智能摄像机：实现全方位监控的利器

智能摄像机是具备特定功能的一种摄像机,它不仅能摄取图像,更重要的是它能理解图像中发生了什么,在某种情况下还能采取有利于用户的措施。例如,在大门的开放时间以外的时间发生非法侵入的情况时,若一个处于监控状态的摄像机能触发报警或发送E-mail至用户,那么就有资格称为“智能摄像机”,因为它能指出发生了什么（检测到非法闯入）并能采取行动（触发报警或发送E-mail）。

虽然这样很好地描述了什么是智能摄像机,但并非智能摄像机的技术定义。在公共领域,媒体、摄像机制造商和开发者等提供了很多智能摄像机的“定义”,但似乎没有约定俗成的定义。很多定义强调智能摄像机具有内置的图像处理能力,但我们认为这些都不够准确,因为几乎所有的数字摄像机,无论消费类还是工业类,均有内置的图像处理能力。在我们看来,区分是否是智能摄像机的依据是内置图像处理器所执行任务的性质和它产生的主要结果或输出。基于本书的目的,我们把“智能摄像机”或“有智力的摄像机”定义为嵌入式视觉系统,它能从捕获的图像中提取特定的应用信息,同时能产生事件描述或作出决定,以便用于智能自动化系统。

在此定义中,有三个重要的方面,分析如下：

①“视觉系统”指智能摄像机有能力去“看见”或摄取图像。“视觉”不局限于可见光,也包括其他光谱,如红外光和热成像。“系统”指摄像机所有部件不必从物理形式上装入单个摄像机壳体中,尽管严格来讲应该这样做。

②“嵌入式”指智能摄像机作为嵌入式系统,采用了所有必要的部件,如微处理器（可能有多个）、存储器、电源以及通信接口,从而能以自主自动的方式发挥作用。

③“进行事件描述或作出决定”指智能摄像机的主要作用不是产生高质量图像或视频来供人们欣赏,而是检测预定事件是否发生,并作出相应的行为。

应该注意,具有内置图像处理能力的摄像机不一定就是智能摄像机,应取决于它进行图像处理的目的。很多消费类数字摄像机、摄录机以及其他通用摄像机都具有重要的内置信号和信息处理能力,例如自动聚焦、自动白平衡、自动曝光控制、自动对焦和图像压缩等功能。然而,这些功能大多主要用来产生高质量图像以供人们欣赏、打印,或者有效传输。另外,智能摄像机中图像处理的主要目的是为自动化系统中的其他设备产生事件描述并作出决定。显然能体现这一点的是智能摄像机两个最普遍的应用：视频监控和工业机器视觉。如果说常规摄像机是“光线入,图像出”,那么智能摄像机就是“光线入,信息或决定出”。

图2.1显示了典型智能摄像机的简化功能结构。光学部分确保光线的有效收集。图像捕获模块一般由固体图像传感器与相关电路或元器件组成,保证从光线转化为数字图像阵列。ASIP模块是智能摄像机最本质的核心部件。它的目标通常不是提供高质量图像来供人们欣赏或打印,而是试图自主理解和描述图像中发生了什么,在智能控制系统中做出更好的决定。通信接口和I/O端口接收来自用户或主机的命令或指令,进而给用户或智能系统发送数据或决定。

图2.1 典型智能摄像机的简化功能结构[ASIP（信息处理专用模块）](www.xing528.com)

如果将图像捕获模块比作智能摄像机的眼睛,那么ASIP模块就是智能摄像机的大脑,它像一台电脑一样完成了摄像机的智能化。硬件方面,ASIP一般由一个或多个具有关联内存（联想记忆）的微处理器、通信总线及其他电路或部件组成。根据这个基本结构和ASIP的硬件配置,智能摄像机可以分为几个大类,2.3节中将会详细讨论。

ASIP模块中的微处理器可以是通用的CPU（Central Processing Unit,中央处理器）、DSP（Digital Signal Processor,数字信号处理器）、FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）、媒体处理器,也可以是嵌入式系统中的专用处理器。第3章中会详细讨论这些处理器。软件方面,ASIP运行高效、自主的视频分析算法来分析捕获图像、提取有用信息、模式识别、事件检测,最终产生决策。不同的应用,视频分析软件的复杂度是不一样的。运动检测分析软件比较简单而人类姿势识别和行为描述分析软件就比较复杂。设计和开发智能摄像机最关键的问题在于选择合适的、能高效运行算法的ASIP硬件平台。所以,在最终选择硬件和软件时要综合考虑业务需要、性能指标及商业利益等方面的问题。

20世纪90年代开始,智能摄像机已逐渐普及并得到市场认可。由于很容易提供个人电脑、模拟监控摄像机、视频图像采集卡等设备,所以对于研究者和开发者来说,将这些设备和部件集成在一起,形成一个“智能摄像机开发平台”,在此平台上,可实现应用、测试和计算机视觉方法和技术的开发。90年代末,以APS（Active Pixel Sensing,有源像素传感器）技术为基础的固态CMOS图像传感器的出现是智能摄像机发展史上的一个里程碑。之前,大多数摄像机采用CCD（Charge-coupled Device,电荷耦合器件）芯片组作为摄像机前端。然而仅有少量公司能生产CCD芯片组。CMOS图像传感器可以利用和半导体芯片相同的处理技术来生产加工,这就意味着有许多芯片制造商都能够生产这种图像传感器,也就意味着会有更多的选择和竞争,价格就会日趋下降。CMOS图像传感器的出现使研发人员构建摄像机或智能摄像机时不用再从零开始（如可以将CMOS图像传感器和DSP或FP-GA连接在一起,再添加一个通信接口即可）,也不用再依赖商业化的摄像机。另外一些智能摄像机技术和市场增长的因素如下^[488]：

①大规模集成技术和嵌入式系统技术的进步。摩尔定律不断地改进着成像仪和微处理器的性能,尺寸越来越小,价格越来越便宜。嵌入式系统的设计也越来越成熟,甚至可以用于关键任务。

②计算机视觉特别是嵌入式计算机视觉技术的进步。开放的计算机视觉资源为更广泛的智能摄像机开发提供了有力的支持,例如OpenCV库。

③工业和学术界对计算机视觉和视频监控技术的关注度越来越高。每年都有大量的IEEE年会和研讨会讨论有关智能摄像机、嵌入式计算机视觉和视觉监控的课题。

④社会安全保障问题提高了对视频监控智能摄像机的要求。9·11事件后,视觉监控包括智能监控受到了更为显著的关注,也得了工业界和政府更有力的经费支持。

⑤在机器视觉工业行业,对生产力和质量的高追求刺激了智能摄像机的发展,尤其刺激了制造业的发展。