隨著寬帶有線和無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善以及全球安防市場需求的增長,，視頻監(jiān)控的應(yīng)用正呈爆發(fā)性的增長態(tài)勢,。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢非常明顯,，在經(jīng)歷了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化之后,，下一個重要的趨勢就是智能化,，即智能監(jiān)控和視頻分析技術(shù)的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控由人工進行視頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)安全隱患或異常狀態(tài),，或者用于事后分析,，這種應(yīng)用具有其固有的缺點，難以實現(xiàn)實時的安全監(jiān)控和檢測管理,。帶有智能分析功能的監(jiān)控系統(tǒng)可以通過區(qū)分監(jiān)控對象的外形,、動作等特征，做到主動收集,、分析數(shù)據(jù),，并根據(jù)預(yù)設(shè)條件執(zhí)行報警、記錄,、分析等動作,。智能監(jiān)控系統(tǒng)可以運行于服務(wù)器，也可以運行在基于DSP的嵌入式系統(tǒng)上，而后者已逐漸成為主流,。
智能視頻的應(yīng)用大體上可以分安防,、人體行為檢測和智能交通三方面的應(yīng)用。其中安防應(yīng)用是被廣泛認為是最具潛力的市場,，它包括以下幾個應(yīng)用類別：入侵檢測,，可以自動檢測出視頻畫面中的運動行為特征；物品移除檢測,，可以自動檢測物品搬移事件——當(dāng)防區(qū)內(nèi)某特定位置的物品被拿走或搬走時發(fā)出報警,；遺留物檢測，可以對遺棄物進行自動檢測——當(dāng)物品在某個防區(qū)內(nèi)被放置或遺棄的時候自動報警,；智能跟蹤,，可以使攝像機對自身的云臺和變焦鏡頭進行自主PTZ驅(qū)動。人體行為檢測應(yīng)用包括脫崗檢測（可以實現(xiàn)自動檢測崗哨人員就位情況）,、徘徊檢測（對重要區(qū)域人體徘徊檢測）,。智能交通應(yīng)用包括：對非法停留的交通工具進行檢測，當(dāng)交通工具在防區(qū)內(nèi)非法停留時發(fā)出報警,；車輛逆行檢測,，及時辨別逆行車輛。
隨著準(zhǔn)確率和可靠性逐步提高及產(chǎn)品成本的下降,，智能視頻在越來越多的場合得到了應(yīng)用,，它能夠替代部分安防設(shè)備，降低安保人員的工作強度,，提高工作效率,，減少管理成本。事實上,，智能視頻的應(yīng)用具有非常巨大的潛力,。隨著技術(shù)日趨成熟，智能視頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴展,，這些應(yīng)用主要包括上述的安防,、交通以及零售、服務(wù)等行業(yè),，如人數(shù)統(tǒng)計,、人臉識別、人群控制,、注意力控制和交通流量控制等,。
實時視頻監(jiān)測的需求正在快速增長，特別是隨著實時安全監(jiān)控應(yīng)用的需求增加,，實時發(fā)現(xiàn)安全隱患或目標(biāo)異常行為的功能已經(jīng)具有越來越重要的現(xiàn)實意義,，智能視頻監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品在這種日益增長的需求帶動下,，正在成為視頻監(jiān)控應(yīng)用的新熱點。特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步,，例如以Blackfin匯聚式處理器為代表的先進嵌入式解決平臺方案的推出,，具有極高性價比和極高實用性的智能視頻分析設(shè)備不斷推出，并在一些關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮極為重要的作用,。
圖1：傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控應(yīng)用示意圖。
智能視頻應(yīng)用設(shè)計攻略
硬件平臺方案的選擇往往決定了系統(tǒng)的整體方案成本,、性能,、開發(fā)工具和方法的可用性，以及方案未來持續(xù)升級的可行性等,，因此方案平臺選型至關(guān)重要,。智能視頻應(yīng)用自身的獨特性要求在硬件平臺的選擇上進行綜合權(quán)衡。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能分析要求,，以及大規(guī)模工程安裝對成本,、體積和功耗的限制，非標(biāo)準(zhǔn)化的智能視頻分析方法和幾乎定制化的方案優(yōu)化方式,，使得結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢,、具有軟件設(shè)計靈活性和強大處理能力的匯聚式處理器方案平臺體現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢。本文將結(jié)合ADI公司獨特的Blackfin匯聚式DSP處理器的特點,，分析智能視頻設(shè)計中主要的設(shè)計技術(shù)要點,。
