自從美國911事件以來，全球視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求越來越強勁。在國內(nèi)有關(guān)部門推出了“平安城市”項目后，中國的視頻監(jiān)控市場也開始起飛。特別是2008年北京奧運會、2010年上海世博會更是大力推動了中國視頻監(jiān)控市場的發(fā)展。據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，近幾年全球視頻監(jiān)控市場的年復合增長率接近10%，而中國市場的增長率更是在20%以上，預計2014年，全球視頻監(jiān)控市場規(guī)模將達到410億美元。
在市場的快速發(fā)展的同時，相關(guān)視頻技術(shù)也不斷升級，視頻監(jiān)控技術(shù)與市場呈現(xiàn)了以下幾個發(fā)展趨勢：
1.從CCTV到DVR再到NVR
傳統(tǒng)的模擬閉路電視視頻監(jiān)控(CCTV)，進行實時的錄像，需要大量的磁帶進行記錄，分析管理不方便，市場份額正在逐漸被數(shù)字視頻監(jiān)控(DVR)吞食。數(shù)字視頻監(jiān)控，因為對輸入的模擬視頻信號進行了數(shù)字化處理，后端可以方便地對圖像進行處理――降噪、縮放、OSD、壓縮等等，大大減少了對存儲空間的需求，降低了成本，也為視頻智能分析提供了基礎。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控(NVR)是在DVR的基礎上，加強了網(wǎng)絡功能，可以方便地實現(xiàn)遠程管理和遠端存儲。隨著網(wǎng)絡基礎設施的升級，NVR正獲得迅猛的發(fā)展。
2.從CIF到D1再到HD
隨著視頻處理芯片能力的增強，集成度的提高和成本的下降，以及硬盤單位容量成本的降低，數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的分辨率正在升級。目前D1(480i格式，720×480，水平480線，隔行掃描)正在逐漸取代CIF(352×288)成為市場的主流。而一些高端產(chǎn)品，已經(jīng)開始支持720p 格式(1280×720，水平720線，逐行掃描)，甚至1080p格式(1920×1080，水平1080線，逐行掃描)，以滿足一些特殊的應用需求，如工業(yè)/醫(yī)療圖像識別。更高的圖像分辨率，意味著更大的存儲空間需求，也為圖像識別、智能分析提供了便利。
3.從4/8通道到8/16/32通道
隨著單位通道成本的降低，終端客戶愿意設置更多的攝像頭，提高布控密度，以提供更好的安全保障。市場主流需求也由單設備4/8通道提升到8/16/32通道。
4.視頻監(jiān)控 + 網(wǎng)絡存儲
隨著視頻監(jiān)控市場的繁榮，也帶動了存儲產(chǎn)品市場的發(fā)展。過去，網(wǎng)絡存儲產(chǎn)品主要配合服務器用于運營商和企業(yè)的數(shù)據(jù)備份。現(xiàn)在，一些行業(yè)應用對圖像分辨率和保存時間提出了更高的要求，傳統(tǒng)的存儲陣列產(chǎn)品也開始逐漸引入到視頻監(jiān)控的應用中來，其提供的RAID功能，保證了數(shù)據(jù)存儲的可靠性和安全性。
5.智能監(jiān)控
更廣泛的視頻監(jiān)控應用，帶來視頻數(shù)據(jù)爆炸式地增長，靠人工手動查驗變得越來越困難。互聯(lián)網(wǎng)絡的發(fā)展，開啟了信息爆炸的時代，如果不依靠Google、Baidu這樣的搜索引擎，我們將迷失在茫茫的信息海洋中。同樣的道理，智能監(jiān)控是視頻監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢。在將來的某一天，也許我們輸入幾張嫌疑犯的照片，就可以借助人臉識別和人體特征識別技術(shù)，并通過龐大的互聯(lián)網(wǎng)相連的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡，搜索出可能的嫌疑犯出現(xiàn)過的位置和視頻信息。當然，這有很大的難度，但是，很多前沿的公司正在朝這個方向努力。而且，現(xiàn)在的智能監(jiān)控產(chǎn)品已經(jīng)在一些方面取得了可喜的成績，如車牌識別、人臉識別、越界報警、目標跟蹤、可疑物報警、人頭數(shù)量統(tǒng)計……
