概述

    一、 

    數字視頻監控相關產品的技術和產業化發展近幾年來一直是國內安防行業的一個熱點，通過國內整個行業的不斷努力目前數字監控的技術水平達到了國際先進水平，開始直接參與國際競爭，同時產品已經開始進入國際市場。我們在國際市場上的競爭力來源于我們掌握了相關的核心技術，核心技術決定了產品在市場上的競爭力。

    本文內容主要介紹一下目前數字監控行業相關的技術以及應用前景，探討下一代產品的應用發展趨勢。內容主要包括以下幾個方面：

    視頻壓縮算法：這是決定產品主要特性的技術，壓縮算法在不斷發展之中。

    網絡技術：面向未來多用途的視頻多媒體設備以及大規模數字視頻多媒體網絡系統的構成基礎。

    智能化技術：數字視頻系統根據應用領域的不同可以提供各種智能化的功能，這樣才能夠拓展市場，提升產品的競爭力。

    二、  視頻壓縮算法

    1.     H.264壓縮算法

    目前壓縮算法分為兩大類：標準算法和專用算法。標準算法為國際組織ISO/ITU發布，早期的JPEG壓縮比太小，傳輸網絡帶寬要求過高；后期MPEG 1算法壓縮比有所提高，但是還不能適應目前的寬帶網絡；近兩年來MPEG 4/H.263 的推廣使得遠程傳輸成為可能。專用算法為一些專業公司開發的壓縮技術，通用性較差，性能也千差萬別，針對網絡傳輸的算法可以支持低帶寬網絡，但是圖像效果不令人滿意。

    H.264是最新的國際視頻編碼標準，由ITU-T和ISO/IEC兩個國際標準化組織聯合制定。標準在ITU-T將被最終通過為H.264；在ISO/IEC，通過后，被稱為國際標準14496-10（MEPG-4 第10部分）。因此可見H.264并不是比MPEG-4先進，他們其實是一回事。以前大量使用的MPEG-4 是采用了標準的MEPG-4 第10部分以前版本，目前名稱對應的關系為：

    H.264 Baseline Profile對應MPEG-4 SP

    H.264 Main Profile對應MPEG-4 ASP

    H.264 Extended Profile對應MPEG-4 ARTS or FGS

    H.264 Baseline Profile對應MPEG-4 Studio

    作為目前最新的視頻編碼技術H.264，在安防行業應用有著非常大的前景。H.264標準采用了很多新技術用來提高壓縮比降低碼流，主要是采用了高精度、多模式預測技術。H.264 標準針對網絡傳輸的需要設計了視頻編碼層VCL和網絡提取層NAL結構，網絡抽象層是提供“網絡友好”的界面，從而使視頻編碼層能夠在各種系統中得到有效的應用。H.264 標準針對網絡傳輸的需要設計了差錯消除的工具便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發環境中傳輸，從而保證了視頻傳輸的有效性。

    2.     H.264壓縮算法的實現難度

    H.264算法分為Baseline Profile、Main Profile、Extended Profile和High Profile四層，H.264算法與以前的算法相比：

    算法復雜度：H.264 Baseline Profile是以前MPEG-4的2倍左右，H.264 Main Profile是MPEG-4的10倍以上，High Profile復雜度最高。

    壓縮碼流：Base Profile低于MPEG-4 10-20%，Main Profile低于MPEG-4的一半。

    大家可以看出，實現H.264 Main Profile 算法后可以使視頻碼流降低一半，可以實現CIF格式視頻在普通的ADSL上實時連續傳輸，即使在網絡有波動的情況下也不會受到影響。同時由于H.264算法具有網絡編碼層和網絡傳輸層結構，這樣對于普通的寬帶網絡和無線網絡的適應性大大加強，不會由于網絡的誤碼影響傳輸的質量。

    然而目前的芯片處理能力還不能夠實現完整的H.264算法，現在只能實現H.264算法中的部分功能，因此需要一個過程才能夠體驗到H.264給大家帶來的優點。

    3.     H.264壓縮算法的實現平臺

    在JPEG和MPEG-1/2的時代壓縮芯片以ASIC芯片為主，從MPEG-4開始壓縮芯片已經過度到DSP時代，使用ASIC芯片的產品越來越少。這是由于芯片處理能力逐步提高，可以適應算法的不斷優化，ASIC技術產品化周期長，已經無法適應目前算法進步的步伐。

