視頻監控系統在模擬世界中已經被冷落數十年了。但新技術正在催生一些令人驚奇的新型系統。正如今天的大多數其它視頻設備一樣，其發展方向是基于互聯網協議(IP)、數字、無線以及帶智能軟件的無人監控系統，并能充分發揮這些技術改進帶來的所有好處。今天的最新系統包含許多新的功能：

　　單色到彩色：雖然脫離黑白世界并不是真正的新趨勢，但這種情況仍在繼續。事實上，今天的大多數監控設備是彩色的。

　　模擬到數字：雖然80%以上的監控攝像機是較老的模擬設備，但大多數新安裝的設備都是數字設備。

　　更高分辨率：隨著數字攝像機的興起，分辨率已經從標準清晰度(SD)電視標準發展到包括720和1080高清晰度(HD)標準在內的多種視頻格式。

　　IP攝像機：大多數新型的高清攝像機也是IP攝像機，這些攝像機可以將信號數字化，用TCP/IP對數據打包，然后在以太網鏈路上發送最終生成的數據。

　　新的壓縮方法：數字攝像機可以針對高清視頻產生超高數據速率。不過，新的視頻壓縮標準不僅極大地降低了傳輸數據速率，而且充分提高了存儲能力。運動JPEG、MPEG-4和H.264是最常用的壓縮方法。

　　無線連接：在大多數系統中，從攝像機到監控中心的鏈路仍使用同軸電纜。但一些新系統使用以太局域網(LAN)或專門安裝的新型CAT5/6 LAN。在一些高端系統中甚至使用了光纖。但出于對便利性和低成本的考慮，無線連接已經成為許多新系統或現有有線系統擴容的首選鏈路。

　　磁盤存儲：視頻存檔已經從VHS VCR發展到硬盤驅動器。DVR和專用服務器可以按指定時段存儲壓縮視頻。大型系統甚至使用2Tb容量的磁盤陣列。

　　視頻分析技術：隨著高清數字視頻的普及，計算機或FPGA可以用來分析捕獲的場景，從而實現智能化。視頻分析技術使用人工智能算法和機器視覺技術檢測運動、識別物體甚至人臉。大多數專家一致認為，處理數量不斷增長的視頻的唯一方法是利用智能視頻分析技術部分或完全代替人工對捕獲視頻的分析。

　　攝像機

　　目前有兩種基本的攝像機類型：模擬和數字IP。這兩種攝像機的外形豐富多變。子彈型最常見，但半球型和針孔型“間諜”攝像機也很流行。還有室內和室外型號之分。雖然現在黑白攝像機仍有市場，但大多數是彩色攝像機。

　　基本的成像傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)，或者是CMOS。CCD已經發展得非常成熟，它是極高分辨率但速度非最重要因素的攝像機的首選傳感器。CMOS傳感器的分辨率已經差不多快趕上CCD了，但仍稍有落后。CMOS能提供非常高的速度，適合要求最大幀速率的場合使用。

　　市場上還有一種使用紅外傳感器的紅外(IR)攝像機，按照字面意義這種攝像機可以用在夜間攝像。紅外攝像機的前端通常有一組紅外LED，用于照明人眼無法看見的場景或物體。這些LED的照明距離通常限于數百英尺范圍內。

　　分辨率是攝像機的一個關鍵指標。最常見的是老式模擬標準NTSC視頻，總共525行(480行可見)掃描線以每秒30幀(fps)的速度隔行顯示。另外還有PAL、SECAM和CIF(通用中間格式)分辨率。分辨率被量化為電視線(TVL)分辨率或簡化為線分辨率(LOR)。380(最小值)、400、420和480線是基本線數。更高分辨率的模擬攝像機提供560、600或700LOR。

　　目前流行的CIF標準采用352×288像素，速度是每秒30幀。從NTSC衍生出來的NTSC CIF具有352×240像素。四分之一CIF具有176×144個像素。4CIF可提供704×576像素，而16CIF號稱可以提供1408×1152像素。一些系統使用索尼的D1視頻格式，這是一種SMPTE VTR標準，支持720×480(面向NTSC)和720×576(面向PAL)像素。