一、硬件平臺選型
可定制化能力非常重要,。有很多因素制約著視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化的應(yīng)用步伐：首先是智能監(jiān)控的視頻算法比較復(fù)雜,，難于標(biāo)準(zhǔn)化，各個系統(tǒng)提供商的視頻分析軟件都有自己的獨特算法,，導(dǎo)致市場上的產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),；其次，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場景比較復(fù)雜,，用戶的要求多樣化,，所以定制化的要求比較多,。因此,，視頻分析方案通常需要針對客戶的應(yīng)用特點和需求進行方案優(yōu)化，采用的算法千差萬別,。此外,，由于智能視頻應(yīng)用的高復(fù)雜性，對方案的處理能力提出了更高的要求,。MCU+ASIC的視頻監(jiān)控傳統(tǒng)方案難以實現(xiàn)各種個性化的設(shè)計和高運算能力要求,，即使選擇普通DSP+MCU的雙芯片方案通常也難以滿足智能視頻監(jiān)控應(yīng)用的復(fù)雜運算需求,，需要增加協(xié)處理器，這種復(fù)雜的解決方案無論是BOM成本,、功耗還是開發(fā)難度都不足取,。Blackfin處理器充分發(fā)揮了MCU+DSP匯聚式架構(gòu)的優(yōu)勢，滿足了智能視頻應(yīng)用的系統(tǒng)控制和高強度的運算需求,，特別是以BF561為代表的高性能雙內(nèi)核架構(gòu)已經(jīng)成為智能視頻應(yīng)用的首選方案平臺,。
方案的可擴展性也是需要考慮的因素。智能視頻分析應(yīng)用除了需要針對應(yīng)用環(huán)境,、應(yīng)用目的進行方案優(yōu)化外,，不同的客戶可能還有其他方面的不同需求。例如,，當(dāng)前一些領(lǐng)先的數(shù)字視頻監(jiān)控方案實現(xiàn)了H.264基本類@Level3.0和MPEG4 D1+CIF雙碼流的支持,，未來可能擴展到支持H.264 D1+CIF的雙碼流。隨著智能視頻分析的更廣泛應(yīng)用,，如IP攝像機,、無線視頻監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)等,，不同應(yīng)用都可能對各種接口功能,、通信標(biāo)準(zhǔn)、用戶界面等的需求有較大的差異化,，硬件平臺方案對各種需求的靈活擴展性非常重要,。同時，正如前文所述,，智能視頻分析技術(shù)發(fā)展不過數(shù)年的時間,，隨著技術(shù)的不斷成熟以及一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的出臺和改進，產(chǎn)品的可升級特性至關(guān)重要,，既是開發(fā)者須關(guān)注的問題也是終端客戶關(guān)切的重要特性,。Blackfin DSP在算法并行處理上具有獨特優(yōu)勢，特別是ADSP-BF561采用雙DSP核,，能夠?qū)崿F(xiàn)很復(fù)雜的智能視頻處理算法,。
視頻應(yīng)用優(yōu)化特性。一些方案盡管具有較強的處理能力和可擴展性,，方案是否主要針對視頻應(yīng)用進行過優(yōu)化設(shè)計也值得關(guān)注,，因為這直接關(guān)系到設(shè)計工程師可用的軟硬件設(shè)計資源以及系統(tǒng)設(shè)計難度和可實現(xiàn)的性能。以Blackfin處理器為例,，Blackfin為高強度,、高數(shù)據(jù)率的數(shù)字和媒體處理做了專門優(yōu)化：Blackfin的幾十個DMA通道和可靈活配置的Cache很好地滿足了視頻監(jiān)控系統(tǒng)對大運算量、高數(shù)據(jù)吞吐率的要求,；ADI專門開發(fā)了完全優(yōu)化的音視頻編解碼器,，并免費提供給大客戶,；針對視頻應(yīng)用Blackfin集成了很多硬件驅(qū)動，包括WiFi的驅(qū)動,、音/視頻編解碼器的驅(qū)動,；Blackfin的4個視頻算術(shù)運算單元和視頻象素指令集大大加速了視頻運算速度；在智能視頻分析的一些基礎(chǔ)算子中,，例如直方圖統(tǒng)計,、中值運算、Sobel運算,、形態(tài)學(xué)中的膨脹運算等都可以利用Blackfin的MIN,、MAX指令來消除條件跳轉(zhuǎn)，節(jié)省處理器周期,。不僅如此,，Blackfin還支持13種非視頻數(shù)據(jù)的向量運算。適當(dāng)設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，在前背景分離,、閾值計算和更新等多個環(huán)節(jié)都可以運用Blackfin的特色指令讓智能視頻分析算法更快捷。這些本身就很有效的指令中,，大部分指令都能夠并行執(zhí)行,，使得Blackfin的處理能力再加倍。
