浅析DSP智能摄像机发展的必然方向 (1)
随着现代科学技术的发展，视频监控系统也向智能化发展，而监控用的摄像机也必须智能化。DSP摄像机有普通型与智能型，以往的DSP智能摄像机主要是提高图像质量型。本文主要介绍DSP智能摄像机的工作原理，过去的提高图像质量型与现在需要的检测识别报警型DSP摄像机的智能化功能，检测识别报警型DSP摄像机在现代平安城市建设中的作用，以及DSP智能摄像机必须由提高图像质量型向检测识别报警型发展。
DSP (Digital Signal Processing)即数字信号处理，它是利用数字计算机或专用数字信号处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理，借以达到提取有用信息、便于应用的目的。
由于有了DSP功能的芯片出现，所以近些年才出现了DSP的新型摄像机。这种摄像机的主要特点就是：在摄像机内部的电路采用了大规模数字信号处理集成电路(DSP LSI)，并且由微处理器对系统的状态进行检测与控制，因此其稳定性、可靠性、一致性等都大大提高。DSP芯片是一种特殊的微处理器，就是根据数字信号处理理论的数学模型和算法，设计出专门的数字信号微处理器芯片。计算程序全部“硬化”，数字滤波器所需要的其他设备也全部集成、硬化，比如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口，甚至其他类型的外部设备等。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作，都可以在数字处理中进行，如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的γ校正、自动聚焦等。因此，有了DSP的摄像机，可大大提高图像的质量。
此外，通过数字设定，可进行画面格式变换，还可均衡调节各参数值，把摄像机之间的差别缩减到最小。DSP彩色摄像机，还能方便地输出亮度信号与色度信号分离的视频信号(简称Y/C信号或S-Video信号)。DSP技术不仅使摄像机在性能上获得优势，而且缩小了体积，节省了零件及装配时间，从而降低了成本。
一、DSP智能摄像机的工作原理
DSP摄像机的工作原理中，亮度/色度处理、编码同步发生器及CCD驱动等部分电路均采用了数字信号处理技术，它们都由微处理器执行中心控制。虽然，由于AGC和γ校正电路是在A/D转换之前，仍为模拟处理，但它们的控制电压和补偿信号是根据数字部分检测决定的，因而仍然可以调节得很精确。
亮度/色度处理部分，需要微处理器对数字信号的数据进行检测处理控制，以测量出信号峰值、平均值、差值等信息，并将这些测量结果经微处理器的运算处理，形成各种控制信号。如其中需要采用二维数字梳妆滤波(2-Dementional Digital Comb Filter)处理技术，用它可以减小亮度信号对色度信号的串扰，并最大限度地保留亮度信号高频成分，从而进一步改善图像质量。
关于检测识别预/报警型的智能化功能，主要是通过智能化软件固化在DSP中。通过所监控的图像检测，如得到所需的信息就去进行识别处理判断，以驱动预/报警而阻止犯罪。
二、提高图像质量型DSP摄像机的智能化功能
该类DSP摄像机在提高图像效果的同时，而具有智能的特色。因为相对于模拟摄像机来说，数字信号处理摄像机能方便地使用一些改善图像质量的新技术。因为通过数字信号处理技术，可以获得许多模拟信号处理难以实现的效果。下面主要简介一下提高图像效果的智能型DSP彩色CCD摄像机中所采用的数字2H增强技术、数字拐点技术、智能数字背景光补偿、数字自动跟踪白平衡、数字动态展宽、自动聚焦、电子灵敏度增强、数字降噪及屏幕菜单显示等智能功能。
1、数字2H增强技术
采用数字2H增强技术，可以有效地增强视频信号的水平和垂直边缘，从而获得边缘分明的清晰图像。
在采用了2H增强信号与视频信号合成后，就可使视频信号的边缘部分得到增强。
2、数字拐点技术