    由于DSP體系結構的限制，面對復雜的H.264算法實現低成本的實時壓縮已經非常困難。在算法和芯片技術成熟以后，未來的主流壓縮平臺應該是ASIC的天下，當然ASIC和DSP技術相結合的芯片，同樣具有誘惑力，能夠適合未來算法發展的需要。

圖像預處理和后處理技術

    1.     圖像濾波

    目前最嚴重的問題之一是攝像頭干擾問題，中低檔的攝像頭比較明顯，特別在低照度的環境中干擾對圖像質量有非常大的影響。根據分析主要有兩種噪聲會影響視頻質量，一種是相鄰色素之間產生的偽顏色噪聲，一種是由于信號強度而產生的泊松噪聲（會影響物體的邊緣清晰度）。一般濾波器的工作原理是先做低通濾波，然后再做高通濾波。從頻譜上分析，物體的邊緣成分在做低通的時候已經損失掉了一部分，盡管在高通后通過一定的處理可以還原大部分，但實際上它已經不能夠達到最理想的效果。

    這些噪點隨著產品型號和工作環境而不同。由于視頻壓縮算法是通過前后幀圖像的差異實現壓縮，因此這種隨機噪點對壓縮的影響非常大，有的時候甚至造成碼流成倍上升，將壓縮算法的優點全部掩蓋。

    噪點的處理使得中低檔攝像頭能夠同樣達到理想的壓縮效果，特別是對于光線不好的環境非常有意義。主要可以采用兩種濾波方式：時間軸上的濾波與空間軸上的濾波。時間軸濾波采用運動自適應方式來去處偽顏色噪聲同時還原運動物體�？臻g軸濾波用來去除泊松噪聲同時強化物體邊緣。除此之外，還包括一套柱狀均衡器，它通過平滑亮度信號的突變來改善對比度。在幀間編碼的技術中主要采用了針對攝像頭主要環境特征即靜止圖像和圖像變化不大的情況下壓縮處理，這樣保證在正常情況下圖像都可以以高質量的水平保存。另一方面，通過實時濾波技術的應用，使得在壓縮之前就排除了信號中的干擾，壓縮還原的圖像有很大的提高，同時也降低了碼流。

    2.     圖像的其他處理技術

    對于全幅圖像(Full D1)的處理有一個重要問題，全幅圖像是由前后兩場圖像數據合成的，如果圖像運動的比較快，就會造成兩場的圖像差別較大，運動快的部分圖像有了一定的位移，這樣就造成合成的圖像在運動快的部分圖像邊緣形成鋸齒效應。而采用了De-interlace技術較好的解決了這個問題。同時，在解碼回放的時候也可以應用了De-Block技術，排除了由于解碼而造成的各種干擾，可以使得圖像還原效果提升了一個層次。

    四、  網絡技術

    1．  組網技術

    目前絕大多數視頻組網有兩個特點：一是采用集中式，二是采用私有控制協議。集中式可靠性和擴展性差，對于小規模視頻應用尚可，但對于較大的城域范圍甚至更大的應用范圍，視頻接點成千上萬，集中方式的中心節點將不堪重負，網絡非常脆弱。由于采用私有控制協議，已有的視頻組網只能一個應用一個工程、一個工程一個設計的格局，費時費力，不能互通，形成視頻應用的“孤島”，維護管理和升級都非常復雜。

    隨著新的視頻應用的增加，尤其是城市應急聯動、城市智能交通、保安監測網絡化以及各個行業的城域監控網的建立，視頻組網的規模將越來越大，并且存在不斷擴展的需要，因此視頻組網必須打破過去集中式和私有控制協議帶來的弊端，采用分布式、標準化的組網方案。

    基于SIP協議既能夠組建純SIP的下一代視頻多媒體網，也能夠與軟交換結合組建下一代視頻多媒體網，完全可以根據應用的需要。由于SIP本身具有的簡單靈活、分布式控制以及對移動性良好支持等優點，隨著Internet的迅猛發展，尤其在最近的兩年時間內，由IETF首先提出的SIP協議已經開始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(歐洲標準化組織)、IMTE等各種標準化組織所接受，并在這些組織中成立了與SIP相關的工作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員，在多年發展H323應用的基礎上，針對SIP應用在視頻領域的特點，提出了SIP的應用指導，并推出了相應的SIP協議棧，使得ITU的成員實現了這兩種協議之間的互通性。視頻多媒體需求的大眾化以及SIP相關技術的逐漸成熟，SIP已成為新興的視頻多媒體領域的主流信令控制協議。

