安全監控第三波革命到來　智慧型視訊監控備受矚目

自從911事件爆發後，世界各國莫不提升對國土安全的重視程度而大力進行反恐系統與基礎設施的布建投資，視訊監控產業正是其中受益最大產業之一。然而，隨著視訊監控的布建環境從居家、企業、廠站等小區域走向都會地帶，整個視訊監控系統的規模在近年來已呈現爆發性成長的態勢，視訊保全系統內含有成千上萬支視訊監控攝影機的布建案例已經成為常態。  

隨著視訊保全系統規模大型化、複雜化的趨勢發展，人類的生理/心理限制也益發明顯。根據一分國外保全研究機構所做的分析統計顯示，即便是經過訓練的保全人員，在同時注視超過十個監視器畫面的條件下，只要經過22分鐘後就無法對監視器畫面上所呈現的突發事件做出反應，因為保全人員的注意力已經完全渙散了。  

換言之，即便政府當局或設施的擁有者投下鉅資進行視訊監控系統布建，也只能發揮協助事後追查的功效，無法在事件發生的當下立即做出反應。從上述統計數字便可看出，在大規模視訊監控系統中，人是整個系統最大的弱點與缺陷。也因而使業界與學術界近年來無不投入大筆資源進行視訊分析演算法研究，試圖用機器智慧取代人工作業，以達到提升視訊監控系統反應速度的目標。  

智慧型革命改寫視訊監控產業版圖  

圖1　工研院辨識與安全科技中心主任唐震寰認為，智慧化視訊監控將成為安全監控產業的第三波革命。

工研院辨識與安全科技中心主任唐震寰(圖1)指出，911事件導致各國政府更為重視國土安全議題，且由於適逢網路技術與視訊壓縮技術已經進入成熟階段，使得布建大規模視訊監控系統的成本迅速降低，因而帶動了一波波都會區視訊監控系統的風潮。然而，隨著視訊監控系統的建置規模迅速成長，傳統人工監看/人工調閱的作業方式勢必改弦更張，否則政府部門投入鉅資布建的都會型視訊監控系統在遇到安全事件發生的關鍵時刻，反而無法發揮其原本應有的作用。  

事實上，導入智慧型架構對於歷史悠久的安防產業而言，其衝擊性絕對不下於近年來風起雲湧的數位化與網路化浪潮。舉其大者，從過去類比視訊監控時代開始，安防產業就一直是一個非常封閉的領域，如美系的漢威(Honeywell)、通用電氣(GE)，歐系的西門子(Siemens)集團等，莫不是有能力從系統建置規畫到最終軟硬體設備一手包辦的一方霸主，且不同供應商之間的設備完全不互通，各自形成自己的一片小天地。  

然而，由於實現智慧型監控系統所需的影像分析技術主要掌握在資通訊業者手中，隨著市場對智慧型監控的需求日益殷切，資通訊大廠如IBM等公司，在安防產業體系中所扮演的角色也越來越吃重，甚至有能力與傳統安防大廠分庭抗禮。這個趨勢再搭配上先前靠著低價製造優勢切入市場的台、中、韓三地設備代工製造商勢力，終於一改安防產業的封閉面貌。在2008年美西保全展期間，幾家主導全球數位攝影機市場的大廠低調地於拉斯維加斯商討成立一開放產業標準，並於同年9月正式成立開放網路視訊介面論壇(Open Network Video Interface Forum, ONVIF)，宣告安全監控產業進入門戶開放的時代。  

工研院在2008年底也參與了此一論壇組織，根據參與會議的結果研判，此一聯盟對於未來全球網路影像產品的介面規格將具有相當程度的市場主導力量，特別是在智慧型數位攝影機介面部分，由於全球安全監控領域的主要網路攝影機製造商均參與此一標準的討論制定過程，因此其所產生的結論極可能會成為全球標準。  

