应用于金融系统的摄像机监控技术 - 安防知识网

金融行业是一个特殊的安防领域，其迫切需要新的技术革新来满足日益增加的安防需求，而摄像机也是安防行业必不可少的前端设备，本文就摄像机的两种新技术——JPEG2000压缩技术和DPS技术进行详细介绍，希望对您有所帮助。\r\n

伴随着全球数字化、网络化信息技术革命的滚滚浪潮，IT技术的发展已经给CCTV监控行业带来了巨大的变革，使得CCTV闭路电视系统有了更广泛和深入的应用。另外，全球金融行业迫切需要新的技术革新以满足日益增加的安防需求，这也推动了全球知名的监控产品制造商对新技术的研发和应用。现阶段针对金融系统的安全防范理论和技术已经发生了彻底的转变，新型数字IP监控系统将具有防盗、防抢报警、视频图像智能移动侦测和分析功能，配合“110报警指挥中心”能做出及时准确的行动决策，并且能够提供业务办理过程中发生争议的取证依据。通过强大的报警联网视频监控管理，为预防与杜绝犯罪提供了有效的技术保障；同时分级联网系统附带的管理功能可以对银行员工的工作状态、服务质量、业务办理等为客户服务的全过程实施有效的监督，有利于提高金融行业管理和服务水平。\r\n 数字化监控技术的应用并不是将原有模拟监控系统废除，而是对原有系统的升级或改造。例如利用金融营业网点原有的网络或升级网络，将前端摄像机改换成IP网络摄像机，或添置网络视频服务器将原有模拟监控改换成IP网络模式。IP摄像机既可输出数字视频信号通过网络组成新的系统，又可以输出模拟视频信号接入原有的模拟监控系统。这样模拟系统在本地可以实时记录所有监控画面，数字网络系统可以将摄像机智能侦测和分析到的有用画面及外接报警探测器触发时的画面通过网络录像机NVR（NET VIDEO RECORDER）进行存储，这样既能得到高清晰的JPEG 图像，又可以不用记录那些无任何价值的静态画面，减少硬盘录像机对网络带宽的占用。\r\n 在选择金融系统用监控产品时，尤其是前端摄像机，应该考虑以下几个重要因素:\r\n 1.根据具体应用环境和监控目标，应选择能满足监控需求的高性能参数指标的摄像机，确保在监控时段内监控画面的色彩真实还原效果和高清晰度，这样后端设备才能高质量地记录和重现监控现场的画面，可为突发事件提供有用的佐证。\r\n 2.产品的高可靠性，产品应该适应各种复杂的环境变化。如遇特殊或意外事件引起的震动冲击、温度湿度剧变、强烈光线变化等对摄像机正常工作的影响；如摄像机在使用一段时间后画质和色彩恶化，将严重影响监视和记录效果；如摄像机经常出现故障，将可能遗漏重要的监控画面，同时增加维护费用。\r\n 3.尽量减少使用需要人为操控的低速球机，选择智能程度较高的球机。因为在日常使用中，监控人员要监看很多画面，正常监看画面都会错过很多有用的画面信息，应该多利用机器的智能侦测和分析功能给监控人员提供有价值的辅助操作提醒。\r\n基于JPEG2000压缩技术的IP监控解决方案\r\n 目前绝大部分IP网络摄像机采用的压缩格式是JPEG、M-JPEG、MPEG4、H264，而现在有些厂家（如池上公司）又采用了一种新的压缩技术JPEG2000压缩技术。由于具有同M-JPEG一样的图像质量和MPEG-4的压缩率，JPEG2000将成为未来压缩技术发展的方向。\r\nJPEG2000标准的特点\r\n JPEG2000是国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）和国际电子技术联盟（International Electrotechnical Committee，IEC ）联合推出的新一代静态图像压缩标准，它是JPEG的升级版。 \r\n JPEG2000作为一种图像压缩格式，算法是其核心。JPEG 2000之所以相对于JPEG标准(ISO 10918-1)有了很大的技术飞跃，就是因为它放弃了 JPEG 所采用的以离散余弦变换算法为主的区块编码方式，而改用以离散小波变换算法为主的多解析编码方式。 \r\n JPEG2000标准可以说综合了图像方面所有的前沿技术，其目标是定位为未来静止图像压缩格式的标准，它拥有以下主要特点： \r\n 1、压缩效率高，图像还原质量好。JPEG2000的图像压缩率可在JPEG基础上再提高30%，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。此外，JPEG标准在中高码率下还能提供比较好的率失真性能，但在低码率条件下，它提供的主观图像质量往往让人无法接受。