全景攝像機(jī)的應(yīng)用與分類(lèi)技術(shù)

隨著人們安防意識(shí)的提高和安防技術(shù)的高速發(fā)展，視頻監(jiān)控根據(jù)在安防系統(tǒng)中所扮演的角色越來(lái)越重要，用戶(hù)不僅對(duì)圖像能夠看清楚提出了需求，同時(shí)希望能夠看到更廣泛的監(jiān)控場(chǎng)景，因此，全景監(jiān)控的需求被提出。

需要全景攝像機(jī)的監(jiān)控場(chǎng)所

根據(jù)實(shí)際參與項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)而言，通常需要進(jìn)行全景監(jiān)控主要應(yīng)用主要有以下幾種情況。

1、 只需要監(jiān)控整個(gè)場(chǎng)所全范圍局勢(shì)的，不需要細(xì)節(jié)的場(chǎng)合，如大范圍的公共場(chǎng)所、交通樞鈕、交通路口。由于這些地方視野開(kāi)闊，寬度有些甚至達(dá)到在百米以上，在看清全景圖像實(shí)現(xiàn)調(diào)度的同時(shí)，不可能也沒(méi)有精力再看清車(chē)輛牌照號(hào)碼等細(xì)節(jié)。這些場(chǎng)合只需要在制高點(diǎn)安裝一臺(tái)攝像機(jī)即可實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控，這個(gè)時(shí)候采用一臺(tái)魚(yú)眼攝像機(jī)即可以滿(mǎn)足一個(gè)場(chǎng)所內(nèi)的全景監(jiān)控。

2、 在特別注重細(xì)節(jié)的監(jiān)控場(chǎng)所，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)死角監(jiān)控，如銀行、超市、商場(chǎng)。在這些容易發(fā)生搶劫、偷竊安全事件的場(chǎng)所，嫌疑人的面孔要看的越細(xì)越清越好。這不僅需要監(jiān)控整個(gè)作案的全景過(guò)程，更需要每個(gè)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(shì)，而且還要重點(diǎn)突出有特殊情況，提前預(yù)警調(diào)取發(fā)生事件畫(huà)面，這樣具備全景基本功能的同時(shí)又達(dá)到重點(diǎn)突出的效果，也算一個(gè)特色，同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控效果與成本兼顧。采用低分辯率全景攝像機(jī)監(jiān)控，通過(guò)內(nèi)置監(jiān)控行為算法軟件，再配合自動(dòng)云臺(tái)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控基本功能和重點(diǎn)圖像抓取。通過(guò)軟件計(jì)算分析全景視頻畫(huà)面，如果出現(xiàn)預(yù)設(shè)的視頻畫(huà)面，如無(wú)人區(qū)突然出現(xiàn)有移動(dòng)目標(biāo)，廣場(chǎng)上人員奔跑，車(chē)輛事故，由軟件操作配合的帶自動(dòng)云臺(tái)的特寫(xiě)攝像機(jī)重點(diǎn)監(jiān)控。

4、 還有一種所謂的全景監(jiān)控最好理解，即為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)景的監(jiān)控，從不同角度安裝多個(gè)攝像機(jī)，這對(duì)用戶(hù)而言是一筆不小的預(yù)算，因此也不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)由多個(gè)攝像機(jī)捕獲的視頻畫(huà)面，由于各畫(huà)面間關(guān)聯(lián)性較差，給操作者對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的某一運(yùn)動(dòng)物體的連續(xù)監(jiān)控帶來(lái)了一定的難度。

全景攝像機(jī)的分類(lèi)技術(shù)

