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黑暗中的守護(hù)者，解讀TI在安防領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

從低照技術(shù)到編碼效率再到智能分析

日期： 2012-12-12

關(guān)鍵詞： DSP 低照技術(shù) 編碼智能分析 DM385 DM8107 IP攝像機(jī)

夜晚一般是犯罪率發(fā)生比較高的時(shí)候，而且大都發(fā)生在光線差甚至沒(méi)有光的場(chǎng)所，當(dāng)攝像機(jī)安裝在這些場(chǎng)所時(shí)，所獲得的場(chǎng)景影像呈粗粒狀，難以看到清晰的車牌或人面等畫面。因此，加大低光技術(shù)的研究對(duì)打擊犯罪而言就顯得尤為重要。而在其他領(lǐng)域也越來(lái)越重視在光線非常差的情況下的攝像機(jī)的圖像采集能力。憑借著在圖像處理方面30年的技術(shù)積累，德州儀器（TI）義不容辭地加入到低照技術(shù)的研究中來(lái)。近日，在北京舉辦的中國(guó)國(guó)際公共安全博覽會(huì)(CPSE) 上，TI視頻系統(tǒng)應(yīng)用部工程總監(jiān)Peter Labaziewicz，TI單核處理器業(yè)務(wù)，視頻安全業(yè)務(wù)部市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理Sean Murphy，TI視頻安全業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Jason Jacob以及TI DSP視頻產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理王承寧向記者展示了TI在低照技術(shù)上所取得的成果，并進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

低照技術(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

Peter做了一個(gè)演示：在一個(gè)黑暗的箱子里放著兩款相機(jī)，一款是目前市場(chǎng)上某公司以低照度著稱的相機(jī)，該公司也拿TI以前的低照度性能和他們的低照度進(jìn)行對(duì)比。另一款是基于TI最新低照技術(shù)的相機(jī)。試驗(yàn)的光線環(huán)境是人眼已經(jīng)沒(méi)有辦法看見(jiàn)的程度。根據(jù)兩個(gè)相機(jī)采集的圖像可以看出，基于TI最新低照技術(shù)的相機(jī)可以采集到更清晰的字符和圖像。Peter說(shuō)：“針對(duì)低照環(huán)境下的圖像采集，很多客戶采用了其他辦法，比如加紅外補(bǔ)光，但這會(huì)增加成本。TI的低照技術(shù)是在最新推出的達(dá)芬奇DM385視頻處理器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，可以擁有比目前市場(chǎng)上最好的低照度相機(jī)還要好的性能。DM385能夠使用H.264 或SVC-T 高級(jí)編解碼器壓縮400萬(wàn)像素的視頻流，從而可實(shí)現(xiàn)這一水平的性能。此外，DM385 還集成3D降噪與WDR處理技術(shù)，并具有面部檢測(cè)、視頻穩(wěn)定、多重曝光、雙傳感器支持、變焦失真校正等影像信號(hào)處理技術(shù)。這些特性的完美整合，可為安全行業(yè)打造業(yè)界一流的低照技術(shù)。”

圖1 TI視頻系統(tǒng)應(yīng)用部工程總監(jiān)Peter Labaziewicz 在演示低照技術(shù)

3D降噪

提高照度有很多不同的方式。一是增加光圈，但這會(huì)使鏡頭的尺寸變大，光圈大于1.4以后就不可能再繼續(xù)做了，會(huì)增加很多系統(tǒng)成本。二是增加曝光時(shí)間，其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有拖影的情況發(fā)生。第三是增強(qiáng)從傳感器來(lái)的光學(xué)信號(hào)強(qiáng)度以提高增益，其缺點(diǎn)是噪聲也會(huì)被一起放大，這樣圖像上會(huì)有很多噪點(diǎn)，原來(lái)的圖像就變得不是那么清晰了。

Peter解釋到：“噪聲變大以后，后面的編碼會(huì)變得非常困難，因?yàn)榉植磺迨菆D像的細(xì)節(jié)還是噪聲，所以可能會(huì)把一些噪聲當(dāng)成圖像進(jìn)行編碼，所以就會(huì)浪費(fèi)編碼的性能。在這種情況下，關(guān)鍵是如何增強(qiáng)有用的信息并減少噪聲，但是做到這一點(diǎn)確實(shí)很難。TI做了很好的降噪濾波器，能夠把噪聲減少，可以在完全沒(méi)有信息的地方把原始圖象顯示出來(lái)，這是我們新的技術(shù)特點(diǎn)。”

降噪分為兩個(gè)部分，空間單個(gè)一幀圖像的降噪處理稱為二維降噪，這些噪聲在每一幀里其實(shí)都是一致的，這是空間域的噪聲；另一種噪聲在每一幅圖像里都會(huì)有變化，這叫時(shí)間域的噪聲。空間域是2D降噪處理，加上時(shí)間域就是3D降噪處理。這項(xiàng)技術(shù)可以用到所有IP攝像機(jī)的解決方案中。Peter強(qiáng)調(diào)：“在降噪處理時(shí)需要很多數(shù)據(jù)，因此TI做了硬件降噪的濾波器，可以迅速地處理大量數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)都是機(jī)械地處理。在軟件上還需要智能判斷，在大量的數(shù)據(jù)中判斷哪些是噪聲，哪些是圖像的細(xì)節(jié)。在對(duì)圖像作降噪處理時(shí)，一些公司也會(huì)說(shuō)具有3D降噪的功能，但是他們往往將圖像的細(xì)節(jié)也隨著噪聲一起去掉了，因此判斷哪些是細(xì)節(jié)哪些是噪聲是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，也是業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)。”

