網(wǎng)絡(luò )攝像機技術(shù)發(fā)展現狀分析

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機將圖像轉換為基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )標準的數據包，使攝像機所攝的畫(huà)面通過(guò)RJ-45以太網(wǎng)接口或WIFI WLAN無(wú)線(xiàn)接口直接傳送到網(wǎng)絡(luò )上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )即可遠端監視畫(huà)面。

　　一、網(wǎng)絡(luò )攝像機的基本原理

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機的基本原理是：圖像信號經(jīng)過(guò)鏡頭輸入及聲音信號經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)輸入后，由圖像傳感器的聲音傳感器轉化為電信號，A/D轉換器將模擬電信號轉換為數字電信號，再經(jīng)過(guò)編碼器按一定的編碼標準進(jìn)行編碼壓縮，再控制器的控制下，由網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器按一定的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議送上局域網(wǎng)或INTERNET，控制器還可以接收報警信號及向外發(fā)送報警信號，且按要求發(fā)出控制信號。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機是真正全數字化的產(chǎn)品，視頻信號從圖像傳感器(如CCD、CMOS等)采集并數字化后，后繼的處理全部采用數字信號，保證了圖像的清晰度，并采用網(wǎng)絡(luò )打包和傳輸這些多媒體數據(視頻、音頻、文本信息等)。

　　(一)視頻采集技術(shù)

　　視頻采集部分的核心器件--圖像傳感器，主要有CCD和CMOS兩種，傳感器性能的高低直接決定了攝像機的級別。

　　(二)編碼算法

　　1.MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4

　　隨著(zhù)視頻編碼與處理算法研究的進(jìn)展，針對不同應用需求，相繼發(fā)布過(guò)多個(gè)圖像和視頻編碼壓縮標準。例如，MPEG為多媒體存儲媒體和數字電視應用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4。所謂MPEG標準就是指由ISO的活動(dòng)圖像專(zhuān)家組制定的一系列關(guān)于音視頻信號以及多媒體信號的壓縮與解壓縮技術(shù)的標準。到目前為止，已經(jīng)制定完成并批準執行的有：1991年批準的MPEG1、MP3;1994年批準的MPEG2;1999年批準的MPEG4和MP4。正在制定的標準有：MPEG7和MEPG21。M-JPEG技術(shù)即運動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，它把運動(dòng)的視頻序列作為連續的靜止圖像來(lái)處理，這種壓縮技術(shù)方式單獨完整地壓縮每一幀，在編輯過(guò)程中可隨機存儲每一幀，可進(jìn)行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對幀內地空間冗余進(jìn)行壓縮，不對幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，故壓縮效率不高。

　　2.H.263、H.264、H.265

　　面向低碼率的實(shí)時(shí)視頻通信;ITU-T應用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264、H.265。

　　H.263是ITU-T提出的作為H.324終端使用的視頻編解碼建議，H.263經(jīng)過(guò)不斷地完善和多次的升級已經(jīng)日臻成熟，如今已經(jīng)大部分代替了H.261，而且H.263由于能在低帶寬上傳輸高質(zhì)量的視頻流而日益受到歡迎。H.263是基于運動(dòng)補償的DPCM的混合編碼，在運動(dòng)補償的DPCM混合編碼，在運動(dòng)搜索的基礎上進(jìn)行運動(dòng)補償，然后運用DCT變換和“之”字形掃描編碼，從而得到輸出碼流。H.263在H.261建議的基礎上，將運動(dòng)矢量的搜索增加為半象素點(diǎn)搜索;同時(shí)又增加了無(wú)限制運動(dòng)矢量、基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼、高級預測技術(shù)和PB幀編碼等四個(gè)高級選項;從而達到了進(jìn)一步降低碼速率和提高編碼質(zhì)量的目的。

　　H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的聯(lián)合視頻組開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264能夠比H.263節約50%左右的碼率，比目前根據MPEG4實(shí)現的視頻格式在性能方面提高33%左右。

