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        網絡攝像機技術結構、編碼標準及主流方案概述

        時間:2023-04-23   訪問量:1255

        網絡攝像機是傳統攝像機與網絡視頻技術相結合的新一代產品,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,使得視頻數據經壓縮加密后,通過局域網,Internet或無線網絡送至終端用戶。網絡攝像機的應用,使得圖像監控技術有了一個質的飛躍。第一,網絡的綜合布線代替了傳統的視頻模擬布線,實現了真正的四線(音頻、視頻、數據、電源)合一,網絡攝像機即插即用,工程實施簡便,系統擴充方便;第二,跨區域遠程監控成為可能,特別是利用互聯網,圖像監控已經沒有距離限制,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性查找等。下圖為典型的網絡攝像機在視頻監控中的應用拓撲圖。
         



          網絡攝像機的技術結構

          大家可以看到,網絡攝像機可以直接接入到TCP/IP的數字化網絡中,因此這種系統主要的功能就是在聯網上面,通過互聯網或者內部局域網進行視頻和音頻的傳輸。從內部構成上說,網絡攝像機的基本結構一般都是由圖像傳感器、視頻編碼器、網絡服務器、外部報警、控制接口等部分組成。

          相比較傳統的模擬攝像機,網絡攝像機最核心的技術就是視頻編碼器?,F在,就網絡攝像機的各部分我們做一個技術分析,然后再重點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,通過視頻線對外輸出?,F在攝像機的圖像傳感器主要有2種,即CMOS和CCD.由于CCD在圖像質量方面比CMOS有一定的優勢,但CMOS近年技術發展,性價比較高,在監控市場占有率逐年提高,因此現在監控工程中使用的圖像傳感器主流是CMOS,而CCD的主流廠商大部分是日本企業,比如索尼,夏普等,幾乎占了全球CCD市場的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驅動輸出的模擬信號,通過一個視頻AD進行模擬數字轉化。視頻編碼的標準很多,現在主要的網絡攝像機的標準有MJPEG、MPEG4、H.264和H.265。

          *網絡服務器:其功能是把壓縮好的視頻信號,通過TCP/IP的協議輸出,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絡攝像機的輔助功能,主要是通過串口或者IO口來實現,串口的方式包括RS232和RS485等等。

          圖像的編碼標準

          當前,網絡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再做一個簡單介紹。

          M-JPEG

          M-JPEG技術即運動靜止圖像壓縮技術,它把運動的視頻序列作為連續的靜止圖像來處理,這種壓縮技術方式單獨完整地壓縮每一幀,在編輯過程中可隨機存儲每一幀,可進行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對幀內地空間冗余進行壓縮,不對幀間的時間冗余進行壓縮,因此壓縮效率不高。

          MPEG4

          MPEG標準就是指由ISO的活動圖像專家組制定的一系列關于音視頻信號以及多媒體信號的壓縮與解壓縮技術的標準。MPEG-4的著眼點在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問題,在164KHZ的帶寬上,MPEG-4平均可傳5-7幀/秒。采用MPEG-4壓縮技術的網絡型產品可使用帶寬較低的網絡,如PSTN,ISDN,ADSL等,大大節省了網絡費用。另外,MPEG-4的最高分辨率可達720×576,接近DVD畫面效果,基于圖像壓縮的模式決定了它對運動物體可以保證有良好的清晰度。MPEG-4所有的這些優點,使它成為當前網絡產品生產廠商開發的重要趨勢之一。

          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經過不斷地完善和多次的升級已經日臻成熟,如今已經大部分代替了H.261,而且H.263由于能在低帶寬上傳輸高質量的視頻流而日益受到歡迎。

          H.263是基于運動補償的DPCM的混合編碼,在運動補償的DPCM混合編碼,在運動搜索的基礎上進行運動補償,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,將運動矢量的搜索增加為半象素點搜索;同時又增加了無限制運動矢量、基于語法的算術編碼、高級預測技術和PB幀編碼等四個高級選項;從而達到了進一步降低碼速率和提高編碼質量的目的。

          H.264

          H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯合視頻組(JVT:joint video team)開發的一個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量下,H.264能夠比H.263節約50%左右的碼率,比目前根據MPEG4實現的視頻格式在性能方面提高33%左右。





          H.265

          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標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264,保留原來的某些技術,同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系,達到最優化設置。具體的研究內容包括:提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H264由于算法優化,可以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送;H265則可以實現利用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絡攝像機,主要的區別就是網絡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TCP/IP的協議進行傳輸,同時帶有一定的外部報警和控制接口的輔助功能?,F在,核心的網絡攝像機解決方案都是采用一個芯片來完成視頻壓縮和網絡服務器的核心功能?,F階段,網絡攝像機的主要解決方案有DSP和ASIC兩大陣營,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行一個分析。

          TI(Texas Instruments)

          是美國德州儀器的簡稱,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,主要從事模擬電路和數字信號處理技術的研究,其具有代表性的DaVinci- DM3x ARM9視頻處理器解決方案在安防行業有著廣泛的應用。1951年更名為德州儀器,并開始進入半導體市場,至今在多個市場領域占有重要份額。當安防領域的視頻監控從模擬階段發展到數字壓縮處理階段后,TI在安防視頻壓縮領域逐漸暫居主導地位。在IPC領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。 海思的產品覆蓋無線網絡、固定網絡、數字媒體等領域的芯片及解決方案,成功應用在全球100多個國家和地區;在數字媒體領域,已推出網絡監控芯片及解決方案、可視電話芯片及解決方案、DVB芯片及解決方案和IPTV芯片及解決方案。在2009-2012年,DVR芯片可謂風生水起。在IPC領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;公司中文名稱為“安霸”,安霸是高清視頻業界的技術領導者,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,安霸技術也得到廣泛應用,來自世界各地的電視節目都經安霸芯片壓縮后傳送。在業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,集成了各種關鍵系統功能,提供高性價比的高清整體解決方案,在H.264高清專業廣播編碼設備市場擁有近90%的市場。在IPC領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芯片市場上也占有一定的份額,先后推出具有自己特點的DSP芯片,其Blackfin系列的DSP具有功耗小,運算能力強的特點。其中的BF531具有非常好的性價比,批量價格只有5美元,比較合適在低端的網絡攝像機的方案中采用,不過現在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合無法滿足。另外ADI還有一款BF561也是比較合適的產品,這是一個雙核的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發展不錯,在網絡攝像機市場上面,已經有一些攝像機廠商開始采用映佳的產品。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MPG420核MPG430,相比而言,MPG440基本上比較成熟,也得到了一些客戶的認可,同時映佳還提供比較完整的網絡攝像機的解決方案,并且可以提供在應用軟件上面強大支持。

        (責任編輯:漢中安防)


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