作者：Gang Hua，德州儀器公司(TI) 影像架構(gòu)師

Jacob Jose，德州儀器公司(TI) 視頻安全業(yè)務(wù)經(jīng)理

執(zhí)行概要

    視頻攝像機近來不斷出現(xiàn)在每一個角落，因為它們能夠讓我們在不為所知的情況下進行事物監(jiān)控，如某個地方、某個人及某件事。攝像機技術(shù)就像人的眼睛，只能通過感受和處理存在的光才能看到物體和場景。正如關(guān)掉屋里的燈，我們需要努力才能看清楚一樣，許多視頻攝像機必須處理低照環(huán)境。如果攝像機不能克服低照條件，進行清楚地監(jiān)控，在場景中布置攝像機未必就能提供我們所需要的能見度。

    視頻攝像機技術(shù)的最新發(fā)展，尤其是低照噪聲濾波技術(shù)的發(fā)展，不僅增強了構(gòu)成視頻流的單幅靜態(tài)影像或幀的質(zhì)量，而且還可增強構(gòu)成每幀的單個像素的保真度。改進的濾波技術(shù)支持三維工作，可消除低照視頻流中的視覺異常，讓影像清晰銳利。采用強大實時處理器、配備高級壓縮算法的攝像機在低照條件下通常比人眼更敏銳。據(jù) 2010 年聯(lián)邦調(diào)查局統(tǒng)一犯罪報告，有 52.8% 的暴力犯罪與 81.7% 的財產(chǎn)犯罪尚未破獲¹。配備良好低照技術(shù)的攝像機將有助于縮小這一數(shù)字。

問題出現(xiàn)的部分原因

    連接至互聯(lián)網(wǎng)的視頻攝像機（IP 攝像機）正部署于各種應(yīng)用。除安全與執(zhí)法設(shè)施中實施的常用安全監(jiān)控攝像機外，攝像機現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于計算機、平板電腦和智能手機。此外，越來越多的車輛也已開始配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)或車載黑匣子，以輔助狹窄角落中的復(fù)雜操作，增強車輛的安全性。作為這些應(yīng)用以及其它應(yīng)用的基礎(chǔ)，IP 攝像機必須在低照下頻繁提供視頻流，就算有輔助照明也是如此。這個問題在安全應(yīng)用中尤為重要。

    用于監(jiān)控黑暗小巷或者光線昏暗走廊的 IP 監(jiān)控攝像機提供的視頻流往往模糊、像素化、不清楚，而且對比度差。低質(zhì)量視頻流往往會造成面部無法識別或者完全錯過所發(fā)生的事件，影響視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。提供更好的照明條件一般并不可行，因為燈光本身需要成本和維護，而且會使安全監(jiān)控系統(tǒng)容易被人注意。

    最后，理想的解決方案就是增強 IP 攝像機的低照性能，使之能夠在較低光線下實現(xiàn)更高的工作效率，提供清晰銳利的影像。下列影像中，一個采用低照性能增強技術(shù)，另一個則沒有。它們可清楚地說明這些技術(shù)增強視頻監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用效果的方法。

圖 1：未采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像

圖 2：采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像

低照視頻信號中的“噪聲”

    造成 IP 攝像機在低照條件下影像質(zhì)量下降的元兇是“噪聲”?；蛘哒f是攝像機因低照條件而不當納入影像的無關(guān)信號數(shù)據(jù)。這些攝像機信號處理中的偽像或異常數(shù)據(jù)可導(dǎo)致視頻流質(zhì)量降低、影像模糊、清晰度下降。要改善工作在低照環(huán)境中的視頻 IP 攝像機影像質(zhì)量，需要盡可能多地消除這種噪聲。通過提高視頻數(shù)據(jù)流的信噪比(SNR)，攝像機可提供更加清晰的影像。噪聲降低后，來自場景中實際對象的信號會增強，視頻影像更清晰。噪聲有幾個明確的來源，每一個都必須進行某種程度的處理。

