全景攝像機的監(jiān)控場所與分類技術

【內容提要】伴隨人們安防意識的提高和安防技術的高速發(fā)展，高清視頻監(jiān)控根據(jù)在安防系統(tǒng)中所扮演的角色越來越重要，用戶不僅對圖像能夠看清楚提出了需求，同時希望能夠看到更廣泛的監(jiān)控場景，因此，全景監(jiān)控的需求被提出。

　　需要全景攝像機的監(jiān)控場所

　　根據(jù)實際參與項目經(jīng)驗而言，通常需要進行全景監(jiān)控主要應用主要有以下幾種情況。

　　1、只需要監(jiān)控整個場所全范圍局勢的，不需要細節(jié)的場合，如大范圍的公共場所、交通樞鈕、交通路口。由于這些地方視野開闊，寬度有些甚至達到在百米以上，在看清全景圖像實現(xiàn)調度的同時，不可能也沒有精力再看清車輛牌照號碼等細節(jié)。這些場合只需要在制高點安裝一臺攝像機即可實現(xiàn)全景監(jiān)控，這個時候采用一臺魚眼攝像機即可以滿足一個場所內的全景監(jiān)控。

　　2、在特別注重細節(jié)的監(jiān)控場所，同時實現(xiàn)無死角監(jiān)控，如銀行、超市、商場。在這些容易發(fā)生搶劫、偷竊安全事件的場所，嫌疑人的面孔要看的越細越清越好。這不僅需要監(jiān)控整個作案的全景過程，更需要每個人的有別于其他人的任何特征。

　　3、不僅需要監(jiān)控全局局勢，而且還要重點突出有特殊情況，提前預警調取發(fā)生事件畫面，這樣具備全景基本功能的同時又達到重點突出的效果，也算一個特色，同時實現(xiàn)監(jiān)控效果與成本兼顧。采用低分辯率全景攝像機監(jiān)控，通過內置監(jiān)控行為算法軟件，再配合自動云臺攝像機，實現(xiàn)全景監(jiān)控基本功能和重點圖像抓取。通過軟件計算分析全景視頻畫面，如果出現(xiàn)預設的視頻畫面，如無人區(qū)突然出現(xiàn)有移動目標，廣場上人員奔跑，車輛事故，由軟件操作配合的帶自動云臺的特寫攝像機重點監(jiān)控。

　　4、還有一種所謂的全景監(jiān)控最好理解，即為了實現(xiàn)整個場景的監(jiān)控，從不同角度安裝多個攝像機，這對用戶而言是一筆不小的預算，因此也不經(jīng)濟。同時由多個攝像機捕獲的視頻畫面，由于各畫面間關聯(lián)性較差，給操作者對監(jiān)控范圍內的某一運動物體的連續(xù)監(jiān)控帶來了一定的難度。

　　全景攝像機的分類技術

　　全景攝像機可分為兩種，其一是由單傳感器配套特殊的超廣角魚眼鏡頭，并依賴圖像校正技術還原圖像的魚眼全景攝像機。出色的性價比令此類產(chǎn)品占據(jù)市場主流份額，但魚眼鏡頭的特殊性會造成對傳感器像素的必然浪費，并且其畫面邊緣畸變部分難以達到高清晰度，亦即限制了監(jiān)控范圍內的清晰度覆蓋面積；另一種產(chǎn)品由多個傳感器配合特制鏡頭組合實現(xiàn)全景功能，這類多鏡頭拼接全景攝像機因為各個傳感器得到的都是常規(guī)矩形圖像，故而不需要進行矯正操作，但相應的需要另一套可實現(xiàn)畫面無縫拼接的算法軟件，并且其對整套方案需求較高，亦即對鏡頭視場角與安裝位置的設定都有嚴格要求。又因為硬件上采用多鏡頭多傳感器，故此類產(chǎn)品難以進行成本控制，售價普遍高于魚眼全景攝像機。

　　魚眼全景攝像機

　　初級階段：產(chǎn)品只具備輸出全景圖像和四分屏畫面的功能；

　　中級階段：輸出的圖像能進行一定的變形矯正和虛擬PTZ，但是變形和矯正的效果不佳，此外較低的分辨率(小于3百萬像素)使圖像處理后的清晰度效果欠佳，而傳統(tǒng)的壓縮編碼算法的運用也使得視頻處理過于消耗PC服務器的資源；

