網(wǎng)絡(luò)攝像機在高清時代技術(shù)特點及應(yīng)用

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網(wǎng)絡(luò)攝像機在高清時代技術(shù)特點及應(yīng)用

來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時間：2011/01/17

　　　高清晰攝像機主要是體現(xiàn)在畫面的清晰度上，要做到畫面的清晰度，不僅僅是一個水平分辨率達(dá)到540TVL就行了，必須在超寬動態(tài)、自動白平衡、圖像的銳利度調(diào)整、超級數(shù)字降噪(信噪比)、智能數(shù)字自動測光補償、亮度信號、彩色信號邊緣補正、損壞象素自動調(diào)整與恢復(fù)、色彩調(diào)整、寬動態(tài)范圍等指標(biāo)上有集中體現(xiàn)。只有達(dá)到這些綜合性的要求才能算得上是高清晰度攝像機。
　　高清監(jiān)控的意義
　　對于視頻監(jiān)控而言，圖像清晰度無疑是最關(guān)鍵的特性。圖像越清晰，細(xì)節(jié)越明顯，觀看體驗越好，智能等應(yīng)用業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確度也越高。所以圖像清晰度是視頻監(jiān)控永恒的追求。
　　衡量圖像清晰度的標(biāo)準(zhǔn)是分辨率，單位是像素。這個值越大，圖像越清晰。所謂高清、標(biāo)清，差異也就體現(xiàn)在這里。兩者之間的分界線就是百萬像素或720p，達(dá)到百萬像素或720p的就是高清。基于這樣的標(biāo)準(zhǔn)，目前視頻監(jiān)控市場占主流的CIF和D1都屬于標(biāo)清。
　　無論是從分辨率、顯示效果還是流暢度來看，高清都比標(biāo)清更有優(yōu)勢。從分辨率來看，720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍，在同樣的顯示環(huán)境下，高清會清晰得多。從顯示效果來看，高清既支持大屏顯示，又支持16:9寬屏顯示，可以大大增強用戶的觀看體驗。從流暢度來看，高清支持更高的幀率，比如720p和1080i/1080p都可以支持60幀/秒或60場/秒，其圖像流暢度比標(biāo)清要高一倍。所以，高清監(jiān)控必然將取代標(biāo)清監(jiān)控。
　　要實現(xiàn)真正的高清監(jiān)控，必須從視頻源的采集、視頻信號的編碼壓縮、視頻信號的傳輸、視頻的瀏覽、錄像文件的回放等環(huán)節(jié)全面支持高清。對客戶而言，高清只有在包含了前端、平臺、存儲、瀏覽、顯示等各個環(huán)節(jié)時才有意義。
　　采集后未經(jīng)壓縮的高清視頻信號有模擬和數(shù)字兩種傳輸方式，模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線纜同時傳輸。數(shù)字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，不適合用于監(jiān)控傳輸，而HD-SDI雖可以傳輸百米左右，但對同軸電纜的要求很高，線纜的價格也非常昂貴。但是，如果在前端就對高清視頻進行高效壓縮處理，然后通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑挘鋫鬏敵杀九c標(biāo)清監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化傳輸成本相當(dāng)。目前DVR的視頻信號處理，分為視頻采集和視頻編碼兩個部分。在視頻信號采集部分，目前大多數(shù)的DVR都是模擬視頻輸入，均采用BNC接口的CVBS(即復(fù)合視頻信號)信號輸入。復(fù)合視頻信號的最大分辨率是D1，DVR內(nèi)部對于復(fù)合視頻信號是按照D1分辨率采集、量化的。目前DVR均無YPbPr的模擬分量接口，或DVI、HDMI、HD-SDI等數(shù)字視頻接口。在編碼部分，DVR對每路采集的視頻信號可以編碼成CIF、2CIF、DCIF、D1等分辨率，但編碼最大分辨率只能為D1，不具備編720p或1080i、1080p的編碼能力。因此，目前的DVR無法實現(xiàn)高清監(jiān)控。
　　可見，要實現(xiàn)高清監(jiān)控，得從整個監(jiān)控系統(tǒng)考慮高清，而網(wǎng)絡(luò)化是高清監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
　　高清網(wǎng)絡(luò)攝像機舉足輕重
　　我們知道，傳統(tǒng)的標(biāo)清監(jiān)控分為模擬、數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)三種類型。模擬監(jiān)控的前端是模擬攝像機，后端是矩陣。數(shù)字監(jiān)控的前端也是模擬攝像機，后端是DVR。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的前端有兩種，一種是模擬攝像機+視頻編碼器，一種是網(wǎng)絡(luò)攝像機，后端是平臺。也就是說，在標(biāo)清監(jiān)控時代，前端有模擬攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像機、視頻編碼器+模擬攝像機等多種類型。