　　數字IP攝像機可以提供更高的分辨率。具有640×480像素的標準VGA非常流行。常見的像素分辨率范圍從約100萬像素到1200萬像素甚至更高。市場上也有像標準高清電視那樣的720或1080LOR的攝像機，但價格很高。還有針對專業領域的更高分辨率的攝像機。

　　與分辨率緊密聯系在一起的是幀速率。雖然30fps被認為是實時速率，但它會產生數量龐大的視頻用于存儲或傳送。為節省存儲空間，一些攝像機提供15或7.5fps的較低幀速率。還有幀速率低至1fps的攝像機，但在這么低的幀速率下一些關鍵動作可能會被遺漏。

　　鏡頭和物理控制也值得好好考慮。鏡頭的種類根據具體應用不同而變化，例如是否要微距或長距拍攝，或者是否需要特殊的視角。一些鏡頭采用電機實現光圈和焦距的遙控。還有固定支架攝像機以及能夠水平、傾斜移動并具有變焦(PTZ)功能的攝像機。你甚至還可以買到帶紅色閃爍LED，使人們以為要上電視的仿攝影機。

　　許多攝像機采用麥克風進行聲音捕獲，并包含有運動檢測電路，只有在檢測到動作時才打開攝像機或錄像機。在電源方面，大多數攝像機工作在12V或24V直流電源下。有些攝像機也采用電池供電。連接以太網LAN的IP攝像機可以使用以太網供電(PoE)。

　　在連接性方面，模擬攝像機采用標準的IEEE視頻信號，在75Ω同軸電纜(RG-59或RG-6)上傳輸。最大傳輸距離約300英尺。模擬視頻也可以在類似CAT5的UTP電纜上傳輸，但并不常見。IP攝像機擁有一個RJ-45連接器和一個10/100以太網端口(圖1)，傳輸距離可達100米。大多數IP攝像機實際上是一臺小型的網絡服務器，擁有自己的IP地址。人們可以通過互聯網從任何地方監視這種攝像機。

　　圖1：典型的IP攝像機包含面向H.264壓縮的傳感器和視頻處理電路。SDRAM提供視頻流的存儲。所有其它處理和接口通常都位于單片SoC或FPGA上。

　　從IP攝像機中的CCD或CMOS成像器輸出的信號已經是數字信號。最新的寬動態范圍(WDR)CMOS傳感器可以直接輸出采用RGGB色彩方案的RAW/Bayer數字格式數據流。這種輸出可以達到20位/像素。在高幀速率、高清晰度下數據速率將快速提升。例如：

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

　　這種設計的內核是一個快速處理器，帶有閃存和SDRAM，并提供視頻編碼和壓縮功能。該設計還支持各種各樣的接口和以太網接口(通常是10/100Mbps)，但也有的提供1Gbps以太網接口。大多數設計使用單顆系統級芯片(SoC)，即FPGA或專用DSP執行所有的功能。這些芯片一般都包含接口。存儲器位于獨立的芯片中(參考“Video Surveillance Compression, Bandwidth, And Storage(視頻監控壓縮、帶寬和存儲)”一文)。

　　無線監控

　　雖然在分辨率、IP連接和分析技術等方面的最新發展趨勢使得視頻監控比以往更出色，但無線技術對于視頻監控的普及貢獻最大。電纜安裝成本高、耗時長，常常令人煩惱。而且電纜有時會限制攝像機的擺放位置，從而無法獲得最佳的可視效果。

　　無線鏈路可以解決這些問題。給每臺攝像機安裝高性能無線調制解調器后，一直到中心采集點的任何地方都可以建立連接。安裝起來超級快速和方便，而成本要比電纜低幾個數量級。無線方式之所以可行，是因為這種技術現在可以支持在合理距離內傳輸所需的高數據速率。

