將現代機器視覺技術應用於保全領域
- 台北訊
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視訊監控產品如同可遠端操作的多個眼睛，提供使用者線上監控遠端多個位置，涵蓋大面積連續的視野範圍，可平移鏡頭以穩定持續地掃描所要搜尋的情境。
最早的視訊監控是在1942年用於監控V-2火箭研發與發射。科學家與工程師可在安全的距離觀察其性能並辨識故障的情形，此後視訊系統成為延伸耳目的工具。由於技術開發與製造持續穩定發展，視訊監控已能提升至保全用途。
第一道光
感光材料可依光線的存在改變其電阻或電感。1950年代的的黑白視訊如RCA Vidicon攝影機系統，內含真空管並設有感光硒板以做為感測的影像之用。電子束掃描硒板，產生的電流與同時間照射到硒板該光線量成正比。光柵掃描管將產生基本的視訊訊號，並輕易進行長距離傳送。CRT電視以相反順序接收此訊號，以電子束掃描螢光幕以重建相應於影像的亮度。
數十年來，視訊受限於單色感應並僅能即時顯示影像。由於彩色濾光片、色彩螢光體與載色訊號晶體的穩定發展，產生了更高的解析度、更低的製造成本以及更高的可靠度視訊監控產品。閉路電視(CCTV)與廣播工業誕生，進一步加快發展速度。
這些技術採用易碎的玻璃，且迴路需要較高的電壓。尺寸的限制使得以真空管為基礎的影像感測器大且笨重。由於半導體技術的出現，以上情況已不復見。
固態感測器
電荷耦合元件(CCD)於1970年代問世，結合半導體技術透過運用記憶體元件精確陣列。這些陣列中的每個感測器皆同步設定正反器狀態。感測器依序連接至以菊花鏈架構耦合如同移位暫存器。對這些移位暫存器產生時鐘訊號即可產生同步到視訊串流。
固態感測器最初用於一維感測器陣列如掃描器與傳真機等，後做為二維感測器，最後出現彩色版本的CCD，使視訊影像感測器尺寸大幅縮小，簡化電源需求。
使用者不需要監看
CCTV系統早期由於缺乏紀錄技術，需要專人監看並決定是否要發出警報。只有一次機會能夠從偵測中盡可能擷取更多資訊，事件之後影像將永遠消失。從本質而言，監看者在警報迴路中扮演控制處理器的角色，做出是否要觸發警報的決定。
線性CCD感測器的出現改變了上述情況，它具備編程能力以讀取條碼及識別模式。現代手機、照相機及機器視覺系統中使用的二維感測器具備更高的解析度與光譜感光度，體積更小、功耗更低，不需要外部鏡頭組件。
機器視覺結合人工智慧可產生新世代監視系統，僅需較少的人力、成本，提供更高階編程的目標偵測追蹤。這些需求提升了設計標準，必須利用更高的處理能力，在更高的階層整合各項功能。
設計議題與考量
若無現代記憶體元件的速度與密度及嵌入式處理器的運算能力，將無法以合理的成本與尺寸設計出智慧型監控系統，增加的影像解析度將加重系統與其他部分的負擔。舊型8位元4-MHz傳統處理器用於創新的數位控制迴路，數位處理與即時控制的數位技術，但不足以應付智慧型安全產品需求，這也造成了記憶體需求成長。
例如，簡單的傳統複合視訊攝影機能在各種速率之下以525條掃描線取樣，其中的21條線用於垂直遮沒。現代CCD影像感測器即使是低階產品也有1/4 VGA (320 x 240)的解析度。
1/4 VGA解析度需要76,800位元組來呈現一個畫格(8位元解析度)。若使用8位元RGB，則總計為230,400位元組，兩種情況皆超過傳統處理器的定址範圍。
記憶體需求隨著解析度提升而大幅增加。VGA的640x480解析度單一黑白畫格即需307,200位元組，而使用24位元色版時，每個畫格的色彩需要將近1MB。