全景攝像機(jī)可分為兩種，其一是由單傳感器配套特殊的超廣角魚(yú)眼鏡頭，并依賴(lài)圖像校正技術(shù)還原圖像的魚(yú)眼全景攝像機(jī)。出色的性?xún)r(jià)比令此類(lèi)產(chǎn)品占據(jù)市場(chǎng)主流份額，但魚(yú)眼鏡頭的特殊性會(huì)造成對(duì)傳感器像素的必然浪費(fèi)，并且其畫(huà)面邊緣畸變部分難以達(dá)到高清晰度，亦即限制了監(jiān)控范圍內(nèi)的清晰度覆蓋面積;另一種產(chǎn)品由多個(gè)傳感器配合特制鏡頭組合實(shí)現(xiàn)全景功能，這類(lèi)多鏡頭拼接全景攝像機(jī)因?yàn)楦鱾€(gè)傳感器得到的都是常規(guī)矩形圖像，故而不需要進(jìn)行矯正操作，但相應(yīng)的需要另一套可實(shí)現(xiàn)畫(huà)面無(wú)縫拼接的算法軟件，并且其對(duì)整套方案需求較高，亦即對(duì)鏡頭視場(chǎng)角與安裝位置的設(shè)定都有嚴(yán)格要求。又因?yàn)橛布喜捎枚噻R頭多傳感器，故此類(lèi)產(chǎn)品難以進(jìn)行成本控制，售價(jià)普遍高于魚(yú)眼全景攝像機(jī)。

魚(yú)眼全景攝像機(jī)

初級(jí)階段：產(chǎn)品只具備輸出全景圖像和四分屏畫(huà)面的功能;

中級(jí)階段：輸出的圖像能進(jìn)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(wàn)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(yùn)用也使得視頻處理過(guò)于消耗PC服務(wù)器的資源;

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

魚(yú)眼全景攝像機(jī)的架構(gòu)并不復(fù)雜，只涉及到魚(yú)眼鏡頭與圖像矯正軟件。其中魚(yú)眼鏡頭因?yàn)槠淝岸巳玺~(yú)眼般鼓起得名，應(yīng)用于全景攝像機(jī)的魚(yú)眼鏡頭焦距必須在2mm以下，目前市場(chǎng)上此類(lèi)鏡頭產(chǎn)品相對(duì)而言已較為成熟。而魚(yú)眼全景攝像機(jī)之所以成為高端技術(shù)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(wù)，亦即圖像矯正與虛擬ptz這兩個(gè)核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，由上文也可看出正是這兩大技術(shù)決定著魚(yú)眼全景攝像機(jī)的發(fā)展等級(jí)。

具體說(shuō)來(lái)，只要有魚(yú)眼鏡頭就能在后臺(tái)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(xí)慣，必須經(jīng)過(guò)矯正以實(shí)現(xiàn)最終的兩分屏或四分屏的監(jiān)控需求。虛擬PTZ技術(shù)則給了用戶(hù)猶如快球的監(jiān)控體驗(yàn)在沒(méi)有機(jī)械部件的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)觀察范圍內(nèi)任意監(jiān)控點(diǎn)的重點(diǎn)觀測(cè)、圖像旋轉(zhuǎn)及放大等功能。

圖像矯正技術(shù)的思路并不復(fù)雜，一般是從原始餅圖拉出一個(gè)單獨(dú)扇形，再根據(jù)比例及透視等原理進(jìn)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(duì)于需求不高的產(chǎn)品，可直接對(duì)圓形餅圖進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)廠家其核心算法必然會(huì)有所不同，但圖像矯正技術(shù)的中心思想都是采用一定算法把邊緣畸變嚴(yán)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(shí)就是在圖像內(nèi)部進(jìn)行像素抓取，以實(shí)現(xiàn)放大與旋轉(zhuǎn)等功能，對(duì)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(shí)整合到前端固件與后端軟件上，實(shí)現(xiàn)對(duì)事實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)的具體位置與方式，目前的魚(yú)眼全景攝像機(jī)可進(jìn)一步歸納為如下三大類(lèi)：

1、軟件前端固件集成(軟件方式)

