智能視頻向各種應用擴展的驅動因素有：從模擬向數(shù)字檢測的轉變、改進的有線和無線網(wǎng)絡，以及更成熟的軟件。最新系統(tǒng)更是從基本圖像檢測和捕捉功能發(fā)展到圖像分析系統(tǒng)，這要歸功于強大的視頻處理硬件和智能視頻軟件。今天的智能相機正在從功能上替代昨天基于PC的系統(tǒng)。這些越來越小的相機可以在輸出與其它電路之間提供速度更快、帶寬更高的連接，而且有些功能可以做在檢測芯片上，更多功能做在相機盒內(nèi)。以前這些功能需要用外部PC平臺或主機進行處理。

從商業(yè)角度看，智能視頻已經(jīng)非常實用。在制造過程中，不使用智能視頻系統(tǒng)是不可能對高速生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品進行質量和缺陷檢查的。在監(jiān)控系統(tǒng)中，負責查看機場或其它公共場所監(jiān)視器的安全人員面臨著鎖定壞人和戰(zhàn)勝厭倦的雙重挑戰(zhàn)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅更加警醒，而且更加準確。借助于越來越強大的智能，它們能區(qū)分被觀察個體的細微差別，并做出人工手段即使可能也很困難但又很必要的關鍵分析和判斷。

除了通過使用片上或相機盒內(nèi)的軟硬件取得更強的智能外，視頻相機還能支持第三方供應商提供的可下載模塊。一些公司提供全面集成的相機解決方案，而其它公司則提供更大的靈活性。這里的靈活性意思是，用戶可以通過精確調(diào)整相機系統(tǒng)來觀察和跟蹤特定類型的對象或具有某些特殊性的許多對象。趨勢是從相機傳感器高速收集少量數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析，從而實現(xiàn)對被觀察圖像更智能的分析。

美國和其它國家的許多大城市正在使用尖端的視頻監(jiān)控技術來改進它們的安全基礎設施。例如芝加哥的I11公司已經(jīng)與IBM合作實現(xiàn)了號稱美國最先進的智能視頻監(jiān)控網(wǎng)絡。該系統(tǒng)只要檢測到特定的車輛牌照號碼、觀察到繞特定區(qū)域行進的車輛或偵察到閑置目標都會向警方提出警示。

"視頻監(jiān)控對數(shù)字視頻芯片提供商來說是發(fā)展最快的市場。"Mobilygen公司總裁兼首席執(zhí)行官Chris Day表示。據(jù)安全防范產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會提交的中國安全市場報告透露，中國的視頻安全和保護市場(包括火災和安全監(jiān)視、安全監(jiān)控和門禁系統(tǒng))將從2005年的63億美元猛增到2010年的180億美元。

一般來說，共有兩種智能相機系統(tǒng)：智能或IP相機和嵌入式系統(tǒng)。智能相機集成了相機傳感器和處理電路。在嵌入式系統(tǒng)中，視頻檢測單獨在一個位置，然后通過無線或有線方式連接到另外一個地方的嵌入式系統(tǒng)，這個嵌入式系統(tǒng)由一塊幀捕捉器電路板和一個相機傳感器外部的處理器組成。不過這些差異正在逐漸縮小。一些智能相機已經(jīng)在檢測芯片或安裝芯片的同一盒子內(nèi)擁有很強的智能，以至于許多制造商將它們看作是嵌入式系統(tǒng)。然而，具體應用通常都會規(guī)定需要的相機系統(tǒng)類型。

智能相機在具有空間挑戰(zhàn)性的應用場合顯得更加有用，不過一般它們沒有嵌入式方案那么強的處理能力。雖然它們通常比嵌入式相機系統(tǒng)更便宜，但在使用多個相機的情況下成本優(yōu)勢將很快消失殆盡。嵌入式方法將提供更大的編程靈活性，并且在需要使用多個相機觀察許多場景的應用場合更能發(fā)揮作用。另外，它能支持不同制造商提供的多種相機，這是另外一個節(jié)省空間的特點，因為一個嵌入式單元可以服務多個相機。而且它在選擇相機信號接口時可以提供更大的自由度。

