網(wǎng)絡(luò)攝像機(IPCamera),顧名思義,就是攝像機+網(wǎng)絡(luò),其主要技術(shù)要點是視頻和網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)攝像機從數(shù)據(jù)的流向看是:lens->sensor->isp->編碼芯片->網(wǎng)絡(luò),要構(gòu)建一臺網(wǎng)絡(luò)攝像機,從前端的視頻捕獲到碼流傳輸,需要考慮的因素很多,包括圖像質(zhì)量、視頻采集、編解碼芯片的選擇、遵循的標準、網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)安全等。本文從多個角度對構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攝像機進行探討。
視頻
隨著技術(shù)的發(fā)展及用戶需求的推動,視頻從早期的標清逐漸向高清發(fā)展,而高清攝像機最關(guān)鍵的部件就是前端采集及編碼芯片。在銀行、營業(yè)廳等監(jiān)控應(yīng)用中,攝像機鏡頭往往要對著大門口,而室內(nèi)是燈光,室外是陽光,室內(nèi)外光線亮度發(fā)相差很大;道路監(jiān)控和公眾場所監(jiān)控中,大部分是室外場所,白天受太陽光照影響,晚上受各種燈光的影響,前景和背景的光照反差很大;娛樂場所監(jiān)控,幾乎全部是室內(nèi)場所,光照以燈光為主,不穩(wěn)定、或明或暗,也常常會造成很大的明暗反差。要在不同光照環(huán)境下,都能達到一個滿意的圖像,就需要一臺支持低照度、寬動態(tài)的攝像機,Sensor及ISP的選擇非常關(guān)鍵。Sensor、ISP、編碼芯片三者的配合,直接影響了圖像效果。目前主流的高清Sensor(720P/1080P)基本都不帶ISP,需要另外配。因而從整機結(jié)構(gòu)、成本、功耗、圖像質(zhì)量等方面考慮,選擇一款內(nèi)嵌ISP的編碼芯片,將會是一個很好的解決方案。
編碼及帶寬
在有限帶寬內(nèi),如何傳輸高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)攝像機的重點。手機監(jiān)控由于不受地點限制的方便性,已經(jīng)有越來越多的應(yīng)用,如寶寶在線、商鋪監(jiān)控等。無線網(wǎng)絡(luò)帶寬低,要滿足手機監(jiān)控的需求,就要求在超低帶寬下(如64kbps),視頻壓縮也能達到高質(zhì)量。目前主要使用的視頻編碼格式有JPEG/M-JPEG、MPEG4、H.264。
·JPEG/M-JPEG壓縮圖像質(zhì)量好,但是數(shù)據(jù)量大,占用帶寬大;
·MPEG4壓縮比高,數(shù)據(jù)量少,目前大部分移動終端支持MPEG4解碼,早期的無線監(jiān)控(手機監(jiān)控)中,使用MPEG4較多;
·H.264在相同的質(zhì)量下,相對MPEG4壓縮比更高,數(shù)據(jù)量也更少,但編碼/解碼需要消耗更高的芯片性能。隨著手機技術(shù)的不斷發(fā)展,絕大多數(shù)移動終端已能順暢地支持H.264解碼。
這幾類各有優(yōu)缺點,H.264由于圖像質(zhì)量好、壓縮率高、數(shù)據(jù)量少、適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾矫娴膬?yōu)越特性,日益成為網(wǎng)絡(luò)攝像機的視頻壓縮格式首選。
高清網(wǎng)絡(luò)攝像機發(fā)展的其中一個制約條件是帶寬,無論是專業(yè)市場還是家用市場,網(wǎng)絡(luò)攝像機占用的帶寬都是關(guān)注的重點,相同質(zhì)量下,降低帶寬的使用,將會使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本降低。隨著電信接入網(wǎng)的升級,目前很多家庭的ADSL下行帶寬理論值是4Mbps,然而實際只可以達到3Mbps,720P分辨率的視頻。如果壓縮后碼率能控制在2Mbps以下,網(wǎng)絡(luò)帶寬將不會成為瓶頸,同時降低了存儲成本。
網(wǎng)絡(luò)攝像機在實際應(yīng)用中,主要音視頻數(shù)據(jù)會存儲在遠端,如IPSAN/NAS,它不僅可以提供遠程live功能,同時還能支持手機點播。這幾種碼流,要求各異,存儲碼流要求清晰度及流暢度;而網(wǎng)絡(luò)live碼流需要考慮帶寬因素;手機點播碼流要求在甚低帶寬下(64kbps),圖像也能達到高質(zhì)量。這樣同一視頻輸入源需要同時輸出多種碼流:720P+、D1+、QVGA,分辨率及碼率各不一樣。一些應(yīng)用場景還需要輸出JPEG/MJPEG。總之,只有編碼性能強,支持多碼流的IPCamera才能更好的滿足各種場景的需求。為了滿足多個客戶端同時訪問,或者說有多個碼流接收者,IPCamera的網(wǎng)絡(luò)處理能力必須進一步提升,可考慮選用主頻高、支持千兆網(wǎng)口的主芯片,以增加IPCamera的網(wǎng)絡(luò)吞吐能力。
標準