    純SIP組網的運營模式與傳統的運營模式不同，它沒有長途和本地之分，主要是基于內容或者服務的運營模式。利用SIP可快速組網，靈活部署業務，為用戶提供可移動的視訊服務。

    基于SIP組建網絡為用戶提供語音、數據和視頻的移動多媒體應用已經開始嶄露頭角。目前國外廠商已經推出了基于SIP的即時信息、語音和視頻等應用。如微軟的Windows XP采用SIP信令協議，這意味著SIP能夠在個人計算機上實現視頻多媒體應用；3GPP(Third Generation Partnership Project)采用了SIP的3G體系結構計劃，SIP成為3G用戶建立包括視頻在內的實時通信會話的基石。

    2．  網絡傳輸技術

    從目前的應用情況來看，面向實用的系統面臨兩大難題，即視頻服務質量和網絡信息安全問題。即使在寬帶網絡上由于沒有有效的Qos機制，很難保障高質量的視頻連續傳輸。網絡信息安全是另一個限制數字視頻應用發展的因素，目前的廣域網絡上沒有一個有效的安全保障機制，這樣就大大限制了網絡視頻應用的領域。

    由于網絡的帶寬不固定，同時有一定的誤碼率，需要采用動態參數調整技術，自動探測網絡傳輸的狀況，實時調整壓縮的參數，保證能夠自動適應網絡的變化完成圖像的傳輸，保證傳輸的質量。同時解碼器能夠正確處理誤碼，保證工作長期穩定。

    同時網絡數據安全是一個制約應用的重要因素，視頻數據加密的技術對實時網絡視頻具有重要的意義，保障網絡傳輸的安全。

    3．  網絡協議

    從產業化角度來考慮，由于IP地址資源的限制和目前網絡的體系結構，很大程度上約束了大容量系統的建設和應用，實現幾路視頻的網絡傳輸是一回事，建立管理一個數千路視頻應用是另外一回事，在目前的網絡技術體系下幾乎是不可能的。網絡協議IPv6是未來發展的重要方向，IPv6支持網絡地址自動配置和動態域名服務、安全認證、數據安全、服務質量保證；支持DHCP/PPPoE等多種網絡協議，支持組播功能。

    可以看出，IPv6真正解決了目前IPv4中存在的諸多問題及不足之處，是未來構建數字視頻網絡最理想的平臺。目前國家已經建立了多個IPv6的實驗網絡，很快大家就可以體驗到IPv6帶來的新的機遇。

數字監控智能化技術

    智能化技術是與應用領域緊密結合的技術，可以針對各種應用環境的特點開發出不同類型的應用技術，提升產品的適應力，例如：

    圖像識別：實時圖像識別是對視頻的圖像壓縮序列進行實時處理，來達到不同應用環境的要求。目標類型識別用于識別目標的類型、位置，進一步可以實現人像匹配、車輛分析（顏色、車型、車牌）；目標自動跟蹤技術是通過對移動目標的識別，自動控制攝像機來跟蹤目標的移動，監視目標的整個移動過程。這些智能化工作方式在多種應用環境下都很有價值。

    圖像分析：移動目標的分析技術是通過對畫面中移動目標的識別，分析統計目標的類型、流量、運動方向、速度等信息，可以用于交通道路指揮自動化以及重要場合自動檢測分析，也可以用于環境監控中的自動化監測報警。

    六、  結論

    監控行業的數字視頻除了能夠應用于視頻會議、網絡點播、遠程教育、視頻監控等方面外，可逐步滲透到數字視頻應用的方方面面，如消費類產品、網絡電視等各種數字視頻相關產業。

    早期的數字視頻技術主要來源于家用的視頻產品技術，沒有針對監控行業特點需求及應用特點進行完善，因此在應用上還有不盡人意的地方。隨著技術的不斷進步，產品將會不斷提升換代，開拓出更廣闊的市場空間。

    可以看出未來的主流技術可以概括為三點：第一需要有最優化的壓縮算法支持高質量數字視頻的應用，用戶對圖像質量的要求是沒有限制的，現在CIF格式產品的大量應用不能說明市場能夠滿意這種圖像質量；第二需要有網絡化的應用體系，這樣才能夠構建起大規模的網絡數字視頻系統，提供安全方便的服務；第三需要對不同用戶和行業提供個性化的產品和服務，這樣才能夠進一步滿足市場不斷發展的需要。