　　H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著(zhù)現有的視頻編碼標準H.264，保留原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。具體的研究?jì)热莅ǎ禾岣邏嚎s效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機接入時(shí)延、降低復雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現標清數字圖像傳送;H265則可以實(shí)現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。

　　3.數字音視頻編解碼技術(shù)標準AVS-S

　　面對當前及未來(lái)興起的安防應用領(lǐng)域，我國AVS(Audio Videocoding Standard)工作組自主制定的先進(jìn)數字音視頻編解碼技術(shù)標準AVS-S?？梢哉f(shuō)視頻監控編碼標準的選擇有很多種，但目前網(wǎng)絡(luò )攝像機主要采用的標準有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，但M-JPEG只對幀內空間冗余進(jìn)行壓縮，不對幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，因此壓縮效率不高。MPEG-4的著(zhù)眼點(diǎn)在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問(wèn)題，使它成為當前網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的重要趨勢之一H.264是目前主流的解決方案，具有高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò )適應性，其應用范圍較廣，能適應不同場(chǎng)合，但算法復雜度較高，需要強勁的硬件支持。

　　當前行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰(shuí)將主導網(wǎng)絡(luò )攝像機的視頻編碼?

　　MPEG-4壓縮技術(shù)可獲取清晰度較高的視頻圖像，而且可靈活設置每路的視頻清晰度和壓縮幀數，并且壓縮后的畫(huà)面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯：一是丟幀現象嚴重、實(shí)時(shí)性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實(shí)時(shí)壓縮;二是壓縮效率低，傳輸帶寬和存儲空間占用大。而H.264引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡(luò )中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡(luò )中視頻的流媒體傳輸，支持不同網(wǎng)絡(luò )資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實(shí)現720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。

　　目前，網(wǎng)絡(luò )攝像機基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說(shuō)任何廠(chǎng)家網(wǎng)絡(luò )攝像機的H.264算法都是好的。因此，要對網(wǎng)絡(luò )攝像機編碼算法有一個(gè)清晰的認識和理解，以免進(jìn)入誤區。如果僅關(guān)心是否采用了H.264，認為兩個(gè)廠(chǎng)家的MPEG編碼模塊都實(shí)現了H.264，那么它們就會(huì )一樣好。事實(shí)是，H.264標準包含一個(gè)很大的算法集合，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。要實(shí)現所有的算法計算量很大，目前還沒(méi)有一個(gè)芯片能實(shí)現所有算法。而設計H.264編碼芯片的過(guò)程實(shí)際上是要根據芯片的運算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個(gè)過(guò)程。因此，我們可以使用圖像領(lǐng)域里面的主觀(guān)評價(jià)法來(lái)判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過(guò)調低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調整圖像的運動(dòng)量，察看圖像有沒(méi)有丟幀、有沒(méi)有馬賽克等現象，根據這些現象的程度來(lái)判斷芯片的好壞。

　　(三)編碼與網(wǎng)絡(luò )

　　當前出于帶寬和成本的考慮，用戶(hù)要求在目前所能承受的成本下使用較高的碼流來(lái)實(shí)現;這就對網(wǎng)絡(luò )攝像機的編碼效率提出了較高的要求。網(wǎng)絡(luò )攝像機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，在網(wǎng)絡(luò )傳輸上實(shí)現方式有所不間，但過(guò)大的數據包則會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )堵塞，因此對編碼器的內部控制非常嚴格，要求不能影響圖像質(zhì)量。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )攝像機實(shí)際應用需求不斷發(fā)展和變化，其對芯片編碼要求越來(lái)越苛刻，在更高壓縮比的前提下實(shí)現更貼近現實(shí)的場(chǎng)景。如海思提供的壓縮解決方案就可以實(shí)現720P@2Mbps的壓縮率，比一般產(chǎn)品動(dòng)輒要3-4Mbps才提升了了至少50%壓縮比，2Mbps的碼率還有另外一個(gè)含義，就是用戶(hù)可以不增加網(wǎng)絡(luò )和存儲成本的情況下升級到720P的體驗。未來(lái)隨著(zhù)3G\4G網(wǎng)絡(luò )的快速應用，支持各種網(wǎng)絡(luò )的編碼方式也成為重要發(fā)展方向。

