要使網絡視頻監控系統智能化，其最重要的產品形態就是使網絡攝像機智能化。這樣，所監控的視頻圖像，經過前端智能網絡攝像機的分析識別后，可只將有異常的圖像傳輸到后端去記錄與顯示，因而可大大減輕網絡的負擔。但如何使高清網絡攝像機（1280×1024）的富余CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識別的軟件算法到網絡攝像機中，是目前國內外安防學者研究的重點之一。本文介紹一種新的單路高清IP網絡攝像機的功能模塊方案、并在此基礎上嵌入智能功能組成智能網絡攝像機，文中還介紹了其組成方案、設計原則與要點，以及應具備的合適的智能化功能等。
　　眾所周知，拾取所監控的光電圖像要靠攝像機，而模擬攝像機只能傳輸單向的視頻信號，其性能受制于DVR和操作員的水平。但網絡攝像機能夠傳輸全雙工的數字化信息，并能夠與系統內的其它設備有效集成，使它們能夠在一個分布式、可擴展的環境下達到更高的性能水平。網絡攝像機可以與多個應用系統并行通信，以實現各種不同的功能，例如偵測畫面中的運動情況，或發送不同格式的視頻流等。帶有IP地址的攝像機更加方便組網，因為它不需要進行額外的模/數轉換，也不需要在攝像機端安裝發送設備，所以攝像機的尺寸將會越來越小，而這也更便于隱蔽，是安防監控系統所需要的。
　　網絡攝像機將傳統攝像機和電腦的功能整合到了一起，它不僅將視頻信號數字化并壓縮，還擁有一個網絡接口。其視頻通過IP網絡傳輸，并記錄在裝有視頻管理軟件的標準PC上。用網絡攝像機組成的網絡視頻系統是一個真正的網絡視頻系統，同樣也是一個完全數字化的系統，因為沒有使用任何的模擬設備。所監控場景的視頻信號，從網絡攝像機持續不斷地通過IP網絡進行傳輸，無論瀏覽者所處何處，攝像機都能給瀏覽者提供穩定的圖像質量。因此，網絡攝像機最適于應用在平安城市的網絡安防監控系統中，而要建設成智能網絡安防監控系統，首當其沖的應使網絡攝像機智能化。這樣，所監控的視頻圖像，經過前端智能網絡攝像機的分析識別后，可只將有異常的圖像傳輸到后端去記錄與顯示，因而可大大減輕網絡的負擔。但如將智能軟件算法全部加入前端網絡攝像機中，由于其本身的CPU資源有限，往往需要提高前端設備的配置或者使用專用的視頻分析儀器共同作用，這樣會使設備的體積與成本大大增加，因而也不是用戶所需要的。
　　由此，如何充分利用網絡攝像機的富余CPU資源，嵌入哪些智能視頻分析與識別的軟件算法到網絡攝像機中，是國內外安防學者研究的重點之一。本文介紹一種新的單路高清IP網絡攝像機的功能模塊方案、并在此基礎上嵌入智能功能組成智能網絡攝像機，文中還介紹了其組成方案、設計原則與要點，以及應具備的合適的智能化功能等。
　　高清IP網絡攝像機的功能模塊解決方案
　　與普通的攝像機相比，網絡攝像機的內部主要是增加數字化處理與數字視頻壓縮以及網絡接入功能，即將數字化的視頻信號轉換成符合網絡傳輸協議（如TCP/IP協議）的數據流，以便送到網上傳輸。因此，一臺網絡攝像機可以被看作是一臺攝像機和一臺電腦的結合體。它能夠捕獲影像并直接通過IP網絡進行傳輸，從而使授權用戶能夠通過標準的基于IP的網絡基礎構架，在本地或者遠程地點實現觀看、存儲和管理視頻數據，或者監聽該攝像機內置麥克風采集的現場聲音。
　　由于網絡攝像機上還有通信（COM）接口，使網絡攝像機具有控制數據的捕獲及轉換功能。因為通過COM接口可與外接的解碼器相連接。因此，網絡上任一授權用戶的PC機，就可通過網絡傳輸經由攝像機COM口，對其外接的解碼器發送指令，使攝像機云臺與鏡頭根據需要動作。同時，該COM接口也可以從前端接受數據，并傳輸到網絡上的任一臺PC機上。
