浅析关于网络高清摄像机的诸多技术问题

    高清网络摄像机通常以其分辨率也就是像素数的不同来却分不同规格和分类，比如常说的百万像素高清网络摄像机，即1280x720的高清分辨率，130万像素(1280x960)，200万像素(1920x1080全高清)，320万像素(2048x1536)等乃至更高的500万甚至800万、1000万像素摄像机。

    除此之外，在实际应用中，根据不同使用环境的需要，在产品特性上也有不同的要求，因此除了有多少万像素之分外，还有按照主要特性的分类之别，如适用于明暗差别较大场景的宽动态摄像机，适用于光线较暗环境下的低照度摄像机，适用于特殊高危主动预警监控场合的智能视频分析摄像机等等。

    图像传感器

    高清网络摄像机作为摄像机的一种，就必须具备摄像机所具有的各个关键技术环节，比如传感器(sensor技术)等。Sensor作为最前端的光信号转换为电信号的环节，是最直接影响摄像机图像质量的关键技术。在高清网络摄像机上，这点也不例外，并且高清摄像机上所应用的sensor具有特定的要求，需要能够满足高清图像摄取所需的大数据量处理能力，以及满足高清大幅面图像所需的大靶面，这些都给高清摄像机sensor的技术带来了成本压力和技术挑战。

    Sensor的种类常用的有CCD和CMOS两种，在模拟摄像机上常见的是CCD传感器，但是到了高清时代，大家可以发现CCD的应用非常少，如果说在720P级别的高清摄像机上还能看到部分CCD产品的话，那么在1080P级别的高清摄像机上，几乎清一色的CMOS产品。大多高清摄像机都是以CMOS传感器为主的原因很简单，高清大数据量的处理能力CMOS具有绝对的优势，同时CCD满足高清应用的制造成本大幅提高，关键还得益于CMOS技术在近几年的突飞猛进，早先受限的低照度视频效果问题，宽动态问题等均逐步得以解决，再加之CMOS先天的成本优势使之得以在高清网络摄像机领域占据主流位置。

    视频压缩算法

    高清网络摄像机的另一个关键技术环节就是视频压缩算法，视频图像经过数字压缩后经网络传输这是网络摄像机最基本的功能，因此视频压缩算法的好于差直接决定了视频图像的质量。可以从两个方面来看，一方面好的视频压缩算法，可以最大限度的减少画面的失真，因为众所周知应用于网络传输的视频压缩均为有损压缩，画面信息必然会有所损失，因此需要最大限度的在满足压缩比率的情况下保留最多的画面信息；另一方面好的视频压缩算法，可以在提供较好的画面效果的情况下，使用更低的码率，也就意味着占用更低的带宽和更少的存储空间。

    目前主流应用的视频压缩算法为H.264标准，H.264定义了4种不同的Profile(类/级别)，即Baseline(基线类)，Main(主要类)，Extended(扩展类)和HighProfile(高端类)，级别越高相同画质码率越小，计算强度越大。随着高清应用需求的不断增长，视频压缩算法升级的脚步也没有停止，在H.264标准被大家广泛应用的同时，H.265标准即将面世。2012年6月25日，国际电信联盟(ITU)在其官方网站公布了工作计划项目，原定于2008年至2010年推出的《Highefficiencyvideocoding》(HEVC或称H.265)技术标准预计于2013年1月推出。H.265算法标准将视频压缩效率比H.264提高一倍，即在保证相同视频图像质量的前提下，视频流的码率减少50%，可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P，一方面节省了网络传输带宽，另一方面节省了录像存储空间，将高清摄像机的应用成本大幅降低。

    H.265标准的推出会给高清网络摄像机的发展乃至高清监控市场带来哪些变化，还需要拭目以待，笔者认为短期内或不会有太大变化，关键依赖于各芯片厂商的跟进程度，如果一切按计划行进的话，H.265带来的变化最早也要到2013年底甚至2014年才能看到。

    宽动态

    此外，在满足各类应用场景和高清监控建设方案方面，宽动态也是高清网络摄像机的关键特性所在。很多的应用场合都存在逆光或场景中存在明暗差别较大的区域，此时如果要想同时看清楚亮处和暗处，就需要摄像机具有良好的宽动态效果，以此来保证过亮和过暗之处均可以看清楚。

    视频主动增强

    码流和画面质量的有效结合也是关键所在。高清视频需要高码率，降低码率就意味着牺牲了画面质量，要想画面质量高，就需要较高的码率。那么有没有一种办法即可以保证码率不升高，有可以保证关键画面的质量呢，答案是肯定的。VAE(videoactiveenhancement)视频主动增强，可以让视频画面中的不同区域享受不同画质的编码待遇，所谓好钢要用在刀刃上，整幅视频画面中我们所重点关注的区域或许只是一部分，那我们就让有限的视频编码资源重点用在这部分区域，着重提升关注区域的清晰度，适当降低非重点区域清晰度，即提升了目标清晰度，又不增加网络负载，可谓双赢。

    三码流

    随着移动监控需求的不断增加，高清摄像机伴随的高清视频和高码率与移动监控有限的带宽资源形成了矛盾，有人会提出来使用双码流，没错，不过这里双码流已经不能满足需要，整体高清监控解决方案中，高清网络摄像机必须承担提供一路高清视频供录像存储，同时提供一路标清视频供远程监控，此为双码流，在此基础上，高清摄像机还必须支持三码流，第三路码流专门用于移动监控，可以是更低分辨率和码率的视频，以满足手机和移动设备的监控所需，因此，三码流是完成高清整体解决方案所必须具备的。

    智能技术

    高清摄像机带来了高清晰的视频质量，将视频监控带入了高清时代，但并未改变传统的被动监控模式。现场图像的高清晰可以使得监控更清楚，却无法改变众多监控现场的无重点观察，容易遗漏等被动局面。再清晰的画面，如果不能在出现警情的时候给监控人员第一时间看到，其有效价值将大打折扣。因此高清和智能的结合是最有效的武器，利用智能视频分析的预警功效，第一时间将有警情的高清画面弹出，其监控效率将大大提高。

    在传统模拟摄像机监控时代，由于摄像机本身并不具备进行视频处理的DSP芯片，因此无法将智能视频分析算法嵌入到摄像机内，要想实现智能监控，需要额外增加智能视频分析设备，成本和维护投入均较大。而高清网络摄像机的出现，其本身具有视频处理的DSP芯片，因此可以实现将智能视频分析算法嵌入到高清摄像机中。

    一方面可以将智能视频分析技术应用在高清晰的画面中，保证了智能分析的准确性，较传统的在标清甚至更低分辨率的图像上进行智能分析而言，准确性的提升之大可想而知；另一方面减少了另外附加智能分析设备的成本，降低了整体监控方案的造价。

    结语

    高清网络摄像机还面临着诸多有待解决的问题，如高码率带来的带宽压力、存储压力，高清镜头在实际项目中的选择和成本问题等等。目前，高清网络摄像机的应用还处于初期阶段，随着技术的不断发展，诸多问题逐步破解，高清监控会变得更容易，高清网络摄像机的市场也会迅速放大。