū)域和邊界等。例如，在一個攝像頭的觀察范圍內(nèi)，人行道上有很多的人流不會引起報警，而家庭和人行道之間的區(qū)域出現(xiàn)大量人流則會觸發(fā)移動報警。高級分析功能還包括某人閑逛甚至包裹(郵包墜落)探測等。系統(tǒng)能夠識別出極少移動或者沒有移動的物體。在非常高端的家庭系統(tǒng)中，攝像頭就可以完成分析功能，進行實時探測和報警。

　　技術挑戰(zhàn)及解決之道

　　家庭監(jiān)控技術日前面臨兩大挑戰(zhàn)：視頻壓縮和高級分析功能。它們都需要采用大量的數(shù)字信號處理以及復雜的算法來完成任務。

　　用戶已開始習慣高清晰電視，他們通常希望看到質量更好的家庭監(jiān)控視頻。因此，家庭監(jiān)控系統(tǒng)從QCIF視頻流過渡到D1和標準清晰度(SD)，并已開始開發(fā)高清晰(HD)系統(tǒng)。在多攝像頭系統(tǒng)中采用這些技術后，如果視頻不經(jīng)壓縮，很快便會超出網(wǎng)絡帶寬能力。一個沒有經(jīng)過壓縮的SD視頻流能夠達到270Mbps，大大超過了10/100M以太網(wǎng)以及大部分無線網(wǎng)絡的帶寬。因此必須采用壓縮技術。

　　目前實用的系統(tǒng)采用了MPEG-4和移動JPEG2000壓縮標準。MPEG-4是最常用的，其壓縮比要高于移動JPEG2000，但是移動質量要差一些。如果需要更好的視頻完整性，則需要采用移動JPEG2000，但這會超出大部分家庭應用的需求。MPEG-4 part 10 (H.264)犧牲了部分壓縮效率，其移動視頻質量要優(yōu)于標準MPEG-4，是視頻監(jiān)控最新的發(fā)展趨勢。工業(yè)類監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開始采用H.264，它將很快成為家庭系統(tǒng)能夠選用的技術。不管標準如何，視頻壓縮對DSP功能的需求很大。

　　在視頻監(jiān)控應用中選擇合適的芯片技術非常重要。例如，H.264 ASSP可用于設計視頻攝像機等大批量消費類應用，也能夠用于視頻監(jiān)控。同樣，它們也適用于視頻流編碼，但不能進行分析。FPGA是實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流(DVR解碼/編碼)效率最好的技術。一片F(xiàn)PGA能夠對使用H.264的1至16路標準清晰視頻流進行編碼。

圖2. 家庭監(jiān)控的特性和所采用的典型技術

　　有的DSP芯片是針對工業(yè)視頻監(jiān)控應用的，對于家庭應用則過于昂貴，且用于分析的帶寬有限，一般只能實現(xiàn)4路甚至更少的視頻流。FPGA還可以用于攝像頭編碼和分析，非常適合多攝像頭服務器和DVR編碼/解碼功能。此外，F(xiàn)PGA功能靈活，除了編碼/解碼之外，還能夠完成各種規(guī)模的分析任務。最后，當產(chǎn)量上升時，F(xiàn)PGA還可以轉換為HardCopy ASIC(Altera的結構化ASIC解決方案)，有效地降低了攝像頭或者服務器/DVR的成本和功耗。

　　家庭監(jiān)控的未來發(fā)展空間非常大。隨著技術的進步，管理將更容易，能夠吸引更多的普通用戶，還可以與其它家用系統(tǒng)集成。隨著DTV的出現(xiàn)，中端IP監(jiān)控系統(tǒng)的基本處理能力大大超越了其它家庭系統(tǒng)。這種處理能力可以輕松地完成更多的任務，例如入室盜竊/火警系統(tǒng)、家電監(jiān)視/控制等。最先采用的很可能是支持第三方監(jiān)視服務的集成安防/監(jiān)控系統(tǒng)和主人遠程監(jiān)視系統(tǒng)等。由于FPGA技術十分靈活，容易更新，非常適合這種發(fā)展迅速、變化很快的應用。此外，迅速轉換為Altera的HardCopy結構化ASIC后，設備供應商能夠很快地進行調(diào)整，提高產(chǎn)量，以滿足消費類應用的需求。