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未来视频监控:高清网络摄像机综述

  随着社会不断进步,经济快速发展和技术突飞猛进,公共秩序安全、生产安全、财产安全等越来越受到人们的重视,从而使以视频信息为特征的视频监控更为广泛地被应用在各行业领域,从传统的安防监控向管理和生产经营监控发展,从室内到无人值守特定场合应用的监控。
  
  传统的监控模式已不能满足政府“平安城市”、金融系统、高等教育、监管、监狱、文博等行业对安防的需求,而拥有网络化、智能化、数字化、远程化特点的网络视频监控系统则成为新的应用趋势,并形成一个高效、安全、先进的网络视频监控体系。
  
  在网络视频监控系统中,H。264编码压缩算法得以成功推广,随着用户的逐步认可、价格的降低及功能的完善,必然迎来高清网络摄像机主导未来视频监控领域的时代。
  
  第一部分高清网络摄像机的发展历史
  
  一、高清百万像素网络摄像机的描述:
  
  在这个“高清”横行的时代,随处可以看见冠以高清“头衔”的产品,那到底什么是高清?什么又是百万像素网络摄像机呢?
  
  1、高清的释义:
  
  目前,高清的定义只出现在广电行业,按照有关的标准,一般显示比例为16:9,至少能解析1080i(分辨率1920×1080)的数字信号,或扫描线数垂直和水平方向都必须达到720P的数字信号,只有满足或超到以上标准的产品才能被归类为高清产品。
  
  2、高清百万像素网络摄像机的定义:
  
  高清百万像素网络摄像机是指能按大于12FPS 连续采集最大分辨率大于720P(1280*720),甚至超过Full HD(1080P,分辨率1920*1080)到更高的2048×1536画面的网络摄像机。满足上文高清定义中提及的高清指标扫描线数垂直和水平方向都达到720P数字信号要求,可被理解为高清产品中百万像素级别。
  
  3、高清网络摄像机的运行特征:
  
  高清网络摄像机是高质量成像监控系统的源头,直接将视频进行数字采集(实际高端的数字传感器(CCD\CMOS)才是,现在市面上大都是模拟采集),高清编码压缩并IP封装(即通过网络模块,把模拟信号压缩成数字信号),然后利用IP网络来承载高清视频流,实现高清的实时监控、录像、回放、转发的工作;其视频芯片为百万像素的CCD及COMS传感器(目前主流摄像机的CCD传感器像素多为44万像素),可以获得更多的视频信息,监控画面更清晰、自然流畅。
  
  二、高清百万像素网络摄像机的优势:
  
  一般百万像素网络摄像机较传统模拟摄像机、普通网络摄像机具如下优势:
  
  1、高清晰度,采用百万像素级传感器,能获得更多的视频信息,一般可达1280×720、1920×1080、1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率。(在监控领域,前两种分辨率以治安监控的视频录像为主,后几种以道路抓拍为主。实际项目应用中,因系统造价和效果要求也将1920×1080即常说的1080P用于道路抓拍。)
  
  2、图象显示质量更高,能够更好地捕捉细节。
  
  3、逐行扫描CCD/COMS(高端的数字CMOS才具备逐行扫描,其价格甚至比CCD的还贵)让画面更清晰、自然流畅;方便集成智能分析功能。
  
  4、可支持HDTV的宽屏输出模式(16:9),HDTV实现了图像质量的一个巨大飞跃,这意味着更清晰的图像、更好的色彩保真度和宽屏格式。
  
  NTSC和HDTV的不同屏幕纵横比
  
  5、覆盖面更广,相同监视区域可以替代原有的多个固定点摄像机和一个全方位摄像机,节省线缆、安装、维护费用。
  
  三、高清网络摄像机的发展历程和趋势:
  
  闭路监控系统是随着电视和摄像机的出现发展壮大起来的,在这短短几十年的发展历程中,从二十世纪七、八十年代开始,随着新技术革命的兴起,微处理器进一步普及和发展起来,从黑白摄像机的诞生,到现在的高清晰摄像机的推出,摄像机的线数从380线发展到目前最新的高清晰摄像机线数可以达到上千线数。
  
  在视频监控领域,也发展到现在的高清网络摄像机阶段,这里的高清视频就是HDTV(即High Definision TV)。随着国际市场和国内市场对于监控系统的普及和大量使用,人们对图像的要求越来越高,从最开始的能看到图像,到现在的要清晰的图像,到今后的能进行处理分析的高清晰图像。因此在技术方面随着高清产业的不断发展和用户对高清晰影像的需求,Full HD已成为高清产业发展的新趋势。
  
