網(wǎng)絡(luò )攝像機技術(shù)結構編碼標準

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機是傳統攝像機與網(wǎng)絡(luò )視頻技術(shù)相結合的新一代產(chǎn)品，除了具備一般傳統攝像機所有的圖像捕捉功能外，機內還內置了數字化壓縮控制器和基于WEB的操作系統，使得視頻數據經(jīng)壓縮加密后，通過(guò)局域網(wǎng)，Internet或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )送至終端用戶(hù)。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機的應用，使得圖像監控技術(shù)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。第一，網(wǎng)絡(luò )的綜合布線(xiàn)代替了傳統的視頻模擬布線(xiàn)，實(shí)現了真正的四線(xiàn)(音頻、視頻、數據、電源)合一，網(wǎng)絡(luò )攝像機即插即用，工程實(shí)施簡(jiǎn)便，系統擴充方便;第二，跨區域遠程監控成為可能，特別是利用互聯(lián)網(wǎng)，圖像監控已經(jīng)沒(méi)有距離限制，而且圖像清晰，穩定可靠;第三，圖像的存儲、檢索十分安全、方便、可異地存儲，多機備份存儲以及快速非線(xiàn)性查找等。下圖為典型的網(wǎng)絡(luò )攝像機在視頻監控中的應用拓撲圖。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機的技術(shù)結構

　　大家可以看到，網(wǎng)絡(luò )攝像機可以直接接入到TCP/IP的數字化網(wǎng)絡(luò )中，因此這種系統主要的功能就是在聯(lián)網(wǎng)上面，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者內部局域網(wǎng)進(jìn)行視頻和音頻的傳輸。從內部構成上說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )攝像機的基本結構一般都是由圖像傳感器、視頻編碼器、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、外部報警、控制接口等部分組成。

　　相比較傳統的模擬攝像機，網(wǎng)絡(luò )攝像機最核心的技術(shù)就是視頻編碼器?，F在，就網(wǎng)絡(luò )攝像機的各部分我們做一個(gè)技術(shù)分析，然后再重點(diǎn)分析一下核心的視頻編碼器部分。

　　圖像傳感器：傳統的模擬攝像機，就是通過(guò)圖像傳感器采集視頻信息，然后直接輸出是模擬的視頻信號，通過(guò)視頻線(xiàn)對外輸出?，F在攝像機的圖像傳感器主要有2種，即CMOS和CCD.由于CCD在圖像質(zhì)量方面比CMOS有一定的優(yōu)勢，但CMOS近年技術(shù)發(fā)展，性?xún)r(jià)比較高，在監控市場(chǎng)占有率逐年提高，因此現在監控工程中使用的圖像傳感器主流是CMOS,而CCD的主流廠(chǎng)商大部分是日本企業(yè)，比如Sony、Sharp等，幾乎占了全球CCD市場(chǎng)的90%以上份額。

　　視頻編碼器：其功能是把CCD的視頻信號按照一定的格式進(jìn)行數字化編碼，有些是直接抓取CCD輸出的BT.656的信號，有些是采集CCD驅動(dòng)輸出的模擬信號，通過(guò)一個(gè)視頻AD進(jìn)行模擬數字轉化。視頻編碼的標準很多，現在主要的網(wǎng)絡(luò )攝像機的標準有MJPEG、MPEG4、H.264和H.265。

　　網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器：其功能是把壓縮好的視頻信號，通過(guò)TCP/IP的協(xié)議輸出，并且基本上要支持現階段主流的通信格式，比如支持PPPOE、DNS、UDP、TCP等等。

　　外部報警和控制接口都是網(wǎng)絡(luò )攝像機的輔助功能，主要是通過(guò)串口或者IO口來(lái)實(shí)現，串口的方式包括RS232和RS485等等。

　　圖像的編碼標準

　　當前，網(wǎng)絡(luò )攝像機的圖像壓縮編碼標準主要有M-JPEG、MPEG4、H.263、H.264等，下面我們對這些技術(shù)再做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

　　M-JPEG

　　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，因此壓縮效率不高。

　　MPEG4

　　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。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，在164KHZ的帶寬上，MPEG-4平均可傳5-7幀/秒。采用MPEG-4壓縮技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )型產(chǎn)品可使用帶寬較低的網(wǎng)絡(luò )，如PSTN，ISDN，ADSL等，大大節省了網(wǎng)絡(luò )費用。另外，MPEG-4的最高分辨率可達720×576，接近DVD畫(huà)面效果，基于圖像壓縮的模式?jīng)Q定了它對運動(dòng)物體可以保證有良好的清晰度。MPEG-4所有的這些優(yōu)點(diǎn)，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.263

　　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

　　H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專(zhuān)家組)和ISO/IEC的MPEG(活動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組)的聯(lián)合視頻組(JVT:jointvideo

　　team)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

　　H.265是ITU-TVCEG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。

　　主流的核心解決方案

　　剛才我們介紹，傳統的模擬攝像機和網(wǎng)絡(luò )攝像機，主要的區別就是網(wǎng)絡(luò )攝像機把傳統的模擬攝像機的模擬視頻信號轉化為一定標準的數字信號，并通過(guò)TCP/IP的協(xié)議進(jìn)行傳輸，同時(shí)帶有一定的外部報警和控制接口的輔助功能?，F在，核心的網(wǎng)絡(luò )攝像機解決方案都是采用一個(gè)芯片來(lái)完成視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的核心功能?，F階段，網(wǎng)絡(luò )攝像機的主要解決方案有DSP和ASIC兩大陣營(yíng)，DSP方面，主要有TI、ADI、Trimedia、Ambarella等，而ASIC解決方案中，近期比較成功的有映佳和海思的方案，下面我們就這些核心方案進(jìn)行一個(gè)分析。