低功耗和穩(wěn)定性很重要,?？紤]到智能視頻監(jiān)控設(shè)備通常都是一周7天，每天24小時運行的,，穩(wěn)定性和功耗也比較重要,。在低功耗上，Blackfin處理器采用了多種節(jié)能技術(shù)：基于一種選通時鐘內(nèi)核設(shè)計,，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源,；支持多種針對所需CPU動作極少期間的斷電模式；Blackfin處理器支持一種自含動態(tài)電源管理電路,，借助該電路即可對工作頻率和電壓進行獨立控制,，以滿足正在執(zhí)行的算法的性能要求；大多數(shù)Blackfin處理器都提供片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路,，并可在低至0.8V的電壓下工作,。而Blackfin獨特的匯聚式處理架構(gòu)、90nm工藝等打下了其領(lǐng)先的低功耗處理的基礎(chǔ),。由于高處理能力,，基于Blackfin平臺的系統(tǒng)方案可以減少主芯片數(shù)量，豐富的功能和接口可以滿足各種外設(shè)和功能擴展需求,，降低元器件數(shù)量,，從而保證更高的穩(wěn)定可靠性。目前在同價位DSP中Blackfin DSP的低功耗特性和穩(wěn)定性是最好的,。
支持哪些嵌入式操作系統(tǒng),。智能視頻分析通常是基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，必須要操作系統(tǒng)的支持,，因此選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)支持能力的解決方案非常重要,，這樣能確保未來產(chǎn)品在更換操作系統(tǒng)時不至于必須更換硬件平臺，保證研發(fā)成果的持續(xù)可用性,。目前可用的嵌入式操作系統(tǒng)眾多,，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一,。例如,，Blackfin處理器可以支持目前主流的操作系統(tǒng)，包括uCLinux,、ThreadX,、Nucleus，uCOS-II等十多種嵌入式操作系統(tǒng),，客戶完全可以根據(jù)其自身要求選擇其熟悉的或更具成本效益的軟件架構(gòu)基礎(chǔ),。
圖2：基于BF561的智能監(jiān)控終端框圖,。
二,、開發(fā)工具和可用資源
智能視頻監(jiān)控設(shè)備是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到復(fù)雜的軟硬件設(shè)計,、人機界面,、通信連接等，具有較高的系統(tǒng)設(shè)計難度,。因此,，所選擇的硬件平臺方案是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊,、成熟的參考設(shè)計,、系統(tǒng)設(shè)計支持，以及是否有完整的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)等,，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵,。事實上，并不是所有平臺方案提供商都能提供這些支持,。
以Blackfin系列處理器為例,，采用Blackfin處理器的硬件平臺從一般的DVR、IP攝像機,、數(shù)字視頻監(jiān)控到智能視頻監(jiān)控,，已經(jīng)被全球大量的設(shè)備企業(yè)的廣泛采用,。Blackfin處理器獲得眾多企業(yè)的青睞，具有完整的開發(fā)工具和參考設(shè)計等支持是其受廣泛歡迎的重要原因之一,。ADI提供業(yè)界一流的工具,、初學(xué)套件與支持，包括人們熟知的,、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE,？軟件與硬件工具，這些工具包括獲獎的VisualDSP++,？集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境（IDDE）,、仿真器，以及EZ-KIT Lite,？評估版硬件,。
為提高開發(fā)效率，降低開發(fā)難度,，開發(fā)時應(yīng)盡量在已有的資源上進行,，比如開放的例程，ADI為此提供了非常豐富的例程和資料,。例如,，ADI提供免費的“Image Tool Box”圖像處理函數(shù)庫軟件包，該軟件包專門針對圖像處理應(yīng)用常用的數(shù)學(xué)函數(shù)進行了優(yōu)化,，供客戶在進行應(yīng)用開發(fā)時調(diào)用,。ADI還提供完整的參考設(shè)計，以及由本地合作伙伴開發(fā)的評估板,、開發(fā)工具,、算法IP、應(yīng)用模塊,，以及由第三方合作伙伴提供包括軟硬件在內(nèi)的全套交鑰匙方案,。Blackfin處理器的視頻監(jiān)控應(yīng)用目前在中國已經(jīng)有多家具有豐富工程經(jīng)驗的第三方合作伙伴，已經(jīng)建立完善的生態(tài)系統(tǒng),。