  第二部分高清网络摄像机的类型
  
  一、感光芯片(Sensor)的重要性:
  
  摄像机感光芯片(Sensor)分为CCD和CMOS。摄像机的清晰度取决于Sensor性能,CCD与CMOS两种感光芯片相比,CCD传感器在灵敏度、噪声控制、高质量图像输出、动态影像表现方面都要优于COMS。
  
  CMOS摄像机的最大特点,是可在图像传感器同一芯片上,集成所有摄像机功能电路的单芯片摄像机。CMOS摄像机与CCD摄像机相比,具有集成度高、体积小、功耗低、帧速高、读取速度快、制作工艺简单、价格低等优点。但CMOS摄像机又存在固定模式噪点影响图像质量,在相同尺寸情况下CMOS摄像机的灵敏度不如CCD摄像机的缺点。
  
  二、高清百万像素网络摄像机传输、编码压缩方式:
  
  1、现今,高清百万像素网络摄像机的信号传输一般有2种:一种为Mono/RAW传输,直接通过模数转换器芯片转换成数字信号不进行任何压缩编码在网络上传输,直接将数据传输给计算机并借助计算机的处理手段在计算机中显示出来;另外一种为编码传输。
  
  2、现今网络摄像机编码压缩方式主要有:
  
  ⑴、JPEG、MJPEG:
  
  ①、JPEG压缩技术是所有图像压缩技术的基础,适合静态图像的压缩,直接处理整个画面,压缩倍数为20-80倍,分辨率没有选择的余地。
  
  ②、MJPEG(Motion JPEG)是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术,只单独的对某一帧进行压缩,而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化。后来出现了多层式JPEG(ML-JPEG)压缩技术,采取渐层式技术,先传输低解析的图档,然后再补送更细节的压缩资料,使画面品质改善。
  
  ⑵、MPEG-4:
  
  MPEG-4主要应用于三个领域,数字电视、交互式的图形应用(包括内容上的合成技术)、交互式多媒体领域。国内外大部分百万像素网络摄像机产品一般使用MJPEG/MPEG-4视频流编码传输,MPEG4在网络视频监控应用中的优势主要包括以下几方面:
  
  ①、节约存储空间:视音频全同步40M--120M/路/小时,是同质量的MPEG1或MJPEG的1/10;节省存储硬盘成本投入以及后期的硬盘更换费用。
  
  ②、占用网络传输带宽少:由于压缩比是同质量的MPEG1和MJEPG的十倍多,所以网络传输时占用的带宽是同质量的MPEG1和MJEPG的1/10。如在64K的带宽上,MPEG1和MJEPG平均只能传1/2帧,而MPEG4可以传5--7帧,将大幅度节省了传输线路租用费。
  
  ③、错误恢复能力强:当网络传输有误码或丢包现象时,MPEG4受的影响很小并且能够迅速恢复。如在误码达到1%时,MPEG1已经无法播放,而MPEG4只会有轻微的边缘模糊;再如当网络传输由瞬间丢包现象时,MPEG1恢复至少需要10多秒,而MPEG4只需要1~3秒。
  
  ④、图像质量高:可以达到接近DVD的效果。
  
  ⑤、可变带宽:网络输出速率从56K--384K可调。
  
  ⑶、H。264:当今主流视频压缩格式。
  
  H。264是由国际电信联盟(iTU-T)所制定的新一代的视频压缩格式。H。264最具价值的部分是更高的数据压缩比。在同等的图像质量,H。264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的 MPEG-2高2~3倍,比MPEG-4高1.5~2倍。正因为如此,经过H。264压缩的视频数据,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济。目前H。264已经获得DVD Forum与Blu-ray Disc Association采纳,成为新一代HD DVD的标准,不过H。264解码算法更复杂,计算要求比WMA-HD还要高。
  
  第三部分高清网络摄像机选型注意事项
  
  一、安防监控镜头的选择:
  
  视频监控系统中,百万像素高清网络摄像机的镜头选择也非常重要。安防监控镜头的种类多种多样,规格也多的让人眼花缭乱,在监控项目中选择一款合适的镜头是十分重要的。在高清网络摄像机镜头选择中,下面推荐手动和自动两款光圈镜头:
  
  1、手动光圈镜头:
  
  规格:Computar镜头,M1214-MP,2/3“ C mount, 12mm/F1.4。
  
  2、自动光圈镜头:
  