数字拐点技术可以有效地扩展视频信号的动态范围，这样在拍摄高亮度景物时，不致于使图像的高光部分被白色完全淹没。图3为数字拐点技术示意图。
用模拟摄像机拍摄高亮度景物时，其图像的高光部分就被白色完全淹没。通过数字摄像机的数字拐点技术，可对图像高光部分进行压缩，从而使这部分的图像细节能够显现出来。
3、智能数字背景光补偿(Intelligent Digital Back-light Compinsation)
背景光补偿也即逆光补偿。在松下的一些CCD摄像机中，均采用了自适应型的智能数字背景光补偿技术。这种技术与常规的逆光补偿技术相比，这里采用了数字检测与数字运算技术，因而可获得很好的逆光补偿效果。
智能数字背景光补偿的原理是：将摄像机摄取的整幅画面平均分成48个(即8×6块)正方形的小处理区域(如台湾敏通公司的M88 DSP处理器就是这样)，并对每一个小块的平均亮度进行检测，如果这些小块的平均亮度差别过大，则通过先进的算法缩小这些小块的亮度差，使过暗的景物能够较为清晰地重现，而又不致于使图像亮部区域出现过载。因此，采用这种智能化的数字检测技术，即使是很小的、薄的或是不在画面中心区域的景物，也能够清晰地在画面上呈现出来。
4、数字自动跟踪白平衡(Digital Auto Tracing White Balance)
数字自动跟踪白平衡技术能够自动跟踪画面上的白色，对系统进行白平衡调整，因而它能够明显改善彩色图像的重现效果。
数字自动跟踪白平衡的原理与上述的智能背景光补偿技术类似，它也是将摄像机摄取的一整幅画面平均分成48个小块，并检测这些小块中是否有白色，即使画面上有很小的一块白色，摄像机也能够自动跟踪它，并以它作为基准对系统的白平衡进行调整(有关白平衡的定义及调整在本人编著的《电视监控技术》一书第二章中有详细说明)，使重现的图像绚丽多彩。如松下等彩色摄像机，就采用了上述的数字自动跟踪白平衡的技术。
5、数字动态展宽 (Digital Wide Dynamic Range)
一般摄像机摄取宽动态范围的场景时，画面上可能会同时出现明亮区域及灰暗区域。如明亮区域显示合适时，灰暗区域则可能过于黑暗;反之，当灰暗区域显示合适时，明亮区域则可能亮得过载。数字动态展宽技术可有效缩小宽动态范围图像的亮暗差别，使两个区域的图像同时在监视器屏幕上清晰地显示出来。
数字动态展宽技术的基本原理是，采用双速CCD图像传感器，能在同一时间内对摄取的场景分别进行长短不同时间的曝光，将此信号输入专用的图像处理集成电路中，通过变换、合成、校正等处理而输出扩展了40倍动态范围的清晰图像。如松下WV-CP460系列DSP摄像机中，采用了两组AGC电路及一些增强与降噪等处理技术，使摄像机的动态范围进一步地从第一代的40倍增加到80倍，即“超动态二代(Super Dynamic Ⅱ)”。
有关数字动态展宽较详细的原理，可参阅本人编著的《电视监控技术》一书第二章第六节中的超高动态CCD摄像机。
6、数字自动聚焦(Digital Self-regulation Focus)
在快速球与设置在云台上的一体化摄像机中，一般都需要自动调焦系统。尤其在高速球中使用时，其自动聚焦的速度最好不超过1秒，当监控场景的距离相差太大而超过景深范围时，尤为需要。因此，快速地自动聚焦的软件算法的选择与光圈等的控制配合就非常重要。
自动聚焦的方法很多，有测距法、聚焦检测法与图像处理法三类。目前一体化摄像机中大多采用图像处理法，需了解自动聚焦详情，可参阅本人编著的《电视监控技术》一书第一章第三节以及《安全与光电》论文集中“论各类自动调焦技术及其优劣”一文，这里就不叙述了。
7、电子灵敏度增强(Electronic Sensitivity Up)及数字降噪(Digital Noise Reduction)
一般，普通摄像机的AGC打开时，虽可以提高其感光的灵敏度，但干扰噪声也相应放大，从而使监视器屏幕上显示的图像充满杂乱的噪点。而采用电子灵敏度增强及数字降噪技术，可使重现的图像清晰可辨。如松下的WV-CP610彩色摄像机中，在使用电子灵敏度增强及AGC技术提高其灵敏度的同时，还应用数字降噪技术降低其图像的噪点。它不仅可使摄像机的灵敏度提高32倍，还能提高重现的图像的质量。