從集中式轉向分散式智慧型視訊監控應用市場更多元  

然而，現行的集中式智慧型視訊監控系統架構並非毫無缺點。在視訊監控系統的規模持續擴大之際，必須仰賴後端伺服器來執行影像分析運算工作的集中式架構，受到運算能力與通訊頻寬的限制，已漸漸無法像以往般在事件發生的當下做出即時反應，因為在集中式的架構下，不管前端監控攝影機拍攝到的畫面是否與安全事件有關，後端伺服器都必須執行分析運算的工作，使伺服器的運算能力大量浪費在處理無關緊要的影像資訊上。  

為了解決這個問題，業界遂投入分散式智慧架構的研發工作，試圖在網路邊緣設備就完成影像辨識分析的工作，藉此解決後端伺服器負荷過重的問題。  

目前市場上有兩種主流實作方式，其一是在每支監控攝影機上加裝智慧型視訊分析模組，利用模組中的數位訊號處理器(DSP)就地對所拍攝到的影像進行分析動作；另一種方式則是在數支攝影機後端加裝一具備數位訊號處理功能的智慧型終端裝置(Smart End Point)，由其統一對下轄的攝影機所拍攝到的內容進行分析。

前者的代表性裝置為智慧型網路攝影機，後者則可能與網路視訊錄影機(NVR)整合成單一設備，或是安裝在NVR旁的獨立嵌入式裝置。不論採用何種架構，數位訊號處理器都是這類系統中最核心的元件。  

數位訊號處理器大廠德州儀器(TI)認為，智慧型視訊監控系統從集中式走向分散式，除了出於即時反應能力的考量外，應用市場對視訊監控設備的功能需求趨於多樣化，也是一股顯著的拉力。  

圖2　德州儀器亞洲區市場開發經理李松青表示，智慧化視訊監控已經從大廠呼口號轉變為實際產品，也帶動產品設計上的架構創新。

德州儀器亞洲區市場開發經理李松青(圖2)表示，以往智慧型監控的概念雖然不乏談論的聲音，但由於採用集中式架構的緣故，真的有必要在設備中添加智慧功能的硬體產品，大概只有伺服器後台而已。對為數眾多的前端攝影機乃至數位視訊錄影設備(DVR)的製造商而言，影像辨識分析這類智慧型功能與他們的產品設計關係不大，自然對於相關話題抱持著姑且聽之的態度。正因為如此，之前視訊監控業界在探討智慧型視訊監控議題時，多半只有幾家領導大廠在倡導，顯得有些雷聲大雨點小。  

隨著網路規模成長，集中式架構難以負荷持續成長的運算量後，是必要將運算工作分散到前端來執行，也因而促成了這波智慧型前端設備，如智慧型攝影機、智慧型NVR等產品問世。在設備供應商陸續推出第一代智慧型前端設備後，有些系統整合業者利用這些前端設備所具有的影像分析能力，開發出諸如人員進出計算、車牌辨識、人臉辨識等應用功能，來探測市場上到底對這些新功能的接受度如何，結果發現這些功能頗受使用者歡迎，也改變了業界對視訊監控系統只能用來做被動反應的刻板印象，至此智慧型視訊監控的市場地位才得到鞏固。  

事實上，政府單位對這類新一代智慧型前端設備的推廣也提供非常大的助力，例如中國大陸政府便立法強制要求夜店等人員進出頻繁，且人口密度較高的娛樂場所必須加裝這類設備，以準確估算室內的活動人口數量。  

除中國大陸之外，在美國還有一些地方政府將智慧型前端設備安裝在十字路口等交通要道，除了一方面可以統計道路交通流量外，還可以在偵測到違法駕駛行為時自動進行車牌辨識與拍照存證，再傳送後端的資訊系統進行開單告發的動作。這種從拍照到開單告發完全自動化的作業流程，一方面可減輕交通警察的工作負擔，另一方面也讓心存僥倖的駕駛無所遁逃。對政府而言，這些罰單收入對於日益拮据的財政也不無小補。  