　　視頻攝像機可以使用三種基本的無線拓撲之一：點對點(PTP)、多點對一點(MTP)和網狀拓撲。在小型、簡單系統中，直接PTP通常是很好的解決方案。有些系統可以支持多個PTP連接。在MTP拓撲中，多臺攝像機使用單個無線采集點，數據在此完成匯聚、存儲或處理。但當攝像機超出主MTP控制節點的范圍時，就要使用網狀拓撲方案。

　　無線網狀網絡已經開發了很多年，業界也已推出許多性能優異的系統。在網狀系統中，每個節點通常可以與任何鄰近的其它節點通信。每個節點都可以用作中繼器，完成數據收發，或將數據轉發給相鄰節點。這種轉發功能使得攝像機和節點可以散布在很大的范圍內，而這個范圍一般都會超出單臺無線設備的范圍限制。

　　無線設備通常是數字的，被設計用于傳送以太網數據包。它們大多兼容最新的IP攝像機。不過早先的模擬系統也可以通過數據轉換器兼容無線設備，這些數據轉換器的作用是將模擬輸出信號數字化并分組為適合無線傳送的以太網數據包。

　　無線技術的選擇取決于許多因素，如覆蓋范圍、可靠性、成本和所要求的數據容量。也許使用最為廣泛的無線技術是Wi-Fi類技術，即廣受歡迎的采用2.4GHz頻段或5.8MHz頻段(某些情況下)的IEEE 802.11標準。該技術是針對以太網設計，可以很快、很方便地匹配任何有線以太網LAN。

　　802.11a/g數據速率有可能高達54Mbps，用于IP傳輸的典型值是22Mbps。隨著802.11n設備的推出，甚至可以實現超過100Mbps的更高數據速率。多入多出(MIMO)技術的使用極大地擴展了802.11的覆蓋范圍和可靠性。定向天線還能將范圍擴大到數英里。此外，市場上還有多種私有的2.4GHz無線技術。

　　雖然用于傳輸視頻的900MHz無線設備較少見，但在需要超長距離傳輸的場合也有使用。頻移鍵控(FSK)或簡單的直接序列擴頻(DSSS)調制技術使得它們在有噪聲的地區或有許多其它2.4GHz干擾源的場合中非常可靠。由于其固有的魯棒性，900MHz無線設備在UAV中非常流行。

　　另一種能夠滿足更快速率和更長距離需求的技術是WiMAX。這種寬帶無線技術能夠可靠地將高速率數據傳輸數英里遠。WiMAX系統通常是需獲得許可的，在美國使用的是2.3GHz頻段。5.8GHz頻段在美國也得到了廣泛使用。在一些特殊情況下甚至會使用機器對機器(M2M)蜂窩或微波/毫米波回傳系統。

　　覆蓋范圍在很大程度上取決于多種因素，如工作頻率、發射功率、接收靈敏度、天線類型、天線的增益和高度以及環境條件。在大多數情況下數百英尺是很容易實現的，但覆蓋幾英里的范圍需要使用專用的設備。

　　所要求的數據速率也是一個重點考慮因素。該要求最終歸結為這些內容：視頻格式、幀速率、壓縮類型以及無線技術的上限等。大多數無線裝置可以輕松處理壓縮后的視頻。即使是30fps幀速率下使用MPEG4-SP的CIF格式，所需最大數據速率也僅為600kbps。即使是高清視頻和使用H.264的合理幀速率下，超過數Mbps的數據速率也很少見。所有這些速率都在大多數可用技術的指標范圍內。

　　可靠性是另外一個問題。如今的無線鏈路如果設計正確的話，其可靠性絲毫不亞于有線系統。無線鏈路的設計目標是要創建額外的衰減余量，以適應天氣和不斷變化的環境條件，如移動中的物體、樹木的生長或吹風以及新的建筑。最后就是安全性問題。利用加密技術甚至定向天線，現有設備可以滿足大多數安全要求。

　　大多數新的IP系統采用無線技術，因為安裝起來更快、更方便，更不用說更加便宜了。現有的有線LAN通常可以在系統規模不太大時用來傳送視頻。無線調制解調器可以方便地擴展有線系統。另外，不要忘了與現有模擬系統結合的潛力。這種混合系統很常見。