数字降噪方法不少，如由帧间积分平均器组成的数字式杂波降低器已有商品出售，其最大信噪比的改善可达15dB，其降噪原理在本人编著的《电视监控技术》一书第十一章中有详细叙述。
8、屏幕菜单显示(On-Screen Display简称OSD)
由于新型的DSP摄像机的功能不断增多，而这些功能又必须通过设定(Setup)才能奏效，因此通过监视器屏幕上的菜单显示，对摄像机的工作状态进行设定，可以为使用者带来极大的方便。如松下的和LG-Honeywell 的一些摄像机大都具备这种屏幕菜单显示的功能。
新型的DSP摄像机的参数的设定，可配合专用的中心端控制设备，通过单同轴电缆(对松下系列摄像机)或RS485/RS232通讯线(对其他品牌摄像机)等传到前端的摄像机，从而使其工作在所设定的状态。
一般，新型的DSP摄像机除了OSD功能外，还内置可以独立设定的ID识别码，这对于具有数十台甚至数百台摄像机的大型电视监控系统来说，显得尤为重要。
松下公司的WV-CP610系列摄像机的屏幕菜单设置流程图，如图4所示。由该图可见，摄像机的ID码、ALC/ELC、背景光补偿、电子快门速度、自动增益控制、电子灵敏度增强级数、同步方式、白平衡、数字动态展宽、数字运动检测、数字降噪以及色彩、基准电平、孔径电平等参数，均可以通过屏幕菜单进行调整。
上述调整过程除了可通过WV-CP610摄像机后面板上的5个按钮(WV-CP654的5个按钮在摄像机机身侧面的盖板内)来完成外，还可通过中心端的摄像机遥控器WV-RM70来完成。这里，WV-RM70与WV-CP610的通讯并不需额外的连接线，而是直接通过视频同轴电缆以多工方式来实现。WV-RM70还可以进一步通过其RS-485接口与普通的PC计算机相连，从而也可通过计算机对系统进行设置。
三、检测识别报警型DSP摄像机的智能化功能
要想使视频监控技术智能化，必须使摄像机或系统尽可能多地嵌入智能化功能，下面列举一些可以嵌入的智能化功能：
1、视频移动探测、跟踪与预/报警
视频移动检测是对运动的物体进行及时的检测和跟踪，因此运动检测是指在指定区域能识别图像的变化，检测运动物体的存在并避免由光线变化带来的干扰。在如雨雪、大雾、大风等复杂的天气环境中，要能精确地探测和识别单个物体或多个物体的运动情况，包括其运动方向、运动特征等。
视频移动检测技术的原理，也是多将摄像机摄取的一整幅画面平均分成48个小块，并连续检测每一个小块的图像变化。一旦检测到有运动物体，该摄像机即可通过视频电缆将报警信息回传到中心端，并启动录像机等相关视频设备。并且，要能根据物体的运动情况，自动发送PTZ控制指令，使摄像机能够自动跟踪物体。如物体超出该摄像机监控范围之后，能自动通知物体所在区域的摄像机继续进行追踪。
在这种工作方式下，要求移动物体的尺寸必须占据图像面积的2%以上，即物体必须占据48个小区域中的1个场景区域以上。此外，要求背景和移动物体之间的对比度也必须超过5%，移动物体从图像的一端到另一端的最小移动速度为0.1s。
2、人的面像识别、跟踪与预/报警
人的面像识别，不像指纹识别与眼虹膜识别等需要人的配合，它可以在离摄像头有相当远的距离内在人群中识别出特定的个体。这种面像识别系统，可以在机场、火车站、体育场馆等安防应用场景中发挥很大的作用。如追捕通辑逃犯，可通过与数据库档案中的面像特征进行比较，来识别或验证是否逃犯的身份。
在识别出该逃犯后，立即预/报警，并跟踪锁定其面部，直到被公安人员抓捕，解除警报为止。
3、人的步态识别、跟踪与预/报警
人的步态识别，更适合于智能视频监控的应用，因为它比面像识别的距离更远，并且人在任何方向走均可识别，即使背对着摄像头也可。如追捕通辑逃犯，可通过与数据库档案中的步态特征进行比较，来识别或验证是否逃犯的身份。
