监控系统中的视频处理技术

二十世纪九十年代末,伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展与普及,兴起了数字化监控浪潮,数字监控的广泛应用起源于金融行业的数字化改造,主要标志是DVR代替了模拟录像机。

    二十世纪九十年代末,伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展与普及,兴起了数字化监控浪潮,数字监控的广泛应用起源于金融行业的数字化改造,主要标志是DVR代替了模拟录像机。无论是PC式的DVR,还是嵌入式的DVR,均可实现原来模拟录像机所具备功能,如报警录像、定时录像、资料复核等功能,还能实现移动侦测录像(在视频编码过程中实现)、字符叠加(如OSD、LOGO等)、区域遮盖(保护隐私区域)、数字水印(防止录像资料被篡改)等功能,这些功能的实现,大部分是应用视频处理技术来实现的,同时,通过视频处理技术的不断创新,可以实现更多满足实际应用需求的特定功能。


     回顾一下,数字硬盘录像机(DVR)的发展已经有很多年了,总的来说发展很快,各种新技术、新产品、新概念层出不穷,但录像清晰度、录像成本始终是监控系统中关注的二大重要因素。录像清晰度与图像质量、分辨率、码率、帧结构等视频编码参数有很大的关系,录像成本与压缩效率有很大关系,要取得高的图像质量,那么势必增加录像成本,反之,要降低录像成本,那么势必影响图像质量。具体应用中,如何做到兼顾这2个因素呢?为此,海康威视提出并实现了“动态调整编码参数”技术。


     “动态调整编码参数”就是在不启停录像(不切换录像文件)的情况下,对编码参数进行调整,同时生效。在具体的应用中,对于静止或一般的监控场景,调整相应编码参数,使录像保持在很低的码率,而在图像发生变化,或产生报警时,可以调整相应编码参数,实现高质量的录像,可以动态修改的参数包括:分辨率、录像质量、码率控制、帧率控制以及帧结构。由于上述参数可以动态修改,因此可以保持图像的连续、无需频繁的切换文件,即满足了在关键时刻对高图像质量的要求,又节省了硬盘空间。

     以下是图像质量、分辨率、码率之间的关系示意图。

 

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     联网监控是在银行系统完成数字化改造以后的又一重要需求,特别是对于无人值守的离行式ATM机来说,联网监控是高效运维的重要手段,监控中心不仅可以实时了解DVR的在线状况,也可以实时查看有警情的现场图像,一定程度上改变了单纯通过录像复合,进行事后处理的现状。


    对于金融行业来说,录像的清晰度要得到保证,这样的话视频数据较大,而网络资源是有限的,所以网络带宽成了传输视频数据的瓶颈。为解决这个问题,海康威视提出并实现了双编码技术。

双编码技术是指一路视频图像通过一个视频编码器输出两个独立的码流,如图所示。

 

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     输出码流的图像质量、分辨率、帧率、码率等视频参数都可以独立设置。这样生成的两个码流就可以满足不同的应用需求,比如主码流用于录像,子码流用于网络传输。随着视频监控应用领域的拓展,编码技术的发展,多编码技术的实现将成为可能,这样多个码流可满足不同传输信道、不同应用的需求,如通过千兆网、VPN专网、ADSL、无线网络等传输信道,以及重要用户、一般用户等可以传输不同码率、不同图像质量的视频数据。


     对于传统的CCTV监控中心来说,矩阵是一个很重要的设备,它主要完成视频切换、PTZ控制等功能,同时还可对切换规则进行编程设置,视频切换的路数取决于矩阵主机背板的切换能力,切换是通过电路来实现的。海康威视针对数字监控提出并实现了数字矩阵,并在两个平台上实现。


     对于单台的DVR来说,实际上就是一个基于数据总线的视频切换矩阵。对于PCDVR,输入的视频路数是视音频压缩卡的路数,一路视频可切换输出到显卡,通过增加解码卡,也可以将多路视频切换到解码输出通道(输出路数的多少取决于解码卡的多少)。总共能够切换的路数主要取决于总线的带宽。另外,通过PC平台可以非常容易地设置切换规则、进行PTZ控制。对于嵌入式DVR,输入的视频路数就是DVR的视频输入路数,输出路数一般至少有一路,有的DVR输出两路、四路等,同样通过DVR可以设置切换规则、可以进行PTZ控制。


     对于一个基于IP网络的监控系统来说,前端视频的输入、IP网络设备、后端的解码设备以及控制设备共同组成基于IP交换的数字矩阵。如图所示:

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     视频输入的路数取决于控制端能访问的前端视频编码的路数,视频输出的路数取决于解码服务器的数量,以及各服务器解码输出通道的路数,同时也取决于IP网络的带宽。切换规则由控制台设置完成,控制台同时可以方便地进行PTZ控制。


     数字矩阵相对于传统的模拟矩阵,在切换规则的设置,切换界面的友好性,以及切换画面的处理方面,具有较强的灵活性,同时,切换路数的扩展性方面也更加方便,成本更低。如对于切换画面的处理方面,无需画面分割器,在DSP平台上就可以实现画面分割线是,以窗口为单位进行视频输出。总之,数字矩阵更加具有发展潜力。


     近年来,随着公安系统“3111”工程的实施,视频处理技术在监控中发挥着更大的作用,如对图像清晰度的要求,产生了支持D1画质的DVR,同时,动态调整编码参数技术、双编码技术、数字矩阵等在“3111”工程中也得到了大量的应用。尤其是对于智能监控的要求,产生了基于车牌识别、人脸识别等技术的应用,这些应用拉动了视频监控产业的发展,同时也推动了视频监控行业的技术发展。总的来看,DVR产品基本上是沿着数字化、网络化、智能化的发展方向走下来的。数字化是基础,网络化和系统化是方向,在这其中,用户需求是最关键的推动因素。我们相信,随着视频监控应用领域的不断拓展,伴随着日新月异的用户需求,业内企业将进一步加快技术创新的步伐,从而推动视频监控整个产业链快速、良性地发展。

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