　　二、網(wǎng)絡(luò )攝像機的核心部件

　　一臺IP網(wǎng)攝像機主要由視頻采集、視頻編碼、網(wǎng)絡(luò )傳輸等幾部分組成。它通過(guò)CMOS/CCD感光器進(jìn)行逐行掃描，將光信號直接能夠捕獲影像并通過(guò)SoC單芯片處理，直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，從而使用戶(hù)能夠通過(guò)標準的基于IP網(wǎng)絡(luò )基礎構架在本地或者遠程地點(diǎn)實(shí)現觀(guān)看、存儲和管理高清視頻數據。

　　CMOS圖像傳感器具有低帶寬，固有的防光暈特性，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，應用較廣。隨著(zhù)CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異將逐漸減小，在較長(cháng)一段時(shí)間內二者將長(cháng)期共存。目前，各式CCD和CMOS競相推出，各廠(chǎng)家都有自己的接口標準，即使表面上物理接口一樣，內部數據仍有不同，所以需要與傳感器原廠(chǎng)對接。在這方面需要芯片廠(chǎng)商與傳感器廠(chǎng)商進(jìn)行協(xié)調合作才會(huì )有比較好的效果。這也是網(wǎng)絡(luò )攝像機編解碼芯片必須要做的功課，如Hi3515和Hi3520就把SONY的720PCCD這種原來(lái)需要CPLD轉接的接口直接定義到了芯片里面，由干該CPLD的實(shí)現需要SONY原廠(chǎng)提供幫助，這樣就直接幫助一些客戶(hù)解決了原來(lái)不可獲取的問(wèn)題。

　　(一)圖像傳感器

　　IP高清攝像機以核心部件的圖像傳感器(Image Sensor)做分類(lèi)的話(huà)，主要有CCD和CMOS兩種。其中CMOS又細分為傳統的CMOS和Exmor CMOS即背照式CMOS。CCD和CMOS就基本結構和工作原理來(lái)說(shuō)，區別如下：

　　CCD是 Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫(xiě)，它是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實(shí)施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復雜。

　　CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互補性氧化金屬半導體)的縮寫(xiě)，和CCD一樣同為在高清攝像機中可記錄光線(xiàn)變化的半導體，CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡(jiǎn)單，兩者的特點(diǎn)如下：

　　CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢; CMOS光電傳感器采集光信號的同時(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

　　CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優(yōu)勢。

　　(二)處理芯片

　　高清IPC的設計方案很多，但從架構上來(lái)看，主要包括兩種：其一，采用CCD/CMOS傳感器作為圖像采集設備，配套提供實(shí)現圖像處理和編碼功能的SoC芯片;其二，采用前端攝影機模塊，作為圖像采集設備，和一個(gè)通用的ASIC或DSP進(jìn)行編碼和傳輸。由于第一種架構設計靈活，廣泛被廠(chǎng)家采用。

　　在圖像處理方面有三種實(shí)現方案：第一種方案采用專(zhuān)用的ISP處理芯片和編碼處理部分，該方案較靈活，采用專(zhuān)用的ISP芯片穩定性好，能夠保證圖像的質(zhì)量;第二種方案采用集成ISP的編碼芯片，該方案靈活性次于第一種方案，且專(zhuān)用的ISP處理芯片穩定性雖高，但圖像質(zhì)量一般、成本較高;第三種方案采用FPGA等芯片實(shí)現信號處理及編碼功能，該方案靈活性最強，但是穩定性差、成本最高、圖像質(zhì)量難于保證。專(zhuān)用ISP方案設計靈活、性?xún)r(jià)比高、可以保證圖像的質(zhì)量，適用于高清IPC的設計。