　　產品與系統

　　市場上已有驚人數量的產品支持向更高分辨率的IP視頻監控系統發展。

　　Allied Telesis公司生產面向視頻系統的以太網交換機。這種交換機是大型系統中的重要組件。大部分大型系統需要獨立的以太網LAN，以防止巨大視頻流量造成IT網絡過載。大型監控網絡中每臺IP攝像機高達4至7MB的數據量很可能超出任何企業LAN的負載能力。

　　在一個經優化的系統中，每臺攝像機將它的數據發往交換機，交換機再與存儲服務器以及客戶端PC和監視器通信，完成對視頻流的訪問和系統的控制。Allied Telesis公司的AT-8100S可堆疊式交換機就是針對這些視頻監控系統(圖2)設計的。

　　FPGA供應商Altera公司也把目光瞄準了視頻監控市場，并推出了基于單片FPGA的高清IP攝像機參考設計。這個解決方案采用了Altera的低成本Cyclone III或Cyclone IV FPGA以及Eyelytics公司和Apical公司提供的知識產權。

　　上述設計可以與AltaSens公司的1080p60 A3372E3-4T和Aptina公司的720p60 MT9M033高清寬動態范圍(WDR)CMOS圖像傳感器一起使用。與采用傳統DSP和特殊應用標準產品(ASSP)的架構相比，其設計目標就是要減少電路板面積和功耗，提高靈活性并縮短開發時間。

　　傳統的DSP和ASSP不具備接受來自1080p和720p WDR CMOS傳感器的大帶寬數據所要求的處理能力。例如，一個全高清光柵影像有2200×1125個像素，每個像素超過16位，每秒幀數為60幀，因此最終數據帶寬超過2Gbps。Altera公司的FPGA可以提供這樣的帶寬。Altera的高清監控IP攝像機參考設計包括：

　　Apical公司的ISP，它整合了世界一流的WDR處理“動態范圍修正(iridix)”和先進的時空降噪功能;

　　Apical公司針對Altasens A3372E3-4T WDR模式的“棋盤去馬賽克”內核;

　　“3A”功能，例如在Altera的Nios II嵌入式軟核處理器上用軟件實現的自動曝光和自動白平衡;

　　Eyelytics公司的H.264視頻編碼器，能夠實現主要類720線逐行每秒30幀編碼或1080線逐行每秒15幀的編碼能力;

　　Altera的三速以太網介質訪問控制器(MAC)知識產權內核。

　　由于不需要DSP或ASSP，并將所有這些功能集成到單片Altera FPGA上，設計工程師可以減小電路板面積，從而節省成本、降低功耗。與以前的設計相比，Altera的單芯片解決方案可以降低50%以上的功耗。

　　在這個參考設計中捆 綁全套的知識產權使設計人員能夠迅速啟動攝像機開發，開發時間最多可以縮短一年。攝像機設計人員要做的所有工作就是利用自己的特殊功能定制FPGA，例如加入自己的軟件用于運動檢測以及平移、傾斜和縮放控制。

　　Basler公司也生產高品質的現代IP攝像機(圖3)。他們提供固定支架和半球型版本。不同的型號提供不同的分辨率，如640×480、1024×768、1280×960和1600×1200像素。所有型號都使用索尼的Wfine逐行掃描CCD圖像傳感器。

　　圖3：根據型號的不同，Basler公司的IP攝像機提供不同的鏡頭和處理。圖中所示為僅3.5英寸并帶有DC驅動光圈的一款產品。

　　幀速率的大小取決于分辨率和壓縮機制，從較低分辨率時的30fps到最高分辨率時的4fps不等。攝像機支持運動JPEG、MPEG-4和H.264壓縮標準。CCD輸出信號在模數轉換器(ADC)中完成數字化，并傳送到FPGA進行初始處理，然后送到帶有128MB RAM和8MB閃存的內部雙核600MHz DSP上。

