Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 19 октября
 
 


Это интересно!

Ранее

Основы обработки звука во встраиваемых системах. Часть 2

В статье рассматривается алгоритм цифровой обработки аудиосигналов в процессорах, используемых во встраиваемых системах. В первой части статьи был представлен краткий обзор аудиопреобразователей и рассматривались наиболее распространенные способы цифрового представления аудиосигналов. Во второй части рассказывается о способах представления данных в процессоре и методах обработки звука.

Фундаментальные основы обработки видеоизображений. Часть 2

В этой части статьи рассматриваются составные компоненты видеосистем и вопросы эффективного перемещения видеоданных между ними.

Тенденции развития информационной безопасности

Масштабы угроз корпоративной инфраструктуре, использующей информационные технологии (ИТ), продолжают расти. Безопасность стала важным аспектом организации и промышленных сетей. В статье приводятся и обсуждаются данные опроса ассоциации CompTIA по обеспечению информационной защиты корпоративных сетей, и предлагаются методы ее повышения.

 

15 апреля

Цифровая обработка сигналов — средство для улучшения анализа видеоданных

В статье подробно рассматриваются требования к системам видеонаблюдений, отмечаются их отличия от традиционных телевизионных систем. Достаточно подробно проведен сравнительный анализ алгоритмов сжатия данных MPEG-2, MPEG-4 и H.264. Приведен пример использования цифровых сигнальных процессоров в системах видеонаблюдений и предложен вариант построения такой системы.





