全景摄像机综述
随着摄像机从模拟走向网络,"高清"日渐成为市场关注的热点,它的出现让人们可以看得更清楚,获得更多的细节。但是 ,客户在从之前"只能看见人脸"到现在"能看清人脸"的同时,又提出了另一方面的要求,那就是"看得更广",即在同一个场景中能看到更多的东西。对此,原来是通过用几只摄像头覆盖一个区域,或用快球来回巡航扫描去解决。但在某些场合,这些方案还不能完全满足客户的要求,比如客户需要在同一个画面里确定人的移动,或需要用同一个场景中监看到的事物去说明一些问题,这个时候就需要全景摄像机,本文试图对全景摄像机做一综述。
1.全景摄像机的好处
全景摄像机可以带来如下好处:
  1. 超宽监控视角。一枚鱼眼镜头尽收360度全景,四周的影像一次尽收眼底,完全消灭死角。
  2. 降低成本。一台好的全景摄像机可以替代多台传统摄像机的应用,这种360度实时全景监控能力,使得无需为涵盖整个监控区域而安装多台摄像机,因而节省了摄像机硬件投资。监控摄像机路数大大减少,可以节省配套设备,如镜头、防护罩、布线、电源、录像、显示等相应配件和设备的成本,还可降低施工布线难度,节省安装时间、人工费用以及后续维护费用。
  3. 虚拟PTZ技术 。采用虚拟PTZ技术 ,可以放大或移动监控视野内的图像区域,当转变方向观察另一个图像区域时,不会发出任何噪音,隐秘且不易察觉。由于没有机械移动部件,不需要时刻的进行机械化运转,全景摄像机不会发生任何磨损,产品结实耐用,使用寿命大大延长。全景环视的图像失真矫正可对多个图像区进行,这样,与机械PTZ摄像机不同,全景摄像机能同时观察和摄录多个不同的区域。
2.全景摄像机的应用及市场
全景摄像机特殊的构造造就其独有的无盲区监控,让其在民用、商用、警用或是特殊领域中的应用都十分适合。具体而言,全景摄像机的实际应用需求一般可分为高分辨率监控需求和标准分辨率监控需求:
  1. 高分辨率的场所是指在那些容易发生抢劫、盗窃等安全事件的场合,如银行、商场、超市等,这类场所需要高清晰的图像画质,不仅需要将整个作案过程全景监控录像,更需要清晰的辨认嫌疑人的面孔,对后期的刑侦调查提供便利。
  2. 标准分辨率的监控场所只要求监控全范围局势 ,对视频细节要求不高,如空旷的广场、运动场馆、大范围的公共场所、交通路口、交通枢纽等。这类场所只需要有清晰的大范围监控画面从而实现监控调度即可,对视频质量要求并不高,而且也很难专为监控摄像机建立太多的支点,所以在制高点设置一台全景摄像机完全可以满足应用需求。
真正实用的高清全景摄像机可以取代很多的室内半球以及部分的室外监控。最主要的优势是:实现采用更少的摄像机无死角地监控一定范围内的整个空间。因此全景摄像机在大部分场合是适用的,未来主要的目标市场有:连锁行业,楼宇监控,加油站,银行,停车场、运动场、大型商场、港口码头、露天广场、道路交通等。某些场所监控宽度甚至达到百米以上,在看清全景图像实现调度的同时,不可能也没有精力再看清人脸、车辆牌照等细节。这些场合只需要在制高点安装一台鱼眼摄像机即可以满足一个场所内的全景监控。
但是我们发现在国内用户对全景摄像机还有一定的误区,比如用户认为全景摄像机可以观看到一个房间或者整个停车场,便认为全景摄像机是万能的,其实全景摄像机是一个广角,它的景深和焦距是很小的,全景摄像机能够看清人脸的范围是半径5米,再远的话看人脸不会很清楚。全景摄像机不是万能的,虽然可以代替三个半球的监控范围,但是它并不会完全替代普通摄像机如快球、半球或者枪机等等。在很多场合,我们建议全景摄像机和传统摄像机结合在一起使用,普通摄像机无法同时看到整个场景,全景和传统的摄像机并不矛盾。
虽然全景摄像机问世时间不长,但观近两年各地安防展会上展示全景摄像机的厂商却在逐年增多,这种现象很好的喻示了全景摄像机的市场正在逐步开花。不过,我们也要意识到全景摄像机技术和应用上存在的短板。在技术层面上,受限于鱼眼镜头的特殊结构,监控距离短是其致命的缺陷,对此厂商也是无能为力,只能在清晰度上下功夫,但高清视频意味着更高的带宽与更大的存储,这也是不得不考虑的问题;在应用层面上,用户对全景摄像机认知的不足与昂贵的造价是市场推广缓慢的主要原因,单是鱼眼镜头造价就比普通的摄像机要昂贵许多,即便全景摄像机是理想的全景监控产品,但客户在成本面前却不得不低头。