作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,必須遵循一定的協(xié)議標準,才能達到與NVR、CMS等設(shè)備的互聯(lián)互通。如果各自為政,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝在實際工程中將舉步維艱。然而,在工程應(yīng)用中,并不能保證所有設(shè)備都來自同一廠商,所以需要滿足某些規(guī)范標準,才能做到互通。目前相關(guān)的標準國內(nèi)有全球眼、寬視界等,國際有ONVIF、PSIA。他們共同的目標,就是促進網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備完美互通。ONVIF和PSIA都使用HTTP、XML等Web技術(shù),而且在媒體流的傳輸上也是一致的,都使用RTPoverUDP、RTPoverRTSPoverTCP、HTTP協(xié)議。在控制數(shù)據(jù)上,ONVIF使用SOAP框架,PSIA則采用REST框架。PSIA的控制方式與目前廠家普遍使用的HTTPCGI方式更加類似。仔細分析兩種規(guī)范,雖有出入,但大同小異,設(shè)備大多可以做到既支持PSIA又滿足ONVIF,實際上,很多廠商既是PSIA的會員,也是ONVIF的會員。
安裝
網(wǎng)絡(luò)攝像機作為一款網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,必然涉及到IP、路由等一連串繁瑣的配置,對普通用戶來說,其安裝使用存在很大的難度。在家用市場上,IPCamera應(yīng)用的典型場景是連接路由器,路由器再連接ADSLModem撥號接入互聯(lián)網(wǎng)。若想減少用戶的安裝難度,讓用戶能快速使用,可參考如下幾點建議。
·IP地址自動配置,如使用DHCP,并且默認開啟;支持Auto-IP(UPnP),ZeroConf;小型NVR監(jiān)控環(huán)境,如果使用交換機互連,沒有提供路由器或者DHCP服務(wù)器時,自動IP配置(Auto-IP,ZeroConf)尤其適用;
·使用網(wǎng)絡(luò)組播與網(wǎng)絡(luò)廣播配合來完成設(shè)備發(fā)現(xiàn),如UPnP(PSIA)、Bonjour(PSIA)、WSDiscovery(ONVIF);
·路由器端口自動配置。IPCamera對外僅使用一個端口,控制數(shù)據(jù)與媒體數(shù)據(jù)都使用Web端口。如控制使用CGI方式,媒體傳輸使用RTSPoverHTTP,控制與數(shù)據(jù)則遵循HTTP協(xié)議,這還會帶來一個附加的好處——可以順利通過PC的防火墻。目前,幾乎所有的路由器都支持upnp功能,IPCamera可以使用UPnP協(xié)議向路由器發(fā)起請求,自動配置路由器的端口轉(zhuǎn)發(fā),從而避免用戶人工登陸路由器進行配置。
NVR環(huán)境下,實現(xiàn)自動IP分配,設(shè)備發(fā)現(xiàn)技術(shù)基本上就可以讓IPCamera“免安裝”進行使用,達到即插即用的效果,接近模擬攝像頭與DVR配合使用的用戶體驗。家庭需接入互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,使用UPnP協(xié)議,并配合DDNS服務(wù),可以最大程度減少安裝時用戶的參與。目前很多廠家提供PC端設(shè)備搜索工具,完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)、IP配置、訪問IPCamera等功能,這也是一個減少用戶安裝難度的好方法。
安全
當前,黑客軟件的泛濫給用戶信息安全造成了極大威脅。網(wǎng)絡(luò)攝像機需要全天侯工作,并且傳輸?shù)囊粢曨l數(shù)據(jù)涉及到隱私,安全性更是要特別關(guān)注的。應(yīng)用層可采用的安全措施有IP/MAC黑白名單,用戶權(quán)限管理、防火墻等;傳輸層可采取加密的傳輸方式,對控制信息或者碼流信息進行加密,如AES、DES、3DES等。控制信息數(shù)據(jù)量比較少,數(shù)據(jù)加密消耗的資源相對少,但如果是采用軟件計算,對主芯片的負擔(dān)還是很重的,如果主芯片可提供加密協(xié)處理器模塊,就會大大減少主芯片的性能消耗,剩余更多的資源處理其它應(yīng)用。
功耗
節(jié)能環(huán)保,關(guān)系著人類的生存和發(fā)展,已經(jīng)成為世界性主題,安防監(jiān)控在為全球安全護航時,也不能給地球帶來太多的資源消耗負擔(dān)。然而,從網(wǎng)絡(luò)攝像機的安防用途上看,待機、休眠不太現(xiàn)實。因此,sensor、isp、主芯片等部件的選擇,要充分考慮其能耗和排放,切實做到節(jié)能減排。
結(jié)語
構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攝像機時,除需考慮以上因素,還要斟酌可接入wifi/3G多種網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延、瀏覽器的兼容性、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集成、應(yīng)用的可擴展性等問題。總而言之,關(guān)鍵還是視頻+網(wǎng)絡(luò)+應(yīng)用,選擇一個穩(wěn)定性高、性能高、集成度高、擴展性好的方案平臺是成功構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攝像機的關(guān)鍵。