網(wǎng)絡(luò )監控發(fā)展迅猛 IPC視頻編碼技術(shù)解析

標簽：IPC 視頻采集

一、網(wǎng)絡(luò )攝像機發(fā)展現狀

視頻監控的數字化、網(wǎng)絡(luò )化、集成化已成為一種發(fā)展趨勢，作為視頻監控前端產(chǎn)品的攝像機無(wú)疑在這場(chǎng)變革中扮演著(zhù)重要角色。近年來(lái)，攝像機市場(chǎng)由模擬攝像機為主轉向以網(wǎng)絡(luò )攝像機為主，據資料顯示，網(wǎng)絡(luò )攝像機近年來(lái)以每年不低于50%的速度增長(cháng)，網(wǎng)絡(luò )攝像機市場(chǎng)迎來(lái)了飛速發(fā)展的時(shí)機。從第一顆專(zhuān)業(yè)的標準H.264的網(wǎng)絡(luò )攝像機芯片解決方案開(kāi)始到720P網(wǎng)絡(luò )攝像機解決方案，再到最新的第三代監控解決方案，網(wǎng)絡(luò )攝像機技術(shù)得到了重大突破和快速應用。作為網(wǎng)絡(luò )攝像機的核心技術(shù)——視頻編碼技術(shù)一直受制于網(wǎng)絡(luò )條件和編解碼技術(shù)的限制，如今也逐漸成熟，并呈現出針對性強、編碼方式多、性能優(yōu)越、適應性高等特點(diǎn)。本文主要對網(wǎng)絡(luò )攝像機的視頻編碼技術(shù)進(jìn)行介紹分析。

二、網(wǎng)絡(luò )攝像機原理架構

網(wǎng)絡(luò )攝像機是真正全數字化的產(chǎn)品，視頻信號從圖像傳感器(如CCD、CMOS等)采集并數字化后，后繼的處理全部采用數字信號，保證了圖像的清晰度，并采用網(wǎng)絡(luò )打包和傳輸這些多媒體數據(視頻、音頻.文本信息等)。

1.視頻采集

視頻采集部分的核心器件——一圖像傳感器，主要有CCD和CMOS兩種，傳感器性能的高低直接決定了攝像機的級別。CMOS圖像傳感器具有低帶寬，固有的防光暈特性，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，應用較廣。隨著(zhù)CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異將逐漸減小，在較長(cháng)一段時(shí)間內二者將長(cháng)期共存。目前，各式CCD和CMOS競相推出，各廠(chǎng)家都有自己的接口標準，即使表面上物理接口一樣，內部數據仍有不同，所以需要與傳感器原廠(chǎng)對接。在這方面需要芯片廠(chǎng)商與傳感器廠(chǎng)商進(jìn)行協(xié)調合作才會(huì )有比較好的效果。這也是網(wǎng)絡(luò )攝像機編解碼芯片必須要做的功課，如Hi3515和Hi3520就把SONY的720PCCD這種原來(lái)需要CPLD轉接的接口直接定義到了芯片里面，由干該CPLD的實(shí)現需要SONY原廠(chǎng)提供幫助，這樣就直接幫助一些客戶(hù)解決了原來(lái)不可獲取的問(wèn)題

2.編碼算法

隨著(zhù)視頻編碼與處理算法研究的進(jìn)展，針對不同應用需求，相繼發(fā)布過(guò)多個(gè)圖像和視頻編碼壓縮標準。例如，MPEG為多媒體存儲媒體和數字電視應用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4;面向低碼率的實(shí)時(shí)視頻通信;ITU-T應用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264;面對當前及未來(lái)興起的安防應用領(lǐng)域，我國AVS(AudioVideocodingStandard)工作組自主制定的先進(jìn)數字音視頻編解碼技術(shù)標準AVS-S?？梢哉f(shuō)視頻監控編碼標準的選擇有很多種，但目前網(wǎng)絡(luò )攝像機主要采用的標準有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，但M-JPEG只對幀內空間冗余進(jìn)行壓縮，不對幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，因此壓縮效率不高。MPEG-4的著(zhù)眼點(diǎn)在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問(wèn)題，使它成為當前網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的重要趨勢之一H.264是目前主流的解決方案，具有高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò )適應性，其應用范圍較廣，能適應不同場(chǎng)合，但算法復雜度較高，需要強勁的硬件支持。

