将现代机器视觉技术应用于保全领域
- 台北讯
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视讯监控产品如同可线上操作的多个眼睛，提供使用者在线监控线上多个位置，涵盖大面积连续的视野范围，可平移镜头以稳定持续地扫描所要查找的情境。
最早的视讯监控是在1942年用于监控V-2火箭研发与发射。科学家与工程师可在安全的距离观察其性能并识别故障的情形，此后视讯系统成为延伸耳目的工具。由于技术开发与制造持续稳定发展，视讯监控已能提升至保全用途。
第一道光
感光材料可依光线的存在改变其电阻或电感。1950年代的的黑白视讯如RCA Vidicon摄影机系统，内含真空管并设有感光硒板以做为传感的影像之用。电子束扫描硒板，产生的电流与同时间照射到硒板该光线量成正比。光栅扫描管将产生基本的视讯信号，并轻易进行长距离传送。CRT电视以相反顺序接收此信号，以电子束扫描萤光幕以重建相应于影像的亮度。
数十年来，视讯受限于单色感应并仅能实时显示影像。由于彩色滤光片、色彩萤光体与载色信号晶体的稳定发展，产生了更高的分辨率、更低的制造成本以及更高的可靠度视讯监控产品。闭路电视(CCTV)与广播工业诞生，进一步加快发展速度。
这些技术采用易碎的玻璃，且回路需要较高的电压。尺寸的限制使得以真空管为基础的影像传感器大且笨重。由于半导体技术的出现，以上情况已不复见。
固态传感器
电荷耦合元件(CCD)于1970年代问世，结合半导体技术透过运用存储器元件精确阵列。这些阵列中的每个传感器皆同步设定正反器状态。传感器依序连接至以菊花链架构耦合如同移位暂存器。对这些移位暂存器产生时钟信号即可产生同步到视讯串流。
固态传感器最初用于一维传感器阵列如扫描仪与传真机等，后做为二维传感器，最后出现彩色版本的CCD，使视讯影像传感器尺寸大幅缩小，简化电源需求。
使用者不需要监看
CCTV系统早期由于缺乏纪录技术，需要专人监看并决定是否要发出警报。只有一次机会能够从侦测中尽可能撷取更多信息，事件之后影像将永远消失。从本质而言，监看者在警报回路中扮演控制处理器的角色，做出是否要触发警报的决定。
线性CCD传感器的出现改变了上述情况，它具备编程能力以读取条码及识别模式。现代手机、照镜头及机器视觉系统中使用的二维传感器具备更高的分辨率与光谱感光度，体积更小、功耗更低，不需要外部镜头组件。
机器视觉结合人工智能可产生新时代监视系统，仅需较少的人力、成本，提供更高端编程的目标侦测追踪。这些需求提升了设计标准，必须利用更高的处理能力，在更高的阶层整合各项功能。
设计议题与考量
若无现代存储器元件的速度与密度及嵌入式处理器的运算能力，将无法以合理的成本与尺寸设计出智能监控系统，增加的影像分辨率将加重系统与其他部分的负担。旧型8位元4-MHz传统处理器用于创新的数码控制回路，数码处理与实时控制的数码技术，但不足以应付智能安全产品需求，这也造成了存储器需求成长。
例如，简单的传统复合视讯摄影机能在各种速率之下以525条扫描线取样，其中的21条线用于垂直遮没。现代CCD影像传感器即使是低端产品也有1/4 VGA (320 x 240)的分辨率。
1/4 VGA分辨率需要76,800位元组来呈现一个画格(8位元分辨率)。若使用8位元RGB，则总计为230,400位元组，两种情况皆超过传统处理器的定址范围。
存储器需求随着分辨率提升而大幅增加。VGA的640x480分辨率单一黑白画格即需307,200位元组，而使用24位元色版时，每个画格的色彩需要将近1MB。
