網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)淺析

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)相結(jié)合的新一代產(chǎn)品，除了具備一般傳統(tǒng)攝像機(jī)所有的圖像捕捉功能外，機(jī)內(nèi)還內(nèi)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(jīng)壓縮加密后，通過局域網(wǎng)，Internet或無線網(wǎng)絡(luò)送至終端用戶。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用，使得圖像監(jiān)控技術(shù)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。第一，網(wǎng)絡(luò)的綜合布線代替了傳統(tǒng)的視頻模擬布線，實(shí)現(xiàn)了真正的三網(wǎng)（音頻、視頻、數(shù)據(jù)）合一，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)即插即用，工程實(shí)施簡便，系統(tǒng)擴(kuò)充方便；第二，跨區(qū)域遠(yuǎn)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(jīng)沒有距離限制，而且圖像清晰，穩(wěn)定可靠；第三，圖像的存儲(chǔ)、檢索十分安全、方便、可異地存儲(chǔ)，多機(jī)備份存儲(chǔ)以及快速非線性查找等。圖1為典型的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用拓?fù)鋱D。

圖1 典型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)

大家可以看到，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以直接接入到TCP/IP的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行視頻和音頻的傳輸。從內(nèi)部構(gòu)成上說，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一般都是由圖像傳感器、視頻編碼器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、外部報(bào)警、控制接口等部分組成。

相比較傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最核心的技術(shù)就是視頻編碼器?，F(xiàn)在，就網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的各部分我們做一個(gè)技術(shù)分析，然后再重點(diǎn)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(jī)，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(hào)，通過視頻線對(duì)外輸出?，F(xiàn)在攝像機(jī)的圖像傳感器主要有2種，即CMOS和CCD.由于CCD在圖像質(zhì)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(hào)按照一定的格式進(jìn)行數(shù)字化編碼，有些是直接抓取CCD輸出的BT.656的信號(hào)，有些是采集CCD驅(qū)動(dòng)輸出的模擬信號(hào)，通過一個(gè)視頻AD進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化。視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)很多，現(xiàn)在主要的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)有MJPEG、MPEG4和H.264。

*網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：其功能是把壓縮好的視頻信號(hào)，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(bào)警和控制接口都是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的輔助功能，主要是通過串口或者IO口來實(shí)現(xiàn)，串口的方式包括RS232和RS485等等。

圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有M-JPEG、MPEG4、H.263、H.264等，下面我們對(duì)這些技術(shù)再做一個(gè)簡單介紹。

M-JPEG

M-JPEG技術(shù)即運(yùn)動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，它把運(yùn)動(dòng)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(chǔ)每一幀，可進(jìn)行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對(duì)幀內(nèi)地空間冗余進(jìn)行壓縮，不對(duì)幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，因此壓縮效率不高。

MPEG4

MPEG標(biāo)準(zhǔn)就是指由ISO的活動(dòng)圖像專家組制定的一系列關(guān)于音視頻信號(hào)以及多媒體信號(hào)的壓縮與解壓縮技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4的著眼點(diǎn)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(shù)的網(wǎng)絡(luò)型產(chǎn)品可使用帶寬較低的網(wǎng)絡(luò)，如PSTN，ISDN，ADSL等，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。另外，MPEG-4的最高分辨率可達(dá)720×576，接近DVD畫面效果，基于圖像壓縮的模式?jīng)Q定了它對(duì)運(yùn)動(dòng)物體可以保證有良好的清晰度。MPEG-4所有的這些優(yōu)點(diǎn)，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.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(jīng)過不斷地完善和多次的升級(jí)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(dòng)補(bǔ)償?shù)腄PCM的混合編碼，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄PCM混合編碼，在運(yùn)動(dòng)搜索的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)矢量、基于語法的算術(shù)編碼、高級(jí)預(yù)測技術(shù)和PB幀編碼等四個(gè)高級(jí)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

H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（JVT:joint video team）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。

　　主流的核心解決方案

剛才我們介紹，傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，主要的區(qū)別就是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)把傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，并通過TCP/IP的協(xié)議進(jìn)行傳輸，同時(shí)帶有一定的外部報(bào)警和控制接口的輔助功能?，F(xiàn)在，核心的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案都是采用一個(gè)芯片來完成視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的核心功能?，F(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(jìn)行一個(gè)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(chǎn)廠商，其產(chǎn)品也應(yīng)用最廣泛，TI生產(chǎn)的TMS320系列DSP芯片廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，DM642是TMS320系列中性能應(yīng)用最廣泛、專為視頻應(yīng)用而優(yōu)化的高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），由于TMS320系列DSP芯片具有價(jià)格低廉、簡單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，已經(jīng)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(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、高清視頻、視頻服務(wù)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(dá)芬奇處理器（DaVinci）。這四款新型TMS320DM643X處理器是達(dá)芬奇技術(shù)中首批僅基于DSP的產(chǎn)品，結(jié)合了增強(qiáng)型DSP內(nèi)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(shí)現(xiàn)高達(dá)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(dá)芬奇平臺(tái)的開發(fā)又使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)控解決方案在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用向前邁出了重要一步。

TI非常關(guān)注網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)這個(gè)市場，去年10月份，TI就曾經(jīng)聯(lián)合上海威乾數(shù)字技術(shù)有限公司，在深圳進(jìn)行了一次網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案的產(chǎn)品發(fā)布會(huì)。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(shù)有限公司采用TI的DM640完成了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的產(chǎn)品化，并將在2007年推出基于DM643X的新一代網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(diǎn)的DSP芯片，其Blackfin系列的DSP具有功耗小，運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其中的BF531具有非常好的性價(jià)比，批量價(jià)格只有5美元，比較合適在低端的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(duì)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(chǎn)品，這是一個(gè)雙核的DSP，能夠處理到D1的分辨率。

臺(tái)灣映佳（Imagia）

映佳最近在視頻監(jiān)控行業(yè)發(fā)展不錯(cuò)，在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)市場上面，已經(jīng)有一些攝像機(jī)廠商開始采用映佳的產(chǎn)品。映佳的解決方案是ASIC的方式，采用的壓縮算法是標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)可，同時(shí)映佳還提供比較完整的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的解決方案，并且可以提供在應(yīng)用軟件上面強(qiáng)大支持。

華為海思（Hisilicon）

海思半導(dǎo)體是華為投資的半導(dǎo)體公司，在數(shù)字媒體方案推出標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的方向就是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)市場。Hi3510內(nèi)部有一個(gè)ARM9的處理器，同時(shí)推出標(biāo)準(zhǔn)H.264的硬件壓縮處理器。該產(chǎn)品一經(jīng)推出就在市場引起很大的震動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)H.264的產(chǎn)品，相信在市場方面會(huì)逐步獲得行業(yè)的認(rèn)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(shí)期內(nèi)成為監(jiān)控行業(yè)的主流，因此在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心解決方案中，DSP也將是一個(gè)主流的方案。在國內(nèi)，不少公司就采用了DSP作為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)核心解決方案，比較成功的例子有上海威乾數(shù)字技術(shù)有限公司采用TI的DM640推出的高性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)模塊。隨著網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，相信會(huì)有更多更好的解決方案出現(xiàn)。