作者：Gang Hua，德州儀器公司(TI) 影像架構師

Jacob Jose，德州儀器公司(TI) 視頻安全業務經理

執行概要

    視頻攝像機近來不斷出現在每一個角落，因為它們能夠讓我們在不為所知的情況下進行事物監控，如某個地方、某個人及某件事。攝像機技術就像人的眼睛，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境。如果攝像機不能克服低照條件，進行清楚地監控，在場景中布置攝像機未必就能提供我們所需要的能見度。

    視頻攝像機技術的最新發展，尤其是低照噪聲濾波技術的發展，不僅增強了構成視頻流的單幅靜態影像或幀的質量，而且還可增強構成每幀的單個像素的保真度。改進的濾波技術支持三維工作，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 2010 年聯邦調查局統一犯罪報告，有 52.8% 的暴力犯罪與 81.7% 的財產犯罪尚未破獲¹。配備良好低照技術的攝像機將有助于縮小這一數字。

問題出現的部分原因

    連接至互聯網的視頻攝像機（IP 攝像機）正部署于各種應用。除安全與執法設施中實施的常用安全監控攝像機外，攝像機現在也廣泛應用于計算機、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控系統或車載黑匣子，以輔助狹窄角落中的復雜操作，增強車輛的安全性。作為這些應用以及其它應用的基礎，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。這個問題在安全應用中尤為重要。

    用于監控黑暗小巷或者光線昏暗走廊的 IP 監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。低質量視頻流往往會造成面部無法識別或者完全錯過所發生的事件，影響視頻安全監控系統的實用性。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，而且會使安全監控系統容易被人注意。

    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，另一個則沒有。它們可清楚地說明這些技術增強視頻監控系統等應用效果的方法。

圖 1：未采用低照性能增強技術拍攝的視頻影像

圖 2：采用低照性能增強技術拍攝的視頻影像

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量下降的元兇是“噪聲”。或者說是攝像機因低照條件而不當納入影像的無關信號數據。這些攝像機信號處理中的偽像或異常數據可導致視頻流質量降低、影像模糊、清晰度下降。要改善工作在低照環境中的視頻 IP 攝像機影像質量，需要盡可能多地消除這種噪聲。通過提高視頻數據流的信噪比(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換為數字數據，以便攝像機處理。這項工作由模數轉換器完成。讀出該轉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。空間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，發現噪聲并予以清除。

·        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，將其保留在視頻數據流中，同時還應發現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，已經開發出兩種方法，即動作自適應法和動作補償法。

    動作自適應法可嘗試確定物體動作發生的視頻流區域。保留這些區域中的信號發送，其中包括這些區域中可能出現的任何噪聲。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法復雜得多。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生煩人的偽像。

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

低照性能優勢

    能夠在低照環境下采集高質量視頻的 IP 攝像機在多種應用中均具有極高的效率，尤其是在安全監控系統中，其通常在低照環境下工作，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。視頻壓縮會導致信息丟失。要讓壓縮視頻保持可接受的質量，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量，需要壓縮更多的數據，因而需要更大的存儲，進而可增加設備成本。如果不能增大存儲，就應減少備份時間，讓壓縮視頻保持可接受的質量。同樣，如果必須跨網絡傳輸視頻，且帶寬有限，更少的高噪聲視頻可以在可用帶寬的限制范圍內以更高質量傳輸。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，需要更多的數據才能壓縮壓縮視頻信息。良好的低照技術可消除不一致噪聲，使用更低位速率實現可接受的視頻質量。IP 攝像機的安全系統操作人員可記錄更高質量的視頻，延長備份時間，降低存儲成本或使用不變的存儲容量。

   另外，監控低照戶外門的 IP 攝像機安全系統的操作人員還可能考慮安裝更多的外部照明設備來改善該區域的照明，進而提高視頻流質量。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生的增量電力成本。

  當前許多高級監控系統還整合了自動安全分析流程，其可進一步處理視頻流，為負責監控的系統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控系統的人力資源。

圖3：無低照性能增強技術的高噪聲視頻影像  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用提供業界領先技術方面擁有業經驗證的驕人業績，如基于 IP 的視頻安全監控攝像機等。達芬奇(DaVinci™) 視頻處理器平臺是行業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，實現全新應用與直觀的用戶界面。達芬奇用戶可在采用相同內核 IP 的單個平臺上獲得可擴展產品線，為特定應用提供高性能低功耗的獨特組合以及多種衍生方案。TI 參考設計可實現只需六個月的快速產品開發。

   除大量支持性器件外，TI 業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、寬泛動態處理以及具有業界最佳壓縮效率的 SVC-T H.264 高端壓縮技術。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品便捷地實現差異化。此外，DM385 IP 攝像機參考設計還可幫助制造商在發揮任何最普通傳感器優勢的同時，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

    如欲了解有關支持IP 攝像機及其他安全應用的 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 年聯邦調查局統一犯罪報告：《美國的犯罪情況》。