在识别出该逃犯后，立即预/报警，并跟踪锁定其腿部，直到被公安人员抓捕，解除警报为止。
4、人的声音识别、跟踪与预/报警
人的声音识别，是通过所监听场景中的声音，记录与识别出特定的个体。如追捕通辑逃犯，可通过与数据库档案中的声音特征进行比较，来识别或验证是否逃犯的身份。
在识别出该逃犯后，立即预/报警，并跟踪锁定其声音，直到被公安人员抓捕，解除警报为止。
5、人与物的异常行为及非法滞留的识别、跟踪与预/报警
这是通过检测图像序列人与物的异常行为，如检测到人翻越院墙、栏杆，汽车开进绿化草地、逆行等，即锁定跟踪与预/报警。
当人或箱子、包裹、车辆等物体，在敏感区域停留的时间过长(如放置爆炸物等)，或超过了预定义的时间长度就产生报警。其典型的应用场景包括机场、火车站、地铁站等重要领域。
该项智能化功能，能事先排出爆炸物，制止打架、斗殴、抢劫与绑架等犯罪行为，即使来不及制止也能尽快破案。
6、人群及其注意力检测控制、识别与预/报警
该项智能化功能，能识别人群的整体运动特征，包括速度、方向等，用以避免形成拥塞，或者及时发现可能有打群架等异常情况。其典型的应用场景包括超级市场、火车站、娱乐场所等人员聚集的地方。
此外，还可统计人们在某物体前面停留的时间。据此还可以用来评估新产品或新促销策略的吸引力，也可以用来计算为顾客提供服务所用的时间等。
7、车辆的视频检测及异常行为的识别、跟踪与预/报警
该项智能化功能，能识别车辆的形状、颜色、类型、车牌号码等特征，并反馈给监控者。此类应用可以用在被盗车辆追踪等场景中。尤其能用于在高速公路或环线公路上监视交通情况。如统计通过的车辆数、平均车速、是否有非法停靠、是否有故障车辆等。
8、平安城市交通拥堵检测及自动疏导系统
该项智能化功能，能检测交通拥堵，并在十字路口自适应控制红绿灯的转换时间等，并通过交通信息牌和无线台对交通进行自动疏导。
9、出入口人数统计系统
该项智能化功能，能够通过视频监控设备对监控画面的分析，自动统计计算穿越重要部门、重要出入口或指定区域的人或物体的数量。
这一智能化功能的应用，还可在服务、零售等行业用来协助管理者分析营业情况，或提高服务质量。如为业主计算某天光顾其店铺的顾客数量等。
10、平安城市火灾的探测、跟踪与预/报警
该项智能化功能，是通过摄像头探测到一定的烟雾与火苗的情况，能及时预/报警，使消防队尽快赶到现场，以便即时扑灭火患。
上述10条智能化功能，可固化在不同的DSP模块中，并根据平安城市不同监控场景的需要，而嵌入所需的摄像机，或者视频服务器和DVR上。因此，利用检测识别报警型DSP智能摄像机，能取代监控任务中人的大部分工作，是新一代的具有高度智能的监控技术的需要。
四、检测识别报警型DSP摄像机在平安城市建设中的作用
目前，许多城市和地区正在或准备建立大型视频监控系统，摄像机的数量大，监视的范围广。虽然能利用网络来传输视频信号，但一个大系统有大量的图像，如果还是用人观察来提取有价值的信息效果很差，除了效率低之外，图像信息的利用也不充分。而在目前城市治安管理中，由于城市地方扩大、人口增加等原因，公安警力的增加远远不能满足实际需求的速度，因而都需要城市安防监控系统智能化，将科技手段转化为直接战斗力。由此，需将监控工作交给计算机。也就是说，安防监控系统要实现让计算机代替人去监看视频图像。这样，就需要更多的DSP智能摄像机，内嵌智能化软件平台，通过预先设定的录像比对平台，将系统监控到的情况与保安管理方案作对比，从而自动分析检测出存在的隐患并及时报警。
并且，城市重点区域监控、交通干道监控、卡口监控、娱乐场所监控、监狱监控、审问室与法院远程监控等系统必须与城市中各派出所及上级公安分局到市局进行多级联网。从而至少保证事件发生时，公安机关相应部门能第一时间把握现场画面情况，并协助上级指挥现场，以提高管理者的管理效率。同时，也增加公安系统内部管理的方便。