　　網絡攝像機上還有報警（ALARMI/O）接口。這種報警信號接入端子可以接收由各類報警傳感器傳來的開關量信號，并對其進行編碼，而后送入TCP/IP網絡，通過應用軟件對該報警信號進行各種聯動響應設置（如發出聲、光報警與進行報警錄像等）。
　　由于每臺網絡攝像機都擁有自己獨立的IP地址，能夠直接連接到網絡，并內置Web服務器、FTP服務器、FTP客戶端、Email客戶端、報警管理、可編程能力以及其它眾多的功能。網絡攝像機無需與PC機連接，也可以獨立運行，并可安置在任何一個具備IP網絡接口的地點。除了視頻信息之外，網絡攝像機還能夠通過同一網絡連接去實現更多其它的功能，并傳輸其它一些有用信息，如視頻移動偵測、音頻、數字化輸入和輸出（可用于實現報警聯動，如觸發警報或激活現場照明等）、用于傳輸串行數據或進行PTZ設備驅動的串行端口等。網絡攝像機中的圖像緩存，還可以保存并發送報警發生前后的視頻圖像。
　　因此，IP網絡攝像機可將獲取的視頻源在本地進行預處理、壓縮，然后通過IP網絡進行遠端傳送與存儲。其重要組成部分包含視頻預處理、視頻壓縮以及IP網絡視頻(Video-OverIP)功能。目前，IP攝像機的輸入數據格式是：1路D1/25幀/s＋1路CIF/25幀/s，這樣通常可用1片CycloneⅡEP2C35和1片低成本處理器來實現。
　　由于目前IP攝像機的分辨率正在由標清D1逐步進化到高清(1280×1024)，并且必須進行本地實時壓縮，因而只能采用硬壓縮方式。如果采用多片DSP處理器，則將使系統成本、集成度和功耗增加，而讓用戶無法接受；如果采用單片低成本的FPGA器件，則性能又無法滿足設計要求，但若采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件，則可達到要求。因為這種器件是具有相對應的結構化ASICHardCopy系列器件，它還可進一步將成本降低到1/10，并降低50%的功耗。因此，采用這種FPGA器件的單路高清IP攝像機的功能模塊。
　　視頻輸入預處理部分(含濾波、縮放等功能)，可以用Altera公司的VIP套件實現。而1路1280×1024/25幀/s＋1路CIF/25幀/s與H.264視頻壓縮則均將在FPGA硬件中實現。NiosⅡ處理器和VoIP參考設計可實現視頻到IP網絡的映射，并在以太網上傳輸。
　　此外，還可通過連接一片低成本的DSP處理器，來協助做一些視頻碼流的分析工作，雖然這些工作的邏輯關系比較復雜，但對性能要求并不高。采用Altera公司自定義的片內總線Avalon和SOPCBuilder系統集成工具，可將所需外設自動集成互連在一起，從而可大大提高設計效率。
　　由于平安城市建設的需要，更加推動了視頻監控的發展，從而也推動了FPGA在這一領域的應用。
尤其現在要求多通道、高清晰、網絡化、通信接口高速化、智能化，都促進了FPGA在這一領域的進一步發展。反之，FPGA的芯片技術、IP核、參考設計的進步和更新，又推動了視頻監控的發展。
　　實現智能網絡攝像機方案的組成與原理
　　通過前述的采用單片高性能的Stratix系列FPGA器件的單路高清IP網絡攝像機的功能模塊方案，加上嵌入的智能軟件算法模塊即可組成智能網絡攝像機。
　　顯然，一臺智能網絡攝像機，即由攝像鏡頭、CCD或CMOS成像器件、A/D與預處理部分、智能軟件算法模塊、編碼壓縮模塊部分與網絡接口模塊等六部分組成。因此，智能網絡攝像機的解決方案，其組成與工作原理框圖如圖2所示。