　　TI(TexasInstruments)

　　是美國德州儀器的簡(jiǎn)稱(chēng)，總部位于美國德克薩斯州的達拉斯，是全球知名的半導體企業(yè)，主要從事模擬電路和數字信號處理技術(shù)的研究，其具有代表性的DaVinci-DM3xARM9視頻處理器解決方案在安防行業(yè)有著(zhù)廣泛的應用。1951年更名為德州儀器，并開(kāi)始進(jìn)入半導體市場(chǎng)，至今在多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域占有重要份額。當安防領(lǐng)域的視頻監控從模擬階段發(fā)展到數字壓縮處理階段后，TI在安防視頻壓縮領(lǐng)域逐漸暫居主導地位。在IPC領(lǐng)域有代表性的解決方案是DM355、DM365、DM368，以及最新推出的DM369，DM388。

　　海思(Hisilicon)

　　海思半導體有限公司成立于2004年10月，前身是創(chuàng )建于1991年的華為集成電路設計中心。海思公司總部位于深圳，在北京、上海、美國硅谷和瑞典設有設計分部。海思的產(chǎn)品覆蓋無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、固定網(wǎng)絡(luò )、數字媒體等領(lǐng)域的芯片及解決方案，成功應用在全球100多個(gè)國家和地區;在數字媒體領(lǐng)域，已推出網(wǎng)絡(luò )監控芯片及解決方案、可視電話(huà)芯片及解決方案、DVB芯片及解決方案和IPTV芯片及解決方案。在2009-2012年，DVR芯片可謂風(fēng)生水起。在IPC領(lǐng)域有代表性的解決方案是Hi3516、Hi3516C、Hi3517、Hi3518A、Hi3518C、Hi3518E。

　　安霸(Ambarella)

　　于2004年組建，總部位于加州的圣克拉拉市;公司中文名稱(chēng)為“安霸”，安霸是高清視頻業(yè)界的技術(shù)領(lǐng)導者，主要提供低功耗、高清視頻壓縮與圖像處理的解決方案，在電視廣播市場(chǎng)，安霸技術(shù)也得到廣泛應用，來(lái)自世界各地的電視節目都經(jīng)安霸芯片壓縮后傳送。在業(yè)界率先推出了基于最新H.265視頻壓縮標準的高集成SoC芯片，集成了各種關(guān)鍵系統功能，提供高性?xún)r(jià)比的高清整體解決方案，在H.264高清專(zhuān)業(yè)廣播編碼設備市場(chǎng)擁有近90%的市場(chǎng)。在IPC領(lǐng)域代表性的解決方案是A2、A5、A5S、A7、A9。

　　美國模擬器件公司(ADI)

　　ADI公司在DSP芯片市場(chǎng)上也占有一定的份額，先后推出具有自己特點(diǎn)的DSP芯片，其Blackfin系列的DSP具有功耗小，運算能力強的特點(diǎn)。其中的BF531具有非常好的性?xún)r(jià)比，批量?jì)r(jià)格只有5美元，比較合適在低端的網(wǎng)絡(luò )攝像機的方案中采用，不過(guò)現在BF531只能處理到CIF的MPEG4編碼，在很多對于圖像清晰度要求高的場(chǎng)合無(wú)法滿(mǎn)足。另外ADI還有一款BF561也是比較合適的產(chǎn)品，這是一個(gè)雙核的DSP，能夠處理到D1的分辨率。

　　臺灣映佳(Imagia)

　　映佳最近在視頻監控行業(yè)發(fā)展不錯，在網(wǎng)絡(luò )攝像機市場(chǎng)上面，已經(jīng)有一些攝像機廠(chǎng)商開(kāi)始采用映佳的產(chǎn)品。映佳的解決方案是ASIC的方式，采用的壓縮算法是標準的MPEG4，單片芯片可以做到D1，映佳的ASIC主要在推的是MPG440，之前映佳還推出過(guò)MPG420核MPG430，相比而言，MPG440基本上比較成熟，也得到了一些客戶(hù)的認可，同時(shí)映佳還提供比較完整的網(wǎng)絡(luò )攝像機的解決方案，并且可以提供在應用軟件上面強大支持。

　　NXP(恩智浦半導體)

　　NXP芯片屬于工業(yè)級別，在相對惡劣的環(huán)境使用具有很強的優(yōu)勢;ROI功能，碼流非常低，最高可低至512K，為用戶(hù)使用手機觀(guān)看高清、流暢畫(huà)質(zhì)提供了可能;業(yè)界高端的highprofile級別的H.264編碼方式，高壓縮比，高視頻質(zhì)量，基于CPU的強大處理能力，可以在前端植入智能分析算法，可極大地緩解后端處理壓力，同時(shí)強大的3D降噪能力，不會(huì )有噪點(diǎn)在那里一閃一閃的感覺(jué)，給人感覺(jué)看過(guò)去就是一幅畫(huà)那么平靜;先進(jìn)的AWB控制，色彩還原性能良好等等，NXP芯片方案在市場(chǎng)具有很強的競爭力。