3.編碼與網(wǎng)絡(luò )

當前出于帶寬和成本的考慮，用戶(hù)要求在目前所能承受的成本下使用較高的碼流來(lái)實(shí)現;這就對網(wǎng)絡(luò )攝像機的編碼效率提出了較高的要求。網(wǎng)絡(luò )攝像機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，在網(wǎng)絡(luò )傳輸上實(shí)現方式有所不間，但過(guò)大的數據包則會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )堵塞，因此對編碼器的內部控制非常嚴格，要求不能影響圖像質(zhì)量。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )攝像機實(shí)際應用需求不斷發(fā)展和變化，其對芯片編碼要求越來(lái)越苛刻，在更高壓縮比的前提下實(shí)現更貼近現實(shí)的場(chǎng)景。如海思提供的壓縮解決方案就可以實(shí)現720P@2Mbps的壓縮率，比一般產(chǎn)品動(dòng)輒要3-4Mbps才提升了了至少50%壓縮比，2Mbps的碼率還有另外一個(gè)含義，就是用戶(hù)可以不增加網(wǎng)絡(luò )和存儲成本的情況下升級到720P的體驗。未來(lái)隨著(zhù)3G網(wǎng)絡(luò )的快速應用，支持各種網(wǎng)絡(luò )的編碼方式也成為重要發(fā)展方向。

三、編碼標準應用的判別與分析

當前行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰(shuí)將主導網(wǎng)絡(luò )攝像機的視頻編碼?MPEG4壓縮技術(shù)可獲取清晰度較高的視頻圖像，而且可靈活設置每路的視頻清晰度和壓縮幀數，并且壓縮后的畫(huà)面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯：一是丟幀現象嚴重、實(shí)時(shí)性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實(shí)時(shí)壓縮;二是壓縮效率低，傳輸帶寬和存儲空間占用大。而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，從而獲得平穩的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實(shí)現720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。目前;網(wǎng)絡(luò )攝像機基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說(shuō)任何廠(chǎng)家網(wǎng)絡(luò )攝像機的H.264算法都是好的。因此，要對網(wǎng)絡(luò )攝像機編碼算法有一個(gè)清晰的認識和理解，以免進(jìn)入誤區。如果僅關(guān)心是否采用了H.264，認為兩個(gè)廠(chǎng)家的MPEG編碼模塊都實(shí)現了H.264，那么它們就會(huì )一樣好。事實(shí)是，H.264標準包含一個(gè)很大的算法集合，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。要實(shí)現所有的算法計算量很大，目前還沒(méi)有一個(gè)芯片能實(shí)現所有算法。而設計H.264編碼芯片的過(guò)程實(shí)際上是要根據芯片的運算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個(gè)過(guò)程。因此，我們可以使用圖像領(lǐng)域里面的主觀(guān)評價(jià)法來(lái)判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過(guò)調低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調整圖像的運動(dòng)量，察看圖像有沒(méi)有丟幀、有沒(méi)有馬賽克等現象，根據這些現象的程度來(lái)判斷芯片的好壞。

四、應用情況

穩定性和安全性是視頻監控系統非常重要的兩個(gè)特點(diǎn)，因此用戶(hù)在實(shí)際應用中應特別注重監控系統的穩定性和安全性。以往的監控系統常常采用模擬攝像機+硬盤(pán)錄像機的監控模式來(lái)實(shí)現數據采集、存儲和管理等，這種模式通常應用于近距離部署。如果一旦發(fā)生自然災害或其他災害事件，監控數據將會(huì )很有可能被損壞。而網(wǎng)絡(luò )攝像機的出現徹底改變了以往的監控模式，這種模式以網(wǎng)絡(luò )為紐帶，將數據的編碼與存儲分開(kāi)，采用專(zhuān)門(mén)的數據存儲設備，可實(shí)現遠距離的數據采集、存儲和管理，且具有極高的穩定性和安全性。例如;蘇州世博安保各“護城河”檢查站采用了大量的網(wǎng)絡(luò )攝像機，這些網(wǎng)絡(luò )攝像機被安裝在蘇州到上海所有重要檢查站，且監控中心設在上海和蘇州，其數據存儲可以實(shí)現放在北京、上海和蘇州等幾個(gè)地方，防止數據的丟失和損壞，大大方便了監控系統的查看、指揮和調度。