依據(jù)其不同的工作原理、視頻數(shù)據(jù)傳輸和處理方式，數(shù)字視頻監(jiān)控分為網(wǎng)絡視頻攝像機(IPCAM)+網(wǎng)絡存儲、基于PC的視頻采集以及嵌入式DVR/NVR三種方案，每種方案針對不同的應用環(huán)境都各有優(yōu)勢，以下是三種方案的比較:
1.IPCAM + 網(wǎng)絡存儲
該方案的優(yōu)點是部署靈活、方便，缺點是當前主流方案中的單位通道成本較DVR/NVR高。網(wǎng)絡視頻攝像機IPCAM可以通過以太網(wǎng)口上連到NVR設備，也可以直接上連到網(wǎng)絡存儲設備。前者適合組建小的監(jiān)控網(wǎng)絡，IPCAM作為NVR的一種補充；后者適合完全由IPCAM來組建大型監(jiān)控網(wǎng)絡。
IPCAM系統(tǒng)框圖如“圖1”，攝像機攝像機如果是模擬信號輸出，則需要視頻解碼器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送給后端。視頻處理器對視頻信號進行處理、壓縮，并包裝成以太網(wǎng)包送出。
IPCAM的發(fā)展方向?qū)⑹沁M一步降低成本，并加強智能監(jiān)控的功能。可以把視頻處理器的功能做得更強大，將攝像機功能集成進來，由視頻處理器直接對Image sensor輸出的信號進行處理。這樣，就可以省掉攝像機中進行前端處理的ISP (Image signal processor)和如圖所示的視頻解碼器，從而由單芯片方案實現(xiàn)IPCAM。
網(wǎng)絡存儲產(chǎn)品的系統(tǒng)框圖如“圖2”，由以太網(wǎng)交換機對IPCAM的數(shù)據(jù)進行匯聚，通過千兆以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡存儲設備。這種方案中的處理器通常是性能比較強的處理器，如多核x86、PowerPC、MIPS都有使用。這個級別的處理器，通常帶多組 PCI Express接口，提供高帶寬的外設接入。RAID處理需要做大量的XOR運算，如果由處理器直接來做處理，會大大增加處理器的負荷，系統(tǒng)規(guī)模也就不可能做大。所以，通常會使用專門的RAID協(xié)處理器。硬盤擴展(HDD Expand)部分，是用于將外接硬盤的數(shù)量擴展到十幾個、幾十個甚至上百個。通常的方案是用SATA Controller + SATA Port Multiplier，或者SAS Controller + SAS Expander。
當前的RAID協(xié)處理器、SATA Controller和SAS Controller多為PCI-X接口，為能實現(xiàn)與處理器的PCI Express接口實現(xiàn)互連，就要用到一個非常重要的橋接芯片，實現(xiàn)PCI Express到PCI-X的接口轉(zhuǎn)換。Pericom公司的PI7C9X130，實現(xiàn)了PCI Express x4到PCI-X 64bit@133MHz的轉(zhuǎn)換，支持64×133 = 1064MB/s的帶寬。PCI-X向下兼容PCI，總線也可以跑在100MHz、66MHz、33MHz或者其他低于133MHz的頻率。PI7C9X130工作在PCI模式時，可以擴展6個PCI設備。該芯片也被用于實現(xiàn)720p、1080p的高端視頻處理卡。
