解析網絡攝像機技術應用發展現狀

  一、網絡攝像機的基本原理

網絡攝像機的基本原理是：圖像信號經過鏡頭輸入及聲音信號經過麥克風輸入后，由圖像傳感器的聲音傳感器轉化為電信號，A/D轉換器將模擬電信號轉換為數字電信號，再經過編碼器按一定的編碼標準進行編碼壓縮，再控制器的控制下，由網絡服務器按一定的網絡協議送上局域網或INTERNET，控制器還可以接收報警信號及向外發送報警信號，且按要求發出控制信號。

網絡攝像機是真正全數字化的產品，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，并采用網絡打包和傳輸這些多媒體數據(視頻、音頻、文本信息等)。

(一)視頻采集技術

視頻采集部分的核心器件--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。

(二)編碼算法

1.MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4

隨著視頻編碼與處理算法研究的進展，針對不同應用需求，相繼發布過多個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。所謂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。到目前為止，已經制定完成并批準執行的有：1991年批準的MPEG1、MP3;1994年批準的MPEG2;1999年批準的MPEG4和MP4。正在制定的標準有：MPEG7和MEPG21。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，故壓縮效率不高。

2.H.263、H.264、H.265

面向低碼率的實時視頻通信;ITU-T應用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264、H.265。

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是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的聯合視頻組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是ITU-TVCEG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。

3.數字音視頻編解碼技術標準AVS-S

面對當前及未來興起的安防應用領域，我國AVS(AudioVideocodingStandard)工作組自主制定的先進數字音視頻編解碼技術標準AVS-S?？梢哉f視頻監控編碼標準的選擇有很多種，但目前網絡攝像機主要采用的標準有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運動靜止圖像壓縮技術，但M-JPEG只對幀內空間冗余進行壓縮，不對幀間的時間冗余進行壓縮，因此壓縮效率不高。MPEG-4的著眼點在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問題，使它成為當前網絡產品生產廠商開發的重要趨勢之一H.264是目前主流的解決方案，具有高壓縮比、高圖像質量、良好的網絡適應性，其應用范圍較廣，能適應不同場合，但算法復雜度較高，需要強勁的硬件支持。

當前行業主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰將主導網絡攝像機的視頻編碼?

MPEG-4壓縮技術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、實時性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實時壓縮;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，有利于網絡中的分組傳輸，支持網絡中視頻的流媒體傳輸，支持不同網絡資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩的圖像質量。H.264可以在更低的帶寬下實現720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。

目前，網絡攝像機基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說任何廠家網絡攝像機的H.264算法都是好的。因此，要對網絡攝像機編碼算法有一個清晰的認識和理解，以免進入誤區。如果僅關心是否采用了H.264，認為兩個廠家的MPEG編碼模塊都實現了H.264，那么它們就會一樣好。事實是，H.264標準包含一個很大的算法集合，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。要實現所有的算法計算量很大，目前還沒有一個芯片能實現所有算法。而設計H.264編碼芯片的過程實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過程。因此，我們可以使用圖像領域里面的主觀評價法來判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過調低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調整圖像的運動量，察看圖像有沒有丟幀、有沒有馬賽克等現象，根據這些現象的程度來判斷芯片的好壞。