JPEG2000在码率下降的同时率失真（Rate-Distortion）性能仍能保持最优，这是JPEG2000最重要的特点。假如将JPEG图片转换成以JPEG2000编码方式的图片格式，在同样的网络带宽下，对于图片下载的等待时间将大大缩短。\r\n 2、无损和有损压缩。在一个JPEG2000码流中，可以同时存在有损压缩和高性能的无损压缩数据，并且对图像的无损恢复可以利用渐进式解码自然得到。而JPEG只能做到有损压缩，压缩后数据不能完全还原。因此JPEG2000保存了原始信息，即使在较小的图像文档尺寸的情况下，也不会有信息丢失。\r\n 3、渐进传输，这是JPEG2000的重要特征之一。它在同一影像文件中融合了不同质量级别的数据，这一特性允许图像重建可以根据目标设备的需求进行，从而在传输和带宽利用上具有更大的灵活性。也就是说，它先传输图像的大体轮廓，然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。这样图像就由朦胧到清晰显示出来，从而能更节约、充分地利用有限的带宽资源。而传统的JPEG方式无法做到这一点，只能是从上到下逐行显示。 \r\n 4、感兴趣区域压缩。JPEG2000的另一个技术特点是可以提供一个能让用户控制的、可选择分辨率的影像数据，即ROI（Regions of Interest）技术。用户可以指定感兴趣区域，在这些区域，可以在压缩时指定特定的压缩质量，或在恢复时指定特定的解压缩要求。这是因为小波在空间和频率域上具有局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留。 \r\n 5、基于内容的描述。JPEG2000允许在压缩的图像文件中包含对图像内容的说明，这是因为除了存储和传输之外，用户在一个大型数据库中迅速查找感兴趣的图像也是图像处理中一个非常重要的领域。 \r\n 6、JPEG2000在颜色处理上，具有更优秀的内涵。与JPEG相比，JPEG2000同样可以用来处理多达256个通道的信息。而JPEG仅局限于RGB数据。也就是说，JPEG2000可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式，如CMYK模式。\r\n 采用JPEG2000压缩技术用于视频信号在网络中传输，使得在高带宽网络传输环境下能传输25fps实时流畅的高分辨率、高品质视频图像；在低带宽网络传输环境下能够降低帧数从而得到高清晰的静态画面。\r\n\r\nDPS技术的宽动态摄像机\r\n DPS（Digital Pixel System）成像技术已经被越来越多的摄像机制造商采用，它是继CCD成像器件之后应用最广泛的新技术成像传感器件。CCD成像技术是在上世纪60年代开始应用，它从发展走向成熟，其基本原理使其自身无法取得重大的技术突破。DPS成像技术刚刚出世就以超级宽动态性能被众多知名摄像机制造商接受，其原理要比CCD技术先进。\r\n DPS技术商业化后，芯片组从D1000、D1500、D2000到D2500，图像清晰度从480线提升到540线，最低照度从1.0Lux/F1.2提升到0.5Lux/F1.2，典型宽动态范围从95dB提高到102dB。\r\n DPS 技术宽动态范围能达到120dB，而目前CCD摄像机的宽动态范围最大能达到54dB。尽管年轻的DPS 技术在某些方面还不如CCD技术那样成熟，只能推出几个芯片组，但DPS摄像机与基本参数接近的CCD摄像相比，其宽动态性能是绝对优秀的。\r\nDPS图像捕捉和处理\r\n 在像素刚开始曝光的最早期的可能时间点，DPS技术使得每幅图片中的像素的光能转换成数字信号。一个模拟量到数字量的转换器（ADC），被设计到每个像素中，并与传感器中每个像素的ADC同时进行操作。这个像素的ADC构造允许使用很多并联低速电路，在接近于光电二极管信号产生的地方运行，这对优化每一个像素里的信噪比比率至关重要。\r\n DPS系统每一个像素使用单独的ADC，完成在每个像素里非破坏性又相互关联的双倍取样。在每一次图像捕捉期间，DPS使用该性能在单个像素内部对不断增强的光的强度进行多次抽样，这就使得每个像素的曝光水平将由收集到的电荷的变化率来决定，而不是仅由它的绝对量决定。每个像素同样拥有可调整的取消偏移量放大器，以确保通过传感器队列能做出一致的反应。这些创新减少了由于在APS上纵向排列不同值ADC引起的固定模式的噪声。\r\n DPS传感器是数字式的，因此像素读取更快而且更准确。