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　　那為什么到了高清監(jiān)控時代，前端一定是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機呢?原因主要在兩個方面。
　　第一，高清監(jiān)控一定是網(wǎng)絡(luò)化的，必然是基于視頻壓縮處理并通過IP網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)模驗橹挥羞@樣才能控制高清視頻的傳輸成本。
　　采集后未經(jīng)壓縮的高清視頻信號有模擬和數(shù)字兩種傳輸方式。模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線纜同時傳輸。數(shù)字傳輸一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，不適合用于監(jiān)控傳輸，而HD-SDI雖可以傳輸100米左右，但對同軸電纜的要求很高，線纜的價格也非常昂貴。無論是模擬方式還是數(shù)字方式傳輸，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號傳輸成本都明顯高于以前的模擬標(biāo)清視頻信號。而采用視頻壓縮編碼并通過IP網(wǎng)絡(luò)進行傳輸時，高清視頻與標(biāo)清視頻在傳輸成本上的差異很小。
　　第二，直接用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機進行前端處理的效率和成本比用高清視頻編碼器+高清攝像機要更有優(yōu)勢。
　　當(dāng)前高清視頻傳感器以CMOS為主，CMOS傳感器直接輸出數(shù)字化的視頻信號，在攝像機中通過DSP或ASIC對此數(shù)字高清視頻信號直接進行壓縮編碼，然后以網(wǎng)絡(luò)化方式傳輸，要比攝像機直接輸出高清信號來得經(jīng)濟，且處理效率更高。
　　CCD和CMOS誰適合高清網(wǎng)絡(luò)攝像機
　　網(wǎng)絡(luò)攝像機的核心組成部分有三塊：鏡頭、圖像傳感器以及壓縮處理芯片。其中，圖像傳感器是圖像采集處理部分的核心。
　　圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。兩者之間的差異大家已經(jīng)討論得非常多了，主要體現(xiàn)在靈敏度、成本、噪聲、功耗等幾個方面：1)在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器;2)CCD傳感器的成本比CMOS傳感器高;3)相同尺寸的CCD傳感器分辨率通常優(yōu)于CMOS傳感器;4)與CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲更大;5)CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計上的難度更高之外，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。
　　在標(biāo)清監(jiān)控時代，無論是模擬攝像機還是標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機，使用最廣泛的是CCD。而在高清監(jiān)控時代，情況將會有所改變。高清監(jiān)控對成本非常敏感，CMOS傳感器盡管圖像品質(zhì)總體上還不如CCD，但它在成本上的優(yōu)勢對CCD還是造成了非常大的威脅。當(dāng)然，兩者博弈的結(jié)果最終將由性價比決定，誰既能保證比較好的圖像品質(zhì)又不貴誰就勝出。
　　從目前的趨勢來看，CMOS勝出的機會明顯更大。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS的靈敏度正在得到快速改善，據(jù)悉目前市場上致力于CMOS研究的廠商已經(jīng)研發(fā)出靈敏度性能與CCD接近的720p與1080p專用CMOS器件。另一方面，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優(yōu)勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS在更高分辨率下將更有優(yōu)勢。另外，CMOS響應(yīng)速度比CCD快，因此更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點。
　　因此，盡管CCD與CMOS在不同的應(yīng)用場景下各有優(yōu)勢，但隨著CMOS工藝和技術(shù)的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，未來高清網(wǎng)絡(luò)攝像機將更多的選擇CMOS。
　　MJPEG和H.264誰將主導(dǎo)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的視頻編碼
　　視頻編碼是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的一項關(guān)鍵參數(shù)，它決定了所傳輸視頻的圖像質(zhì)量以及需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬。我們目前看到的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有MJPEG和H.264兩種。

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　　MJPEG(MotionJPEG)是在JPEG基礎(chǔ)發(fā)展起來的動態(tài)圖像壓縮技術(shù)，它只單獨的對某一幀進行壓縮，而基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化。通過此壓縮技術(shù)可獲取清晰度很高的視頻圖像，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：丟幀現(xiàn)象嚴(yán)重、實時性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實時壓縮;壓縮效率低，傳輸帶寬和存儲空間占用大。
　　H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT聯(lián)合視頻工作組制定的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，用來實現(xiàn)視頻的高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等目標(biāo)。H.264不僅比MJPEG節(jié)約了80%以上的碼率，而且對網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能。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(wěn)的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實現(xiàn)720p、1080i/p的廣播級高清視頻分辨率。
　　盡管MJPEG能夠獲得比較好的單幅圖像質(zhì)量，但由于它在運動性、帶寬占用以及存儲空間占用方面均有致命缺陷，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機未來必然以H.264為主。
　　高清監(jiān)控面臨的問題
　　高清網(wǎng)絡(luò)攝像機使圖像清晰度有了質(zhì)的飛躍，但是也給高清監(jiān)控系統(tǒng)帶來了一系列現(xiàn)實的問題：
　　分辨率越大、清晰度超高，意味著在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候碼流也會增大，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。
　　數(shù)據(jù)流量的翻倍，增大了錄像容量，給網(wǎng)絡(luò)存儲帶來壓力。
　　對中心控制、管理軟件和硬件性能的要求成倍增長。
　　對于記錄視頻圖像的管理和事后分析的工作量也將成倍增長。
　　投資成本高昂。

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