网络监控发展迅猛 IPC视频编码技术解析

    一、网络摄像机发展现状

    视频监控的数字化、网络化、集成化已成为一种发展趋势，作为视频监控前端产品的摄像机无疑在这场变革中扮演着重要角色。近年来，摄像机市场由模拟摄像机为主转向以网络摄像机为主，据资料显示，网络摄像机近年来以每年不低于50％的速度增长，网络摄像机市场迎来了飞速发展的时机。从第一颗专业的标准H.264的网络摄像机芯片解决方案开始到720P网络摄像机解决方案，再到最新的第三代监控解决方案，网络摄像机技术得到了重大突破和快速应用。作为网络摄像机的核心技术——视频编码技术一直受制于网络条件和编解码技术的限制，如今也逐渐成熟，并呈现出针对性强、编码方式多、性能优越、适应性高等特点。本文主要对网络摄像机的视频编码技术进行介绍分析。

    二、网络摄像机原理架构

    网络摄像机是真正全数字化的产品，视频信号从图像传感器（如CCD、CMOS等）采集并数字化后，后继的处理全部采用数字信号，保证了图像的清晰度，并采用网络打包和传输这些多媒体数据（视频、音频．文本信息等）。

    1.视频采集

    视频采集部分的核心器件——一图像传感器，主要有CCD和CMOS两种，传感器性能的高低直接决定了摄像机的级别。CMOS图像传感器具有低带宽，固有的防光晕特性，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，应用较广。随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减小，在较长一段时间内二者将长期共存。目前，各式CCD和CMOS竞相推出，各厂家都有自己的接口标准，即使表面上物理接口一样，内部数据仍有不同，所以需要与传感器原厂对接。在这方面需要芯片厂商与传感器厂商进行协调合作才会有比较好的效果。这也是网络摄像机编解码芯片必须要做的功课，如Hi3515和Hi3520就把SONY的720PCCD这种原来需要CPLD转接的接口直接定义到了芯片里面，由干该CPLD的实现需要SONY原厂提供帮助，这样就直接帮助一些客户解决了原来不可获取的问题

    2．编码算法

    随着视频编码与处理算法研究的进展，针对不同应用需求，相继发布过多个图像和视频编码压缩标准。例如，MPEG为多媒体存储媒体和数字电视应用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4；面向低码率的实时视频通信；ITU－T应用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264；面对当前及未来兴起的安防应用领域，我国AVS(AudioVideocodingStandard)工作组自主制定的先进数字音视频编解码技术标准AVS-S。可以说视频监控编码标准的选择有很多种，但目前网络摄像机主要采用的标准有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即运动静止图像压缩技术，但M-JPEG只对帧内空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，因此压缩效率不高。MPEG-4的着眼点在于解决低带宽上音视频的传输问题，使它成为当前网络产品生产厂商开发的重要趋势之一H.264是目前主流的解决方案，具有高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性，其应用范围较广，能适应不同场合，但算法复杂度较高，需要强劲的硬件支持。

    3.编码与网络

    当前出于带宽和成本的考虑，用户要求在目前所能承受的成本下使用较高的码流来实现；这就对网络摄像机的编码效率提出了较高的要求。网络摄像机通过网络传输数据，在网络传输上实现方式有所不间，但过大的数据包则会导致网络堵塞，因此对编码器的内部控制非常严格，要求不能影响图像质量。随着网络摄像机实际应用需求不断发展和变化，其对芯片编码要求越来越苛刻，在更高压缩比的前提下实现更贴近现实的场景。如海思提供的压缩解决方案就可以实现720P＠2Mbps的压缩率，比一般产品动辄要3－4Mbps才提升了了至少50％压缩比，2Mbps的码率还有另外一个含义，就是用户可以不增加网络和存储成本的情况下升级到720P的体验。未来随着3G网络的快速应用，支持各种网络的编码方式也成为重要发展方向。