問題並不僅止於此。如果每秒30個畫格，這是典型的閃光融合頻率，需要將近28 MB才能緩衝一秒鐘的VGA視訊內容。幾項常用視訊標準解析度的比較凸顯了上述持續升高的需求限制。
高效的處理器
處理器架構與視訊技術同步發展，除可因應次世代智慧監控與視訊產品的需求，也能使用外部匯流排介面以及高速外接DRAM。大多數處理器可處理數個GB的記憶體定址，支援如DDR與SDR等同步高速記憶體介面。
目前兩種主要應用需求影響了處理器的選擇。儲存中心及/或資料聚合器需要極為高階的或多核心的處理器、DVR功能，以及極大量的揮發性與非揮發性記憶體。實際的攝影機則存在不同的限制條件，需要較低的功率、更大的溫度範圍及更小的尺寸。
以48 MHz速度執行單週期指令，採用32位元ARM架構，STMicroelectronics的STM32F051K4U6TR Cortex‑M0處理器具有資料路徑與匯流排寬度以處理單次傳送中的每個畫素取樣。最低能以1.8V以及在負40至85度的溫度範圍中運作，尺寸僅5x5mm。此處理器具備硬體直接記憶體存取(DMA)，可處理5個通道的傳輸，內建HDMI控制器介面可利用最少的記憶體以較低速度運作。除處理器的主要時鐘外，另有獨立的特殊時鐘領域可用於視訊。
當此處理器結合現代高速且密集的記憶體裝置如ISSI DDR3 IS43TR16256AL-15HBLI時，此裝置可提供4 Gb 1,333 MHz記憶體頻寬解決方案。需要存取及使用記憶體的不只有處理器，通訊處理器也是此方程式中不可或缺的一部分。
傳輸與連結
通訊需求將是監控系統所面臨的主要挑戰之一。由於資料量龐大，須大幅提高傳輸速度及記憶體需求；距離也將是問題之一，點對點100 Mb/秒乙太網路，透過CAT纜線進行長距離傳輸時仍有其限制。
這表示較短距離的資料連線如DVI與HDMI無法用於上述長距離的情況，S/PDIF及Toslink亦如此。雖然S/PDIF可利用多種標準驅動器與接收器晶片而加以延伸，但資料頻寬只會持續上升，需要更精密複雜且昂貴的驅動器技術。
目前10億畫素的解決方案已使用中。現代社會對於安全性與歸責性的考量，可預期將有越來越高的解析度在進行監視。雖然光纖線路支援較高頻寬，但銅線的部署成本通常較低。因此，目前次世代遠端監控系統正在開發與訂定銅線線路的技術與標準。CoaXPress是基於同軸電纜的標準，可提供高速(6.25 Gb/秒)點對點通訊連結，最遠距離可達130公尺。多重通達最高可使速率達到25 Gb/秒。
晶片組如Microchip EQCO62X20 (EQCO62R20.3=接收器、EQCO62T20.3 = 發射器)可在單一同軸電纜上形成雙向全雙工的通訊通道。使用外部電感器，亦可在相同的纜線上傳輸電力。它同樣可以達到低功率(<70mW、1.2V)，因為它採用4mm細微間距的小型QFN封裝。
無線通訊
雖然無線連線是可行的，但距離與頻寬的限制無法運用於大多數監控應用，且較容易受到干擾，使保全應用容易遭到攻擊。
使用短距離的無線連線至本地端的資料聚合器與儲存中心，將其雲端連線可行的做法。也許不久之後，所有民眾的攝影機都將成為物聯網(IoT)的一部分。這意味所有人都可存取公共監視裝置，營造人人平等的環境，並確保不再有濫用權力或暴力者能夠繼續隱匿。
結論
保全與監控已逐漸成為日常生活的一部分。我們所做的每一件事幾乎都會被拍照、錄影及監視。攝影機與視訊輸出的數量之多，使得保全人員必須持續監視並做出判斷。當今的硬體系統攝影機與視訊資料聚合器將繼續運用更高階的處理能力，甚至利用人工智慧以自動執行資料收集與安全評估工作。 （本文由貿澤電子Mouser Electronics John Gabay提供）