DSP躍居視訊監控大腦地位相關供應商競相搶入  

正因為智慧型視訊監控成為市場主流指日可待，擁有相關數位訊號處理技術的元件供應商莫不積極搶進。除DSP大廠德州儀器之外，現場可編程閘陣列(FPGA)龍頭賽靈思(Xilinx)也與影像分析技術開發商Eutecus攜手合作，推出近似特定應用標準產品(ASSP)的整合方案積極搶市。  

李松青表示，在數位視訊監控攝影機與數位視訊錄影設備耕耘多年的德州儀器，除了銷售DSP硬體外，也提供超過四十種底層函式庫(Library)以加速設備製造商的開發速度。此外，德州儀器更與零壹科技、工研院等本地單位攜手，推出從智慧型攝影機到智慧型DVR/NVR等一系列智慧型前端設備的完整參考設計，以進一步加快設備製造商的產品上市時程。  

他並指出，智慧型監控設備是一種產品區隔細緻的產品，例如有些只須具備簡單影像分析功能的攝影機，甚至不必再額外添加新的DSP，只要在原有的低成本DSP平台上撰寫新的韌體就可滿足應用需求；有些對影像分析功能要求較高的攝影機，則必須在原有的系統DSP之外，再外掛一張DSP模組板卡，用來專門處理視訊分析運算。  

至於對影像分析功能要求最高的旗艦級產品，則有可能會利用到原本專門設計給DVR/NVR等產品使用的高效能DSP平台，如工研院所開發的智慧型前端設備若與攝影機整合完成後，除了能支援人臉辨識、車牌辨識、虛擬圍籬等功能外，甚至還可以辨識煙霧、火焰等燃燒現象，是集保全與防火功能於一機的尖端產品。因此，對元件供應商而言，若要完整涵蓋所有市場區隔，必須要有能力提供多元化的產品方案。  

對於智慧型視訊監控設備未來的發展方向，李松青與唐震寰皆認為，隨著半導體技術更加成熟，未來市面上絕大多數的視訊監控攝影機都會內建智慧型分析模組，至於DVR或NVR等錄影設備內建智慧型分析功能的做法，日後除了用來延續舊型攝影機在智慧型視訊監控網路的生命週期外，似乎找不到其他的應用利基。唐震寰說：「整個智慧型視訊監控系統的發展大趨勢是朝向網路邊緣端發展，獨立型的智慧型影像分析設備只是過渡階段的方案。」  

但值得注意的，從以往嵌入式產業的發展歷史來看，即使是過渡性產品，其生命週期往往可以長達數年之久，因此包含德州儀器與工研院在內，都未曾因為這類內建智慧型影像分析功能的獨立設備只是過渡產品而放棄耕耘。  

圖3　賽靈思亞洲區資深系統架構師江允貴指出，智慧化視訊監控是賽靈思特定應用平台策略中鎖定的主力市場之一。

為了搶食智慧型視訊監控市場的大餅，賽靈思選擇與Eutecus攜手合作，在特定應用平台的經營策略下，直接提供給客戶整合好的晶片解決方案與開發環境。對於向來只提供空白晶片跟開發環境的可編程邏輯產業而言，這種業務模式可謂是全新的嘗試。  

賽靈思亞洲區資深系統架構師江允貴(圖3)表示，視訊監控產業在政府積極作多與產品應用模式日益多元的趨勢下，已經成為一個廣受矚目的潛力市場。然而，由於安全監控市場的規模處於較為模糊尷尬的地帶，使ASSP供應商往往陷入是否要針對此一應用開發專用標準產品的兩難。江允貴指出，對賽靈思而言，市場規模大小不是主要的問題，能否找到有實力的矽智財(IP)供應商才是關鍵。在影像分析辨識領域擁有眾多IP與專門演算法的Eutecus，便是賽靈思尋覓已久的合作夥伴。  

