视频监控系统挣脱技术束缚

　　视频监控系统在模拟世界中已经被冷落数十年了。但新技术正在催生一些令人惊奇的新型系统。正如今天的大多数其它视频设备一样，其发展方向是基于互联网协议(IP)、数字、无线以及带智能软件的无人监控系统，并能充分发挥这些技术改进带来的所有好处。今天的最新系统包含许多新的功能：

　　单色到彩色：虽然脱离黑白世界并不是真正的新趋势，但这种情况仍在继续。事实上，今天的大多数监控设备是彩色的。

　　模拟到数字：虽然80%以上的监控摄像机是较老的模拟设备，但大多数新安装的设备都是数字设备。

　　更高分辨率：随着数字摄像机的兴起，分辨率已经从标准清晰度(SD)电视标准发展到包括720和1080高清晰度(HD)标准在内的多种视频格式。

　　IP摄像机：大多数新型的高清摄像机也是IP摄像机，这些摄像机可以将信号数字化，用TCP/IP对数据打包，然后在以太网链路上发送最终生成的数据。

　　新的压缩方法：数字摄像机可以针对高清视频产生超高数据速率。不过，新的视频压缩标准不仅极大地降低了传输数据速率，而且充分提高了存储能力。运动JPEG、MPEG-4和H.264是最常用的压缩方法。

　　无线连接：在大多数系统中，从摄像机到监控中心的链路仍使用同轴电缆。但一些新系统使用以太局域网(LAN)或专门安装的新型CAT5/6 LAN。在一些高端系统中甚至使用了光纤。但出于对便利性和低成本的考虑，无线连接已经成为许多新系统或现有有线系统扩容的首选链路。

　　磁盘存储：视频存档已经从VHS VCR发展到硬盘驱动器。DVR和专用服务器可以按指定时段存储压缩视频。大型系统甚至使用2Tb容量的磁盘阵列。

　　视频分析技术：随着高清数字视频的普及，计算机或FPGA可以用来分析捕获的场景，从而实现智能化。视频分析技术使用人工智能算法和机器视觉技术检测运动、识别物体甚至人脸。大多数专家一致认为，处理数量不断增长的视频的唯一方法是利用智能视频分析技术部分或完全代替人工对捕获视频的分析。

摄像机

　　目前有两种基本的摄像机类型：模拟和数字IP。这两种摄像机的外形丰富多变。子弹型最常见，但半球型和针孔型“间谍”摄像机也很流行。还有室内和室外型号之分。虽然现在黑白摄像机仍有市场，但大多数是彩色摄像机。

　　基本的成像传感器可以是电荷耦合器件(CCD)，或者是CMOS。CCD已经发展得非常成熟，它是极高分辨率但速度非最重要因素的摄像机的首选传感器。CMOS传感器的分辨率已经差不多快赶上CCD了，但仍稍有落后。CMOS能提供非常高的速度，适合要求最大帧速率的场合使用。

　　市场上还有一种使用红外传感器的红外(IR)摄像机，按照字面意义这种摄像机可以用在夜间摄像。红外摄像机的前端通常有一组红外LED，用于照明人眼无法看见的场景或物体。这些LED的照明距离通常限于数百英尺范围内。

　　分辨率是摄像机的一个关键指标。最常见的是老式模拟标准NTSC视频，总共525行(480行可见)扫描线以每秒30帧(fps)的速度隔行显示。另外还有PAL、SECAM和CIF(通用中间格式)分辨率。分辨率被量化为电视线(TVL)分辨率或简化为线分辨率(LOR)。380(最小值)、400、420和480线是基本线数。更高分辨率的模拟摄像机提供560、600或700LOR。

　　目前流行的CIF标准采用352×288像素，速度是每秒30帧。从NTSC衍生出来的NTSC CIF具有352×240像素。四分之一CIF具有176×144个像素。4CIF可提供704×576像素，而16CIF号称可以提供1408×1152像素。一些系统使用索尼的D1视频格式，这是一种SMPTE VTR标准，支持720×480(面向NTSC)和720×576(面向PAL)像素。

　　数字IP摄像机可以提供更高的分辨率。具有640×480像素的标准VGA非常流行。常见的像素分辨率范围从约100万像素到1200万像素甚至更高。市场上也有像标准高清电视那样的720或1080LOR的摄像机，但价格很高。还有针对专业领域的更高分辨率的摄像机。

　　与分辨率紧密联系在一起的是帧速率。虽然30fps被认为是实时速率，但它会产生数量庞大的视频用于存储或传送。为节省存储空间，一些摄像机提供15或7.5fps的较低帧速率。还有帧速率低至1fps的摄像机，但在这么低的帧速率下一些关键动作可能会被遗漏。

　　镜头和物理控制也值得好好考虑。镜头的种类根据具体应用不同而变化，例如是否要微距或长距拍摄，或者是否需要特殊的视角。一些镜头采用电机实现光圈和焦距的遥控。还有固定支架摄像机以及能够水平、倾斜移动并具有变焦(PTZ)功能的摄像机。你甚至还可以买到带红色闪烁LED，使人们以为要上电视的仿摄影机。

　　许多摄像机采用麦克风进行声音捕获，并包含有运动检测电路，只有在检测到动作时才打开摄像机或录像机。在电源方面，大多数摄像机工作在12V或24V直流电源下。有些摄像机也采用电池供电。连接以太网LAN的IP摄像机可以使用以太网供电(PoE)。

