智能家居:数字视频监控 门禁和灯光控制

摘要：本文将对当前我国市场最热点的无线灯光控制、门禁控制以及视频监控这三个部分进行剖析，探讨如何将最新的技术引入智能家居产品之中，打造出真正实用、易用、高性价比的智能家居系统。

　　智能家居无疑是近年来最炙手可热的概念。让我们来设想一下这样的场景：当汽车驶入小区大门，传感器立刻将信息传送到控制中心，通知家中的灯光、空调等设备进入预定工作状态。只要在门口稍作停留，指纹识别仪就可以完成身份识别，自动开门或者是给主人发送信息提醒有人来访。此外，还可以在办公室进入网络查看安防系统的摄像记录，在下班前用手机远程遥控空调、热水器开始工作，以便回家就能尽享舒适环境。……是的，以上种种美妙情景都不再是梦想，而是已经或即将出现在我们的现实生活当中。

智能家居的基本功能包括智能家电控制、无线灯光控制、智能遥控电动窗帘、门禁控制、视频监控、防火防烟报警、煤气泄露探测、远程抄表等。就中国市场来说，从2000年提出智能家居概念到现在，智能家居产业取得了迅猛发展并日渐渗透到我们的日常生活中。一些高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络，并将"智能化"作为一个最大的卖点。我国自行研制开发的一些系统也已较为成熟并逐渐进入市场，如可视门禁系统、红外报警装置等。但是，在这一新兴领域，如何越过系统复杂性和成本较高这两道门槛，全面普及智能家居仍然是摆在设备制造厂商和系统厂商面前的一道难题。

　　本文将对当前我国市场最热点的无线灯光控制、门禁控制以及视频监控这三个部分进行剖析，探讨如何将最新的技术引入智能家居产品之中，打造出真正实用、易用、高性价比的智能家居系统。

　　IP视频监控是未来主流

传统家用模拟摄像机的局限之一是无法通过网络传输视频数据以实现实时远程监控。日前兴起的IP摄像机是应对该问题的有效解决方案，IP摄像机将来自图像传感器的信号进行数字化，然后通过Wi-Fi、ADSL、有线电视网或蜂窝通讯网络传输至手机或互联网上，这样用户就可以通过互联网随时随地对自己的家庭进行监控。"IP摄像机的独特之处在于远程观察和管理能力，它使得家庭监控不再是一种事后监控工具。"Micron公司项目市场经理Cliff Cheng强调，"一旦在被监控区域检测到动作，实时警报便可以通过SMS、电子邮件和电话发送给家庭成员。家庭成员可以从任何地点登陆来检查家中的状况。此外，在主动对家中状况进行监视的时间、内容和方式等方面，新的IP摄像机技术为终端用户提供了诸多功能。"

用户需求的不同使得对系统和设备的规格要求和技术要求各不相同，实现的成本也会有所区别。海思半导体数字媒体产品管理部营销经理罗勇华认为，低端家庭监控方案通常利用家中的ADSL线路，通过PC进行远程监控，这种方案对画面的分辨率和连续性要求较低，因此，低成本、可支持ADSL传输的IP摄像机就足以满足要求。另一方面，中高端方案对网络传输方式、画面分辨率、传输连续性等提出了更高要求，简单的视频传输不能满足客户的需求。此时需要选择能适应多网络传输方式(如Wi-Fi、ADSL、GPRS、CDMA、3G网络等)，可使传输的图像具备更高分辨率、更流畅，支持多种报警方式(如远程IE和手机短信等方式)以及简单人工智能功能的IP摄像机。
IP摄像机的主要组成元件包括用于捕获图像的图像传感器、进行视频压缩处理的DSP或ASIC、以及将视频数据传输至接入点的网络接口模块(例如Wi-Fi模块、ADSL调制解调器、蜂窝网络收发模块等)。随着CMOS传感器的图像质量和低光照性能已经达到(并有望超过)CCD传感器水平，安全监控市场正在开始步入CMOS传感器主导的时代。除了可支持优异的图像质量之外，图像传感器须经过严格的测试和质量保证流程，以确保传感器能够在较宽的温度范围和不同的光照环境下工作。摄像机制造商还需要进行性能和范围测试，从而保证即使在被其它家用电器连续干扰的情况下视频流质量也不会下降。Micron的200万像素、1/3.2英寸图像传感器MT9D131可支持远程监看时的电子倾斜、摇摄和完全内插的变焦功能，是针对高端家用市场的产品。