相比传统的视频监控探头,全景摄像机属于"小弟"级产品,虽然它的强势出炉对安防监控市场产生了一定震撼力,但其市场铺设与民众接受程度并未见成熟,市场需求还处于萌芽阶段,所以在应用层面上并不太理想。当然,这并不能否认其发展态势,毕竟全景摄像机可以填补特定监控场所因视场角受限而需要跟换前端探头的市场空缺,恰恰这个空缺也只有全景摄像机产品能胜任。
全景摄像机作为新鲜产品,每年保持大约百分之二十的固定增长,虽然因为其自身特点的限制,未来不会有大规模的爆发式增长,但在某些行业可能会成为主流必须产品,在另一些行业则是可有可无的补充品。在目前的推广应用中,最紧要的难题是如何实现旧项目改造中的集成问题,以及如何更好宣传推广的问题。目前市场上能独立生产全景摄像机的厂家并不多,但是随着市场的接受度不断加大,必将有更多厂商加入到这块新鲜市场的竞争中来。
随着数字高清视频监控市场的迅速发展,全景摄像机这一充分利用和发挥了数字高清技术优势的产品将逐渐成为被大家所接受的产品 ,预计在未来2-3年内,该类产品将占有相当的市场份额。随着市场对于数字高清技术的认识,市场正在逐渐接受全景摄像机的理念。对于实现方法,实现的效果等大家还有一定认识上的差距。但是普遍接受的是:真正实用的全景摄像机才是最好的全景摄像机。
3.全景摄像机的未来发展
全景摄像机发展至今已有十年有余,而真正的推广却是从近两年才开始的。因其高昂的价格、复杂的图像处理技术以及图像校正后低分辨率等因素的限制,全景摄像机并没能像其他普通摄像机那样进入大众的生活,而是主要定位在专业应用市场,比如大场景环境或易于垂直安装的场合。
目前,市场对于全景摄像机的认知度还不是很高,更多的是厂家的宣广和引导工作。其实业界对于全景摄像机的技术并没有太多的争议或质疑,并且个人认为,对于全景摄像机的定义也没有必要进行过多的辩论,关键是要看产品能否满足客户的需要,是否解决使用者的具体问题。越来越多的客户会要求"看得更多、看得更清",所以全景摄像机必然有着很大的市场。
多技术融合是未来全景摄像机发展的主要方向:
  1. ) VMS支持
    全景摄像机的图像处理需要VMS(视频管理软件)的支持,但由于目前的鱼眼展开算法都是厂家私有的,导致VMS支持范围非常有限。如何将鱼眼展开算法实现互通共享,实现统一标准接口,是未来设备厂家和集成商需要共同努力的方向。
  2. )分辨率
    全景摄像机相对于普通摄像机而言一个很大的优势在于其超大的监控范围,然而从分辨率密度上来考虑,同样的像素的摄像机在监控更大的区域时会导致像素的分散和退化。这是由于监控范围很大,在与传统监控镜头共用大小相同的成像芯片上,就需要接收数倍的图像信息,这就造成画面分辨率的下降,因此只有在对监控图像画面质量要求不太高或使用高分辨率成像器件时才能使用。这就解释了为什么300万像素的全景摄像机画面质量看上去像CIF分辨率。所以对于全景摄像机而言,提高画面分辨率是未来一项重要的研究课题。
  3. )低照度
    全景摄像机大多数都没有ICR(机械式红外滤色片),导致其低照度效果很难令人满意。因为在以后的发展中会更多关注全景摄像机的夜间效果,譬如采用ICR+红外补光或者提升感光器的感光性能来提升低照度效果。
  4. )宽动态
    以鱼眼摄像机为例,其采用具有360度超大视角的鱼眼镜头监控整个场景,如此大范围的监控势必会导致全景摄像机在白平衡以及曝光等方面的处理困难 。正是由于这点,限制了全景摄像机在室内的应用。解决好全景摄像机的宽动态效果,能够推动未来全景摄像机在室内环境的应用。
  5. )智能
    如何解放安防的人力一致是智能分析的发展方向,特别是在全景摄像机的无死角监控的条件下实现智能分析一定能够带来更好的安防应用。
4.全景摄像机的种类
目前鱼眼式全景摄像机的产品形态包括多镜头式、单鱼眼镜头式、混合式三种。