    三、编码标准应用的判别与分析

    当前行业主流的编码算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264谁将主导网络摄像机的视频编码？MPEG4压缩技术可获取清晰度较高的视频图像，而且可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数，并且压缩后的画面还可任意剪接。但它的缺陷也非常明显：一是丢帧现象严重、实时性差，在保证每路都必须是高清晰的前提下，很难完成实时压缩；二是压缩效率低，传输带宽和存储空间占用大。而H.264引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输，支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264可以在更低的带宽下实现720P、1080i／Pd的广播级高清视频分辨率。目前；网络摄像机基本上都采用的是H.264编码芯片。但这不是说任何厂家网络摄像机的H.264算法都是好的。因此，要对网络摄像机编码算法有一个清晰的认识和理解，以免进入误区。如果仅关心是否采用了H.264，认为两个厂家的MPEG编码模块都实现了H.264，那么它们就会一样好。事实是，H.264标准包含一个很大的算法集合，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG－4都是它的子集。要实现所有的算法计算量很大，目前还没有一个芯片能实现所有算法。而设计H.264编码芯片的过程实际上是要根据芯片的运算能力，在H.264算法集合中选择算法子集的一个过程。因此，我们可以使用图像领域里面的主观评价法来判别编码芯片和编码算法的好坏，如通过调低码率（比如几十kbps或一两百Kbps），调整图像的运动量，察看图像有没有丢帧、有没有马赛克等现象，根据这些现象的程度来判断芯片的好坏。

    四、应用情况

    稳定性和安全性是视频监控系统非常重要的两个特点，因此用户在实际应用中应特别注重监控系统的稳定性和安全性。以往的监控系统常常采用模拟摄像机+硬盘录像机的监控模式来实现数据采集、存储和管理等，这种模式通常应用于近距离部署。如果一旦发生自然灾害或其他灾害事件，监控数据将会很有可能被损坏。而网络摄像机的出现彻底改变了以往的监控模式，这种模式以网络为纽带，将数据的编码与存储分开，采用专门的数据存储设备，可实现远距离的数据采集、存储和管理，且具有极高的稳定性和安全性。例如；苏州世博安保各“护城河”检查站采用了大量的网络摄像机，这些网络摄像机被安装在苏州到上海所有重要检查站，且监控中心设在上海和苏州，其数据存储可以实现放在北京、上海和苏州等几个地方，防止数据的丢失和损坏，大大方便了监控系统的查看、指挥和调度。目前，网络摄像机被广泛的应用在交通、金融．电力、港口及重要场所。

    五、发展趋势

    随着安防行业的细分和视频监控向网络化、智能化、集成化方向的发展，网络摄像机的发展也逐渐趋于细分，高清和智能成为网络摄像机主要发展方向。

    1．高清化

    高清一直是网络摄像机追求的目标之一，目前大多网络摄像机都能达到百万像素级别，但不是所有的网络摄像机在实际应用中都能达到高清应用，这就要求网络摄像机除了本身具备高清性能外，还要支持和匹配接入相关设备，以达到高清应用。众所周知，在标清时代，芯片的级联都是要通过PCI来实现的，一个PCI能传2～3个DI的未压缩码流，但是在高清时代就不行了，高清解码数据通过PCI是传不到显示芯片上的，所以很多方案就会对高清图像进行缩放再输出，这样最后的效果就不能体现到真正高清效果。如海思推出的高清级联通道解决方式就可以实现零时延的多片传输效果，能与芯片集成的高清VGA输出匹配，再加上DHCP技术，就可以轻松实现高清。

    2．智能化

    目前，智能网络摄像机成为应用推广的热点，它是利用智能识别技术对采集的声音、视频等数据进行自动的分析和抽取数据源中的关键信息，从而为监控者做出及时、准确的判断提供依据，其中人脸识别、行为分析、全景追踪等智能型摄像机在监控领域己有广泛的应用。

    六、总结

    总而言之，随着市场需求和安防科技的共同发展，当前网络摄像机呈现出了百花齐放的局面，各种类型的网络摄像机被广泛应用于安防领域的各个角落，其中高清摄像机、智能摄像机都已成为视频监控行业应用的主流产品。这都得益于网络摄像机核心技术的提升和编码技术的不断完善，近年来，网络摄像机在图像采集、A／D处理和编码压缩、网络传输和服务等技术方面都有了很大进步，并能支持和匹配更多其他网络设备产品，满足视频监控系统的实际应用需求，以达到安全防范的目的。