　　三、網(wǎng)絡(luò )攝像機的技術(shù)術(shù)語(yǔ)

　　(一)CPU

　　CPU即中央處理器，是網(wǎng)絡(luò )攝像機最核心的部件之一，是網(wǎng)絡(luò )攝像機的大腦，大部分的數據信息都是由它來(lái)完成的。它的工作速度快慢直接影響到攝像機的運行速度。CPU可分為控制單元(Control Unit;CU)、邏輯單元(Arithmetic Logic Unit;ALU)、存儲單元(Memory Unit;MU)三大部分，從應用角度可以分為X86式、嵌入式和其他高性能式三大類(lèi)。網(wǎng)絡(luò )攝像機一般用的都是嵌入式的CPU。

　　(二)Flash Memory

　　Flash Memory即快擦型存儲器，在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息，但是數據刪除不是以單個(gè)的字節為單位而是以固定的區塊為單位。區塊大小一般由256KB到20MB。FLASH這個(gè)詞最初由東芝因為該芯片的瞬間清除能力而提出。閃存源于EPROM，芯片價(jià)格不高，存儲容量大。閃存正在成為EPROM的替代品，因為它們很容易被升級。閃存被用于PCMCIA卡，PCMCIA閃存盤(pán)，其它形式硬盤(pán)，嵌入式控制器和SMART MEDIA。如果閃存或其它相關(guān)的衍生技術(shù)能夠在一定的時(shí)間內清除一個(gè)字節，那將導致永久性的(不易失)RAM的到來(lái)。

　　(三)DRAM

　　DRAM(Dynamic Random-Access Memory)，即動(dòng)態(tài)隨機存儲器最為常見(jiàn)的系統內存。DRAM 只能將數據保持很短的時(shí)間。為了保持數據，DRAM 必須隔一段時(shí)間刷新(refresh)一次。如果存儲單元沒(méi)有被刷新，數據就會(huì )丟失。

　　(四)操作系統

　　操作系統(Operating System，簡(jiǎn)稱(chēng)OS)傳統上是負責對計算機硬件直接控制及管理的系統軟件。操作系統的功能一般包括處理器管理、存儲管理、文件管理、設備管理和作業(yè)管理等。當多個(gè)程序同時(shí)運行時(shí)，操作系統負責規劃以?xún)?yōu)化每個(gè)程序的處理時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò )攝像機是了常見(jiàn)的操作系統是Linux。 一個(gè)操作系統可以在概念上分割成兩部分：內核(Kernel)以及殼(shell)。一個(gè)殼程序包裹了與硬件直接交流的內核：硬件<->內核<->殼<->應用程序。但有些操作系統上內核與殼完全分開(kāi)(例如Unix、Linux等)，這樣用戶(hù)就可以在一個(gè)內核上使用不同的殼;而另一些的內核與殼關(guān)系緊密(例如Microsoft Windows)，內核及殼只是操作層次上不同而已。

　　(五)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　對于網(wǎng)絡(luò )攝像機來(lái)說(shuō)就是傳輸所攝圖像時(shí)所要遵守的一些規范，由于現有的網(wǎng)絡(luò )都是在TCP/IP協(xié)議下的，所以大部分網(wǎng)絡(luò )攝像機都遵守這個(gè)協(xié)議。下面主要介紹一下什么叫協(xié)議，和現有的幾種常用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議就是網(wǎng)絡(luò )中(包括互聯(lián)網(wǎng))傳遞、管理信息的一些規范。如同人與人之間相互交流是需要遵循一定的規矩一樣，計算機之間的相互通信需要共同遵守一定的規則，這些規則就稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。 一臺計算機只有在遵守網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的前提下，才能在網(wǎng)絡(luò )上與其他計算機進(jìn)行正常的通信。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議通常被分為幾個(gè)層次，每層完成自己?jiǎn)为毜墓δ?。通信雙方只有在共同的層次間才能相互聯(lián)系。常見(jiàn)的協(xié)議有：TCP/IP協(xié)議、IPX/SPX協(xié)議、NetBIOS協(xié)議等等。在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛采用的是TCP/IP協(xié)議，在局域網(wǎng)中用得的比較多的是IPX/SPX.。用戶(hù)如果訪(fǎng)問(wèn)Internet，則必須在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中添加TCP/IP協(xié)議。