以ADI在今年三月份宣布提供基于該公司Blackfin BF526C的完整的IP監(jiān)控和機器視覺攝像頭參考設(shè)計為例,，該參考設(shè)計在單個匯聚處理器上提供了強大的視頻和音頻處理能力，為工程師提供了一個統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境,，可以實現(xiàn)更快的系統(tǒng)調(diào)試和部署,，以及更低的系統(tǒng)成本。該處理器提供了集成的音頻編解碼器,、流式視頻和IP協(xié)議,、片上DRAM存儲器以及針對10/100以太網(wǎng)、USB和SD存儲和本地RS-232端口的接口。這種完全可編程的解決方案可以滿足多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),，例如H.264和MPEG4,，支持音頻G.729標(biāo)準(zhǔn)的編碼。支持從控制中心到相機的雙向語音通信,，以及利用Pelo-P或Pelo-D協(xié)議的鏡頭平移,、傾斜和拉伸動作,。該參考設(shè)計還提供一塊帶雙核BF561處理器的子卡,，使系統(tǒng)能實現(xiàn)更高視頻分辨率，并提供實現(xiàn)高級視頻分析功能,，如運動檢測和跟蹤,。
應(yīng)用方案揭秘——億維東方智能網(wǎng)絡(luò)攝像機
北京億維東方科技有限公司（Emvideo）是專業(yè)智能安防產(chǎn)品的方案提供商，也是美國ADI公司授權(quán)的第三方合作伙伴,。億維東方目前有多款基于ADI Blackfin處理器為核心的硬件平臺的產(chǎn)品,，其中“軟件＋硬件”交鑰匙的WiFi無線視頻監(jiān)控整體解決方案基于BF536＋BF561的雙處理器架構(gòu)，方案硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。
其中BF536處理器作為主處理器,，除負責(zé)完成音頻編碼、遠程控制以及用戶交互控制等一些基本的管理與控制外,，還負責(zé)嵌入式操作系統(tǒng)uClinux的運行,，以及先進的智能視頻分析功能，可以完成安防,、人體行為,、智能交通等多種智能視頻分析。雙核BF561作為協(xié)處理器負責(zé)視頻編碼算法,，其強大的視頻處理能力使得該方案實現(xiàn)了H.264基本類@Level3.0和MPEG4 D1+CIF雙碼流的支持,，未來更將可能擴展到能夠支持H.264 D1+CIF的雙碼流。兩個處理器之間可以通過高速同步串行接口通訊,，視頻信號首先進入BF561處理器,，采集編碼后的碼流發(fā)送到BF536處理器，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端進行解碼顯示,。
圖3：采用Blackfin BF536和BF561的解決方案硬件結(jié)構(gòu)圖。
該方案采用了先進的背景建模方法,，能有效地克服光線變化,、樹葉擺動以及水面波紋等背景對前景目標(biāo)分析產(chǎn)生的干擾，實現(xiàn)準(zhǔn)確的前景檢測,，同時在目標(biāo)跟蹤上采用了獨特的優(yōu)化算放,，實現(xiàn)了在入侵檢測（包括區(qū)域警戒、絆線檢測）的應(yīng)用上超過90%的準(zhǔn)確率。而所有這些都是基于BF536＋BF561雙處理器的硬件架構(gòu)所具有的強大處理能力來實現(xiàn)的,。
該方案的智能視頻分析功能由億維東方公司自主開發(fā),，獨特的算法和豐富的智能視頻分析技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗確保實現(xiàn)客戶的智能識別應(yīng)用需求，并為客戶提供包括軟件升級在內(nèi)的完善服務(wù),。由于智能視頻識別應(yīng)用目前并沒有任何可循的需求標(biāo)準(zhǔn)和測試標(biāo)準(zhǔn),，因此視頻分析方案通常需要針對客戶的應(yīng)用特點和需求進行方案優(yōu)化。例如有些用戶是地鐵系統(tǒng)的,，他們需要的功能是檢測是否跨越候車的黃線,、人群密度是否過大、是否有可疑的遺留物體等,；有些用戶是銀行系統(tǒng)的,，他們所需要的是ATM機的智能監(jiān)控如分析是否有安裝假鍵盤、安裝吞卡器,，在ATM機是否有暴力行為,，是否出現(xiàn)犯罪分子的人臉等。利用該方案,，客戶可以根據(jù)用戶的需求方便地進行調(diào)整算法,。智能視頻處理要求芯片具有強大的處理能力，有許多算法實現(xiàn)時得采用并行處理,，Blackfin DSP在算法并行處理上具有獨特的優(yōu)勢,，特別是ADSP-BF561的雙DSP核能夠?qū)崿F(xiàn)很復(fù)雜的智能視頻處理算法。這是傳統(tǒng)的MCU+ASIC或采用一般DSP方案所難以實現(xiàn)的,。
該方案的軟硬件都經(jīng)過了應(yīng)用驗證,，目前已經(jīng)由多家客戶進行生產(chǎn)，目標(biāo)應(yīng)用將主要是政府行政效能監(jiān)測,、教育系統(tǒng)等行業(yè)用戶,。