從模擬相機(jī)到數(shù)字相機(jī)的轉(zhuǎn)變

從模擬相機(jī)到數(shù)字相機(jī)的轉(zhuǎn)變會(huì)帶來(lái)三大問(wèn)題。第一，清晰度的提高將增加整個(gè)系統(tǒng)成本，TI一直在盡其所能去降低系統(tǒng)成本。其次是連接的問(wèn)題，有組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)的要求，以前裝模擬相機(jī)只要插上線就可以了，現(xiàn)在還需配置網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的一些接口，工程上會(huì)增加難度。TI也會(huì)提供相應(yīng)的技術(shù)來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的難度，我們有的客戶已經(jīng)有可以插入網(wǎng)口線之后不需要配置而能夠自動(dòng)識(shí)別設(shè)置的相機(jī)了。第三，清晰度的提高對(duì)后端的存儲(chǔ)也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，需要更多的硬盤。

針對(duì)以上三點(diǎn)，Jason說(shuō)：“TI新技術(shù)的方向和投資都是為了幫助客戶解決最終問(wèn)題，即在前端加入智能的功能，例如在低照度情況下能夠捕捉更好的圖像，提高相機(jī)智能識(shí)別有用信息的能力，以降低存儲(chǔ)的壓力，這些都是我們正在做的新方向。”Sean表示：“TI數(shù)字IP攝像機(jī)上有很多優(yōu)點(diǎn)是模擬攝相機(jī)所沒(méi)有的。第一，PoE的技術(shù)，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供電源的。第二，一個(gè)高清的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)可以取代若干個(gè)模擬攝像機(jī)，系統(tǒng)成本也會(huì)降低。第三，利用DSP的優(yōu)勢(shì)，可以在前端加入TI智能的算法，使得攝像機(jī)變得更聰明，以捕捉更有用的信息，降低網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)壓力。”Peter補(bǔ)充到：“我們也會(huì)和TI內(nèi)部模擬部門合作設(shè)計(jì)適用于IP攝像機(jī)的專門的電源芯片，供客戶選擇。今年，模擬到數(shù)字切換的步伐已經(jīng)快了很多，大量IP攝像機(jī)在市場(chǎng)上的應(yīng)用已經(jīng)超出了我們的想象。”

降低成本

沒(méi)有很好的降噪處理，不僅圖像清晰度會(huì)受影響，而且編碼時(shí)會(huì)把噪聲當(dāng)成圖像內(nèi)容進(jìn)行編碼，如果系統(tǒng)中同時(shí)有幾百個(gè)攝像機(jī)，隨著碼率的提高，對(duì)客戶端整體的成本還是影響很大的。TI最新的編碼器能夠保證很好的編碼效果，在低碼率的情況下可以保持同樣好的圖像質(zhì)量。

TI 最新推出的達(dá)芬奇DM8107 能為多通道(DVR/NVR) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)業(yè)界最高效率的視頻壓縮，是很好的低成本解決方案。DM8107 視頻壓縮引擎的壓縮效率比市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)高200% 以上，可為超值系列DVR 帶來(lái)無(wú)與倫比的視頻質(zhì)量。憑借如此高的壓縮效率，在無(wú)損影像質(zhì)量的情況下，既可使保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量銳降50%，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)所需的帶寬也可減半，這對(duì)實(shí)現(xiàn)視頻安全系統(tǒng)非常重要。

強(qiáng)者的策略

現(xiàn)在幾大FPGA廠商都瞄準(zhǔn)了安防監(jiān)控領(lǐng)域，對(duì)于來(lái)自FPGA的競(jìng)爭(zhēng)，Peter說(shuō)：“在相機(jī)系統(tǒng)中如果單純?cè)诰幋a器和傳感器之間加一個(gè)FPGA做低照度和降噪處理，會(huì)增加系統(tǒng)成本、功耗和面積，而且FPGA的功耗還是很大的。TI的圖像處理是在編碼芯片上實(shí)現(xiàn)的，客戶仍然只需要一個(gè)傳感器和編碼芯片就可以達(dá)到期望的效果，在系統(tǒng)性能上會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。”Sean表示：“FPGA會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度或額外的東西來(lái)支持它，會(huì)使得系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。例如，時(shí)域3D降噪處理要存儲(chǔ)前一幀圖像，用FPGA實(shí)現(xiàn)IP攝像機(jī)是就需要額外的DDR存儲(chǔ)器，系統(tǒng)成本會(huì)提高。而TI是用同樣的硬件和同樣的存儲(chǔ)器來(lái)達(dá)到同樣的效果。”

Peter表示：“我們可能有不同的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但我們的策略是比較一致的，集中在提供完整的低成本解決方案。此外，還會(huì)注重新技術(shù)的發(fā)展，包括提高編碼性能，降低碼率和后端存儲(chǔ)的壓力，以及新的低照度技術(shù)和智能分析技術(shù)。這都是我們重點(diǎn)針對(duì)的領(lǐng)域，保證客戶做出差異化、高端的產(chǎn)品。