　　I/O是標準的10/100以太網接口，必要時還可以使用RS-232接口。電源通過PoE或7V至20V直流電源提供。多編碼功能允許實現多數據流。圖像還可以縮放。興趣域特性使用戶可在原始視域內定義定制區域。還能實現帶告警的運動檢測。

　　雖然大多數高清視頻監控會采用無線鏈路或在CAT5/6以太網上傳輸，但同軸電纜仍有一定的市場。忽略大量安裝的RG-59或RG-6同軸電纜基礎設施似乎是一種浪費。現在已經可以通過這種同軸電纜傳送高清視頻，這要歸功于Gennun公司推出的Aviia(工業應用高級視頻接口)系統，可在同軸電纜上傳送高清視頻。現有的模擬CCTV用戶只需斷開攝像機和一些其它設備就可以升級到高清制式，無需用CAT6/6 UTP重新布線或轉用無線連接。

　　Aviia發送器(TX)和接收器(RX)芯片組支持8、10或12位分量數字視頻。它給24、25、30、50和60fps的標清525i或625i格式和高清720p格式提供串行接口。提供的其它格式包括50和60fps的HD1080i或24、25、30、50和60fps的1080p。

　　高清格式下的收發距離在RG-59上可以達到160米，在RG-6上可以達到230米。標清格式下的收發距離更遠，在RG-59上可達330米，在RG-6上可達440米。線纜供直流電(PoC)功能被設計用于遠程攝像機。用于遙控的6Mbps輔助數據通道也是一個重要特性。該系統允許格式中包含多達8條音頻通道。

　　Aviia芯片組基于Gennum公司先進的串化器/解串器技術。發送器指定為GV7600，接收器GV7601使用了電纜均衡技術。這些器件采用HDCCTV聯盟發起的標準。這種技術是專門為廣播電視開發的。

　　視頻采用無壓縮方式發送的，且沒有通過TCP/IP封裝。最終可以得到這樣一種系統：攝像機可以插入接收設備，視頻發送具有最小延時，配置非常少。

　　數據速率在標清格式下為270Mbps，在高清格式下為1.485Gbps，在50/60fps幀速率1080p格式下為2.97Gbps。該芯片現已供貨，并提供參考設計。其它應用包括數字標簽、機器視覺和視頻會議等。

　　Intersil公司的Techwell事業部也用有大量芯片能夠支持視頻監控設備設計。例如，他們的TW6864和TW6868多通道視頻捕捉芯片就是高集成度的單芯片解決方案，支持通過PCI Express x1接口進行多通道實時視頻和音頻捕獲，非常適合PC DVR應用。

　　每種芯片都號稱具有4個高質量的NTSC/PAL/SECAM視頻解碼器，可以將模擬復合視頻信號轉換為YCbCr數據數字分量。它們還采用自適應4H梳狀濾波器來分隔亮度和色度，以減少交叉噪聲偽像。TW6864和TW6868包含一個高性能專有DMA控制器，可充分使用PCI Express x1帶寬，這使得它能夠以最優的吞吐速率傳送視頻和音頻數據。

　　這些器件支持廣泛的視頻應用，包括同時解碼和傳送4通道實時D1視頻，或多達16通道的非實時視頻。它們還支持多種視頻顯示格式，如D1、半D1和CIF。

　　通過實現Techwell先進的專有視頻交換技術，這些芯片在非實時交換模式下擁有業界領先的視頻鎖定速度。此外，配合外部Techwell四通道解碼器，TW6868可以傳送多達8通道的實時D1視頻和9通道的音頻輸出。

　　美信集成產品(Maxim Integrated Products)公司的Mobicam3 IP攝像機參考設計套件基于美信的MG2580 SoC，后者集成了IP攝像機所需的大部分電路。該芯片能處理CIF、D1和720p視頻，并提供高達1200萬像素的H.264和M-JPEG解碼功能。芯片中還包含滿足G.722、AMR、AAC和MP1/2/3標準的音頻編解碼器。

