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中国安防芯片技术的发展
2014/1/20 15:23:00      来源:《中国安防》    作者:余和初
安防行业设备正在朝着专业化和高性能化方向高速发展,各种标准和芯片技术层出不穷。本文主要探讨了安防芯片市场的发展进程,并对未来中国安防核心技术的发展之路作出了展望。


一、引言

近年来随着安防行业的飞速发展,特别是高清化和智能化设备的迅速普及,安防行业的市场正在迅速扩大。如今中国安防电子产业规模(不包括工程与服务)已经由2005年的276.3亿元迅速扩大到2012年的1430.3亿元,年均增长20%以上,并且至今仍保持着旺盛的增长势头,体现出巨大的市场潜力。安防技术以视频处理为基础,以智能分析技术为延伸,依靠录像取证的震慑力和智能预警的前瞻性,有效地打击了各种犯罪行为,为社会稳定做出了巨大贡献。视频压缩作为核心技术,也在多年的实践中得以飞速发展。

二、安防芯片的发展现状

在安防的产业链中,处于上游地位的无疑是各种标准协议,标准协议对安防芯片的设计和生产具有关键的指导作用,芯片厂商根据标准协议设计出不同应用类型的芯片,如数字信号处理芯片(DSP)、专用集成电路芯片(ASIC)、集成整体解决方案的片上系统(SOC)和用于图像信息采集的图像传感芯片(CCD芯片和CMOS芯片)。视频监控是目前安防行业芯片应用量最大的领域。

视频压缩标准方面,安防压缩国际标准从MPEG2MPEG4发展到如今的H264标准,压缩能力逐步上升,这些标准已经在市场上取得了巨大的成功,尤其是H264已经成为了安防乃至消费领域的事实标准,得以大量普及,特别是在高清领域得到广泛应用。2013ITU组织更是推出了H265标准,有望比H264的压缩能力提高一倍。国内则相继推出了AVSSVAC标准,并已经有实际产品应用,国内厂商为自有标准化做出了不懈努力。

硬件方面,自从视频录像数字化以来,芯片技术一直在不断发展。早期的视频压缩采用的是PC机的CPU利用压缩软件对图像进行处理,存在着成本高、体积大、功耗高和稳定性差的缺点。随着嵌入式芯片的发展,特别是TI公司的TMS320DM642DSP芯片的普及,由于同时具有了设备制造的低成本优势和大幅提升的可靠性,国内的安防设备厂商纷纷改用嵌入式DSP产品。之后国内以海思为代表的厂商推出了Hi3511Hi3512芯片,TI则推出了DM6446DM6467DM8168等一系列芯片,对标清和高清的支持更上一层楼。这一系列安防芯片性能和功能的提升使得安防设备得以小型化并广泛部署于前端,安防市场得以迅猛发展。

纵观视频压缩软件和硬件的发展,市场化的作用不容小视,忽视产业链的整体协调而只推出标准是难以成功的。当今视频压缩算法标准及嵌入式芯片占据了主导地位,两者相辅相成,互相促进和发展。视频压缩算法标准为产品实现奠定了理论基础,为未来的发展指明了方向;而芯片则将理论变为现实,形成产品占领市场,有效地推广了视频压缩算法标准而得到社会的认可。以视频压缩标准为例,MPEG2h264标准不仅在安防行业,在电视转播、互联网和消费级产品上均被广泛采用,算法的优化方法、芯片支持和相关从业人员均极为丰富,从而大幅提高了标准的成熟度和市场认可度,并降低了开发成本;同时期我国推出的AVS标准——是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准,《信息技术先进音视频编码》系列标准的简称——虽然在图像质量和码率方面基本接近H264的水平,但是在安防行业却没有形成产业化,缺乏行业的整体支持,在安防行业市场上反响平平。

三、面临的问题

近两三年来,我国的基础行业已经有了巨大的进步,IC设计和生产能力已经能够接近国际先进水平,具有了产业化的条件和能力。中国作为安防产业的大国,有高达千亿的国内市场,具有得天独厚的巨大市场优势,有利于国产化的实施。国内以海思为代表的厂商抓住了高清化和h264编码需求的市场脉搏,开发出hi3512hi3520hi3531等一系列高性能芯片,满足了低、中、高多档需求,得到了众多厂商的大量使用,其成功有目共睹。

同时国内芯片厂商在很多方面具有国际厂商无法比拟的优势:其一是价格优势,对比国际厂商TIPhilipsADI等,国产芯片往往具有售价方面的优势,这也是吸引国内设备厂商采用的重要原因之一;其二,国内芯片厂商比较重视整体产品解决方案的把握,对常用的产品功能封装比较完善,设备厂商只需要做较少的开发就可以迅速完成样机,对降低开发的人力成本和产品的成型周期都有很大帮助,同时国内厂商对我国安防行业需求很了解,相比国外具有本土优势;其三,国内芯片厂商的中文开发资料和手册均比较完善,使得国内设备开发人员的开发效率大大提高,由此获得了众多国内开发人员的青睐。这些优势令国内芯片厂商得以迅速提高,并促进了安防产业的迅猛发展。

