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

標(biāo)簽：IPC 視頻采集

一、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

視頻監(jiān)控的數(shù)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(jiān)控前端產(chǎn)品的攝像機(jī)無疑在這場變革中扮演著重要角色。近年來，攝像機(jī)市場由模擬攝像機(jī)為主轉(zhuǎn)向以網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為主，據(jù)資料顯示，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)近年來以每年不低于50%的速度增長，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)市場迎來了飛速發(fā)展的時(shí)機(jī)。從第一顆專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)H.264的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)芯片解決方案開始到720P網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案，再到最新的第三代監(jiān)控解決方案，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)得到了重大突破和快速應(yīng)用。作為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(xiàn)出針對性強(qiáng)、編碼方式多、性能優(yōu)越、適應(yīng)性高等特點(diǎn)。本文主要對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻編碼技術(shù)進(jìn)行介紹分析。

二、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)原理架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是真正全數(shù)字化的產(chǎn)品，視頻信號從圖像傳感器(如CCD、CMOS等)采集并數(shù)字化后，后繼的處理全部采用數(shù)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(shù)據(jù)(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(jī)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(yīng)用較廣。隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異將逐漸減小，在較長一段時(shí)間內(nèi)二者將長期共存。目前，各式CCD和CMOS競相推出，各廠家都有自己的接口標(biāo)準(zhǔn)，即使表面上物理接口一樣，內(nèi)部數(shù)據(jù)仍有不同，所以需要與傳感器原廠對接。在這方面需要芯片廠商與傳感器廠商進(jìn)行協(xié)調(diào)合作才會(huì)有比較好的效果。這也是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編解碼芯片必須要做的功課，如Hi3515和Hi3520就把SONY的720PCCD這種原來需要CPLD轉(zhuǎn)接的接口直接定義到了芯片里面，由干該CPLD的實(shí)現(xiàn)需要SONY原廠提供幫助，這樣就直接幫助一些客戶解決了原來不可獲取的問題

2.編碼算法

隨著視頻編碼與處理算法研究的進(jìn)展，針對不同應(yīng)用需求，相繼發(fā)布過多個(gè)圖像和視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。例如，MPEG為多媒體存儲(chǔ)媒體和數(shù)字電視應(yīng)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(yīng)用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264;面對當(dāng)前及未來興起的安防應(yīng)用領(lǐng)域，我國AVS(AudioVideocodingStandard)工作組自主制定的先進(jìn)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS-S?？梢哉f視頻監(jiān)控編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇有很多種，但目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要采用的標(biāo)準(zhǔn)有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運(yùn)動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，但M-JPEG只對幀內(nèi)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的著眼點(diǎn)在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問題，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.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(yīng)性，其應(yīng)用范圍較廣，能適應(yīng)不同場合，但算法復(fù)雜度較高，需要強(qiáng)勁的硬件支持。

3.編碼與網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前出于帶寬和成本的考慮，用戶要求在目前所能承受的成本下使用較高的碼流來實(shí)現(xiàn);這就對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的編碼效率提出了較高的要求。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸上實(shí)現(xiàn)方式有所不間，但過大的數(shù)據(jù)包則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，因此對編碼器的內(nèi)部控制非常嚴(yán)格，要求不能影響圖像質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)際應(yīng)用需求不斷發(fā)展和變化，其對芯片編碼要求越來越苛刻，在更高壓縮比的前提下實(shí)現(xiàn)更貼近現(xiàn)實(shí)的場景。如海思提供的壓縮解決方案就可以實(shí)現(xiàn)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，就是用戶可以不增加網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)成本的情況下升級到720P的體驗(yàn)。未來隨著3G網(wǎng)絡(luò)的快速應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的判別與分析

當(dāng)前行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰將主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(shè)置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)，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(xiàn)象嚴(yán)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(chǔ)空間占用大。而H.264引入了面向IP包的編碼機(jī)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(wěn)的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實(shí)現(xiàn)720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。目前;網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說任何廠家網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的H.264算法都是好的。因此，要對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼算法有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)和理解，以免進(jìn)入誤區(qū)。如果僅關(guān)心是否采用了H.264，認(rèn)為兩個(gè)廠家的MPEG編碼模塊都實(shí)現(xiàn)了H.264，那么它們就會(huì)一樣好。事實(shí)是，H.264標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)所有的算法計(jì)算量很大，目前還沒有一個(gè)芯片能實(shí)現(xiàn)所有算法。而設(shè)計(jì)H.264編碼芯片的過程實(shí)際上是要根據(jù)芯片的運(yùn)算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個(gè)過程。因此，我們可以使用圖像領(lǐng)域里面的主觀評價(jià)法來判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過調(diào)低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調(diào)整圖像的運(yùn)動(dòng)量，察看圖像有沒有丟幀、有沒有馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)這些現(xiàn)象的程度來判斷芯片的好壞。

四、應(yīng)用情況

穩(wěn)定性和安全性是視頻監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的兩個(gè)特點(diǎn)，因此用戶在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)特別注重監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。以往的監(jiān)控系統(tǒng)常常采用模擬攝像機(jī)+硬盤錄像機(jī)的監(jiān)控模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和管理等，這種模式通常應(yīng)用于近距離部署。如果一旦發(fā)生自然災(zāi)害或其他災(zāi)害事件，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將會(huì)很有可能被損壞。而網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的出現(xiàn)徹底改變了以往的監(jiān)控模式，這種模式以網(wǎng)絡(luò)為紐帶，將數(shù)據(jù)的編碼與存儲(chǔ)分開，采用專門的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和管理，且具有極高的穩(wěn)定性和安全性。例如;蘇州世博安保各“護(hù)城河”檢查站采用了大量的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，這些網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)被安裝在蘇州到上海所有重要檢查站，且監(jiān)控中心設(shè)在上海和蘇州，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)放在北京、上海和蘇州等幾個(gè)地方，防止數(shù)據(jù)的丟失和損壞，大大方便了監(jiān)控系統(tǒng)的查看、指揮和調(diào)度。