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以多媒體處理器建構基於IP網路的智慧安全監控系統

上網時間: 2007年03月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:安全監控  智慧  多媒體處理器  nxp  ip網路 

在安全意識高漲的今天,銀行、辦公室、商店、住家及公共場所對高品質視訊監控設備的需求正不斷成長。為滿足這些需求,數位視訊錄影機(DVR)、IP網路和IP相機提供了比傳統相機/VCR錄影系統更高的靈活性、可升級性和影像品質。基於IP系統的數位化特性,也能把更多智慧型功能整合到諸如音訊編解碼晶片,或是影像分析元件等各類系統晶片中。

過去10年來,安全監控系統經歷了巨大轉變。儘管目前仍有不少許多傳統相機採用同軸電纜將複合視訊訊號傳送到中央控制/監控台,但目前控制台系統中的傳統VCR設備已經被基於PC的DVR取代。這些DVR將接收的視訊訊號轉換成數位訊號,而後壓縮為某些數位格式(如Motion JPEG或MPEG-4)並存入硬碟。對安全技術而言,這就無需不停更換錄影帶,或為了定位某個時間區段而不得不翻閱數小時的錄影資料。

用數位形式儲存影像還可以實現VCR系統無法實現的功能。透過私有IP網路或網際網路可存取在PC硬碟中的數位視訊,從而實現遠端監控。影像分析和處理軟體還可實現額外功能,如運動探測、追蹤和影像合成,讓工作人員可立即獲得一些非正常活動的警告並進行監控。目前,為中小企業、商場、大樓或家庭提供低成本監護方案的DVR系統也開始具備上述部份功能。

傳統上,無論是基於PC或基於DVR的監控系統,都必須對多工視訊串流進行數位化處理,即時壓縮為Motion JPEG或MPEG-4格式後再送入硬碟。這需要高速ADC和強大的DSP,還要在PC或單獨的DVR系統中植入PCI匯流排卡。所需的DSP處理能力取決於接收的視訊訊號解析度和所需壓縮比。過去,許多監控相機基於畫素解析度為352×240(NTSC)或352×288(PAL)的普通媒體格式(CIF)影像感測器,而控制台設備僅將其壓縮到Motion JPEG格式,這種格式中,每個視訊訊框或交錯場被分別壓縮為JPEG影像。

然而,由於要求更高影像品質和訊框率,基於PC和基於DVR的控制台必須處理來自525線/60Hz或625線/50Hz的TV級全D1格式視訊。包含由Y'CbCr 4:2:2編碼的未經壓縮分量視訊以及PCM語音軌跡和時間碼資訊的D1格式,在被送入硬碟前通常被壓縮成複雜的MPEG-4格式。須注意的是,MPEG-4編碼需要強大的DSP能力。

NXP半導體最近針對串流媒體應用,推出了基於32位元TriMedia的PNX1500和具有媒體處理器的PNX1700。這些處理器的晶片上功能包括影像量化和解交錯、用於單螢幕顯示/影像交疊的2D繪圖加速,多工視訊輸入以及乙太網路10/100MAC,特別適合監控應用。

不過,在監控應用中,這些元件的最重要功能是將多工CIF和D1視訊串流即時編入MPEG-4和H.264串流,以及以相對較低的時脈(400~500MHz)確保冷執行和能量效率。除了NXP媒體處理器的初始處理能力外,完成多通道的即時編碼仍需仰賴在TriMedia核心上執行的編碼演算法。

為滿足這些演算法所需性能,NXP與上海聖堂電子科技公司展開一項合作,在採用上海聖堂最新的MPEG-4編碼演算法後,一顆獨立式500MHz PNX1700能將兩個D1視訊通道或8個CIF通道視訊即時編入MPEG-4串流中。這種在單晶片中對多工通道編碼的能力可大幅降低成本、功耗以及監控設備中的印刷電路板面積。上海聖堂的視訊編碼演算法符合ISO/IEC 14496-2簡化版標準,並支援從16×16到720×576畫素高寬比的視訊壓縮、可變位元率(VBR)和可變壓縮比(VCR)以及從100kbps~2Mbps的連續可變傳輸率。此外,還可回報用於MPEG-4和H.264編碼的記憶體緩衝地址,使系統主控軟體得以審查緩衝器,以設定運動監測功能的檢測區域和靈敏度。

為了支援客戶定製應用的研發,NXP提供了一系列包括媒體處理器的PCI匯流排卡,還有可供用C/C++進行軟體開發的大型軟體庫。圖1和圖2列出了用於多通道視訊編碼的處理器典型架構。


圖1:8通道CIF DVR配置示意圖。


圖2:4通道D1 DVR配置示意圖。

從類比到IP相機

儘管控制台已經全部數位化,但從相機到控制台的視訊訊號傳輸網路的拓樸結構並沒有改變。每台類比相機仍然需要用專用的同軸電纜把訊號送到控制台,或傳送到分時多工器。為了保證影像品質還要求電纜盡可能短。類比相機這些缺點,以及基於乙太LAN的數位網路的日益普遍,加速了IP相機的使用。