　　MG2580芯片集成了帶以太網和USB I/O的ARM9。它的基本視頻分析功能包括運動檢測、絆網和圖像跟蹤等。Mobicam3套件還列出了一整套美信的其它線性產品，用它們可組成完整的攝像機。

　　德州儀器(TI)公司也有一系列完整的監控視頻芯片、參考設計和軟件(圖4)。這些器件源自基于著名TMS320 DSP的TI達芬奇(DaVinci)系列視頻處理器。

　　圖4：TI擁有一系列針對視頻處理的完整IC產品，這些器件都源自TI達芬奇系列視頻處理器。

　　DMVA1和DMVA2視頻處理器主要用于IP攝像機領域。這些SOC基于TI的TMS320DM643x達芬奇平臺，內含一個300MHz ARM9內核。兩種器件都具有視頻分析功能，包括人數計數、觸發區、運動檢測、攝像機篡改檢測和流媒體元數據。它們支持H.264、MPEG-4和M-JPEG壓縮，并能以每秒30幀處理D1視頻以及較低幀速率下處理720p視頻。基于Aptina 500萬像素CMOS成像器和Linux軟件的參考設計現已提供。

　　DM365和DM368也是針對IP攝像機設計但沒有分析功能的片上視頻處理器，同樣也提供參考設計。DM6435是一款數字媒體處理器，主要用于高清IP攝像機。TI還提供基于DM6435的視頻分析卡。

　　DM8168 SoC將所有捕獲、壓縮、顯示和控制功能整合進了單顆芯片。它能處理多通道并行高清、D1和CIF視頻編解碼，同時支持高清分辨率下的H.264、MPEG-4和VC1視頻格式。這款SoC包含所有必需的接口，如千兆以太網、PCI Express、SATA2、DDR2/3、USB 2.0、MMC/SD、HDMI和DVI。DVR就是其應用例子之一。

　　VideoIQ公司在其iCVR攝像機(圖5)中提供了一種創新的方法。這種攝像機有標清和高清兩種型號。高清型號在30fps幀速率下采用普通1080p格式。該公司的獨特方法是將存儲和智能嵌入攝像機內部。高清傳感器產生全色彩視頻，再用H.264壓縮，然后存儲在500GB的內部磁盤上。

　　圖5：VideoIQ公司如圖中所示的半球型攝像機非常獨特，它們在攝像機內部存儲和處理數據，以便在日后需要時訪問。

　　用一臺基于Linux的內部計算機存儲智能軟件，這種軟件包含視頻分析功能和其它算法，可用來掌握周邊環境，并將通用狀態應用于流媒體數據。這種方法的主要好處是，不必再用以太網連接將視頻流送往服務器，而可以存儲在內部。

　　這是一種很好的方法，因為大多數監控視頻不會被連續觀察。這些視頻可以存儲下來供日后需要時訪問。每臺攝像機本身就是一個完整的系統。連接是通過以太網回傳到監視系統服務器完成的。一般是通過PoE供電，但也可以使用傳統的24V或12V直流電源。

　　數字高清使得今天的視頻監控更加完善，這是視頻監視系統向前邁出的一大步。畢竟，正如Western Digital公司的Ed Strong問到的那樣：“如果你不能生成可以用作證據的細節，監控還能有什么好處?”

　　雖然高清視頻提供了細節數據，但你仍不得不存儲視頻以供日后需要時訪問。幸好有壓縮技術和一些新型大容量硬盤，使得存儲數據變成了現實。Western Digital已經推出針對監控市場優化的新款硬盤。

　　Western Digital的WD AV-GP系列硬盤現包含2TB容量的產品(圖6)，這是目前為止業界最大容量的硬盤。采用WD GreenPower技術的WD AV-GP硬盤提供更易于冷卻和更安靜的操作模式，并具有更低的功耗。

　　WD AV-GP硬盤設計能承受監控和安全市場的嚴格環境要求，與同類標準硬盤相比，功耗可降低40%。WD AV-GP 2TB硬盤非常適合要求更大容量硬盤和極高可靠性的DVR和監控視頻記錄應用。這些硬盤被設計成可不間斷工作。