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
М
у
ль
ти
М
е
диа
и
т
е
лек
о
М
83
электронные компоненты №4 2008
В статье подробно рассматриваются требования к системам видеона-
блюдений, отмечаются их отличия от традиционных телевизионных
систем. Достаточно подробно проведен сравнительный анализ алгорит-
мов сжатия данных MPEG-2, MPEG-4 и H.264. Приведен пример использо-
вания цифровых сигнальных процессоров в системах видеонаблюдений и
предложен вариант построения такой системы.
ЦиФРоВаЯ оБРаБотка СиГНалоВ —
СРедСтВо улуЧШеНиЯ аНалиЗа
ВидеодаННЫХ
Тодд Хиерс (Todd Hiers), сенТХил наТараджан (senTHil naTarajan), технические специалисты, Texas Instruments
ВВедение
Основной задачей охранных систем
и систем видеонаблюдения является
поиск приемлемых способов переда-
чи, хранения, а в дальнейшем и поиска
видеоизображений, записанных в тече-
ние многих часов, дней, недель и даже
месяцев. На рынке появились камеры
следующего поколения, встроенные
вычислительные возможности которых
позволяют выполнять анализ видеодан-
ных, что облегчает задачи обработки, а
также помогает загруженным операто-
рам охранных систем. Все эти возможно-
сти существенно помогают персоналу
службы видеонаблюдений обрабаты-
вать, выводить на экран, анализировать
и хранить большой объем видеоданных,
собираемых с постоянно возрастающе-
го числа камер видеонаблюдения, уста-
новленных в разных местах.
несТудийная Видеозапись
Требования к видеоизображению
в системах видеонаблюдения весь-
ма отличаются от требований к видео
«голливудского» качества. Часто каме-
ры находятся в местах с плохим осве-
щением и контрастностью, а располо-
жение камеры не всегда наилучшим
образом позволяет охватить все интере-
сующие области. В охранных системах
для наблюдения за людьми, объектами и
перемещениями в заданной зоне обыч-
но не требуется качество изображения,
к которому мы привыкли при просмотре
телепередач. Для применений с более
широкими функциональными возмож-
ностями системе может потребоваться
высокое разрешение, например, чтобы
получать и распознавать изображения
автомобильных номеров в неблагопри-
ятных условиях при движении транс-
портного средства.
Например, в североамериканском
телевидении частота кадров составляет
30 Гц, а разрешение — 720 × 480 пик-
сел. В системах видеонаблюдения может
применяться намного меньшие разре-
шение и частота кадров, поскольку нет
необходимости непрерывно фиксиро-
вать все подробности. Это позволяет
достичь компромисса в плане объемов
хранения данных и плотности загруз-
ки канала связи. Многие аналоговые
охранные системы работают с частотой
кадров 7,5 Гц и/или разрешением изо-
бражения 352 × 288 пиксел. Уменьшение
частоты кадров или разрешения позво-
ляет передавать изображения с четы-
рех камер по полосе пропускания,
которую обычно занимает одна камера.
Уменьшение и частоты кадров, и раз-
решения позволяет, в свою очередь,
передавать изображения с шестнадцати
камер по полосе пропускания, обычно
занимаемой одной камерой. Разумеется,
такое сокращение полосы пропускания
имеет свою цену: качество изображения
ухудшается. Но, несмотря на то, что при
частоте кадров 7,5 Гц движение может
выглядеть прерывистым, а изображение
с разрешением 352 × 288 пиксел не
является детализированным, в целом
оператор все еще способен определить,
что происходит в кадре. Это обычная
ситуация в случае старых систем, когда
для снижения затрат приходится делать
одну или обе эти уступки в отноше-
нии качества изображения. В настоящее
время в новых решениях используются
улучшенные алгоритмы сжатия и более
дешевые накопители данных. Таким
образом, охранные системы могут обра-
батывать видеоданные с повышенны-
ми разрешением и частотой кадров —
часто 720 × 480 пиксел и 30 Гц. При
необходимости оптимизации затрат эти
системы допускают программно настро-
ить видеообработку с меньшей частотой
кадров или с меньшим разрешением.
Другое важное требованием —
уменьшение запаздывания и при появ-
лении видеоизображения на экране, и
при панорамирования и увеличения мас-
штаба изображения на подозрительном
объекте. При чрезмерном запаздывании
может быть затруднено видеонаблюде-
ние в реальном времени, т.к. движение
рукоятки джойстика окажется несинхро-
низированным с перемещением камеры.
В условиях задержки передачи анало-
говые телевизионные системы всегда
работали лучше видеосистем на базе
протокола IP. К сложным задачам, свя-
занным с обеспечением низкого уровня
запаздывания цифрового видео, относит-
ся решение проблемы изменяющихся в
широких пределах задержек и потерь
данных в сетях Ethernet, а также неиз-
бежное запаздывание, вносимое коди-
рованием и декодированием видеодан-
ных. Эти задачи обычно решаются за счет
хорошей инфраструктуры сети, а также
применения улучшенных кодеков и обо-
рудования для сжатия видеоданных.
Хранение видеоданных — также
сложная задача, поскольку большинство
охранных систем должно обеспечивать
хранение и извлечение видеокадров,
записанных несколько дней, недель,
месяцев и даже лет назад. Система, в
которой сочетаются эффективные алго-
ритмы сжатия данных и недорогие запо-
минающие устройства большой емкости,
может хранить необходимые объемы
данных. Но для столь больших объемов
данных также необходимо предусмо-
треть возможности маркирования и
перехода к определенным секциям,
например, когда люди входят в кадр
или выбранный автомобиль покидает
место стоянки. Для этого используют-