每个数字图像取样被捕捉到芯片RAM上，由紧密连接的局部存储器提供的高带宽被用于取得超级宽动态范围。这种方式对于CCD或者APS传感器都是无法完成的，因为他们依赖模拟的读出电路，DPS却可以从每个像素数字取样中获得很多信息。DPS的宽动态范围\r\n 宽动态范围实质上是在所有光照条件下捕捉全部的图像细节。由于剧烈光线反射、耀眼的光照、车前灯和直接的太阳光，使摄像机监控画面受到动态范围的影响非常剧烈。通过取得非破坏性的多次取样的图像捕捉能力和高级的图像处理算法，DPS取得了很高的宽动态范围。\r\n 当曝光发生时，每个像素依撞击每个像素光线强度的比例进行电荷积累。一个强光源对一个像素充电要比一个弱光源快得多。现有的模拟技术对所有的像素使用单一曝光，在曝光结束后，摄像机在每个像素上感应到积累的全部电荷。在曝光快结束时，摄像机将在每个像素里完成整个的聚集电荷，这就意味着一些像素（亮光）可能感光过度而其他像素（暗光）可能曝光不足。\r\n DPS通过以下方法解决这个局限性：使用DPS技术，在曝光期间，对于光线照射下的每一个像素采用多次取样，同时DPS分析出每个像素在光线照射下的充电速度。使用该方法，在整个曝光期间，DPS按充电电荷增长和整体电荷积累的混合速率测量光的强度。\r\n 特别重要的是，DPS系统记录着每个像素曝光接近饱和时所需的时间长度。曝露在强光下的像素趋近于饱和的速度远超过其它像素。DPS测定每个像素在下次抽样前是否饱和，如果一个像素将饱和，它曝光所用的时间和它当前的电荷强度将被记忆储存。\r\n 当摄像机内每个独立的像素以及像素电荷改变的速率被用来成像时，很大程度上增加了动态范围以及所捕捉到的图像的信噪比，该方法的优点迅速显现了出来。其它技术只是测量了像素值，而没有涉及到电荷变化率。\r\n DPS被称为“多点采样”的技术，该技术用于收集信息，以实现高品质的图像质量和较高的动态范围。在一次单独的捕获画面（在视频中一般每秒50到60次）过程中，每个像素被独立地无破坏性地多次取样。成像系统决定最佳取样时间和在像素饱和前存储像素信息，并不再保留额外的电荷。在下面图表中，光线较亮区域的像素被存储在时间轴T2，该时间段是在该像素达到100%饱和前的最近一次抽样时间。\r\n 光线较暗区域的象素积累电荷更慢一点而且将用更多的时间曝光饱和直到它被取样存储在时间轴T6，每个象素捕捉到的存储信息值（强度、时间、噪波弥补）被并行处理，然后再转换成高质量的图像。\r\nDPS 摄像机的应用\r\n 电视里经常看到公安机关通缉的犯罪嫌疑人在银行营业厅作案的画面，但很多细节比较模糊，需要广大群众根据画面中犯罪嫌疑人的简单特征提供有用的线索。为什么不能拍摄更清晰的画面呢？\r\n 银行营业网点一般都位于临街路边，大厅光线充足，用户接待台面向窗户，顾客则背向窗户。监控摄像机需要监看和记录的目标是营业员的工作过程、用户的面部细节、大厅里人员活动的细节、营业厅窗外的人、物细节以及顾客进出营业厅的全过程。金融系统营业厅营业时间一般是早9：00到晚6：00，在春、夏、秋季的营业时段内室外光线很充足，只在冬季有短暂的时间完全依赖灯光照明。在这么长的时间段内，光线明暗变化强烈，室内外光线反差巨大，又有照明灯光，监控摄像机又处于逆光拍摄状态，普通摄像机无法拍摄出明暗反差大的局部与细节，无法获得满意的图像。这种监控环境下，需要的不是摄像机具有多低的照度指标，而是需要摄像机具有很好的宽动态性能，很好的色彩还原效果和高清晰度。\r\n 对于ATM机，很多安放在室外并24小时对顾客营业，用于ATM机的摄像机不仅需要更好的宽动态指标还要有足够的低照度指标。用于金融安防系统场所的监控摄像机，也应该选用宽动态摄像机，这是金融安防系统本身的特点决定的。\r\n 下面是普通CCD摄像机和DPS摄像机同时拍摄的珠宝店失窃的几幅图片：\r\n 从4幅图片可以看出，普通的CCD摄像机拍摄的画面不能清晰记录犯罪嫌疑人实施偷窃前在室外的活动，犯罪嫌疑人进入室内后人物的局部细节模糊，偷窃过程细节不清，犯罪嫌疑人出门后，无法看清室外图像；而DPS 摄像机可以清晰地记录犯罪嫌疑人作案的全过程。\r\n结语\r\n 金融行业是新技术革命的主力军和急先锋，为了保障金融系统安全运行和提高管理水平，满足客户日益增长的服务需要，行业的自身特点要求在推广和应用新技术方面时刻要走在时代的最前列，最先成为新技术的应用者，随着金融安全防范体制和理论的进一步完善和提高，势必要求金融行业最快最新地应用高新科技成果，带领全行业步入一个新的台阶，提供最安全最周到的服务保障。\r\n（责任编辑：罗强）\r\n