　　可知，攝像鏡頭收集所監控場景的光學圖像，并將它們聚焦成像到CCD或CMOS成像器件的感光面上，其轉換輸出的視頻電信號經A/D變換與去除噪聲、圖像增強等預處理后，再送入嵌入智能軟件算法的模塊中。智能軟件算法是智能網絡攝像機最重要的部分，其算法的優劣、異常信號分析識別的準確與否是該攝像機能否實用的關鍵。當智能網絡攝像機開始進入監控狀態時，會把所監控場景的圖像經編碼壓縮通過網絡傳輸到監控中心，然后就只將有識別異常的信號，才經編碼壓縮，通過網絡接口送到網絡中傳輸，這樣就可大大節省網絡帶寬的資源。
　　由于通過視頻壓縮后傳輸，會失去一部分真實信息并產生一些噪音信號，這時用智能軟件對壓縮后的視頻進行分析與識別處理，相對會有更多的漏報警和誤報警。而本方案的智能網絡攝像機是對沒有壓縮的原始圖像進行目標提取，就顯然沒有上述問題。并且，它只有在出現異常需預/報警的情況下，才需要把相關的視頻發送到后端進行監視和記錄，而一般情況下只需要通過網絡傳送很少的目標數據信息，這些目標數據信息的流量還不到視頻流量的1/50，從而減少了對網絡帶寬的要求和消耗，減少了用戶在網絡方面的投資，而同時對網絡條件不是很好的用戶也帶來了使用智能視頻網絡監控系統的可能。
　　因此，實現智能網絡攝像機方案的重點是，選擇與設計好的智能軟件算法，然后將其嵌入DSP或與FPGA中，以形成智能軟件模塊部分。
　　智能網絡攝像機方案的設計原則及要點
　　實現智能網絡攝像機方案的設計原則及要點主要有以下幾點。
　　模塊化設計
　　這里所說的模塊化設計，主要是使智能化功能模塊化。個人認為，上節所述的可嵌入智能網絡攝像機中的8個智能化功能，除前3個最基本的功能每個攝像機都需要而組成一個模塊外，其余可單獨組成。這樣比較靈活方便，可以根據實際監控地點的需要而選取不同的模塊裝入，從而可減少資金投入，工程商也愿意接受。因此，進行模塊化設計不僅可以給生產廠家帶來方便，也非常適合實際中的需要。
　　可靠性設計
　　任何產品均需進行可靠性設計，即要求系統所設計的結構合理、產品經久耐用、系統運行穩定可靠。這樣，必須進行EMC設計，要可抗EMI、防雷電及各種干擾等，以便能適應各種惡劣氣候環境而不出現故障。
　　人性化操作設計
　　所謂人性化操作設計，即非常適合于人的簡單方便的操作使用。如盡量采用按鍵式操作，要有明確的指示燈和喇叭提示，在它安裝得隱蔽與高的情況下，還可使用遙控器，將日常操作集中在遙控器上。
　　實用化設計
　　所謂實用化設計，即系統非常實用，操作使用簡單方便、環節少、易學。能自動地方便地進行功能設置，以及與防盜、防火、門禁等系統聯動，自動化程度高，使系統能在實際可能發生受侵害的情況下及時預/報警。此外，還要求有自檢功能，并將自檢結果定時上報給管理中心，接受管理中心監控，以便出現故障立即維護。
　　經濟性設計
　　在考慮系統經濟性時，除考慮降低系統的研發成本、生產成本外，還要顧及系統的使用成本，即已包括使用期間的維護費、備件費等。
　　為獲得較高的性價比，設計時不應盲目追求復雜高級的方案。在滿足性能指標的前提下，盡可能采用簡單的方案，因為方案簡單，意味著結構簡單、可靠性高、成本低。
　　在上述因素綜合考慮后，再選擇確定適當的方案。
　　智能網絡攝像機應具備的智能化功能