ся аналитические средства, с помощью
которых компьютер может выполнить
анализ, определить интересующие дета-
ли и привлечь внимание оператора.
ВарианТы сжаТия данныХ
В течение нескольких лет появля-
лось множество схем сжатия данных,
но в охранных системах, как правило,
используются алгоритмы сжатия MPEG и
H.264. Эти алгоритмы зачастую выбирают
опорное изображение, а последующие
изображения описываются отличиями
относительно опорного изображения.
background image
84
М
у
ль
ти
М
е
диа
и
т
е
лек
о
М
www. elcp.ru
Такое описание и позволяет уменьшать
размер изображений по мере возмож-
ности. Предсказание на основе отдель-
ных кадров не всегда является лучшим
выбором. При низкой частоте кадров,
когда различия между двумя последо-
вательными изображениями могут быть
велики, возможности по сокращению
полосы пропускания являются огра-
ниченными. В последнее время, ввиду
появления недорогих технических
средств, наметилась тенденция исполь-
зовать телевизионную частоту кадров и
кодеки, подобные MPEG-4 и H.264.
Степень сжатия данных, достигаемая
с помощью формата MPEG, сделала этот
стандарт очень широко распространен-
ным в видеосистемах. Однако следует
иметь в виду, что даже формат MPEG
имеет несколько вариантов. MPEG-2
представляет собой устаревший стан-
дарт, применяемый в первую очередь
для дисков DVD и трансляции видео,
тогда как MPEG-4 обеспечивает лучшее
качество при заданном битрейте. Самым
современным стандартом является
H.264 (также называется MPEG-4 Part 10
или AVC для улучшенного кодирования
видеоданных), обеспечивающий еще
лучшее сжатие. Обычно при сжатии по
стандарту H.264 изображения, снятого
с кадровой частотой 30 Гц стандартной
аналоговой камерой, скорость передачи
составляет 1 Мбит/с. В общем случае, по
сравнению с этим результатом, MPEG-4
требует увеличения полосы пропуска-
ния на 50 %, а MPEG-2 потребует допол-
нительного 50%-ого увеличения полосы
пропускания по сравнению с MPEG-4.
Но за такое качество сжатия данных
приходится расплачиваться повышен-
ной вычислительной сложностью алго-
ритма сжатия, следствием чего может
быть увеличение, как стоимости, так и
времени запаздывания. Впрочем, по
мере роста производительности циф-
ровых сигнальных процессоров (ЦСП) и
снижения их цены, влиянием этого фак-
тора можно будет пренебрегать в тече-
ние следующих пяти лет. В настоящее
время MPEG-2 используется в устарев-
ших системах и не реализуется в новом
оборудовании. MPEG-4 представляет
собой промежуточное решение и часто
применяется в системах невысокого тех-
нического уровня, тогда как H.264 обыч-
но выбирается для новых систем.
Переходу от MPEG-4 к H.264 спо-
собствует ряд факторов. Этот алгоритм
использует несколько опорных кадров
вместо одного и поддерживает блоки
предсказания переменного размера.
В зависимости от используемых функ-
ций и настроек может существенно
меняться эффективность сжатия данных,
от которой напрямую зависят объем
дополнительных вычислений и время
запаздывания. Таким образом, H.264
предусматривает возможность выбо-
ра одной из предварительно заданных
настроек, называемых профилями. Один
из этих профилей, H.264 High Profile, обе-
спечивает поддержку потоковой обра-
ботки видеоданных переменного разре-
шения с низким уровнем запаздывания,
что является ключевым требованием в
системах видеонаблюдения. Кроме этого,
существует множество других способов
достижения компромисса между каче-
ством и битрейтом, и все они должны
быть обоснованы надлежащим образом.
Ранее уже упоминалось о важности
такой характеристики, как запаздыва-
ние. В настоящее время приемлемым
считается запаздывание в 100 милли-
секунд между возникновением собы-
тия и отображением его на экране.
Лучше всего рассматривать этот вопрос
на системном уровне. Если величина
запаздывания имеет решающее значе-
ние, то необработанные видеоданные
должны в первую очередь передаваться
на дисплей для предварительного про-
смотра, а не в систему записи/хранения
и лишь затем на дисплей. Разумеется,
любая схема сжатия в некоторой мере
увеличивает время между получением
исходных данных и сохранением изо-
бражения, тем не менее, если разработ-
чику нужно решить проблему запазды-
вания, то ему следует всерьез подумать
о переходе на H.264.
При передаче видеоданных возни-
кает вопрос, достаточна ли полоса про-
пускания для передачи всех изображе-
ний в реальном времени. В гибридной
системе, включающей в себя аналоговые
камеры и цифровые видеорекордеры со
встроенными жесткими дисками, рекор-
дер должен иметь пропускную способ-
ность, достаточную для работы со всеми
источниками видеоданных. Подобная
проблема возникает с передачей полно-
стью цифровых видеоданных от IP-камер.
Выбор кодека и битрейта также является
определяющим фактором правильности
выбора сети и устройства для хранения
данных. В приложениях, связанных с без-
опасностью, важно не перегружать сеть,
поэтому, в таких случаях лучше иметь
избыточность ресурсов. Канал 100 Мбит
Ethernet, как правило, является очень
надежной средой передачи данных с
восьми камер, когда каждая камера
передает на скорости 1 Мбит/с, однако
возможностей канала 10 Мбит Ethernet
в этом случае может оказаться недоста-
точно. Разумеется, окончательная оцен-
ка зависит от того, какие коммутаторы и
концентраторы применяются.
Хранение данных всегда было важ-
ным вопросом в приложениях, связан-
ных с безопасностью. Поэтому, вместо
того чтобы постоянно передавать все