　　(六)LAN接口

　　LAN接口同時(shí)也可分為廣域網(wǎng)(WAN)接口和局域網(wǎng)接口，我們常用的廣域網(wǎng)(WAN)接口有：V.35、RS232、ISDN、BRI、PRI、E1接口等。網(wǎng)絡(luò )攝像機一般是以RJ-45接口和網(wǎng)絡(luò )相連接的。網(wǎng)絡(luò )接口有多種下面是網(wǎng)絡(luò )攝像機有可能用到的幾種接口的介紹。

　　1.AUI端口

　　AUI端口是用來(lái)與粗同軸電纜連接的接口，它是一種“D”型15針接口，這在令牌環(huán)網(wǎng)或總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )中是一種比較常見(jiàn)的端口之一。路由器可通過(guò)粗同軸電纜收發(fā)器實(shí)現與10Base-5網(wǎng)絡(luò )的連接，但更多的是借助于外接的收發(fā)轉發(fā)器(AUI-to-RJ-45)，實(shí)現與10Base-T以太網(wǎng)絡(luò )的連接。當然也可借助于其他類(lèi)型的收發(fā)轉發(fā)器實(shí)現與細同軸電纜(10Base-2)或光纜(10Base-F)的連接。這里所講的路由器AUI接口主要是用粗同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接用的。

　　2. RJ-45端口

　　RJ-45端口是我們最常見(jiàn)的端口了，它是我們常見(jiàn)的雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)端口，因為在快速以太網(wǎng)中也主要采用雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，所以根據端口的通信速率不同RJ-45端口又可分為10Base-T網(wǎng)RJ-45端口和100Base-TX網(wǎng)RJ-45端口、1000Base-TX三類(lèi)。其中，10Base-T網(wǎng)的RJ-45端口在路由器中通常是標識為“ETH”，而100Base-TX 網(wǎng)的RJ-45端口則通常標識為“10/100bTX”，這主要是現在快速成以太網(wǎng)路由器產(chǎn)品多數還是采用10Mbps/100Mbps帶寬自適應的。

　　3.SC端口

　　SC端口也就是我們常說(shuō)的光纖端口，它是用于與光纖的連接，一般來(lái)說(shuō)這種光纖端口是不太可能直接用光纖連接至工作站，一般是通過(guò)光纖連接到快速以太網(wǎng)或千兆以太網(wǎng)等具有光纖端口的交換機。這種端口現在大多數比較高端的產(chǎn)品上都有，都以“100b FX”標注。

　　4.紅外線(xiàn)接口

　　IrDA是Infrared Data Association(紅外線(xiàn)數據標準協(xié)會(huì ))的英文縮寫(xiě)，IrDA紅外接口是一種紅外線(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議以及基于該協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸接口。支持IrDA接口的數碼相機，可以無(wú)線(xiàn)地向支持IrDA通信的其它設備如筆記本電腦或打印機傳輸數碼照片。

　　(七)圖像分辨率

　　圖像分辨率的概念簡(jiǎn)單說(shuō)就是指屏幕水平和方向垂直方向所顯示的點(diǎn)數。比如1024×768，其中“1024”表示屏幕上水平方向顯示的點(diǎn)數，“768”表示垂直方向顯示的點(diǎn)數。分辨率越高，圖像也就越清晰，且能增加屏幕上的信息容量。分辨率越高說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )攝像機對圖像的顯示越清晰。