单鱼眼镜头式:采用枪型摄像机或半球型摄像机加鱼眼镜头的形式,这也是实现全景监控的一种最简单且最经济的方式,此种方式的关键点在于摄像机本身具有对鱼眼"畸变"的矫正能力,或者可以结合特殊的处理软件校正经过鱼眼镜头变形后的图像,并且不留痕迹的处理成一幅正常图像,使得人眼能够接受,此类全景摄像机的代表厂家有Mobotix 、奇偶、腾龙、海康威视和殷浩等,本文主要讨论单鱼眼镜头式的全景摄像机的应用。
原始画面 180°中心展开模式
360°全景展开模式 ePTZ模式
图1 单鱼眼镜头全景摄像机画面"畸变"矫正
多镜头式:采用多镜头多角度监控后拼接图像实现360度的监控,这种方式实现技术十分复杂,成本比较高,但却少了鱼眼全景摄像机带来的鱼眼畸变的困扰,此类全景摄像机的代表厂家有Arecont Vision和AVIGILON。
混合式:采用PTZ球机加鱼眼镜头的形式,这种方式较为少见,摄像机在转动时可当作球机使用,当球机镜头和鱼眼镜头重合时,可当作全景摄像机使用,此类全景摄像机的代表厂家有Axis。
5.单鱼眼镜头全景摄像机
单鱼眼镜头全景摄像机是由鱼眼镜头、高清摄像机、图像处理软件构成的"三合一"全景监控系统。其核心技术有:
高分辨率的实现
高像素的产品不仅是Sensor的选取 ,ISP的处理、编码以及与网络相应的配合都很重要,并且在相应的结构 、工艺等要求上,要比普通摄像机严格数倍。
鱼眼展开矫正的准确性
在将鱼眼摄像机所产生的圆形图像展开为人眼能接受的普通平铺图像的过程中,反畸变、反扭曲的算法是非常重要的。因为从镜头选型开始,就需要通过镜头的曲率特征分析、光学折射线路分析,以及结合透光亮考虑分析,才能取得一个比较好的图像源,以达到大景深、高分辨率,且画面周边和中心的解像力要均衡。鱼眼展开算法实现对鱼眼镜头所产生的圆形图像进行有效展开及处理,获得了人眼习惯的平铺图像,并且在没有畸变和扭曲的细节基础上进行了相应优化,保证了整体图像的清晰、准确。这种矫正和展开的实现方式有:
  1. )软件前端固件集成(软件方式) 。此类摄像机所有的功能实现软件,包括图像矫正、虚拟PTZ、智能部件以及压缩算法等全部被集成在摄像机内部的固件上,未来的升级亦只需对前端设置进行更新。与此同时,其后台pc亦可提供虚拟PTZ等功能,给予用户事后灵活改变观看视角及侧重点的可能。又因为相同计算量在硬件晶体与软件 PC上的负荷量区别很大(同一个运算任务,当涉及到计算矩阵的问题时,会占据软件大量资源,硬件晶体上的运算则相对更快。),所以这种前端集成方式大大释放了后端服务器以及网络的资源。
  2. )芯片前端实现(硬件方式)。现在已经有台湾厂商开发出可直接实现一定图像矫正及四分屏输出等基础功能的芯片产品,也就是对鱼眼全景摄像机有兴趣的厂家,可直接集成此类芯片与鱼眼镜头便可得到产品。这种方式的出现给了一部分暂时不具备自主研发能力的厂家与全景摄像机"亲密接触"的可能,也适用于一定范围的低端市场。
  3. )后端软件实现。此类全景摄像机所有功能皆由安装在后端PC上的软件实现,前端摄像机只负责抓取图片,因此产品在成本与售价上都有优势。依赖后端PC强大的处理能力,此类产品没有清晰度升级方面的瓶颈限制,在实现基本多分割显示、虚拟PTZ等功能的同时,原始图像的保留亦使得后期可进行更多的信息收集与处理工作。可另一方面,此类产品对后端PC与网络资源消耗较高,应用在大型项目时需要配置更多后端服务器。
6.多镜头拼接全景视频
此类全景摄像机内部封装多个传感器,通过对分画面进行图像拼接操作得到全景效果。目前主流产品的结构是把四个两百万像素的传感器,以及视场角为45°或者90°的独立短焦镜头封装在统一的外壳中。其中数字处理与压缩等核心技术被集成在前端固件上,将四个单独的画面按用户需求集成为180°或者360°的高清全景画面,再由网络传输到后端管理平台。相较占主流的鱼眼全景摄像机,多镜头拼接全景摄像机的优势是一定程度上摆脱了焦距的限制,在相同条件下可以看清楚更远的距离。同时其亦具有虚拟PTZ功能,可做到诸如周面裁剪,中间还原,保持180°展开等功能,方便用户按监控重点调节画面。