Leutron Vision公司的LVmPC micro PC就是使用了嵌入式方案而節(jié)省了嵌入式圖像應用中的大量空間。它在91x92x182mm的很小尺寸內(nèi)整合了創(chuàng)新的筆記本電腦和幀捕捉器技術。LVmPC micro PC專為Windows、Linux和VxWorks等流行操作系統(tǒng)設計，使用的是Intel的超低功率Pentium III和賽揚處理器。另外一個空間節(jié)省的案例是Cognex公司提供的基于CCD(電荷耦合器件)的In-Sight Micro靈巧相機，它的尺寸只有30x30x60mm(圖1)。它設計用于安裝在機器人、生產(chǎn)線和機械裝置中的狹小空間內(nèi)。靈活的安裝功能和非線性的校準工具允許該相機以最大45°的角度安裝在難以夠著的地方。

圖1：微型化是Cognex公司推出的這款CCD In-Sight Micro相機的主要特點。它的尺寸僅30x30x60mm，適合非常緊湊的空間使用

大多數(shù)機器視覺相機在低成本很重要、性能要求不是很高的應用場合使用CMOS傳感器。而CCD成像器主要用于要求高性能的應用。幾乎一半的圖像傳感器是模擬的，另外一半是數(shù)字的。這兩種類型傳感器一直推動著機器視覺相機向小型化方向發(fā)展。不過CMOS相機的性能并不是落后很多。Basler Vision Technologies AG公司推出的CMOS A400區(qū)域掃描系列相機的使用對象就是要求高分辨率(最大到4兆像素)和高速度(96幀/秒)的工業(yè)用戶。它的三種圖像斑點調(diào)整功能使圖像質量有了很大的改善。每臺相機中內(nèi)嵌的多重排序器可以讓用戶無延時地逐幀修改自動化光學檢查設置。標準的Camera Link接口簡化了系統(tǒng)集成，并且在改變相機或幀捕捉器時提供更大的靈活性。與許多其它制造商一樣，Basler公司也提供CCD相機。

最新相機傳感器的先進性通常表現(xiàn)在光學方面，而不是使用的傳感器類型。例如，Tessera Technologies公司正在推進OptiML Zoom許可。該功能結合了獨特的鏡頭設計和專門算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械縮放功能，可以在一個緊湊的相機模塊中實現(xiàn)3倍的縮放能力。OptiML Zoom允許相機手機模塊制造商以比傳統(tǒng)機械方法更低的成本集成優(yōu)秀的縮放功能，而且不需要任何活動部件。另外，它能減小相機模塊的總體尺寸。追求高分辨率高質量相機圖像的設計師可能會考慮來自FotoNation公司的硬件加速Fast-Track IP。它可以使數(shù)碼相機和相機手機中的臉部跟蹤質量和性能最多提高4倍。這是通過集成人臉的位置和曝光信息與相機的曝光反饋系統(tǒng)實現(xiàn)的。

如今的靈巧相機提供內(nèi)嵌"視頻分析器"，這是20世紀90年代出現(xiàn)、描述安全和監(jiān)控系統(tǒng)中計算機視覺智能的術語。強大的DSP現(xiàn)在可以執(zhí)行要求更嚴格的視頻系統(tǒng)用軟件應用程序。它們組成了象西門子Sistore CX編解碼器等智能視頻編解碼器的處理內(nèi)核。與主機或PC一起，它們能夠完成綜合管理、存儲以及視頻系統(tǒng)信息的組網(wǎng)任務。

Lumenera公司基于CCD的Li045就是一個典型的靈巧相機例子，它采用了TI公司的達芬奇處理器、Pixim的Orca芯片組以及能夠克服挑戰(zhàn)性照明環(huán)境中暗淡圖像的超寬帶(120dB)傳感器。Li045可以在各種照明條件下提供高品質顏色再現(xiàn)和圖像質量，并提供可選的MJPEG和H.264壓縮格式。該公司最近還推出了Lm085 mini相機，這種小型(44x44x56mm)CMOS相機提供100dB動態(tài)范圍，適用于具有不受控照明條件和嚴格空間約束的挑戰(zhàn)性工業(yè)環(huán)境(圖2)。