问题并不仅止于此。如果每秒30个画格，这是典型的闪光融合频率，需要将近28 MB才能缓冲一秒钟的VGA视讯内容。几项常用视讯标准分辨率的比较凸显了上述持续升高的需求限制。
高效的处理器
处理器架构与视讯技术同步发展，除可因应次时代智能监控与视讯产品的需求，也能使用外部汇流排界面以及高速外接DRAM。大多数处理器可处理数个GB的存储器定址，支持如DDR与SDR等同步高速存储器界面。
目前两种主要应用需求影响了处理器的选择。储存中心及/或数据聚合器需要极为高端的或多核心的处理器、DVR功能，以及极大量的挥发性与非挥发性存储器。实际的摄影机则存在不同的限制条件，需要较低的功率、更大的温度范围及更小的尺寸。
以48 MHz速度执行单周期指令，采用32位元ARM架构，STMicroelectronics的STM32F051K4U6TR Cortex‑M0处理器具有数据路径与汇流排宽度以处理单次传送中的每个像素取样。最低能以1.8V以及在负40至85度的温度范围中运作，尺寸仅5x5mm。此处理器具备硬件直接存储器存取(DMA)，可处理5个通道的传输，内建HDMI控制器界面可利用最少的存储器以较低速度运作。除处理器的主要时钟外，另有独立的特殊时钟领域可用于视讯。
当此处理器结合现代高速且密集的存储器装置如ISSI DDR3 IS43TR16256AL-15HBLI时，此装置可提供4 Gb 1,333 MHz存储器带宽解决方案。需要存取及使用存储器的不只有处理器，通讯处理器也是此方程序中不可或缺的一部分。
传输与连结
通讯需求将是监控系统所面临的主要挑战之一。由于数据量庞大，须大幅提高传输速度及存储器需求；距离也将是问题之一，点对点100 Mb/秒以太网络，透过CAT缆线进行长距离传输时仍有其限制。
这表示较短距离的数据连线如DVI与HDMI无法用于上述长距离的情况，S/PDIF及Toslink亦如此。虽然S/PDIF可利用多种标准驱动器与接收器芯片而加以延伸，但数据带宽只会持续上升，需要更精密复杂且昂贵的驱动器技术。
目前10亿像素的解决方案已使用中。现代社会对于安全性与归责性的考量，可预期将有越来越高的分辨率在进行监视。虽然光纤线路支持较高带宽，但铜线的部署成本通常较低。因此，目前次时代线上监控系统正在开发与订定铜线线路的技术与标准。CoaXPress是基于同轴电缆的标准，可提供高速(6.25 Gb/秒)点对点通讯连结，最线上离可达130米。多重通达最高可使速率达到25 Gb/秒。
芯片组如Microchip EQCO62X20 (EQCO62R20.3=接收器、EQCO62T20.3 = 发射器)可在单一同轴电缆上形成双向全双工的通讯通道。使用外部电感器，亦可在相同的缆在线传输电力。它同样可以达到低功率(<70mW、1.2V)，因为它采用4mm细微间距的小型QFN封装。
无线通讯
虽然无线连线是可行的，但距离与带宽的限制无法运用于大多数监控应用，且较容易受到干扰，使保全应用容易遭到攻击。
使用短距离的无线连线至本地端的数据聚合器与储存中心，将其云端连线可行的做法。也许不久之后，所有民众的摄影机都将成为物联网(IoT)的一部分。这意味所有人都可存取公共监视装置，营造人人平等的环境，并确保不再有滥用权力或暴力者能够继续隐匿。
结论
保全与监控已逐渐成为日常生活的一部分。我们所做的每一件事几乎都会被拍照、录影及监视。摄影机与视讯输出的数量之多，使得保全人员必须持续监视并做出判断。当今的硬件系统摄影机与视讯数据聚合器将继续运用更高端的处理能力，甚至利用人工智能以自动执行数据收集与安全评估工作。 （本文由贸泽电子Mouser Electronics John Gabay提供）