相比现在主流的鱼眼全景监控摄像机,多镜头拼接全景监控摄像机没有了像素的限制,更不会存在中间与边缘清晰度差距巨大这一问题。故此监控摄像机的图像拼接、压缩虽然都是在前端实现,其速度及网络资源占用极少,这将也是这类型产品未来的发展趋势。北京英思杰科技有限公司技术总监钱其锋特别提到 :"由于是由2台或者4台监控摄像机采集的图像拼接而成,全景画面上会有拼接的痕迹,并且此时的图像拼接往往由监控摄像机内嵌软件完成,而真正掌握监控摄像机图像拼接软件技术的公司不多,国内还没有发现有公司掌握该技术。"
7.单鱼眼镜头和多镜头拼接比较
  1. 多镜头拼接方案
    相比现在主流的鱼眼全景监控摄像机,多镜头拼接全景监控摄像机没有了像素的限制,更不会存在中间与边缘清晰度差距巨大这一问题。
    由于多个镜头与传感器的使用,此类产品价格高于鱼眼全景监控摄像机,但费用仍然少于直接安装多个传统监控摄像机,同时其只有一个IP地址,方便软件授权解决问题。另一方面,此类产品虽避免了像素上的浪费,但拼接技术对整套方案的需求更高,其中视场角的选择,结构上如何互相完美搭配,算法上如何更好的无缝拼接都决定着此类产品在未来能否取得更好的发展前景。
    对于多镜头摄像机来说,面临的畸变问题就要比鱼眼镜头式小多了。这类全景摄像机是通过几个不同方向的镜头和传感器来实现全景监控工作,因此对于畸变的处理上显然也就要容易得多。不过,这类全景摄像机也有自己的烦恼,由于不同的镜头分属不同的监控方向,常有全景画面被分割后出现盲区的情况。因此如何能够更好地实现不同方向镜头的无缝高效衔接,也是这类全景摄像机需要重点关注的方面。Arecont Vision中国代表处北京爱锐康特技术有限公司市场开发经理高默冉告诉笔者,多镜头摄像机主要通过在摄像机内部内置专用影像处理技术,将图像信息最终整合成视频流并通过一个IP地址传到后端,在后端实现180度的水平画面拼接,基本没有监控死角,同时可以满足一个全景画面和四画面的显示需求。另外,他还强调,在实现360度全景监控下,由于多镜头拼接中间正下方会有一个25度的死角,因此,全景摄像机在进行吊装的时候,为了避免正下方出现死角,在施工的时候可根据使用者的不同监控需求,对每个物理镜头进行俯仰角度调节。
    ArecontVistion应用工程师曹亚曦表示:"相比现在主流的鱼眼全景摄像机,多镜头拼接全景摄像机没有了像素的限制,更不会存在中间与边缘清晰度差距巨大这一问题。我们公司特别选用了安防行业专用的芯片,完全抛弃与安防没有关系的多余算法与空间浪费,其中底层算法更是自主研发。故此摄像机的图像拼接,压缩都是在前端实现,但其速度及网络资源占用极少,这也将是这类型产品未来的发展趋势。"
  2. 单鱼眼镜头方案
    这类全景摄像机硬件设计复杂度较低,可靠度与使用寿命都较长。不过,对于鱼眼镜头来说最大的挑战还在于畸变的控制力上,这就需要摄像机本身具有对鱼眼畸变高效的矫正能力,或者可以结合特殊的处理软件进行校正,不留痕迹地处理成一幅正常图像,使得人眼能够接受,这才能使摄像机在使用中达到用户满意的效果。这也表示图像边缘的像素点会被拉伸,因此如何对图像进行矫正,以及保证鱼眼图像的有效像素不丢失十分关键。 "所以,厂商在全景摄像机的开发中,从镜头选型开始,就需要通过镜头的曲率特征分析、光学折射线路分析,以及结合透光亮考虑分析,才能取得一个比较好的图像源,以达到大景深、高分辨率,且画面周边和中心的解像力要均衡。关键的是,除了严格筛选以确保镜头的高品质的同时,对于鱼眼展开算法也需要做长期、深入的研究。"各个单镜头厂商基于不同考虑因素,采用的图像矫正技术也不尽相同。
    除了镜头外,对摄像机要求也很高,首先应该是高分辨率的,然后还要求非常高的动态范围,因为监控的范围宽大,亮度变化非常大,所以需要相机具有极高的动态响应才能够获得较好的图像质量。
    这种方案不存在多镜头方案中盲区的问题。
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