圖2：小體積是機器視覺相機的典型特征。比如Lumenera公司提供的CMOS Lm085 mini型相機就只有44x44x56mm大小，可提供100dB的動態(tài)范圍(左)。稍大一點的CCD Li045則有更寬的120dB動態(tài)范圍(右)。

"TI公司在過去二十年中率先開發(fā)出了許多用于視頻分析器的算法。"TI公司員工、TI視頻與圖像處理實驗室總監(jiān)Bruce Flinchbaugh表示。他指出，目前的許多智能相機建立在TI公司帶許多處理器的達芬奇平臺之上，而TI的TMS320DM642 DSP在降低視頻分析應用、特別是數(shù)字錄像機成本方面有很大的作用。TMS320DM642采用的是TI公司開發(fā)的第二代高性能、先進VelociTI甚長指令字(VLIW)架構，在720MHz時鐘速率時性能可達5760MIPS。

TI的DM355IPNC-MT-5高清晰度IP網(wǎng)絡相機參考設計采用了達芬奇TMS320DM355數(shù)字媒體處理器和Aptina的500萬像素高清安全圖像傳感器。它主要用于IP監(jiān)控網(wǎng)絡，能以模擬視頻相機的價格方便靈活地升級到IP視頻。TI的TMS320DM6446達芬奇平臺和Pixim公司的傳感器在Nuvation公司超緊湊IP以太網(wǎng)供電(PoE)相機中也得到了應用(圖3)。最近，Nuvation公司還推出了4款針對達芬奇平臺的視頻參考設計來加快產(chǎn)品的上市時間。

Apollo Imaging Technologies公司也在有關相機中使用了TI公司的數(shù)字媒體處理器，這些相機主要被OEM用于火災、煙霧和入侵檢測、真彩夜視、高速數(shù)字相機/事件分析和無人駕駛飛機(UAV)視頻鏈接。該公司提供低成本的成像視頻分析器開發(fā)平臺。

Cernium公司的Edge產(chǎn)品則整合了該公司的P-Core分析專利技術以及象TI的DM642和達芬奇處理器等DSP平臺的便攜性。這種產(chǎn)品具有比DSP產(chǎn)品單獨使用時更高的性能，因為分析器可應用于多個輸入上的完整行為組。
 

圖3：Nuvation公司帶以太網(wǎng)供電功能的IP相機是針對機器視覺應用的完整參考設計，它采用了Pixim公司的ORCA成像芯片組、TI的達芬奇DM6446 DSP以及數(shù)字媒體軟件編解碼器。

市場上還有許多其它處理器可用于視頻系統(tǒng)，包括PowerPC；Intel的Pentium III、賽揚和X86處理器；AMD的Geode SC2200等。Arbor Systems公司則使用ADI公司的Blackfin ADSP-BF533 DSP設計他們的AXT100熱紅外成像相機(圖4)。

圖4：諸如Ann Arbor Systems公司的AXT1000之類的相機主要用于熱紅外成像應用，它采用模擬器件公司的Blackfin ADSP-BF533 DSP。

新創(chuàng)企業(yè)Stretch公司提供的基于其S6000a可配置處理器的打包設計和軟件可用來構建低成本網(wǎng)絡型監(jiān)控相機和數(shù)字錄像機。該公司表示，這種方案能以D1標準分辨率提供30幀/秒的H.264編解碼視頻流，其中的處理器成本只有6.25美元。

Apollo Imaging Technologies等一些公司試圖向為OEM廠商設計的相機中集成同樣多的視頻電路，這些OEM主要是專業(yè)從事視頻分析器開發(fā)的廠商。為了與高性能圖像處理硬件開發(fā)競爭，這些OEM還擁有主要是圖像處理領域中的IP。這些產(chǎn)品在功能上類似開發(fā)平臺，通常具有足夠的能力替換傳統(tǒng)的相機、PC、幀捕捉器和相關電纜、電源及其它元件，并且所有功能都在一個工業(yè)相機體積內(nèi)實現(xiàn)。

