解析網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

  一、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本原理

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本原理是：圖像信號經(jīng)過鏡頭輸入及聲音信號經(jīng)過麥克風(fēng)輸入后，由圖像傳感器的聲音傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，再經(jīng)過編碼器按一定的編碼標(biāo)準(zhǔn)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(bào)警信號及向外發(fā)送報(bào)警信號，且按要求發(fā)出控制信號。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是真正全數(shù)字化的產(chǎn)品，視頻信號從圖像傳感器(如CCD、CMOS等)采集并數(shù)字化后，后繼的處理全部采用數(shù)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(shù)據(jù)(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(jī)的級別。

(二)編碼算法

1.MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4

隨著視頻編碼與處理算法研究的進(jìn)展，針對不同應(yīng)用需求，相繼發(fā)布過多個(gè)圖像和視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。例如，MPEG為多媒體存儲媒體和數(shù)字電視應(yīng)用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4。所謂MPEG標(biāo)準(zhǔn)就是指由ISO的活動圖像專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(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，已經(jīng)制定完成并批準(zhǔn)執(zhí)行的有：1991年批準(zhǔn)的MPEG1、MP3;1994年批準(zhǔn)的MPEG2;1999年批準(zhǔn)的MPEG4和MP4。正在制定的標(biāo)準(zhǔn)有：MPEG7和MEPG21。M-JPEG技術(shù)即運(yùn)動靜止圖像壓縮技術(shù)，它把運(yùn)動的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來處理，這種壓縮技術(shù)方式單獨(dú)完整地壓縮每一幀，在編輯過程中可隨機(jī)存儲每一幀，可進(jìn)行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對幀內(nèi)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(yīng)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(yùn)動補(bǔ)償?shù)腄PCM的混合編碼，在運(yùn)動補(bǔ)償?shù)腄PCM混合編碼，在運(yùn)動搜索的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，然后運(yùn)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(chǔ)上，將運(yùn)動矢量的搜索增加為半象素點(diǎn)搜索;同時(shí)又增加了無限制運(yùn)動矢量、基于語法的算術(shù)編碼、高級預(yù)測技術(shù)和PB幀編碼等四個(gè)高級選項(xiàng);從而達(dá)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)合視頻組開發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)約50%左右的碼率，比目前根據(jù)MPEG4實(shí)現(xiàn)的視頻格式在性能方面提高33%左右。

H.265是ITU-TVCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.265標(biāo)準(zhǔn)圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264，保留原來的某些技術(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(fù)雜度之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力、減少實(shí)時(shí)的時(shí)延、減少信道獲取時(shí)間和隨機(jī)接入時(shí)延、降低復(fù)雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現(xiàn)標(biāo)清數(shù)字圖像傳送;H265則可以實(shí)現(xiàn)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(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS-S

面對當(dāng)前及未來興起的安防應(yīng)用領(lǐng)域，我國AVS(AudioVideocodingStandard)工作組自主制定的先進(jìn)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS-S?？梢哉f視頻監(jiān)控編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇有很多種，但目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要采用的標(biāo)準(zhǔn)有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運(yùn)動靜止圖像壓縮技術(shù)，但M-JPEG只對幀內(nèi)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的著眼點(diǎn)在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問題，使它成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品生產(chǎn)廠商開發(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(yīng)性，其應(yīng)用范圍較廣，能適應(yīng)不同場合，但算法復(fù)雜度較高，需要強(qiáng)勁的硬件支持。

當(dāng)前行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰將主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(shè)置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)，并且壓縮后的畫面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯：一是丟幀現(xiàn)象嚴(yán)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(jī)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(wěn)的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實(shí)現(xiàn)720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。

目前，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說任何廠家網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的H.264算法都是好的。因此，要對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼算法有一個(gè)清晰的認(rèn)識和理解，以免進(jìn)入誤區(qū)。如果僅關(guān)心是否采用了H.264，認(rèn)為兩個(gè)廠家的MPEG編碼模塊都實(shí)現(xiàn)了H.264，那么它們就會一樣好。事實(shí)是，H.264標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)所有的算法計(jì)算量很大，目前還沒有一個(gè)芯片能實(shí)現(xiàn)所有算法。而設(shè)計(jì)H.264編碼芯片的過程實(shí)際上是要根據(jù)芯片的運(yùn)算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個(gè)過程。因此，我們可以使用圖像領(lǐng)域里面的主觀評價(jià)法來判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過調(diào)低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調(diào)整圖像的運(yùn)動量，察看圖像有沒有丟幀、有沒有馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)這些現(xiàn)象的程度來判斷芯片的好壞。