  规格:富士能Fujinon,DV3.4X3.8SA-SA1L,1/2” C mount, 3.8~13mm/F1.4,YV4.3X2.8SA-SA2L,1/3“ CS mount, 2.8~12mm/F1.4。
  
  二、选购镜头时注意的因素:
  
  1、选购时要防假货。
  
  2、要与摄像机匹配,特别是光通量F值的匹配,使摄像机灵敏度能达到预期效果。
  
  3、百万像素摄像机一般都要选购匹配的对应百万像素镜头。
  
  4、看外观材质,是否与CMOS/CCD规格和接口匹配,看镀膜是否好,看镜片类型(球面/非球面)。
  
  5、应用环境考虑,镜片类型涉及到选广角镜头、标准镜头、长焦镜头、变焦镜头、定焦镜头。
  
  6、亲自测试一下镜头品质。
  
  三、高清百万像素网络摄像机选购要点:
  
  从当前国内市场推出的高清百万像素网络摄像机来看,采用的压缩方式主要以MJPEG/MPEG4和H。264为主,而在其带宽、传输速率方面没有更加明确的量化数据,使得用户虽然了解其超高的图象质量,但仍然对其在如此高图象质量下的图像连续性和传输所需的带宽产生疑惑。因此这类产品在选择时需要注意如下几点:
  
  1、确切了解高质量图像下的实际带宽、传输速率等量化指标,并针对项目建设的网络资源进行科学评估。
  
  2、采用CCD还是COMS感光芯片?若CCD芯片方案,其采用何种(单通道/多通道)“输出平衡”技术,帧速率是否满足实际需求。
  
  3、光学镜头的配合问题,必须配套使用工业级百万镜头否则无法体现出摄像机的高清画质优点。
  
  4、充分考察此类产品在低照度环境下的实际表现,尤其是厂商采用何种技术来补偿低照度下的成像。
  
  5、考察此类产品的软件功能。
  
  第四部分高清网络摄像机应用
  
  从用户角度看,城市治安监控、交通、机场、金融等行业的用户,他们对高清视频图像有着迫切的需求,而针对建设投资的成本用户是有心理准备的,用户担心的不是资金问题,而是厂商提供的高清系统能否达到用户的期望要求。
  
  一、网络新技术的发展为百万像素高清传输提供带宽保证:
  
  平安城市、金融联网监控等项目都采用自建光纤网络或局域网络实现1000M带宽网络。这种千兆带宽资源,在前端安装上述200路720P百万像素全实时高清摄像机(按每路录像占用3Mbps计算),占用总带宽资源60%~80%(实际项目中不可能出现200路720P同时解码上墙,涉及解码上墙的造价,多用CIF格式按点数的50%~100%解码上墙或1/5~1/3点数解码上墙),所以千兆网是完全可以有效支持的。而在网络高清项目应用时,多在关键区域监控点安装百万像素高清摄像机,其它监控点采用基于标准H。264压缩算法的Full D1标清网络摄像机或传统的模拟+编码器模式接入。如银行金库、重要交通路口卡口或大门、事故或案件多发地段可以配置百万像素高清摄像机,这样关键通道、重点场所的现场事态都有高清图像可调取。采用百万像素高清加标清的混合组网方式,既可节约设备成本,也可有效节省网络带宽资源,系统的实用性和经济性两者可以完美结合,充分满足了用户的性价比需求。(注:实质一条千兆光纤稳定运行带宽也就大概400M,过高如500M,600M就会容易导致网络故障,上述200路720P到后端核心交换机实际带宽可达到650M-800M,此处说的千兆网能承载实际是通过2-10条千兆到一台核心交换机而承载。而实际项目也不可能出现200路720P就只有一条千兆光纤的情况,技术、工程师也不可能这样设计传输。若上述200路换成1080P,录像带宽按5M甚至是高标准6M每路计算时,整个传输网络带宽设计就几乎需要翻一番,而成本也几乎是翻一翻,这也就是现在为何市场上1080P叫得响,但实际项目中只有政府投资的治安监控类特别是道路违章抓拍这一带有盈利性质的项目才用得广的最大原因。)
  
  至于公网传输,百万像素高清网络摄像机都支持双码流技术,如支持1080P+720P+D1+CIF全实时双码流,从而在本地可以采用720P\1080P高清应用,远程时则以D1+CIF方式供远程用户调用。也就是说,虽然目前的ADSL广域网技术对百万像素高清网络摄像机尚不能大规模支持,但通过双码流等技术可以满足本地与远程用户的不同需求。
  
