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将现代机器视觉技术应用于保全领域

2017-06-06 来源:我爱物联网

将现代机器视觉技术应用于保全领域

  视讯监控产品如同可远端操作的多个眼睛,提供使用者线上监控远端多个位置,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搜寻的情境。

  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辨识故障的情形,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RCAVidicon摄影机系统,内含真空管并设有感光硒板以做为感测的影像之用。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讯号,并轻易进行长距离传送。CRT电视以相反顺序接收此讯号,以电子束扫描萤光幕以重建相应于影像的亮度。

  即使使用较低的视讯解析度,使用现有低成本的缆线,例如CAT双绞线缆线,资料传输速度也会因为距离而快速降低。

  随着解析度的提高,传输速度与存取时间也变得更加重要。这表示必须以更快速地处理器与记忆体子系统来撷取及暂存影像资料,然后再传送至储存中心或资料聚合器。

  数十年来,视讯受限于单色感应并仅能即时显示影像。由于彩色滤光片、色彩萤光体与载色讯号晶体的稳定发展,产生了更高的解析度、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感测器大且笨重。由于半导体技术的出现,以上情况已不复见。

  固态感测器

  电荷耦合元件(CCD)于1970年代问世,结合半导体技术透过运用记忆体元件精确阵列。这些阵列中的每个感测器皆同步设定正反器状态。感测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讯号即可产生同步到视讯串流。

  固态感测器最初用于一维感测器阵列如扫描器与传真机等,后做为二维感测器,最后出现彩色版本的CCD,使视讯影像感测器尺寸大幅缩小,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资讯,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感测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、照相机及机器视觉系统中使用的二维感测器具备更高的解析度与光谱感光度,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慧可产生新世代监视系统,仅需较少的人力、成本,提供更高阶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

  若无现代记忆体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慧型监控系统,增加的影像解析度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位控制回路,数位处理与即时控制的数位技术,但不足以应付智慧型安全产品需求,这也造成了记忆体需求成长。

  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影像感测器即使是低阶产品也有1/4VGA(320x240)的解析度。

  1/4VGA解析度需要76,800位元组来呈现一个画格(8位元解析度)。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。

  记忆体需求随着解析度提升而大幅增加。VGA的640x480解析度单一黑白画格即需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28MB才能缓冲一秒钟的VGA视讯内容。几项常用视讯标准解析度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,除可因应次世代智慧监控与视讯产品的需求,也能使用外部汇流排介面以及高速外接DRAM。大多数处理器可处理数个GB的记忆体定址,支援如DDR与SDR等同步高速记忆体介面。

目前两种主要应用需求影响了处理器的选择。储存中心及/或资料聚合器需要极为高阶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记忆体。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48MHz速度执行单周期指令,采用32位元ARM架构,STMicroelectronics的STM32F051K4U6TRCortex‑M0处理器具有资料路径与汇流排宽度以处理单次传送中的每个画素取样。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。此处理器具备硬体直接记忆体存取(DMA),可处理5个通道的传输,内建HDMI控制器介面可利用最少的记忆体以较低速度运作。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记忆体装置如ISSIDDR3IS43TR16256AL-15HBLI时,此装置可提供4Gb1,333MHz记忆体频宽解决方案。需要存取及使用记忆体的不只有处理器,通讯处理器也是此方程式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。由于资料量庞大,须大幅提高传输速度及记忆体需求;距离也将是问题之一,点对点100Mb/秒乙太网路,透过CAT缆线进行长距离传输时仍有其限制。

  这表示较短距离的资料连线如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晶片而加以延伸,但资料频宽只会持续上升,需要更精密复杂且昂贵的驱动器技术。

目前10亿画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解析度在进行监视。虽然光纤线路支援较高频宽,但铜线的部署成本通常较低。因此,目前次世代远端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(6.25Gb/秒)点对点通讯连结,最远距离可达130公尺。多重通达最高可使速率达到25Gb/秒。

  晶片组如MicrochipEQCO62X20(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,亦可在相同的缆线上传输电力。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,但距离与频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资料聚合器与储存中心,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。


VisionPro 3D三维机器视觉

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2015年VisionChina(上海)机器视觉研讨会日程安排推出报名踊跃

  由中国图象图形学学会主办的VisionChina(上海)国际机器视觉展览会暨机器视觉技术及工业应用研讨会”将于2015年3月17日至19日在上海新国际博览中心N1馆召开。

  记者刚刚从组委会获悉,本次会议日程于今日对外公布。会议免收会费,各类科研人员、工程技术人员、管理人员以及在校的大学生均可免费听取专家报告。本次会议附设最新产品、最新技术等多个报告,满足不同参会人员的需求。

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