開發(fā)工具和軟件及算法是高性價比地開發(fā)智能視頻系統(tǒng)同時滿足上市時間要求的關鍵。美國國家儀器(NI)公司的NI Vision就代表了功能更強大和更全面的開發(fā)與軟件平臺之一。

NI Vision的硬件范圍從用于PCI和PXI系統(tǒng)的插入式器件到傳感器本身上面的圖像處理以及NI的靈巧相機(圖5)。選件包括能從數(shù)千相機捕獲圖像的圖像捕獲軟件、頂尖圖像處理庫以及用于工業(yè)機器視覺應用的可配置接口。"重要的是，一款靈巧相機的軟件平臺應足夠開放和靈活，能夠處理各種不同要求。這就是NI方案背后的設計理念。"負責NI Vision的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Matt Slaughter表示，"許多人正在努力使現(xiàn)成圖像系統(tǒng)用起來更容易，并且不需要投入很多錢。"

圖5：國家儀器(NI)公司的NI 1742靈巧相機在CCD圖像傳感器上直接進行圖像處理。它開發(fā)了全功能的嵌入式設備，非常適合自動化檢查應用使用。

當Sylvania Lighting公司想要集成機器視覺與運動軟硬件以生產(chǎn)改進型金屬鹵化物燈時，公司毫不遲疑地求助于NI的產(chǎn)品。該公司選用了基于Windows的PC以及帶板載FPGA的NI PCI7831R可配置I/O板、NI PCI-7356運動電路板和NI PCI-8252 IEEE 1394相機接口板。開發(fā)軟件包括NI LabVIEW、NI的Vision Assistant和NI的LabVIEW FPGA.許多流行的操作系統(tǒng)被用于開發(fā)智能視頻系統(tǒng)，包括Windows CE、XP、.NET、XP embedded(XPe)和VxWorks。Linux及其開源平臺是另一種受歡迎的軟件選擇。

圖6：Dalsa公司的Genie Color系列相機是對該公司用于工業(yè)成像應用的CCD數(shù)碼相機的最新補充，它遵循GbE接口標準。

目前有多種標準的模擬和數(shù)字接口可用，包括火線(IEEE 1394)、GbE(千兆以太網(wǎng))、USB和Camera Link。每種接口提供不同的數(shù)字傳輸速率、電纜長度和類型、接口板、支持的相機數(shù)量和即插即用功能(參見Drill Deeper 18804"用于相機信號的不同接口")。

GbE是一種流行的接口標準，主要用于高性能機器視覺工業(yè)相機，如Dalsa公司的Genie Color系列(圖6)。自動化成像協(xié)會(AIA)負責監(jiān)視該標準的開發(fā)進展和管理。GbE接口在長達150米距離內(nèi)可以提供高達1000Mbps的數(shù)據(jù)傳送速率，遠遠超過火線、USB和Camera Link的性能。

圖7：歐洲機器視覺協(xié)會制訂的GenlCam標準作為一個統(tǒng)一的應用編程接口可與各種品牌相機、傳輸層接口和軟件庫鏈接。

不斷提高的相機智能和更強的功能迫切需要一種全面的應用編程接口(API)。鑒于此，歐洲機器視覺協(xié)會(EMVA)開發(fā)了GenICam標準，它涵蓋相機、傳輸層接口類型和軟件庫，而與類型或品牌無關(圖7)。該標準由用于配置相機的GenApi、針對普通相機特性的標準命名慣例SFNC和用于幀捕捉器的傳送層接口GenTL組成。GenApi是官方標準1.1.0的一部分。GenTL規(guī)范有望很快完成。無線視頻連接性能也有了改善。開發(fā)用于提升無線視頻信號覆蓋范圍和傳送速率的802.11n協(xié)議允許使用先進的加密技術，工作頻率為2.4GHz和5GHz，最大數(shù)據(jù)傳送率可達248Mbps。