另外，PI7C9X130還支持Reverse mode，即可以實現(xiàn)從PCI-X到PCI Express的橋接，當處理器提供的接口是PCI-X，而需要掛接PCI Express接口的外設時，就需要工作在此種模式。
2.基于PC應用的視頻采集卡
視頻采集卡的優(yōu)點是配置簡單、操作方便。占用PC的PCI插槽或者PCI Express插槽，程序運行在Windows或者Linux下，操作跟日常使用電腦一樣簡單。PC價錢越來越便宜，性能也越來越強，基于Windows和Linux操作系統(tǒng)，有更多的軟件資源支持，使得產(chǎn)品開發(fā)變得更容易。這為智能監(jiān)控功能的開發(fā)提供了極大的便利。視頻采集卡的缺點是，如果客戶要為采集卡新配置PC，那么，計算上PC的成本，視頻監(jiān)控單位通道成本將較之DVR/NVR高。
視頻采集卡分為兩種，硬件壓縮視頻采集卡和軟件壓縮視頻采集卡。顧名思義，硬壓卡是由專門的DSP或者ASIC來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的處理和壓縮，而軟壓卡只實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集，處理和壓縮都由PC的處理器來實現(xiàn)。所以，硬壓卡對PC處理器的耗用較少，數(shù)據(jù)壓縮后傳輸，占用傳輸帶寬少；而軟壓卡的所有負荷都在PC處理器上，原始數(shù)據(jù)進行傳輸，占用傳輸帶寬大。就單卡成本而言，硬壓卡的成本遠高于軟壓卡，但單卡通道數(shù)可以做得更多，對PC配置要求不高。通過這種簡單的比較，我們不難看出，硬壓卡的定位介于軟壓卡和DVR/NVR之間。雖然現(xiàn)在PC價錢非常便宜，性能也足夠強，但是最便宜的PC也還是比嵌入式的處理器貴。所以，硬壓卡的市場份額有可能逐漸被軟壓卡和DVR/NVR蠶食。
當前，視頻采集卡的主流還是PCI插卡。但是，因為PC的PCI總線工作在33MHz，無法實現(xiàn)8路D1的原始數(shù)據(jù)傳輸；另外，Intel在大力推廣PCI Express總線，新推出的芯片組，提供更多的PCI Express接口，并讓PCI接口逐漸淡出市場。所以，PCI Express的視頻采集卡在逐漸流行起來。
硬壓卡功能框圖如“圖3”，軟壓卡功能框圖如“圖4”、“圖5”。
在視頻采集卡中，為了單卡實現(xiàn)多個通道，需要掛接更多的PCI設備，如圖所示的DSP/ASIC或視頻解碼器，故需要進行PCI總線的擴展。Pericom公司的PI7C8152是完全透明的PCI橋，可以擴展4個PCI設備，用于硬壓卡；PI7C8150，可以擴展9個PCI設備，用于8路軟壓卡；PI7C8140，可以擴展4個PCI設備，用于4路軟件卡。這三顆芯片都在PCI視頻采集卡上得到了廣泛的應用，而Pericom公司推出的PCI Express x1到PCI 的橋接 – PI7C9X111SL和PI7C9X112SL更是專門為視頻監(jiān)控應用量身打造，已經(jīng)成為PCI Express視頻采集卡應用的必然選擇。
PI7C9X111SL和PI7C9X112SL專為視頻監(jiān)控應用進行了優(yōu)化，支持512Byte的“Max Payload Size”，PCI to PCI Express進行upstream memory write的實際測試，當PCI工作在32bit@33MHz時，數(shù)據(jù)傳輸率高達120MB/s；當PCI工作在32bit@66MHz時，數(shù)據(jù)傳輸率高達230MB/s，完全滿足軟壓卡單卡實現(xiàn)8路D1的應用需求。
PI7C9X111SL可以擴展4個PCI設備；PI7C9X112SL可以擴展8個PCI設備。兩款芯片采用同樣 的封裝，客戶可以方便地實現(xiàn)4路卡和8路卡的兼容設計，共用一個PCB。封裝為14*14mm的128 LQFP，方便客戶焊接、調(diào)試。較之BGA封裝，減小了設計難度，可以使用更少的PCB層數(shù)，降低了成本。芯片功耗只有0.45W。