　　高級階段：產(chǎn)品分辨率可達3百萬像素以上，并能夠根據(jù)需要靈活地進行圖像變形矯正和虛擬PTZ。

　　魚眼全景攝像機的架構并不復雜，只涉及到魚眼鏡頭與圖像矯正軟件。其中魚眼鏡頭因為其前端如魚眼般鼓起得名，應用于全景攝像機的魚眼鏡頭焦距必須在2mm以下，目前市場上此類鏡頭產(chǎn)品相對而言已較為成熟。而魚眼全景攝像機之所以成為高端技術產(chǎn)品，在于原始畸變餅圖處理的難度，以及如何更好為后端監(jiān)控人員提供人性化服務，亦即圖像矯正與虛擬ptz這兩個核心技術的實現(xiàn)，由上文也可看出正是這兩大技術決定著魚眼全景攝像機的發(fā)展等級。

　　具體說來，只要有魚眼鏡頭就能在后臺得到全景圖片，但此原始圖像為畸變的圓形餅圖，不符合人眼正常的觀察習慣，必須經(jīng)過矯正以實現(xiàn)最終的兩分屏或四分屏的監(jiān)控需求。虛擬PTZ技術則給了用戶猶如快球的監(jiān)控體驗——在沒有機械部件的前提下實現(xiàn)對觀察范圍內任意監(jiān)控點的重點觀測、圖像旋轉及放大等功能。

　　圖像矯正技術的思路并不復雜，一般是從原始餅圖拉出一個單獨扇形，再根據(jù)比例及透視等原理進行一定變形及校正處理，拼合這些分別處理好的扇形圖像便可得到符合監(jiān)控需求的圖像。對于需求不高的產(chǎn)品，可直接對圓形餅圖進行簡單四角拉伸，也能取得適合人眼觀看的圖像效果。雖然具體到每一個廠家其核心算法必然會有所不同，但圖像矯正技術的中心思想都是采用一定算法把邊緣畸變嚴重的圖形拉伸整合為適合觀看的正常比例圖像。其中所用算法的合理性、編程水平的高低及最終系統(tǒng)資源占用率共同決定了此算法的優(yōu)劣。至于虛擬PTZ，其實就是在圖像內部進行像素抓取，以實現(xiàn)放大與旋轉等功能，對比校正算法它主要的困難不是如何取得更為優(yōu)秀的圖片效果，而是如何更好地同時整合到前端固件與后端軟件上，實現(xiàn)對事實與事后錄像的雙向虛擬控制。

　　多樣化的全景監(jiān)控

　　根據(jù)這些核心技術實現(xiàn)的具體位置與方式，目前的魚眼全景攝像機可進一步歸納為如下三大類：

　　1、軟件前端固件集成(軟件方式)

　　此類攝像機所有的功能實現(xiàn)軟件，包括圖像矯正、虛擬PTZ、智能部件以及壓縮算法等全部被集成在攝像機內部的固件上，未來的升級亦只需對前端設置進行更新。與此同時，其后臺pc亦可提供虛擬PTZ等功能，給予用戶事后靈活改變觀看視角及側重點的可能。又因為相同計算量在硬件晶體與軟件PC上的負荷量區(qū)別很大(同一個運算任務，當涉及到計算矩陣的問題時，會占據(jù)軟件大量資源，硬件晶體上的運算則相對更快。)，所以這種前端集成方式大大釋放了后端服務器以及網(wǎng)絡的資源。結合分布式架構，此類產(chǎn)品在應用到大中型項目時能最大程度減少后端服務器的配置，一般來說即使大型項目也只需配置一個pc端服務器，例如DAS、NAS等等。另一方面，由于前端固件在技術上的限制，預計此類全景攝像機最多只能處理到五百萬像素。隨著高清化的推進，能否突破此瓶頸將是這類全景攝像機今后最大的發(fā)展難題。

　　2、芯片前端實現(xiàn)(硬件方式)

　　現(xiàn)在已經(jīng)有臺灣廠商開發(fā)出可直接實現(xiàn)一定圖像矯正及四分屏輸出等基礎功能的芯片產(chǎn)品，也就是對魚眼全景攝像機有興趣的廠家，可直接集成此類芯片與魚眼鏡頭便可得到產(chǎn)品。

　　此方式所有功能同樣在前端實現(xiàn)，但不同于軟件前端固件集成的是它不允許對原始圖像的保留以及后續(xù)操作。在用戶選定固有的功能之后，機器依據(jù)指令在前端攝像機內部處理好圖片，進而輸出到后端實現(xiàn)二分屏或四分屏效果。

　　這種方式的出現(xiàn)給了一部分暫時不具備自主研發(fā)能力的廠家與全景攝像機“親密接觸”的可能，也適用于一定范圍的低端市場。但它所有功能被封裝在成品芯片中，廠家難以進一步自主升級，或者開發(fā)新的應用功能，更不允許用戶在事后根據(jù)實際需要改變觀察視角，或進行相應的分析處理操作，具有很大的局限性。未來當務之急是提升此類型產(chǎn)品的靈活性，考慮是否可在芯片內部預留改寫及升級的空間。