圖4　Eutecus技術長Csaba Rekeczky(左)與執行長Stephen Hester(右)均指出，與賽靈思的合作將可以提升自家演算法的執行效率，帶來更精準的影像辨識結果。

Eutecus總裁暨執行長Stephen Hester(圖4右)表示，Eutecus是一家從公司成立起就專注在影像分析演算法研發的公司，本身不自行研發生產處理器晶片，因此從公司成立以來，就一直是採與某家特定晶片供應商長期合作的方式經營。事實上，在與賽靈思合作之前，Eutecus也曾經扮演德州儀器第三方IP供應商的角色。而選擇改與賽靈思合作的原因，在於以FPGA為硬體平台，可透過高度平行化的運算架構提升Eutecus演算法的執行效果，進而實現更快速、更精準的智慧型視訊監控設備。  

精準的即時影像分析是一種對運算效能極為饑渴的應用，而且具有高度平行化的特性，因此很適合在內建大量乘累加器(MAC)的FPGA平台上執行。傳統的通用型DSP或許能夠被用來執行某些基本的辨識演算法，但若是想在既有平台上延續發展新一代演算法，或實現一些其他功能的話，其效能就可能會捉襟見肘了。

展望未來，Eutecus除了會將自家的演算法移植到新一代低成本FPGA平台，以實現更高的整合度與效能外，也將跨足視訊壓縮演算法的開發工作，以提供完整的IP解決方案給客戶。  

Eutecus技術長Csaba Rekeczky(圖4左)指出，從技術觀點來看，視訊分析與視訊壓縮技術其實有非常高的相似度，特別是H.264等新一代壓縮技術之所以能實現更高的壓縮比，卻又無損於畫質表現的關鍵之一，全因其壓縮過程會先對影像進行分析，動態決定畫面中哪些部分可以提高壓縮比以精簡檔案大小，哪些部分卻必須盡可能降低壓縮比，以確保畫質。這種先進的壓縮概念對於擁有影像分析技術的公司而言並不陌生，甚至可說擁有主場優勢。只是這類先進壓縮技術通常對處理器的硬體效能更加依賴，因此演算法供應商在發展相關演算法時，通常會對其所搭配的硬體平台效能斤斤計較。  

Rekeczky表示，從賽靈思目前的產品發展藍圖來看，在下一代平台中實現分析與壓縮的整合，會比在現有平台上將智慧型分析與壓縮功能整合成單晶片更適當，因此Eutecus會在賽靈思新一代平台開始出貨後，立刻完成相關移植與整合作業，以為用戶帶來更好的成本優勢。  

智慧型視訊監控前景亮麗　技術成熟度仍有改善空間  

雖然智慧型視訊監控的發展前景廣受各方期待，也吸引不少業者投入研發，但此一技術的成熟度仍有待提升。江允貴便指出，由於影像分析技術目前仍無法做到100%準確，因此視訊監控設備業者現階段還少會把智慧型功能當作產品的主要賣點，而是以附加功能的方式來行銷，藉此規避智慧型視訊監控系統功能失靈時所可能衍生的賠償責任。  

李松青也認為，智慧型視訊監控從口號落實為實際產品，至今也不過短短幾年時間，因此偶爾出現假警報或辨識失靈的情況，其實也在預期之中。這個問題只能等待工程師從更多實際部署的案例中汲取經驗，才能改善辨識演算法的準確度。 任何技術的發展均非一蹴可幾，特別是在歷史悠久的安防產業，早已形成所有創新都必須在真實環境中接受考驗才能被信任的共識，廣被看好的智慧型識別系統自然也不例外。  

更重要的是，安防產業不僅重視技術本身的成熟度，也重視供應商發展該技術的資歷，這也是智慧型視訊監控設備即使還不成熟，仍能吸引業界投入的主因之一。「牌子老、信用好」這句你我耳熟能詳的廣告詞，即使在已經逐漸褪去保守封閉作風的安防產業，仍是至理名言。