另外，PI7C9X111SL還支持Reverse mode，即可以實現(xiàn)PCI到PCI Express的橋接，當處理器提供的接口是PCI，而需要掛接PCI Express接口的外設時，就需要工作在此種模式。
少數(shù)視頻解碼器提供PCI Express x1接口，Pericom公司專門為監(jiān)控市場提供了低端口數(shù)的PCI Express Packet Switch，實現(xiàn)PCI Express port擴展。應用功能框圖如“圖5”，常用型號如下：
除此之外，Pericom公司還為監(jiān)控應用配套提供晶體振蕩器(Crystal oscillator)、信號轉(zhuǎn)換器(Signal switch)、PCI時鐘緩沖器(PCI clock buffer)、PCI Express時鐘發(fā)生器(PCI Express clock generator), PCI Express時鐘緩沖器(PCI Express clock buffer)、PCI Express Redriver以及SATA/SAS Redriver等完整解決方案。
3.嵌入式DVR/NVR
嵌入式DVR/NVR功能框圖如“圖6”，和“PC + 硬壓卡”的應用非常類似。
嵌入式DVR/NVR因為采用集成外設接口、性能適中的低成本嵌入式處理器，使得視頻監(jiān)控的單位通道成本大幅降低，系統(tǒng)功耗也大幅下降，契合當前“綠色環(huán)保”的產(chǎn)品理念。因為是一個封閉的系統(tǒng)，所以，也就不存在兼容性的問題。
嵌入式DVR/NVR多采用Linux操作系統(tǒng)，如果想通過shell command來進行配置、管理，對終端客戶會是非常困難的一件事情。所以，必須要開發(fā)簡單、易用的管理軟件。再者，當前的嵌入式DVR/NVR產(chǎn)品通常是固定通道數(shù)設計，擴展性不好。也許采用模塊化的設計會是一個不錯的選擇。另外，嵌入式DVR/NVR的視頻處理是由DSP/ASIC完成，在此基礎上開發(fā)智能監(jiān)控功能，較基于PC的開發(fā)，難度更大。
Pericom公司的PI7C8152，實現(xiàn)擴展4個PCI設備；PI7C8150實現(xiàn)擴展9個PCI設備，可以工作在66MHz或33MHz，廣泛應用于嵌入式DVR/NVR。經(jīng)驗證，對不同廠家的嵌入式處理器和PCI設備，都實現(xiàn)了完美的互連。隨著越來越多的嵌入式處理器提供PCI Express接口，PI7C9X111SL和PI7C9X112SL也開始用于嵌入式DVR/NVR，實現(xiàn)PCI Express接口到PCI的擴展。
作為Intel的合作伙伴，隨著Intel嵌入式平臺Atom和下一代Tunnel Creek的推廣，PI7C9X111SL和PI7C9X112SL必將在嵌入式領(lǐng)域獲得更廣泛的應用。就嵌入式DVR/NVR而言，Atom平臺，特別是下一代的Tunnel Creek平臺，客戶將可以在低功耗、低成本、易開發(fā)性、軟件繼承性和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等方面找到新的更好的平衡點。
總結(jié)：受應用市場上更多先進功能需求的推動，視頻監(jiān)控技術(shù)和市場正在向數(shù)字化和網(wǎng)絡化的方向快速發(fā)展，除了高清晰度的圖像傳感器，更高效、低功耗的視頻編解碼，更強大的處理器和應用系統(tǒng)外，大量數(shù)據(jù)在不同總線和接口之間的傳輸，已經(jīng)成為提升系統(tǒng)性能的又一個關(guān)鍵。Pericom的系列高速信號處理方案以及配套的各種器件，是系統(tǒng)設計師在從板卡到整個系統(tǒng)的設計過程中提升視頻監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要支撐性技術(shù)。