網(wǎng)絡攝像機淺析

　　網(wǎng)絡攝像機是傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡視頻技術相結合的新一代產品，除了具備一般傳統(tǒng)攝像機所有的圖像捕捉功能外，機內還內置了數(shù)字化壓縮控制器和基于WEB的操作系統(tǒng)，使得視頻數(shù)據(jù)經壓縮加密后，通過局域網(wǎng)，Internet或無線網(wǎng)絡送至終端用戶。網(wǎng)絡攝像機的應用，使得圖像監(jiān)控技術有了一個質的飛躍。第一，網(wǎng)絡的綜合布線代替了傳統(tǒng)的視頻模擬布線，實現(xiàn)了真正的三網(wǎng)(音頻、視頻、數(shù)據(jù))合一，網(wǎng)絡攝像機即插即用，工程實施簡便，系統(tǒng)擴充方便;第二，跨區(qū)域遠程監(jiān)控成為可能，特別是利用互聯(lián)網(wǎng)，圖像監(jiān)控已經沒有距離限制，而且圖像清晰，穩(wěn)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。圖1為典型的網(wǎng)絡攝像機在視頻監(jiān)控中的應用拓撲圖。

　　圖1 典型網(wǎng)絡攝像機在視頻監(jiān)控中的應用拓撲圖

　　網(wǎng)絡攝像機的技術結構

　　大家可以看到，網(wǎng)絡攝像機可以直接接入到TCP/IP的數(shù)字化網(wǎng)絡中，因此這種系統(tǒng)主要的功能就是在聯(lián)網(wǎng)上面，通過互聯(lián)網(wǎng)或者內部局域網(wǎng)進行視頻和音頻的傳輸。從內部構成上說，網(wǎng)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(wǎng)絡服務器、外部報警、控制接口等部分組成。

　　相比較傳統(tǒng)的模擬攝像機，網(wǎng)絡攝像機最核心的技術就是視頻編碼器。現(xiàn)在，就網(wǎng)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(tǒng)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。現(xiàn)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(yōu)勢，因此在監(jiān)控工程中使用的圖像傳感器主要是CCD，而CCD的主流廠商大部分是日本企業(yè)，比如Sony、Sharp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(shù)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(shù)字轉化。視頻編碼的標準很多，現(xiàn)在主要的網(wǎng)絡攝像機的標準有MJPEG、MPEG4和H.264。

　　*網(wǎng)絡服務器：其功能是把壓縮好的視頻信號，通過TCP/IP的協(xié)議輸出，并且基本上要支持現(xiàn)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)絡攝像機的輔助功能，主要是通過串口或者IO口來實現(xiàn)，串口的方式包括RS232和RS485等等。

　　圖像的編碼標準

　　當前，網(wǎng)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(xù)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(wǎng)絡型產品可使用帶寬較低的網(wǎng)絡，如PSTN，ISDN,ADSL等，大大節(jié)省了網(wǎng)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(yōu)點，使它成為當前網(wǎng)絡產品生產廠商開發(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?shù)腄PCM的混合編碼，在運動補償?shù)腄PCM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(lián)合視頻組(JVT：joint video team)開發(fā)的一個新的數(shù)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(jié)約50%左右的碼率，比目前根據(jù)MPEG4實現(xiàn)的視頻格式在性能方面提高33%左右。

　　主流的核心解決方案

　　剛才我們介紹，傳統(tǒng)的模擬攝像機和網(wǎng)絡攝像機，主要的區(qū)別就是網(wǎng)絡攝像機把傳統(tǒng)的模擬攝像機的模擬視頻信號轉化為一定標準的數(shù)字信號，并通過TCP/IP的協(xié)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。現(xiàn)在，核心的網(wǎng)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(wǎng)絡服務器的核心功能。現(xiàn)階段，網(wǎng)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。

　　美國德州儀器(TI)

　　TI公司是世界上最知名的DSP芯片生產廠商，其產品也應用最廣泛，TI生產的TMS320系列DSP芯片廣泛應用于各個領域，DM642是TMS320系列中性能應用最廣泛、專為視頻應用而優(yōu)化的高速數(shù)字信號處理器(DSP)，由于TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點，已經逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP處理器。DM64X系列DSP以其多樣的視頻接口與豐富的板上資源被廣泛應用在網(wǎng)絡攝像機、高清視頻、視頻服務器等行業(yè)中。

　　日前，TI又推出四款基于DSP的新型數(shù)字媒體處理器：達芬奇處理器(DaVinci)。這四款新型TMS320DM643X處理器是達芬奇技術中首批僅基于DSP的產品，結合了增強型DSP內核與最新視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)，DM643X處理器能夠提高視頻性能，以D1解析度實現(xiàn)高達H.264的視頻解碼。而且與前代DSP數(shù)字媒體處理器相比，成本降低了50%。達芬奇平臺的開發(fā)又使網(wǎng)絡攝像機監(jiān)控解決方案在各行各業(yè)中的廣泛應用向前邁出了重要一步。

　　TI非常關注網(wǎng)絡攝像機這個市場，去年10月份，TI就曾經聯(lián)合上海威乾數(shù)字技術有限公司，在深圳進行了一次網(wǎng)絡攝像機解決方案的產品發(fā)布會。作為一家數(shù)字視頻核心解決方案的廠商，上海威乾數(shù)字技術有限公司采用TI的DM640完成了網(wǎng)絡攝像機的產品化，并將在2007年推出基于DM643X的新一代網(wǎng)絡攝像機解決方案。

　　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(wǎng)絡攝像機的方案中采用，不過現(xiàn)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(jiān)控行業(yè)發(fā)展不錯，在網(wǎng)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(wǎng)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。

　　華為海思(Hisilicon)

　　海思半導體是華為投資的半導體公司，在數(shù)字媒體方案推出標準H.264的視頻處理芯片Hi3510，并將該芯片定位在視頻監(jiān)控行業(yè)，其中重點的方向就是網(wǎng)絡攝像機市場。Hi3510內部有一個ARM9的處理器，同時推出標準H.264的硬件壓縮處理器。該產品一經推出就在市場引起很大的震動，雖然現(xiàn)階段Hi3510在D1的處理方面還有些不成熟，但是由于是標準H.264的產品，相信在市場方面會逐步獲得行業(yè)的認可。

　　由于監(jiān)控行業(yè)的輔助性功能要求不斷增加，DSP還將在一定時期內成為監(jiān)控行業(yè)的主流，因此在網(wǎng)絡攝像機的核心解決方案中，DSP也將是一個主流的方案。在國內，不少公司就采用了DSP作為網(wǎng)絡攝像機核心解決方案，比較成功的例子有上海威乾數(shù)字技術有限公司采用TI的DM640推出的高性價比的網(wǎng)絡攝像機模塊。隨著網(wǎng)絡攝像機行業(yè)的不斷發(fā)展，相信會有更多更好的解決方案出現(xiàn)。