·        顆粒噪聲

    顆粒噪聲理所當然來自可見光子命中視頻攝像機傳感器的命中率的波動。命中傳感器像素的光子數(shù)量圍繞與像素照度成比例的一個平均速率隨機變化。

·        固定圖形噪聲

    固定圖形噪聲由構(gòu)成 IP 攝像機傳感器像素的小幅變動造成。每個像素在被可見光子命中時的反應(yīng)不同。這些差異可能來自像素及色彩濾波器的差異，也可能來自連接像素的電路的差異。

·        讀出噪聲

    視頻攝像機光傳感器采集的模擬信息必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，以便攝像機處理。這項工作由模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成。讀出該轉(zhuǎn)換過程不完全性帶來的噪聲。

消除噪聲

    消除或過濾低照視頻流的噪聲有兩種基本方法。第一種方法為空間濾波。這種方法沿著構(gòu)成顯示屏影像的二維、高、寬進行。第二種方法為時間濾波，可為視頻流中還存在的時間增加第三維。

·        空間濾波

    視頻流由按時間順序播放的獨立靜止影像或幀構(gòu)成。實時視頻流通常每秒顯示 30 幀。不過如果不要求實際動作的逼真性，也可實施其它顯示速率?？臻g濾波是一種算法分析，獨立對每幀進行檢查，沿影像 X 軸和 Y 軸進行每像素比較，發(fā)現(xiàn)噪聲并予以清除。

·        時間濾波

    時間濾波算法可將時間維加入分析。這種方法不像空間濾波那樣，對整個幀進行檢查，而是按時間維分析每個像素。即將每個像素與后一個幀對比，判斷是否有噪聲存在。如果某個像素的運動方式非常類似于噪聲，就予以清除。時間濾波比空間濾波更復(fù)雜，因為視頻流往往包含運動，比如物體移動或者某人走過攝像機視野。時間濾波不但必須能夠分辨出攝像機需要觀察的真實運動，將其保留在視頻數(shù)據(jù)流中，同時還應(yīng)發(fā)現(xiàn)像素中任何類型可能為噪聲的異常運動，將其清除。為達到該目的，已經(jīng)開發(fā)出兩種方法，即動作自適應(yīng)法和動作補償法。

    動作自適應(yīng)法可嘗試確定物體動作發(fā)生的視頻流區(qū)域。保留這些區(qū)域中的信號發(fā)送，其中包括這些區(qū)域中可能出現(xiàn)的任何噪聲。分析影像其它部分的移動像素，判別是否是噪聲，如果是就清除。

   動作補償分析法比動作自適應(yīng)法復(fù)雜得多。動作補充分析法將先建立基準幀，以便對物體移動形成的運動像素進行時間濾波。如果運動分析正確，動作補償法與動作自適應(yīng)法相比能夠去除移動物體上更多的噪聲。但動作分析在低照條件下形成的高噪聲水平上容易出錯，因此可能會無法去除噪聲并產(chǎn)生煩人的偽像。

    德州儀器(TI) 等能夠提供大量動作自適應(yīng)法及動作補償法的技術(shù)提供商，可充分滿足 IP 攝像機制造商與安全系統(tǒng)集成商的各類需求。

低照性能優(yōu)勢

    能夠在低照環(huán)境下采集高質(zhì)量視頻的 IP 攝像機在多種應(yīng)用中均具有極高的效率，尤其是在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，其通常在低照環(huán)境下工作，并采用可能進一步降低視頻所含信息等級的壓縮功能。

    所有 IP 攝像機均使用某種形式的視頻壓縮，常使用 H.264 高端類(HP) 編解碼器獲得一流的壓縮效率。視頻壓縮會導(dǎo)致信息丟失。要讓壓縮視頻保持可接受的質(zhì)量，比如能夠識通過燈光昏暗街巷的轎車車牌或其駕車員面部，應(yīng)讓壓縮視頻位速率盡量保持為高。但是，存儲量及所需備份時間制約著低成本視頻壓縮的位速率。

   高噪聲視頻要達到要求的視頻質(zhì)量，需要壓縮更多的數(shù)據(jù)，因而需要更大的存儲，進而可增加設(shè)備成本。如果不能增大存儲，就應(yīng)減少備份時間，讓壓縮視頻保持可接受的質(zhì)量。同樣，如果必須跨網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻，且?guī)捰邢蓿俚母咴肼曇曨l可以在可用帶寬的限制范圍內(nèi)以更高質(zhì)量傳輸。這對在民宅中使用尤為重要，因為這里有多個 Wi-Fi 熱點爭奪少量的可用頻譜。