　　利用網絡攝像機的優勢而形成的智能網絡攝像機，是嵌入有智能化功能的網絡攝像機。一般，可充分利用前端網絡視頻設備所富余的CPU資源，來實現一些基本的智能視頻功能。并且，除普遍應用的智能功能外，還可在此基礎上，根據不同的應用嵌入一些不同需要的智能化功能。
　　可嵌入網絡攝像機中的智能化功能包括以下幾種。
　　監控攝像機普遍需要的智能化功能
　　1、有視頻遮擋與視頻丟失偵測的識別與預/報警功能
　　在一個大型的安防監控系統中，監控中心的值班人員所能顧及或者查看的最大可能是幾十路視頻圖像。如果系統中某一路視頻圖像被遮擋或丟失時，大多是這一路攝像機被人為遮擋或破壞或本身故障(如切斷供電線路或電源損壞問題等)等，而值班人員很難在第一時間發現，這有可能會帶來重大的安全隱患。但當系統具有視頻遮擋或視頻丟失偵測感知的智能識別與預/報警功能時，值班人員則能第一時間根據聲光報警去進行查看與處理，從而可消除視頻圖像被遮擋或丟失所造成的安全隱患。
　　2、有視頻變換偵測的識別與預/報警功能
在一般的網絡安防監控系統中，當其中某一路視頻圖像變換了（即不是原設定的設防點的視頻圖像范圍）時，這多半是罪犯想對原設防點實施犯罪而移動了攝像機或攝像機受到較大的震動而移動等，值班人員在第一時間也很難發現。但當系統具有視頻變換偵測感知的識別與預/報警的智能功能時，值班人員則能在第一時間根據聲光報警進行查看與處理，從而可消除視頻變換所造成的安全隱患。
　　3、有視頻模糊偵測的識別與預/報警功能
　　在智能安防監控系統中，當偵測到其中某一路視頻圖像模糊，即可能是攝像機鏡頭被移動(即焦距丟失)，而引起的原設定的視頻圖像模糊不清等時，即可自動啟動錄像、定點顯示與預/報警。
這樣，值班人員則能第一時間去進行查看與處理，以消除安全隱患。
當然，在高速球或一體化機，也可配置快速(t≤1s)自動調焦系統解決。
　　根據不同的應用嵌入的智能功能
　　1、可嵌入對各種天災的檢測識別與預/報警的智能功能
　　在平安城市的建設中，還必須有對城市火災與水災的水位、危房、橋梁易斷處、道路危險路段或鐵路公路旁易發生山石崩、雪崩以及地震站偵測地震等的地方進行檢測、識別與預/報警的智能功能。通常，安置帶十字刻度標尺的攝像機去進行監測。當視頻設防點的視頻圖像移動到十字標尺的某一警告刻度時，所嵌入的智能軟件算法即能自動啟動錄像、定點顯示與預/報警，從而使值班人員能第一時間根據聲光報警去進行查看與處理，以防止各種災害帶來的危害。
　　2、可有視頻移動偵測的識別與預/報警功能
　　在智能安防監控系統中，必須至少有視頻移動偵測的預/報警功能，這尤其在銀行、珠寶店、商店、倉庫、財會室、軍械室、保密室、博物館、油庫以及一切重要的監控的場所對安全性要求比較高的地方均需設置。當然，這一功能必須要濾除老鼠、貓、狗等小動物以及由光線變化等環境帶來的干擾，尤其在如雨雪、大霧、大風等復雜的天氣環境中，要能精確地偵測和識別單個物體或多個物體的運動情況，包括其運動方向、運動特征等。此外，視頻移動的檢測區域還可單獨地進行開或關，以適應特殊時間段各出入口、大廳、停車場等的要求等。
　　當偵測與識別到是不認識的移動人體侵入時，即自動啟動錄像、定點顯示與預/報警，使值班人員能第一時間根據聲光報警去進行查看與處理。并且，還要能根據其運動情況，自動發送PTZ控制指令，使帶云臺的攝像機能夠自動跟蹤物體。如人體超出該攝像機監控范圍，也能自動通知人體所在區域的其它攝像機繼續進行追蹤，直到抓捕罪犯。
　　3、可有出入口人數統計的智能功能
　　可嵌入出入口人數統計功能，該功能可通過對攝像機所監控的畫面進行分析，自動統計計算穿越國家重要部門、重要出入口或指定區域的人或物體的數量。