　　在连接性方面，模拟摄像机采用标准的IEEE视频信号，在75Ω同轴电缆(RG-59或RG－6)上传输。最大传输距离约300英尺。模拟视频也可以在类似CAT5的UTP电缆上传输，但并不常见。IP摄像机拥有一个RJ-45连接器和一个10/100以太网端口(图1)，传输距离可达100米。大多数IP摄像机实际上是一台小型的网络服务器，拥有自己的IP地址。人们可以通过互联网从任何地方监视这种摄像机。

图1：典型的IP摄像机包含面向H.264压缩的传感器和视频处理电路。SDRAM提供视频流的存储。所有其它处理和接口通常都位于单片SoC或FPGA上。

　　从IP摄像机中的CCD或CMOS成像器输出的信号已经是数字信号。最新的宽动态范围(WDR)CMOS传感器可以直接输出采用RGGB色彩方案的RAW/Bayer数字格式数据流。这种输出可以达到20位/像素。在高帧速率、高清晰度下数据速率将快速提升。例如：

　　20 位/像素 × (1280 × 720) 像素/帧 × 60 帧/秒 = 1.10592 Gbps

　　这种设计的内核是一个快速处理器，带有闪存和SDRAM，并提供视频编码和压缩功能。该设计还支持各种各样的接口和以太网接口(通常是10/100Mbps)，但也有的提供1Gbps以太网接口。大多数设计使用单颗系统级芯片(SoC)，即FPGA或专用DSP执行所有的功能。这些芯片一般都包含接口。存储器位于独立的芯片中(参考“Video Surveillance Compression, Bandwidth, And Storage(视频监控压缩、带宽和存储)”一文)。

无线监控

　　虽然在分辨率、IP连接和分析技术等方面的最新发展趋势使得视频监控比以往更出色，但无线技术对于视频监控的普及贡献最大。电缆安装成本高、耗时长，常常令人烦恼。而且电缆有时会限制摄像机的摆放位置，从而无法获得最佳的可视效果。

　　无线链路可以解决这些问题。给每台摄像机安装高性能无线调制解调器后，一直到中心采集点的任何地方都可以建立连接。安装起来超级快速和方便，而成本要比电缆低几个数量级。无线方式之所以可行，是因为这种技术现在可以支持在合理距离内传输所需的高数据速率。

　　视频摄像机可以使用三种基本的无线拓扑之一：点对点(PTP)、多点对一点(MTP)和网状拓扑。在小型、简单系统中，直接PTP通常是很好的解决方案。有些系统可以支持多个PTP连接。在MTP拓扑中，多台摄像机使用单个无线采集点，数据在此完成汇聚、存储或处理。但当摄像机超出主MTP控制节点的范围时，就要使用网状拓扑方案。

　　无线网状网络已经开发了很多年，业界也已推出许多性能优异的系统。在网状系统中，每个节点通常可以与任何邻近的其它节点通信。每个节点都可以用作中继器，完成数据收发，或将数据转发给相邻节点。这种转发功能使得摄像机和节点可以散布在很大的范围内，而这个范围一般都会超出单台无线设备的范围限制。

　　无线设备通常是数字的，被设计用于传送以太网数据包。它们大多兼容最新的IP摄像机。不过早先的模拟系统也可以通过数据转换器兼容无线设备，这些数据转换器的作用是将模拟输出信号数字化并分组为适合无线传送的以太网数据包。

　　无线技术的选择取决于许多因素，如覆盖范围、可靠性、成本和所要求的数据容量。也许使用最为广泛的无线技术是Wi-Fi类技术，即广受欢迎的采用2.4GHz频段或5.8MHz频段(某些情况下)的IEEE 802.11标准。该技术是针对以太网设计，可以很快、很方便地匹配任何有线以太网LAN。

　　802.11a/g数据速率有可能高达54Mbps，用于IP传输的典型值是22Mbps。随着802.11n设备的推出，甚至可以实现超过100Mbps的更高数据速率。多入多出(MIMO)技术的使用极大地扩展了802.11的覆盖范围和可靠性。定向天线还能将范围扩大到数英里。此外，市场上还有多种私有的2.4GHz无线技术。

　　虽然用于传输视频的900MHz无线设备较少见，但在需要超长距离传输的场合也有使用。频移键控(FSK)或简单的直接序列扩频(DSSS)调制技术使得它们在有噪声的地区或有许多其它2.4GHz干扰源的场合中非常可靠。由于其固有的鲁棒性，900MHz无线设备在UAV中非常流行。

　　另一种能够满足更快速率和更长距离需求的技术是WiMAX。这种宽带无线技术能够可靠地将高速率数据传输数英里远。WiMAX系统通常是需获得许可的，在美国使用的是2.3GHz频段。5.8GHz频段在美国也得到了广泛使用。在一些特殊情况下甚至会使用机器对机器(M2M)蜂窝或微波/毫米波回传系统。

　　覆盖范围在很大程度上取决于多种因素，如工作频率、发射功率、接收灵敏度、天线类型、天线的增益和高度以及环境条件。在大多数情况下数百英尺是很容易实现的，但覆盖几英里的范围需要使用专用的设备。

　　所要求的数据速率也是一个重点考虑因素。该要求最终归结为这些内容：视频格式、帧速率、压缩类型以及无线技术的上限等。大多数无线装置可以轻松处理压缩后的视频。即使是30fps帧速率下使用MPEG4-SP的CIF格式，所需最大数据速率也仅为600kbps。即使是高清视频和使用H.264的合理帧速率下，超过数Mbps的数据速率也很少见。所有这些速率都在大多数可用技术的指标范围内。