　　3、后端軟件實現(xiàn)

　　此類全景攝像機所有功能皆由安裝在后端PC上的軟件實現(xiàn)，前端攝像機只負責抓取圖片，因此產(chǎn)品在成本與售價上都有優(yōu)勢。

　　依賴后端PC強大的處理能力，此類產(chǎn)品沒有清晰度升級方面的瓶頸限制，在實現(xiàn)基本多分割顯示、虛擬PTZ等功能的同時，原始圖像的保留亦使得后期可進行更多的信息收集與處理工作。可另一方面，此類產(chǎn)品對后端PC與網(wǎng)絡資源消耗較高，應用在大型項目時需要配置更多后端服務器。

　　多鏡頭全景攝像機

　　此類全景攝像機內部封裝多個傳感器，通過對分畫面進行圖像拼接操作得到全景效果。目前主流產(chǎn)品的結構是把四個兩百萬像素的傳感器，以及視場角為45°或者90°的獨立短焦鏡頭封裝在統(tǒng)一的外殼中。其中數(shù)字處理與壓縮等核心技術被集成在前端固件上，將四個單獨的畫面按用戶需求集成為180°或者360°的高清全景畫面，再由網(wǎng)絡傳輸?shù)胶蠖斯芾砥脚_。相較占主流的魚眼全景攝像機，多鏡頭拼接全景攝像機的優(yōu)勢是一定程度上擺脫了焦距的限制，在相同條件下可以看清楚更遠的距離。同時其亦具有虛擬PTZ功能，可做到諸如周面裁剪，中間還原，保持180°展開等功能，方便用戶按監(jiān)控重點調節(jié)畫面。

　　相比現(xiàn)在主流的魚眼全景攝像機，多鏡頭拼接全景攝像機沒有了像素的限制，更不會存在中間與邊緣清晰度差距巨大這一問題。特別選用了安防行業(yè)專用的芯片，完全拋棄與安防沒有關系的多余算法與空間浪費，其中底層算法更是自主研發(fā)。故此攝像機的圖像拼接，壓縮雖然都是在前端實現(xiàn)，但其速度及網(wǎng)絡資源占用極少，這也將是這類型產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢。

　　由于多個鏡頭與傳感器的使用，此類產(chǎn)品價格高于魚眼全景攝像機，但費用仍然少于直接安裝多個傳統(tǒng)攝像機，同時其只有一個IP地址，方便軟件授權解決問題。另一方面，此類產(chǎn)品雖避免了像素上的浪費，但拼接技術對整套方案的需求更高，其中視場角的選擇，結構上如何互相完美搭配，算法上如何更好的無縫拼接，都決定著此類產(chǎn)品在未來能否取得更好的發(fā)展。又因為鏡頭的配合無法達到物理上的完美，故此在吊裝時無法避免正下方會出現(xiàn)一個錐形盲區(qū)。經(jīng)過改進，攝像機內部鏡頭俯仰角度可調，安裝時便可根據(jù)現(xiàn)場狀況一定程度上減少這個盲區(qū)的影響，另一方面，當其安裝高度達到三米以上時(最佳安裝高度為三米到五米)，攝像機產(chǎn)生的盲區(qū)大小基本與人體頭部的大小相似，也就是對實際監(jiān)控沒有太大影響。

　　除了基礎的鏡頭與核心技術，一臺全景攝像機的好壞還依賴于其對于傳感器的選擇。如果所選傳感器的像素太低，會直接影響矯正及拼接后畫面的最終顯示效果，反之若選用像素過高的傳感器，又會對硬件造成過大的運算壓力。并且依據(jù)不同的設計思路與產(chǎn)品定位，有些主打室內監(jiān)控的廠家并未設計紅外監(jiān)控功能，另一些則選擇雙鏡頭或者電子轉換來實現(xiàn)夜間監(jiān)控。

　　因為本身獲取的信息量巨大，加上軟件校正、拼接技術及虛擬PTZ對資源的占用，全景攝像機對于網(wǎng)絡及后端系統(tǒng)的資源占用都大于普通攝像機。而前端處理方式對于網(wǎng)絡與后端的壓力雖小，但相應的前端資源消耗巨大，產(chǎn)品價格也較高。反之后端軟件實現(xiàn)法則考驗著整個網(wǎng)絡與后端服務器的承受力，雖然單獨產(chǎn)品較便宜但配套的服務器械需相應增加。因此在項目前期規(guī)劃時就應該考慮到整個網(wǎng)絡及項目的承受能力，而非單獨考慮攝像機的投入。目前分布式架構被公認為最適合全景攝像機項目。

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