但是国内芯片厂商并非高枕无忧,仍然有许多亟待解决的问题。首先是国产DSP芯片缺乏可编程化接口及调试设备。国内芯片厂商提供的完整解决方案虽然能够便于设备厂商快完成产品研发,但是供设备厂商自主开发的余地却极为有限,这点与国际厂商有较大差距。以TI为例,其达芬奇系列DSP芯片有的开发工具CCS和仿真器已经较为成熟,对于有实力的设备厂商可以充分利用DSP强大的性能完成视频质量诊断、视频图像增强、智能分析等深入开发。而国内厂商的DSP芯片几乎处于封闭状态,具有DSP仿真调试环境的更是寥寥无几,这使得中国芯片厂商很难打入高端安防设备市场,更遑论进军国际。此外国内芯片厂商使用的多为H264编码标准,存在巨大的商业竞争隐患,按照规定使用H264编码库需要每年向MPEG-LA交纳一定的费用,这有可能成为国外厂商对国内厂商施压的一个手段,核心标准的缺失无疑制约了国内厂商的进一步发展。

四、未来的发展之路

国内厂商要想在安防市场占据领先优势,就要从产业化的角度形成一体式的解决方案,一方面需要国内芯片厂商在软硬件的技术水平和开发环境方面做出努力,另一方面需要国家制定出具有自主知识产权并面向安防行业应用的的标准。在标准方面目前国内已经起草并发布了SVAC标准,即《安全防范视频监控数字音视频编解码技术要求》,英文全称为Surveillance Videoand Audio Coding,是由国家标准化管理委员会立项的国家标准,是视频监控系统的基础标准。SVAC标准的目的是建立符合视频监控需要的、先进的音视频编解码标准和安全体系,提高报警监控系统间的互联、互通、互操作及信息的安全、有效和综合利用。

由于SVAC标准在撰写之初就已经充分考虑了安防的需要,对可伸缩视频编码(Scalable Video CodingSVC)技术进行了充分的支持。该技术把视频信号以分层的形式进行编码,在时间、空间、质量上进行划分,输出多层码流(包括基本层和增强层),其中基本层的数据可以使解码器完全正常地解码出基本视频内容,但是基本层的数据获得的视频图像可能存在帧率较低、分辨率较低、或者质量较低的问题。在信道受限或信道环境复杂时,可以保证解码端能够接收到可以观看的流畅视频图像,当信道环境良好或信道资源丰富时,可以传递增强层数据,以提高帧率、分辨率、或视频质量。而增强层是可以多层编码的,这就意味着在视频码流总码率的范围内接收到的码率越大,视频质量越好。相对于原来的视频编码标准,一次编码后的视频码流就固定了,对于不同的终端应用,需要对同一内容多次编码,可伸缩视频编码有效地解决了之前编码标准输出码流的不灵活性,一次编码可以适应多种不同信道,这种可伸缩编码的特性能够有效地降低网络传输和存储的压力。以存储为例,在视频保存之初,可以保存完整的编码信息,随着时间的推移可以对视频进行快速处理,降低保存视频码流的分辨率以节省存储空间,这点在H264的扩展标准中虽然也有提及,但在实际应用中并没有大范围推广,而SVAC标准作为安防行业的特有标准,有望将该技术特性推广普及,发挥其独有的优势。此外,SVAC标准在一开始就着手于编码硬件化的工作,这意味着该项技术将能够迅速以产品的形式进行推广和使用。

此外,公安部平安城市标准——GB28181也正在紧锣密鼓的部署中,GB28181标准规定了城市监控报警联网系统中信息传输、交换、控制的互联结构、通信协议结构,传输、交换、控制的基本要求和安全性要求,以及控制、传输流程和协议接口等技术要求,适用于安全防范监控报警联网系统的方案设计、系统检测、验收以及与之相关的设备研发、生产,其他信息系统也可参考采用。该标准有望改变以往安防行业中各公司项目互不兼容的问题,实现设备的互通互联,有效降低重复建设的费用。SVAC视频编码标准与GB28181标准结合,将有效地填补市场空白,并成为安防业界的标准,对安防芯片的发展具有重要的指导作用。

五、结语

行业发展,标准先行,安防芯片的产业化也不例外,标准的制定和芯片技术的发展相辅相成。另外随着“平安城市”建设工作的推广,以视频监控系统为核心的“平安城市”建设和生产监控系统将有更大的发展。在这样的大背景下,国内安防芯片的产业化将进入发展的快车道,蕴含着巨大的市场前景和发展空间。当国内芯片厂商取得成功并走向国际舞台之时,中国的安防市场必将获得稳定的长期发展。

编辑:张宗蒿
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