"不同光照情况和不同温度下的图像质量和性能、总材料成本、易于摄像机设计或安全系统的集成、终端用户的安全和操作，这些都是选择传感器时要考虑的重要因素。"OmniVision公司安全产品市场经理Jason Wang补充道。OmniVision专门针对安全市场的具有成本效率、高集成度的单芯片CMOS摄像机，能够在低光照环境下很好地工作，这对于安全监控市场来说是一个不可或缺的因素。与多芯片图像传感器解决方案有所不同，OmniVision的CameraChip解决方案无需任何额外的处理能力即可提供高品质静止帧和视频图像。通过OmniVision专有技术将相机功能整合到单芯片中，可以减小设计尺寸、减少工作量、降低成本并缩短上市时间。

　　值得一提的是，Pixim公司基于数字像素系统(DPS)技术的视频监控摄像机在图像捕获和处理技术方面取得了极大的突破，它具有高灵敏性、超宽动态范围、高分辨率以及出色的色彩保真度。Pixim公司副总裁Todd E. Rockoff博士表示，DPS是唯一的直接以数字值表示光信号的图像捕获 系统。与之相反，CCD和CMOS传感器是以模拟值表示光信号，然后再将模拟值转换成数字值，存在着噪声大和输出时间长等缺点。"DPS不存在模拟读出噪声，非常适合于家庭IP监控应用，这是因为DPS可以为压缩解决方案提供最简单的输入。并且基于DPS的系统不会产生任何像素和数据包之间的模拟误差。"

虽然家庭监控属于成本敏感型应用，但消费者并不愿意牺牲任何视频质量，因而对视频信号的压缩和分析成为系统实现的关键因素。正如Altera消费、汽车及广播事业部资深总监Todd Scott所指出的，"目前家庭监控技术面临两大挑战：视频压缩和高级分析功能。它们都需要采用大量的数字信号处理以及复杂的算法来完成任务。"

网络带宽的限制促使IP视频监控系统要求能够进行有效的图像压缩。在低端摄像机中普遍采用的是MJPEG(Motion JPEG)，但随着MPEG4和H.264编解码器成本的不断下降，许多家用IP摄像机正转而采用这两种压缩方案，以获得更高的带宽利用率。"除了各种连接协议和硬件驱动，传输的关键是在同等质量下码流的高低，各种带宽下图像效果的实现。作为专门为网络传输而制定的H.264应是首选方案。"海思半导体的罗勇华说。

根据不同的市场需求，摄像机供应商可为其IP摄像机选择不同的处理内核。MCU、DSP、FPGA和ASIC等处理芯片都具有其自身的优缺点。例如，入门级系统一般要求低成本、低功率压缩技术，因此优化的媒体处理器是首选。高端系统可能会加入视频流的计算机分析能力，从而为用户提供附加值。这种分析应用倾向于由灵活的高性能DSP实现，不过成本高和开发周期较长仍是DSP难以跨越的一道门槛。专用ASIC具有最佳的功率和性能，可满足对成本敏感的大批量消费类需求，但缺乏灵活性和可升级性。

Altera公司的Todd Scott则表示，FPGA是实现多数据流(DVR编解码)最有效的技术。一块FPGA芯片能够对1至16路H.264标准清晰视频流进行编码。对于家庭应用来说，用于工业视频监控DSP芯片不但过于昂贵，且用于分析的带宽有限，一般只能处理4路甚至更少的视频流。FPGA可以用于摄像头编码和分析，非常适合多摄像头服务器和DVR的编解码。此外，FPGA功能灵活，除了编解码之外，还能够完成各种分析任务。当产量上升时，FPGA可以转换为HardCopy ASIC(Altera的结构化ASIC解决方案)，从而有效降低摄像头或服务器/DVR的成本和功耗。