與類比相機的類比複合視訊不同,IP相機在內部就將來自影像感測器的訊號數位化,並壓縮為MPEG-4格式,然後利用乙太LAN等IP網路傳輸相應串流。由於串流是依數據封包形式發送,多台相機可同時共享同一網路電纜。同一網路電纜上的相機的數量只受到頻寬限制,這就是多數相機均採用MPEG-4的主因,而未來還會採用壓縮比更高的H.264。事實上,任何網路架構都可以採用,包括內嵌集線器和路由器的環形和星形網路。相機其至能與其它數據服務共享網路。

由於IP相機採用MPEG壓縮,需採用低功耗且處理能力強的DSP,如NXP公司具有媒體處理器的300MHz PNX1502。基於TriMedia的PNX1502執行MPEG-4先進簡單格式(ASP),以每秒30訊框速率對來自D1格式影像感測器的串流編碼,然後以乙太串流媒體聯盟(ISMA)格式經晶片上乙太MAC輸出,執行視訊壓縮、運動檢測和時間/數據戳記,並執行HTTP軟體堆疊以設定相機及管理功能。

由於每台IP相機均有其IP地址,IP相機的最大優點是能夠透過本地網路、網際網路或專用WAN來遠端存取某台相機。對於大型公寓的視訊對講系統而言,能輕易在某台相機與多個接取點之間傳輸視訊串流的能力相當有幫助。

除了視訊串流,IP相機還可以輸出狀態數據和事件相關數據,如當檢測到運動時自動觸發警報。為了減少或移除電纜,也能輕易在IP相機中加入802.11 Wi-Fi等無線功能。圖3顯示了一款IP相機解決方案參考設計。


圖3:為工程師提供全面軟硬體平台的完整IP相機參考設計。

Nexperia IP相機參考設計為製造商提供了完整的設計框架。該參考設計基於NXP PNX1502多媒體處理器,能讓製造商快速提供差異化的可配置IP相機方案。這些參考設計利用Alarity的編解碼和軟體架構,基於該設計IP相機可將每秒30訊框的全D1視訊通道串流編入符合ISMA MPEG-4的串流,並利用包括RTP/RTSP/RTCP等業界標準協議輸出。Alarity公司還提供一個能透過網路瀏覽器介面實現配置和管理的全HTTP伺服器應用模組。整合UPnP並符合DLNA的軟體確保了IP相機和其它網路設備間的最大互通作業性。

另一家公司深圳Banny數位技術則成功地利用了IP網路和壓縮技術的優勢。該公司的數位智慧家庭網路閘道系統利用公寓大樓的有線或無線IP網路、依照標準TCP/IP格式傳輸IP相機影像、數據和串流媒體,還能監控和分析這些內容,或保存下來供後續調用(見圖4)。


圖4:深圳Bonny數位技術公司的數位家庭網路閘道系統示意圖。

作為大樓設備的一部份,該系統能讓整合供應商實現一系列數位社區功能,如可視對講、智慧家庭控制和個人監控、門禁和停車管理。門禁管理允許住戶以視訊方式,透過IP網路與外部的IP相機和每個家庭的客戶端視訊轉換盒識別來訪者。來訪者的即時媒體視訊錄影被立即傳送到住戶家中,讓住戶決定是否允許他們進入。

未來趨勢

隨著媒體處理器持續獲得更強大的功能,從中央控制台到IP相機等設備將增加更多智慧化功能。智慧IP相機將能完成更先進的影像處理工作,如運動追蹤、影像增強、3D影像模型甚至是面部和生物識別。同時,日益增強的DSP處理能力也將推動MPEG-4到H.264編碼格式的演進。H.264是國際電信聯盟(ITU)、視訊編碼專家小組(VCEG)和ISO/IEC運動影像專家組(MPEG)的合作成果,能提供與MPEG-2相同的編碼品質,但僅使用一半的數據率。此外,H.264整合了專為高效傳輸封包頭數據設計網路擷取層,增強了錯誤恢復能力。就如同編碼格式將從MPEG-4演進到H.264,處理器日益增加的處理能力也將促使解析度編碼格式從CIF格式演進到D1,以實現記錄數據的縮放功能,這在今天的系統中是無法實現的。

隨著安全技術的持續發展,這些先進系統甚至能結合保密技術和DRM(數位版權管理)技術,使監控系統更安全。標準的網路服務容易受到駭客攻擊,而IP相機的影像和視訊也一樣難逃攻擊。如何向客戶證明該服務的超安全性將是該領域向全數位化邁進的關鍵。

多媒體處理器性能日益增強,而半導體晶片的價格卻又迅速降低,這將意味著安全系統將從商業和專用領域步入家庭和個人用戶。隨著乙太網路和Wi-Fi的普及,為用戶在PC上安裝IP相機或透過網際網路進行遠端存取已愈來愈普遍。圖5展示了與Vivotek合作開發的IP3137相機,它採用了MPEG-4壓縮和802.11g,能為家庭網路應用提供良好性價比。


圖5:NXP與Vivotek公司合作開發的IP3137 IP相機外觀圖。

作者:Chris Day

多媒體處理部總經理

Stephen Tomasello

多媒體處理部行銷經理

NXP半導體




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