此類(lèi)攝像機(jī)所有的功能實(shí)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(jī)內(nèi)部的固件上，未來(lái)的升級(jí)亦只需對(duì)前端設(shè)置進(jìn)行更新。與此同時(shí)，其后臺(tái)pc亦可提供虛擬PTZ等功能，給予用戶(hù)事后靈活改變觀看視角及側(cè)重點(diǎn)的可能。又因?yàn)橄嗤?jì)算量在硬件晶體與軟件PC上的負(fù)荷量區(qū)別很大(同一個(gè)運(yùn)算任務(wù)，當(dāng)涉及到計(jì)算矩陣的問(wèn)題時(shí)，會(huì)占據(jù)軟件大量資源，硬件晶體上的運(yùn)算則相對(duì)更快。)，所以這種前端集成方式大大釋放了后端服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)的資源。結(jié)合分布式架構(gòu)，此類(lèi)產(chǎn)品在應(yīng)用到大中型項(xiàng)目時(shí)能最大程度減少后端服務(wù)器的配置，一般來(lái)說(shuō)即使大型項(xiàng)目也只需配置一個(gè)pc端服務(wù)器，例如DAS、NAS等等。另一方面，由于前端固件在技術(shù)上的限制，預(yù)計(jì)此類(lèi)全景攝像機(jī)最多只能處理到五百萬(wàn)像素。隨著高清化的推進(jìn)，能否突破此瓶頸將是這類(lèi)全景攝像機(jī)今后最大的發(fā)展難題。

2、芯片前端實(shí)現(xiàn)(硬件方式)

現(xiàn)在已經(jīng)有臺(tái)灣廠商開(kāi)發(fā)出可直接實(shí)現(xiàn)一定圖像矯正及四分屏輸出等基礎(chǔ)功能的芯片產(chǎn)品，也就是對(duì)魚(yú)眼全景攝像機(jī)有興趣的廠家，可直接集成此類(lèi)芯片與魚(yú)眼鏡頭便可得到產(chǎn)品。

此方式所有功能同樣在前端實(shí)現(xiàn)，但不同于軟件前端固件集成的是它不允許對(duì)原始圖像的保留以及后續(xù)操作。在用戶(hù)選定固有的功能之后，機(jī)器依據(jù)指令在前端攝像機(jī)內(nèi)部處理好圖片，進(jìn)而輸出到后端實(shí)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(shí)不具備自主研發(fā)能力的廠家與全景攝像機(jī)“親密接觸”的可能，也適用于一定范圍的低端市場(chǎng)。但它所有功能被封裝在成品芯片中，廠家難以進(jìn)一步自主升級(jí)，或者開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用功能，更不允許用戶(hù)在事后根據(jù)實(shí)際需要改變觀察視角，或進(jìn)行相應(yīng)的分析處理操作，具有很大的局限性。未來(lái)當(dāng)務(wù)之急是提升此類(lèi)型產(chǎn)品的靈活性，考慮是否可在芯片內(nèi)部預(yù)留改寫(xiě)及升級(jí)的空間。

3、后端軟件實(shí)現(xiàn)

此類(lèi)全景攝像機(jī)所有功能皆由安裝在后端PC上的軟件實(shí)現(xiàn)，前端攝像機(jī)只負(fù)責(zé)抓取圖片，因此產(chǎn)品在成本與售價(jià)上都有優(yōu)勢(shì)。

依賴(lài)后端PC強(qiáng)大的處理能力，此類(lèi)產(chǎn)品沒(méi)有清晰度升級(jí)方面的瓶頸限制，在實(shí)現(xiàn)基本多分割顯示、虛擬PTZ等功能的同時(shí)，原始圖像的保留亦使得后期可進(jìn)行更多的信息收集與處理工作?？闪硪环矫妫祟?lèi)產(chǎn)品對(duì)后端PC與網(wǎng)絡(luò)資源消耗較高，應(yīng)用在大型項(xiàng)目時(shí)需要配置更多后端服務(wù)器。

