数字摄像机在视频智能分析系统中的应用

　　在当今如火如荼的数字化进程中，视频监控领域也势不可挡的从模拟向数字化发展，DVR替代传统的模拟磁带式录像机、网络视频矩阵、网络视频服务器的出现，无疑是数字技术的进步。同样，在监控的前端，数字摄像机的出现和应用，也使得传统的模拟摄像机进入到了一个数字化的时代，并最终完成从模拟到数字化的产品交替。

　　1、视频智能分析系统对摄像机的要求

　　作为安防行业的发展和市场需求，对监控设备提出了更加智能化的需要，而正在日益兴起的场景智能分析系统，则要求摄像机不仅具有目前的视频图像监控功能，还必须为智能图像分析处理提供准确可靠的数据信息。计算机技术和图像技术的结合使得图像智能识别和分析成为可能，从而带动了许多新型应用，例如工业控制中的机器视觉识别和监控系统中的视频分析，此新兴学科在不断演变和发展。在监控领域，视频分析有望大大提高监视效率，现有的系统中，视频分析仅作为人工监视的辅助手段，它能使监视人员摆脱重复枯燥易错的任务，例如连续几小时盯视某一监视目标等待细节的变化。视频分析还能从复杂的数据中辨认行为和类型，如提取值得特别关注的目标徘徊逗留。其它的一些功能还包括报告人数、自动车牌识别、人脸生物识别等。不久的将来，智能摄像机不再只提供视频流，还提供操作命令，数据和信息。

　　成功的视频分析来自两个重要方面：高效的算法和高质量的图像。迄今的大多数研究集中在算法的优化与实现，对图像的要求却关注得不多。现有的图像监控系统的任务是形成最佳场景还原，使显示器上的图像最大程度地逼真于人亲临现场观测到的景物。为了实现这一效果，远景的许多细节都必需被忠实地再现。色彩、分辨率、帧率、敏感度、对比度、曝光准确度、噪声以及锐度等都是我们熟悉的确保高质量再现图像的重要属性。

　　由于目前用于视频分析的摄像机多数是采用传统模拟监控摄像机，所以视频分析系统大量的计算浪费在处理一些不确定因素（如，由于曝光变化引起的照明变化），而这些不确定因素是模拟摄像机设计过程中带入的，受其影响视频分析系统计算出来的结果也受到失真图像的影响。人眼能轻易地辨别两台摄像机照度、光强、颜色再现的不同与变化，而这些变化却常常导致分析系统失败。人和计算机视频分析系统对监控图像的需求差异甚广，遍及摄像机和视频系统整体设计中的各个环节。其中的主要原因是人的视觉仅要求图像的视觉再现，而分析系统更倾向于严格的物理属性再现。比如，摄像机采集到的图像即使垂直分辨率低些，也不会对人的视觉有任何影响，但这却对视频分析系统中的软件造成负面影响，也就会影响图像特征的成功识别，不能发挥最大识别功效。由于视频系统历史久远，一些早年的设计决定反而成为准确视频分析的障碍。众所周知的例子是为解决数据传输带宽限制，又不影响视觉效果而设计的隔行扫描；但对于视频分析系统，由于垂直分辨率低就会导致一半原始数据丢失。伽玛校正又是一例，多数视频图像经过伽玛校正用于提高抗扰度，补偿由于显示器偏差而导致的图像失真，有时还能增加对比度。不协调的伽玛校正使得反射率（物理属性参数）和视频信号输出之间的非线性关系很难预测，致使分析系统难以区分照明的变化和物体属性参数的变化（比如反射率），增加了跟踪物体进出阴暗区的难度。

　　视频监控与智能分析对信息源的最佳设置的要求存在着许多不同甚至是相冲突的地方，正是由于现有的视频处理技术只为人的视觉服务来再现场景，并不以忠实物理再现场景为目的，所以当通过计算技术处理图像，而不是人的视觉监视下，导致处理数据无法准确还原场景，最终导致失败的视频分析结果。以下列举了影响视频分析结果的图像要素：

　　2、数字摄像机的技术优势

　　采用创新DPS技术——数字像素处理系统（Digital Pixel System）开发的DPS摄像机，是一种完全不同于CCD、COMS的全新数字图像处理和成像技术。与模拟摄像机相比数字摄像机在应用于视频分析系统中具有明显的优势：
信号采集处理的传输时间短。模拟摄像机在图像的采集、处理和输出过程中需要经过多次的信号转换，存在传输时间长（数十毫秒），转换噪声大，视频信号衰减等缺陷。而数字摄像机是在数字图像传感器的每一个像素上集成了一个模拟数字转换器（ADC），通过ADC将捕捉到的光信号直接转换为数字信号，从传感器处理器输出过程全数字化，最大限度地节省了无效的传输转换，降低了噪音和衰减。从传感器到输出的过程中，单帧图像获取时间仅需0.8毫秒。

　　模拟摄像机在采集一幅图像的过程中通常只对整个图像采样1次，获取的图像会出现不同程度的明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光的现象。数字摄像机在采集一幅图像时，系统可对每个像素进行多次单独无损失采样，成像系统精确控制每个像素的最佳采样时间，在每个像素达到最佳状态时存储像素信息，不仅仅记录每个像素的光线总量，也计算光线的变化速率，最终可同时获取场景中明亮及阴暗区域详细的图像信息。

　　模拟人眼与大脑，图像传感器和图像处理器具有双向实时互动性。数字摄像机在图像的摄取和处理过程类似于人眼和大脑的关系，负责图像的处理和运算的同时，不断向图像传感器下达指令，不仅调整曝光时间而且改变实际的图像捕捉算法。最终，在特定的图像特征和光照下，获得最佳的图像效果。

　　更宽的动态范围和更真实的色彩再现。数字摄像机，通过其特有的数字采样和数字处理，得到比模拟摄像机更宽的动态范围（CCD的动态范围最大为60dB，DPS可达到120dB），更加接近真实场景的色彩还原。

　　逐点采样逐点成像，提供水平/垂直的高分辨率。不同于CCD采用隔行扫描处理模式，垂直分辨率只有达到水平分辨率的一半。

　　数字摄像机内嵌的强大软件平台，通过软件算法可在前端摄像机上实现诸如视频移动侦测、区域放大、报警的输入输出等功能，通过前端的采样和处理，可大大减少后端设备由于干扰和信号传输衰减等而产生的误动作；远程摄像机的设置调整及放大移动等功能也使应用变得简单；同样数字化的信号输出直接提供给高清显示设备或编码压缩芯片，减少信号转换过程的衰减，得到更加真实的图像。

　　总结

　　未来的监控系统很大程度上取决于智能分析系统的成功与否。它将走出现有系统的局限，有望提供一个高效低廉的，能有效地监视，警告，预报安全威胁的全面的安全监控系统。基于数字技术的平台可以提供更广泛、更智能化的应用，使原本复杂的系统变得简单有效，通过摄像机软件的开发和应用，就可实现包括门禁监控、面部识别、动作跟踪、智能交通、IP摄像机等。随着成像技术向全数字系统的转变，数字技术势必为高质量的视频监控解决方案奠定了图像捕捉和处理的坚实基础。