当前建设的平安城市的监控系统，必须要真正保证城市的平安。因此，城市安防监控系统必须要有事前预/报警的功能。要有这种事前预/报警的功能，城市安防监控系统必须要数字化、网络化、智能化。如根据人或物异常行为的检测与跟踪，可及时发现有人带了可疑爆炸物品进入公共场所等情况。由此可见，检测识别报警型DSP智能摄像机，可以使安防监控系统具有预/报警的能力，并真正发挥“防患于未然”的作用。
检测识别报警型DSP智能摄像机能够识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，从而能够更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象。尤其在世界反恐斗争日趋严峻的今天，检测识别报警型DSP智能摄像机，显然能够成为应对恐怖主义袭击和处理突发事件的有力辅助工具。因此，DSP智能摄像机必须从提高图像质量型向检测识别报警型发展。
目前，具有DSP智能摄像机的智能视频监控系统，不仅仅被认为是事后搜寻犯罪嫌疑人的手段，而且是一种阻止犯罪发生的辅助手段。视频分析涉及到复杂的软件算法，它可以通过编程识别出奇怪的行为。视频内容分析软件能通过分析现场或记录的视频流，从而检测出可疑的活动、事件或者行为模式。预计，内容分析算法将逐渐嵌入到摄像机，或者视频服务器和DVR上。由于智能设备能判定什么时候它所感兴趣的内容会发生，并且只有在那时才传输视频，从而可有效节省带宽，因此极大地提高了可用网络带宽。
智能化视频监控系统可以及时处理摄像机捕捉到的每一个人脸或步态的图像，提取特征，并将其与电脑记录进行比对。若比对匹配，系统则迅速提取该犯罪嫌疑人的当前所在位置及其他相关信息通知警方。值得注意的是，索尼公司推出了3款智能网络摄像机，它们除技术指标先进外，能提供其他方便的功能，如可以自动甄别在监控区域内的入侵物体和可疑危险物品、隐私区遮掩、活动检测、曝光控制等。
随着光电技术、微电子技术和计算机技术的迅猛发展，与普通的视频监控DSP摄像机相比较，DSP智能摄像机的硬件成本增加并不多，主要是软件成本的增加。但它随着推广数量的增长会迅速下降，其性价比将凸现。显然，平安城市建设市场的巨大需求、技术的进步与成熟，DSP智能摄像机将会迅速崛起。
五、结束语
由上看出，数字化、网络化、智能化是视频监控技术发展的必然趋势，DSP智能摄像机的出现正是这一趋势的直接体现。电视监控系统由目视解释转变为自动解释，是电视监控技术的飞跃，是安防监控技术发展的必然。
DSP智能摄像机，尤其是检测识别报警型比普通的DSP摄像机具备更加强大的图像处理识别能力和智能因素，因此可以为用户提供更多高级的视频分析功能，它可以极大地提高视频监控系统的能力，并使视频资源能够发挥更大的作用。显然，没有检测识别报警型DSP智能摄像机的监控系统，大多是事后的亡羊补牢，而不能事前预警，防患于未然，也就不能真正做到保平安。因此，智能化是电视监控技术的发展方向。
随着光电图像处理技术、视频分析技术、多媒体数据库、人工智能技术的发展，检测识别报警型DSP智能摄像机能够及时、自动地从原始信息中提取大量的有用信息。这些信息可以传输保存和检索，也可以驱动其他数据、触发其他行为，轻而易举地完成人力很难完成的任务。计算机和光电图像技术的结合，使得图像自动检测、视频分析成为可能，从而可以使视频监控系统具备智能，从而产生了许多新型的应用。视频分析可以大大提高监控效率，还能从复杂的数据中辨认行为和类型，还可提供操作命令、数据和信息。未来的视频监控系统很大程度取决于DSP智能摄像机的智能分析系统的成功与否，它有望提供高效低廉的、能有效地监视、警告、预报安全威胁的全面的安全监控系统。
显然，DSP智能摄像机具有广泛的应用前景，并且已经显示了巨大的市场价值。尤其是美国9·11恐怖袭击事件与英国爆炸案以后，各国都高度重视这样一个问题，即如何对国家重要安全部门和敏感的公共场合进行全天候、自动的、实时的智能监控。而有着检测识别报警型DSP智能摄像机的智能视频监控系统，就是解决这一问题的最有效的手段。
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