    H.264 等壓縮技術(shù)依賴多視頻幀之間的一致性來壓縮所包含的信息。噪聲會造成多種幀的高度不一致性，需要更多的數(shù)據(jù)才能壓縮壓縮視頻信息。良好的低照技術(shù)可消除不一致噪聲，使用更低位速率實現(xiàn)可接受的視頻質(zhì)量。IP 攝像機的安全系統(tǒng)操作人員可記錄更高質(zhì)量的視頻，延長備份時間，降低存儲成本或使用不變的存儲容量。

   另外，監(jiān)控低照戶外門的 IP 攝像機安全系統(tǒng)的操作人員還可能考慮安裝更多的外部照明設(shè)備來改善該區(qū)域的照明，進而提高視頻流質(zhì)量。由于具備低照性能的攝像機可補償照明條件，因而無需其它照明。這樣可以不必安裝新的電線電燈，只需采用具備優(yōu)異低照性能的 IP 攝像機替代原來的安全攝像機即可。此外，還可完全避免因安裝更多外部照明而產(chǎn)生的增量電力成本。

  當前許多高級監(jiān)控系統(tǒng)還整合了自動安全分析流程，其可進一步處理視頻流，為負責(zé)監(jiān)控的系統(tǒng)操作人員帶來輔助功能。這些分析功能在處理更清晰、更高清晰度的視頻流時效率更高。更好的安全分析可減少操作安全監(jiān)控系統(tǒng)的人力資源。

圖3：無低照性能增強技術(shù)的高噪聲視頻影像  圖4：采用TI 低照噪聲濾波器后的視頻影像

TI 低照性能解決方案

    TI 在為視頻安全處理應(yīng)用提供業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)方面擁有業(yè)經(jīng)驗證的驕人業(yè)績，如基于 IP 的視頻安全監(jiān)控攝像機等。達芬奇(DaVinci™) 視頻處理器平臺是行業(yè)最高性能的視頻引擎，有助于視頻及圖形加速器同步處理三個 1080p 60fps 視頻流，實現(xiàn)全新應(yīng)用與直觀的用戶界面。達芬奇用戶可在采用相同內(nèi)核 IP 的單個平臺上獲得可擴展產(chǎn)品線，為特定應(yīng)用提供高性能低功耗的獨特組合以及多種衍生方案。TI 參考設(shè)計可實現(xiàn)只需六個月的快速產(chǎn)品開發(fā)。

   除大量支持性器件外，TI 業(yè)界最佳視頻處理器還一直是眾多 IP 攝像機的核心。近期推出的達芬奇DM385 視頻處理器百尺竿頭更進一步，集成更強大的低照性能，包括三維噪聲濾波、寬泛動態(tài)處理以及具有業(yè)界最佳壓縮效率的 SVC-T H.264 高端壓縮技術(shù)。DM385 支持 H.264 或SVC-T 高端編解碼器，可壓縮高達4 百萬像素的實時視頻流與二次D1 實時視頻流。4Kx2K 或更高分辨率視頻、同步多級（基本／主流／高級）壓縮、面部檢測、視頻穩(wěn)定、多重曝光以及雙通道傳感器支持等各種特性，可幫助攝像機制造商在市場上為其產(chǎn)品便捷地實現(xiàn)差異化。此外，DM385 IP 攝像機參考設(shè)計還可幫助制造商在發(fā)揮任何最普通傳感器優(yōu)勢的同時，快速向市場推出最新低照攝像機。

圖5 DaVinciDM385視頻處理器方框圖

    如欲了解有關(guān)支持IP 攝像機及其他安全應(yīng)用的 DM385 或其它 TI 達芬奇解決方案的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com.cn/apps/cn/docs/mrktgenpage.tsp?contentId=41246&appId=79 。

參考資料：

1、 2010 年聯(lián)邦調(diào)查局統(tǒng)一犯罪報告：《美國的犯罪情況》。