данные, разве не лучше ограничиться
лишь передачей ключевых моментов
интересующих нас событий? В интеллек-
туальных камерах и цифровых видеоре-
кордерах нового поколения реализова-
на интеллектуальная система анализа
видеоданных, которая позволяет иссле-
довать изображение на предмет запро-
граммированных пользователем собы-
тий и обнаруживать интересующие нас
ситуации, например, присутствие или
отсутствие людей. К обычным примерам
анализа видеоданных относятся обна-
ружение потенциально подозритель-
ной активности, например, бесцельные
перемещения в зонах с напряженной
обстановкой; мониторинг трафика;
системы безопасности аэропортов и
обнаружение оставленных объектов.
Благодаря средствам анализа видеодан-
ные можно передавать или сохранять
лишь в тех случаях, когда происходит
что-либо, представляющее интерес. При
этом снижаются требования к сети и к
устройствам для хранения данных.
соВременные Цсп для анализа
данныХ
Движущей силой развития охранных
систем являются ЦСП, способные обе-
спечить более высокую частоту кадров
при соответствующем высоком качестве
изображения, лучшее сжатие в преде-
лах приемлемой полосы пропускания,
а также анализ видеоданных. Например,
ЦСП TMS320DM648 (см. рис. 1) Texas
Instruments, выполненный на основе
технологии DaVinciTM, обеспечива-
ет в обычных условиях обработку до
7200 млн. команд в секунду на такто-
вой частоте менее 1 ГГц, способствуют
быстрому выполнению сложных алго-
ритмов и операций.
Такие ЦСП вместе с современным
программным обеспечением использу-
ются для создания нового класса камер
и цифровых видеорекордеров систем
видеонаблюдения, дополненные воз-
можностями интеллектуального анализа
видеоданных. Благодаря специальному
программному обеспечению, например,
ObjectVideo OnBoard™, производители
получили возможность разрабатывать
новые изделия для систем видеона-
блюдения, выполняющие устойчивые
к ошибкам интеллектуальные функ-
ции обработки видеосигнала на базе
определенных пользователем правил.
Это могут быть такие функции, как ана-
лиз видеоданных, генерация сигналов
тревоги и другой важной информации.
Усовершенствованный анализ видео-
информации позволяет пользователям
указывать интересующие объекты и
определять, когда эти объекты, напри-
мер, пересекают заданную границу, вхо-
дят в определенную зону или просто
появляются в поле обзора камеры.
Для сопоставления заданных правил
с результатами видеоанализа в режиме
background image
М
у
ль
ти
М
е
диа
и
т
е
лек
о
М
85
электронные компоненты №4 2008
реального времени их обработка выпол-
няется специальным интеллектуальным
устройством. Полоса пропускания сети
оптимизируется за счет выборочного
вывода видеоданных только по факту
поступления сигнала тревоги. Также
доступны камеры видеонаблюдения,
которые можно применять в критиче-
ских окружающих условиях, требующих
принятия упреждающих мер, например,
в аэропортах, на пограничном контроле
и на охраняемых объектах коммерче-
ских организаций.
К примеру, у некоторых камер
используются чувствительные элементы
с очень широким динамическим диа-
пазоном (более 120 дБ), что позволяет
решить проблему размытых изобра-
жений в сложных условиях освеще-
ния. У этих камер также предусмотре-
на возможность выбора алгоритма
сжатия MJPEG или H.264. Благодаря
этому удовлетворяются требования и
тех пользователей, которым требуется
максимально высокое качество видеои-
зображения, и тех, которым необходи-
мо уменьшить полосу пропускания для
потоковой передачи данных. Используя
технологию ЦСП, камеры могут авто-
номно выполнять анализ видеоданных,
освобождая сеть от нагрузки, связанной
с передачей видеоданных в реальном
времени на серверы службы безопас-
ности. При затратах, составляющих лишь
небольшую часть от стоимости выде-
ленного сервера, эти интеллектуальные
камеры могут выполнять полный набор
операций анализа, правила для которых
в пределах поля обзора камеры задают
пользователи.
Альтернативным решением может
служить перенос на дочернюю плату с
установленным на ней сопроцессором
задач анализа высококачественных виде-
оизображений, требующих обработки
большого объема данных. Например,
процессор с ARM-ядром может исполь-
зоваться лишь для обнаружения факта
движения по последовательности изо-
бражений, а для анализа видеоданных
в камеру среднего или высокого раз-
решения добавляется сопроцессорный
ЦСП требуемой производительности.
Высокопроизводительный ЦСП выполня-
ет анализ видеоинформации, сжатие и
кодирование видеоданных для передачи
и хранения, тогда как процессор ARM,
например, TMS320DM355, поддержива-
ет выполнение задач и работу с сетью,
кодирование MPEG-4 и JPEG (см. рис. 2).
Благодаря такой архитектуре, в которой
для аппаратной реализации алгоритма
MPEG-4 высокого разрешения использу-
ется специальный сопроцессор, камеры
становятся более универсальными, могут
осуществлять двойную потоковую пере-
дачу, имеют возможность подключения
съемных накопителей данных, обладают
улучшенным цифровым масштабирова-
нием и полем обзора, не говоря уже о
снижении расходов за счет интегрирова-
ния конвейера обработки изображений.
Рис. 2. Архитектура для улучшенного анализа
видеоданных с использованием сопроцессора
Рис. 1. Структурная схема TMS320DM648
background image
background image
Оцените материал:

Автор: Тодд Хиерс (Todd Hiers), Сентхил Натараджан (Senthil Natarajan), технические специалисты, Texas Instruments



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты