全景摄像机的监控场所与分类技术

【内容提要】伴随人们安防意识的提高和安防技术的高速发展，高清视频监控根据在安防系统中所扮演的角色越来越重要，用户不仅对图像能够看清楚提出了需求，同时希望能够看到更广泛的监控场景，因此，全景监控的需求被提出。

　　需要全景摄像机的监控场所

　　根据实际参与项目经验而言，通常需要进行全景监控主要应用主要有以下几种情况。

　　1、 只需要监控整个场所全范围局势的，不需要细节的场合，如大范围的公共场所、交通枢钮、交通路口。由于这些地方视野开阔，宽度有些甚至达到在百米以上，在看清全景图像实现调度的同时，不可能也没有精力再看清车辆牌照号码等细节。这些场合只需要在制高点安装一台摄像机即可实现全景监控，这个时候采用一台鱼眼摄像机即可以满足一个场所内的全景监控。

　　2、 在特别注重细节的监控场所，同时实现无死角监控，如银行、超市、商场。在这些容易发生抢劫、偷窃安全事件的场所，嫌疑人的面孔要看的越细越清越好。这不仅需要监控整个作案的全景过程，更需要每个人的有别于其他人的任何特征。

　　3、 不仅需要监控全局局势，而且还要重点突出有特殊情况，提前预警调取发生事件画面，这样具备全景基本功能的同时又达到重点突出的效果，也算一个特色，同时实现监控效果与成本兼顾。采用低分辩率全景摄像机监控，通过内置监控行为算法软件，再配合自动云台摄像机，实现全景监控基本功能和重点图像抓取。通过软件计算分析全景视频画面，如果出现预设的视频画面，如无人区突然出现有移动目标，广场上人员奔跑，车辆事故，由软件操作配合的带自动云台的特写摄像机重点监控。

　　4、 还有一种所谓的全景监控最好理解，即为了实现整个场景的监控，从不同角度安装多个摄像机，这对用户而言是一笔不小的预算，因此也不经济。同时由多个摄像机捕获的视频画面，由于各画面间关联性较差，给操作者对监控范围内的某一运动物体的连续监控带来了一定的难度。

　　全景摄像机的分类技术

　　全景摄像机可分为两种，其一是由单传感器配套特殊的超广角鱼眼镜头，并依赖图像校正技术还原图像的鱼眼全景摄像机。出色的性价比令此类产品占据市场主流份额，但鱼眼镜头的特殊性会造成对传感器像素的必然浪费，并且其画面边缘畸变部分难以达到高清晰度，亦即限制了监控范围内的清晰度覆盖面积；另一种产品由多个传感器配合特制镜头组合实现全景功能，这类多镜头拼接全景摄像机因为各个传感器得到的都是常规矩形图像，故而不需要进行矫正操作，但相应的需要另一套可实现画面无缝拼接的算法软件，并且其对整套方案需求较高，亦即对镜头视场角与安装位置的设定都有严格要求。又因为硬件上采用多镜头多传感器，故此类产品难以进行成本控制，售价普遍高于鱼眼全景摄像机。

　　鱼眼全景摄像机

　　初级阶段：产品只具备输出全景图像和四分屏画面的功能；

　　中级阶段：输出的图像能进行一定的变形矫正和虚拟PTZ，但是变形和矫正的效果不佳，此外较低的分辨率(小于3百万像素)使图像处理后的清晰度效果欠佳，而传统的压缩编码算法的运用也使得视频处理过于消耗PC服务器的资源；

　　高级阶段：产品分辨率可达3百万像素以上，并能够根据需要灵活地进行图像变形矫正和虚拟PTZ。

　　鱼眼全景摄像机的架构并不复杂，只涉及到鱼眼镜头与图像矫正软件。其中鱼眼镜头因为其前端如鱼眼般鼓起得名，应用于全景摄像机的鱼眼镜头焦距必须在2mm以下，目前市场上此类镜头产品相对而言已较为成熟。而鱼眼全景摄像机之所以成为高端技术产品，在于原始畸变饼图处理的难度，以及如何更好为后端监控人员提供人性化服务，亦即图像矫正与虚拟ptz这两个核心技术的实现，由上文也可看出正是这两大技术决定着鱼眼全景摄像机的发展等级。

　　具体说来，只要有鱼眼镜头就能在后台得到全景图片，但此原始图像为畸变的圆形饼图，不符合人眼正常的观察习惯，必须经过矫正以实现最终的两分屏或四分屏的监控需求。虚拟PTZ技术则给了用户犹如快球的监控体验——在没有机械部件的前提下实现对观察范围内任意监控点的重点观测、图像旋转及放大等功能。

　　图像矫正技术的思路并不复杂，一般是从原始饼图拉出一个单独扇形，再根据比例及透视等原理进行一定变形及校正处理，拼合这些分别处理好的扇形图像便可得到符合监控需求的图像。对于需求不高的产品，可直接对圆形饼图进行简单四角拉伸，也能取得适合人眼观看的图像效果。虽然具体到每一个厂家其核心算法必然会有所不同，但图像矫正技术的中心思想都是采用一定算法把边缘畸变严重的图形拉伸整合为适合观看的正常比例图像。其中所用算法的合理性、编程水平的高低及最终系统资源占用率共同决定了此算法的优劣。至于虚拟PTZ，其实就是在图像内部进行像素抓取，以实现放大与旋转等功能，对比校正算法它主要的困难不是如何取得更为优秀的图片效果，而是如何更好地同时整合到前端固件与后端软件上，实现对事实与事后录像的双向虚拟控制。

　　多样化的全景监控

　　根据这些核心技术实现的具体位置与方式，目前的鱼眼全景摄像机可进一步归纳为如下三大类：

　　1、软件前端固件集成(软件方式)

　　此类摄像机所有的功能实现软件，包括图像矫正、虚拟PTZ、智能部件以及压缩算法等全部被集成在摄像机内部的固件上，未来的升级亦只需对前端设置进行更新。与此同时，其后台pc亦可提供虚拟PTZ等功能，给予用户事后灵活改变观看视角及侧重点的可能。又因为相同计算量在硬件晶体与软件PC上的负荷量区别很大(同一个运算任务，当涉及到计算矩阵的问题时，会占据软件大量资源，硬件晶体上的运算则相对更快。)，所以这种前端集成方式大大释放了后端服务器以及网络的资源。结合分布式架构，此类产品在应用到大中型项目时能最大程度减少后端服务器的配置，一般来说即使大型项目也只需配置一个pc端服务器，例如DAS、NAS等等。另一方面，由于前端固件在技术上的限制，预计此类全景摄像机最多只能处理到五百万像素。随着高清化的推进，能否突破此瓶颈将是这类全景摄像机今后最大的发展难题。

　　2、芯片前端实现(硬件方式)

　　现在已经有台湾厂商开发出可直接实现一定图像矫正及四分屏输出等基础功能的芯片产品，也就是对鱼眼全景摄像机有兴趣的厂家，可直接集成此类芯片与鱼眼镜头便可得到产品。

　　此方式所有功能同样在前端实现，但不同于软件前端固件集成的是它不允许对原始图像的保留以及后续操作。在用户选定固有的功能之后，机器依据指令在前端摄像机内部处理好图片，进而输出到后端实现二分屏或四分屏效果。

　　这种方式的出现给了一部分暂时不具备自主研发能力的厂家与全景摄像机“亲密接触”的可能，也适用于一定范围的低端市场。但它所有功能被封装在成品芯片中，厂家难以进一步自主升级，或者开发新的应用功能，更不允许用户在事后根据实际需要改变观察视角，或进行相应的分析处理操作，具有很大的局限性。未来当务之急是提升此类型产品的灵活性，考虑是否可在芯片内部预留改写及升级的空间。

　　3、后端软件实现

　　此类全景摄像机所有功能皆由安装在后端PC上的软件实现，前端摄像机只负责抓取图片，因此产品在成本与售价上都有优势。

　　依赖后端PC强大的处理能力，此类产品没有清晰度升级方面的瓶颈限制，在实现基本多分割显示、虚拟PTZ等功能的同时，原始图像的保留亦使得后期可进行更多的信息收集与处理工作。可另一方面，此类产品对后端PC与网络资源消耗较高，应用在大型项目时需要配置更多后端服务器。

　　多镜头全景摄像机

　　此类全景摄像机内部封装多个传感器，通过对分画面进行图像拼接操作得到全景效果。目前主流产品的结构是把四个两百万像素的传感器，以及视场角为45°或者90°的独立短焦镜头封装在统一的外壳中。其中数字处理与压缩等核心技术被集成在前端固件上，将四个单独的画面按用户需求集成为180°或者360°的高清全景画面，再由网络传输到后端管理平台。相较占主流的鱼眼全景摄像机，多镜头拼接全景摄像机的优势是一定程度上摆脱了焦距的限制，在相同条件下可以看清楚更远的距离。同时其亦具有虚拟PTZ功能，可做到诸如周面裁剪，中间还原，保持180°展开等功能，方便用户按监控重点调节画面。

　　相比现在主流的鱼眼全景摄像机，多镜头拼接全景摄像机没有了像素的限制，更不会存在中间与边缘清晰度差距巨大这一问题。特别选用了安防行业专用的芯片，完全抛弃与安防没有关系的多余算法与空间浪费，其中底层算法更是自主研发。故此摄像机的图像拼接，压缩虽然都是在前端实现，但其速度及网络资源占用极少，这也将是这类型产品未来的发展趋势。

　　由于多个镜头与传感器的使用，此类产品价格高于鱼眼全景摄像机，但费用仍然少于直接安装多个传统摄像机，同时其只有一个IP地址，方便软件授权解决问题重庆安防监控http://cq.anfangjishu.com/。另一方面，此类产品虽避免了像素上的浪费，但拼接技术对整套方案的需求更高，其中视场角的选择，结构上如何互相完美搭配，算法上如何更好的无缝拼接，都决定着此类产品在未来能否取得更好的发展。又因为镜头的配合无法达到物理上的完美，故此在吊装时无法避免正下方会出现一个锥形盲区。经过改进，摄像机内部镜头俯仰角度可调，安装时便可根据现场状况一定程度上减少这个盲区的影响，另一方面，当其安装高度达到三米以上时(最佳安装高度为三米到五米)，摄像机产生的盲区大小基本与人体头部的大小相似，也就是对实际监控没有太大影响。

　　除了基础的镜头与核心技术，一台全景摄像机的好坏还依赖于其对于传感器的选择。如果所选传感器的像素太低，会直接影响矫正及拼接后画面的最终显示效果，反之若选用像素过高的传感器，又会对硬件造成过大的运算压力。并且依据不同的设计思路与产品定位，有些主打室内监控的厂家并未设计红外监控功能，另一些则选择双镜头或者电子转换来实现夜间监控。

　　因为本身获取的信息量巨大，加上软件校正、拼接技术及虚拟PTZ对资源的占用，全景摄像机对于网络及后端系统的资源占用都大于普通摄像机。而前端处理方式对于网络与后端的压力虽小，但相应的前端资源消耗巨大，产品价格也较高。反之后端软件实现法则考验着整个网络与后端服务器的承受力，虽然单独产品较便宜但配套的服务器械需相应增加。因此在项目前期规划时就应该考虑到整个网络及项目的承受能力，而非单独考虑摄像机的投入。目前分布式架构被公认为最适合全景摄像机项目。

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