  二、海量存储技术的发展让存储不再是百万像素高清的应用瓶颈:
  
  按前所述,基于标准H。264压缩技术的高清网络摄像机,一路720P高清全实时图像的码流是3Mbps,录像一小时需要的存储空间大约是1.35G左右(若是1080P,视频录像通常按5Mbps计算,一小时需要2.25G);通常,用户往往会问:一支百万像素摄像机就需要这么大的存储空间,有多支百万像素怎了得?而实质上一支百万像素的高清摄像机可以替代多个普通摄像机。而高分辨率的图像质量,视频的存储将变得更有价值(治安型的监控系统,最终起到作用的90%都是靠高清晰的回放录像)。
  
  对于高清网络摄像机的高清图像记录就需要网络存储系统(包括存储服务器和存储设备)。存储服务器和存储设备最主要的连接方式有DAS直连方式、NAS网络硬盘方式、SAN(FCSAN和IPSAN)存储区域网络,其中IPSAN方式采用IP架构的以太网络传输,具备良好的扩展性、共享性和较低的分摊应用成本,是目前大中型集中监控存储主要采用的技术之一。另一方面,IT上使用的主流数据硬盘容量已经TB级以上,2TB的数据硬盘价格已经平民化(按每小时数据量1.35G计算,1TB(实际可用约920G)的数据硬盘大约可存储720P的视频图像680小时或者680路摄像机录像1个小时的数据)。
  
  三、液晶显示器成为高清视频监控新宠:
  
  监控行业的高清没有自己的标准,因此目前主要高清网络摄像机厂商均参照广电HDTV技术标准。国际上公认的关于高清的标准有两条:视频垂直分辨率720p或1080i;视频宽纵比为16:9。在过去的几年,受消费电子市场的推动,再加上CRT电视向液晶和等离子电视屏幕转变,HDTV取得了巨大的成功。目前市场上主流的液晶显示器尺寸是21.5″、24″,分辨率可达1920×1080,可以点对点兼容16:9格式的720P和1080P全高清视频显示。而液晶电视的主流尺寸是42″,也是1080P高清的标准显示尺寸。这些液晶显示器和液晶电视具有YPbPr、HDMI等高清接口,符合高清网络摄像机视频显示的要求。对于用户比较关注的液晶显示响应时间,一些主流厂商的面板更可以达到5ms,甚至更高的2ms,完全足以应付25fps~30fps的图像刷新需求。
  
  可喜的是,安防高清液晶监视器也紧随其后,获得了飞速的发展。一些基于DID技术的LCD液晶显示屏具备超轻薄、低功耗、高对比度、无闪烁、低成本等优点,推动了它在安防监控领域的应用,尤其目前一些大型项目的指挥中心电视墙等普遍采用。由此可见,高清视频监控在显示方面已经不存在瓶颈。
  
  四、标准的H。264压缩技术提升视频管理中心平台兼容能力:
  
  目前在国内监控市场上的多数监控平台系统都是基于传统的DVR和NVS(或DVS)基础架构。很多人认为这些平台要兼容百万像素级的图像管理需要花费巨大的开销。其实不然,高清与否只是对数据量和图像解码能力提出了更高的要求,影响更多的是前端编解码设备、网络带宽和存储设备。从某种意义上说,平台对高清的支持能力与平台的架构有关,系统架构越好的产品,在新产品接入上花的代价也就越小。此外某些IP摄像机厂商也可配套提供高清视频监控管理平台。
  
  现阶段主流压缩技术是标准H。264压缩算法,采用此种算法不但画质较好,码流较低,更为重要的是,标准H。264格式的录像文件可使用标准解码器解码播放(如:暴风影音、VLC、MPC、KMPlayer等),设备通用性和兼容性有很大提高。从某种意义上可以说,标准的H。264可解决困扰整个安防界的录像数据文件兼容性问题。
  
  对于用户普遍关心的高清视频图像解码能力问题,目前普通双核PC机基本可以解码4路720P(30fps,3Mbps码流)或1路1080P(30fps,6Mbps码流)。而现在已经有主流IP摄像机厂商配套提供的1080P、720P、FullD1全兼容硬件解码器,从而实现管理中心平台控制的高清视频解码输出。此外主流IP摄像机厂商最新技术已经可以利用显卡硬件解码核心在一台PC机上完成多路高清实时视频的解码显示。
  
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