　　這一智能化功能的應用，還可廣泛在服務、零售等行業用來協助管理者分析營業情況，或提高服務質量，如為業主計算某天光顧其店鋪的顧客數量等。
　　4、可嵌入人群注意力及擁堵等檢測識別與預/報警的智能功能
　　該項智能化功能，能識別人群的整體運動特征，包括速度、方向等，用以避免形成擁塞，或者及時發現可能有打群架等異常情況。其典型的應用場景包括超級市場、火車站、娛樂場所等人員聚集的地方。
　　此外，還可統計人們在某物體前面停留的時間。據此還可以用來評估新產品或新促銷策略的吸引力，也可以用來計算為顧客提供服務所用的時間等。
　　5、可嵌入非滯留爆炸物或可燃等危險物品的檢測識別與預/報警的智能功能
該項智能化功能，主要用于對重要設施或公共場所等處的可疑滯留物體(如可燃、化學與爆炸等危險物體)超邊預定時間段還未取走等異常行為，進行處理、識別，并鎖定跟蹤與預/報警，從而盡快排除，以保障人民生命和財產的安全。
　　6、可有自動開關燈光、調整光強與識別有否外人侵入的智能功能
在黨政機關、學校、企業和大型家居環境，還可采用智能視頻分析技術消除巨大的電能浪費與安全隱患，如自動關閉不必要的燈或打開有人辦公工作的燈或視需要調整燈光的強度等。因為智能安防視頻監控系統可隨時計算出在一定的環境中什么位置有人走動或辦公，自動打開或增強相應位置的燈光，自動關閉或減弱其它位置的燈光。此外，它還可用來自動分析這些環境中的人是否與本辦公室或家庭數據庫中己有的一致，如發現有外人侵入，則可及時預/報警等。
　　7、有能聯動相應防區的其它安全防范設備的綜合安全防范功能
　　一個智能安防監控系統除必要的視頻監控系統外，至少要能聯動相應防區的安全防范設備，如出入口控制系統，防火防盜報警系統等。即需要與門禁探測器、防火與防盜及煤氣與放射線泄漏等安全的報警探測器等設備聯動，以達到綜合化的安全防范功能。例如，當接收到門禁探測器，或防火、防盜及煤氣與放射線等泄漏的報警信號時，相應位置的網絡攝像機即可通過可預置云臺自動轉到相應的預置位，以自動進行錄像，并觸發警鈴與燈，以進行聲光報警，從而實現綜合化的安全防范功能。
　　此外，還可根據需要，專門嵌入人體特征生物識別以及電子警察與智能交通所需的智能功能等。
　　上述的智能化功能，可根據用戶不同監控地點的需要，分別安置於安防監控系統前端的不同位置的攝像機中，當然有的較復雜一點的也可嵌入DVS與DVR中。
　　結語
　　由上可知，利用高清網絡攝像機的優勢而形成的智能網絡攝像機，是嵌入有智能化功能的網絡攝像機。顯然，這種前端監控設備的智能化，能有效地節省帶寬資源，是網絡智能視頻監控系統的一種較好的組成方式。這樣，在有智能網絡攝像機的智能視頻監控系統的后端，就只需集中對前端攝像機發送過來的目標數據信息進行管理，而不需要對視頻信號進行處理與識別，所以后端系統不需要昂貴的設備也能完成高效的智能視頻分析。由于后端只有前端發送來的預/報警事件的關聯畫面顯示，使監控中心工作人員能夠很輕松地完成整個系統的監視。而這種關聯錄像的功能，也使錄像搜索和回放變得簡單迅速，從而又節省了寶貴的時間。因此，上述智能網絡攝像機的解決方案，是一種非常實用而有效的方案。
　　值得指出的是，雖然智能網絡攝像機的實現方案比較好，但不能將所有的智能分析與識別功能都通過前端網絡攝像機來實現。因為它本身的CPU資源有限，要嵌入較復雜的智能軟件算法，往往需要提高前端設備配置，或者使用專用的視頻分析儀器共同作用，才能實現在前端進行視頻分析與識別的功能，所以需要合理配置。