多鏡頭全景攝像機(jī)

此類(lèi)全景攝像機(jī)內(nèi)部封裝多個(gè)傳感器，通過(guò)對(duì)分畫(huà)面進(jìn)行圖像拼接操作得到全景效果。目前主流產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是把四個(gè)兩百萬(wàn)像素的傳感器，以及視場(chǎng)角為45°或者90°的獨(dú)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(shù)被集成在前端固件上，將四個(gè)單獨(dú)的畫(huà)面按用戶(hù)需求集成為180°或者360°的高清全景畫(huà)面，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖斯芾砥脚_(tái)。相較占主流的魚(yú)眼全景攝像機(jī)，多鏡頭拼接全景攝像機(jī)的優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)的距離。同時(shí)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(kāi)等功能，方便用戶(hù)按監(jiān)控重點(diǎn)調(diào)節(jié)畫(huà)面。

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

由于多個(gè)鏡頭與傳感器的使用，此類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格高于魚(yú)眼全景攝像機(jī)，但費(fèi)用仍然少于直接安裝多個(gè)傳統(tǒng)攝像機(jī)，同時(shí)其只有一個(gè)IP地址，方便軟件授權(quán)解決問(wèn)題。另一方面，此類(lèi)產(chǎn)品雖避免了像素上的浪費(fèi)，但拼接技術(shù)對(duì)整套方案的需求更高，其中視場(chǎng)角的選擇，結(jié)構(gòu)上如何互相完美搭配，算法上如何更好的無(wú)縫拼接，都決定著此類(lèi)產(chǎn)品在未來(lái)能否取得更好的發(fā)展。又因?yàn)殓R頭的配合無(wú)法達(dá)到物理上的完美，故此在吊裝時(shí)無(wú)法避免正下方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錐形盲區(qū)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，攝像機(jī)內(nèi)部鏡頭俯仰角度可調(diào)，安裝時(shí)便可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況一定程度上減少這個(gè)盲區(qū)的影響，另一方面，當(dāng)其安裝高度達(dá)到三米以上時(shí)(最佳安裝高度為三米到五米)，攝像機(jī)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(duì)實(shí)際監(jiān)控沒(méi)有太大影響。

除了基礎(chǔ)的鏡頭與核心技術(shù)，一臺(tái)全景攝像機(jī)的好壞還依賴(lài)于其對(duì)于傳感器的選擇。如果所選傳感器的像素太低，會(huì)直接影響矯正及拼接后畫(huà)面的最終顯示效果，反之若選用像素過(guò)高的傳感器，又會(huì)對(duì)硬件造成過(guò)大的運(yùn)算壓力。并且依據(jù)不同的設(shè)計(jì)思路與產(chǎn)品定位，有些主打室內(nèi)監(jiān)控的廠家并未設(shè)計(jì)紅外監(jiān)控功能，另一些則選擇雙鏡頭或者電子轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)夜間監(jiān)控。

因?yàn)楸旧慝@取的信息量巨大，加上軟件校正、拼接技術(shù)及虛擬PTZ對(duì)資源的占用，全景攝像機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)及后端系統(tǒng)的資源占用都大于普通攝像機(jī)。而前端處理方式對(duì)于網(wǎng)絡(luò)與后端的壓力雖小，但相應(yīng)的前端資源消耗巨大，產(chǎn)品價(jià)格也較高。反之后端軟件實(shí)現(xiàn)法則考驗(yàn)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與后端服務(wù)器的承受力，雖然單獨(dú)產(chǎn)品較便宜但配套的服務(wù)器械需相應(yīng)增加。因此在項(xiàng)目前期規(guī)劃時(shí)就應(yīng)該考慮到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)及項(xiàng)目的承受能力，而非單獨(dú)考慮攝像機(jī)的投入。目前分布式架構(gòu)被公認(rèn)為最適合全景攝像機(jī)項(xiàng)目。