智能摄像机分类分析

正如2.2.1节中所述,ASIP是智能摄像机最基本和最关键的部件。它包括一个或多个嵌入式微处理器、所支持的内存、数据总线和其他部件。它的目的是提供一个有效的计算平台,可以运行高效的智能图像处理算法和模式识别算法。ASIP是智能摄像机的核心部件。

严格地讲,智能摄像机就是一个特殊类型的嵌入式视觉系统,其中包括了所有必备的系统部件：图像传感器、捕获端、ASIP、通信接口和I/O接口,这些部件都被集成到一个实际的摄像机壳体内。然而也有另外一些其他的嵌入式视觉系统被划归为智能摄像机,特别是2.3.1节中描述的紧凑型视觉系统,虽然它们看起来不是独立摄像机。事实上,在学术界和研究文献中,许多这些系统都被认为是智能摄像机。

分布式智能摄像机最近引起了研究人员的大量关注。分布式智能摄像机通常包含网络连接的多台摄像机,这些摄像机要么是智能的,要么是传统的摄像机。某种情况下,这些网络摄像机被看做是一个单虚拟智能摄像机,系统ASIP和其他部件是由摄像机和网络拓扑协作完成的。

以上述的讨论为基础,我们建议将智能摄像机分成三类：集成智能摄像机、紧凑系统智能摄像机以及分布式智能摄像机。如图2.3所示的集成智能摄像机又可分为三类。将紧凑型智能摄像机和分布式智能摄像机纳入这种分类是有争议的,但是这种分类基本包括了大部分的智能摄像机和实际的商用产品。

①集成智能摄像机。这是真正的智能摄像机,可以分为三类：

a.片上智能摄像机或单片智能摄像机。

b.嵌入式智能摄像机。

c.独立智能摄像机。

②紧凑系统智能摄像机。

③分布式智能摄像机。

图2.3中,从上到下,智能摄像机的ASIP和图像捕获器件的集成度由高到低排列,而灵活度和复杂度却由低到高增长。灵活性高使智能摄像机可以进行灵活编程以满足不同应用要求,复杂度指的是摄像机配置的复杂程度（例如单片智能摄像机是最简单的,ASIP和图像捕获器件集成在一个芯片或相同的芯片上,其芯片数目或者说装置数目是最少的）。随着嵌入式硬件和软件技术的不断进步,集成智能摄像机的灵活度、性能和市场吸引力都大大提高了。

图2.3 基于集成度的智能摄像机分类（从上到下集成度降低）

单片智能摄像机可以在芯片上全部或部分地实现固态图像传感器如CMOS图像传感器的ASIP功能。嵌入式智能摄像机指的是嵌入到另外一个装置如移动电话或光电鼠标中的智能摄像机。独立智能摄像机无论从外观上还是概念上都是最自然态的智能摄像机。紧凑系统智能摄像机是一个嵌入式视觉系统,通常包括两部分：一个摄像机,可能是传统摄像机也可能是包含了部分ASIP模块功能的摄像机;一个和摄像机紧紧相邻的包括ASIP模块和I/O接口的装置。分布式智能摄像机由网络连接在一起的几个摄像机或智能摄像机组成,整个系统有时可以被看做是一个单虚拟智能摄像机,不能在每个节点提供ASIP功能,但可以通过分布式网络提供。

接下来我们详细讨论这五种类型的智能摄像机。(www.xing528.com)

表2.1展示了这五种智能摄像机的一些典型应用。

2.3.2.1 单片智能摄像机

单片智能摄像机可以在芯片上全部或部分地实现固态图像传感器,如CMOS图像传感器的ASIP功能。可以说,和CCD传感器相比,CMOS图像传感器最大的优势在于：在同一块芯片上包含了图像传感阵列和智能图像处理电路,即智能传感器。它甚至可以在每个像素里嵌入图像处理电路,产生智能像素,成为图像处理的新典范。CMOS图像传感器的特点使单片智能摄像机成为可能,可以实现一个真正的片上系统。单片智能摄像机,有时也被称为人造视网膜,主要优点包括高效率、低功耗、装置少和体积小。例如VISoc单片智能摄像机^[10]在单芯片上集成了一个320×256像素的CMOS图像传感器,一个RISC处理器,一个视觉协处理器和I/O接口。这种智能摄像机的缺点是由于大量的硬连接而导致缺乏灵活性,模块化设计少^[180]以及生产成本高（和标准图像传感器的生产成本比较而言）。

表2.1 智能摄像机的类型、典型特征和应用案例

2.3.2.2 嵌入式智能摄像机

嵌入式摄像机就是嵌入到另一个设备如移动电话中的摄像机。有时摄像机被完全隐藏到另一个设备中,人们甚至意识不到它的存在。如基于视觉的光学鼠标和指纹识别器,以及用在机器人和汽车系统中的摄像机。一些移动电话带有摄像头,可以阅读和识别条形码,或可以识别其他公司、产品的类似码,这个码可以指导用户找到该公司或产品的网页,显示在手机屏幕上。这种智能摄像机中,ASIP的功能可以通过一个专用处理器完成,也可以通过嵌入式摄像机的处理器来完成。嵌入式智能摄像机经常成为新应用和新产品尤其是移动设备的幕后推手。

2.3.2.3 独立智能摄像机

独立智能摄像机可能是最自然、最普通的智能摄像机了,特别是在机器视觉领域,智能摄像机应用已经比较成熟,且具有坚实的市场实力。它们看起来像传统摄像机,更像CCTV摄像机或通用工业摄像机。由专用的嵌入式处理器和智能算法完成ASIP功能。许多摄像机运行实时操作系统以简化摄像机设计,并改进了用户界面。独立智能摄像机的样例如图2.2所示。

2.3.2.4 紧凑系统智能摄像机

典型地,紧凑系统智能摄像机就是通过专用电缆或通信接口连接在附件的一个独立、外置的专用图像处理设备上的标准摄像机。这个摄像机完成图像捕获功能,有时也完成部分ASIP功能,如预处理任务以减少数据量,或进行特征提取。其余的系统ASIP功能由外部设备完成。这类摄像机的优点是摄像机是标准化的,价格便宜,易于替换升级。内存、存储器及其他资源的日益丰富,使外部处理设备的处理能力日益增强。这类摄像机多用于安全或交通流量分析等视频监控系统中。工业机器视觉领域,这类智能摄像机被称为紧凑视觉系统（Compact Vision System,CVS）,如美国国家仪器公司的NI CVS-145x摄像机^[7]。一些所谓的紧凑系统智能摄像机实质上是以PC为主机的智能摄像机,其外部处理单元通常是专用的图像处理卡或是插入PC、计算机内部扩展槽的扩展卡。这类智能摄像机好像在学术界很受欢迎。事实上,经常提到的普林斯顿大学W.Wolf等人的智能摄像机项目研发的是以PC为主机的智能摄像机,可以用来进行人机交互和视频应用时的实时姿势识别。他们的系统包含几个摄像机,每个摄像机都和插入主机PCI插槽的飞利浦公司的TriMedia视频处理卡相连。PC智能摄像机有很高的灵活性和更好的用户界面。

2.3.2.5 分布式智能摄像机

由于网络、传感器网络和无线通信技术的发展,分布式或网络智能摄像机近来引起了学术界和工业界的广泛关注。网络中摄像机的拍摄区域可能有重叠,也可能没有重叠,但这些摄像机拍摄的图像经过联合处理就可以获得常规的ASIP功能^[448]。有时,这种分布式智能摄像机网络被认为是一种单虚拟智能摄像机,尤其是在视频分析或摄像机协作完成ASIP功能时。这种情况下,摄像机网络能获得比单个摄像机独立工作时更好的性能。这种分布式视觉系统展现了一种新颖的、强大的计算平台,有望解决在单片智能摄像机中遭遇的许多难题。仔细部署多个摄像机,有助于解决诸如静态或动态的视野盲区、前景物体的深度信息、目标追踪和目标像素等问题^[448]。视觉监控、机器视觉和汽车工业应用将会因此受益良多。尽管网络摄像机在校准和协作问题上仍然有很大的挑战,但分布式智能摄像机或网络智能摄像机的前景很可能就是能够进行实时的、无所不在的信息收集和分析（参考第9、13、17章）。