音视频压缩技术推动网络摄像机应用发展

2012-04-18 16:09:37来源: 安防知识网 关键字:网络摄像机

    网络摄像机的技术发展是推动网络监控的核心力量,要获得满意的联网监控效果,这里涉及到音视频压缩等摄像机的核心技术

  网络摄像机的音视频压缩算法

  音视频压缩技术基于视音频信号被数字化采样后的统计特征和人类感官特性,压缩处理信号中的冗余数据和感官不敏感的信息,大幅度地减少网络传输和存储的数据量。

  目前,主流的视频压缩算法主要基于混合编码框架,通过运动估计、空/频域变换与量化、熵编码等技术,压缩视频信号时域、空域和概率分布上的冗余信息,获得低带宽和高质量的视频图像;各种音频压缩算法则面向低带宽语音、多声道、高保真等不同应用需求采取多种压缩策略,降低音频码率和提高保真程度。随着网络化、数字化的发展,音视频压缩技术已成为现代安防监控产业的基石。

  在IP摄像机中,音视频编解码是必不可少的处理环节。目前最先进的H.264视频压缩技术可以获得100倍以上的压缩比,使得原先数据率高达750Mbit/s的 1080P、30fps高清视频,能够以较为理想的画质在8Mbit/s甚至4Mbit/s的IP环境中传输,克服了IP摄像机产品普及应用时的关键瓶颈——传输与存储带宽消耗,极大地增加了产品的实用价值。同时,面向音视频数据压缩的多码流、数字水印、信息加密等应用技术,也在很大程度上提高了产品的适用性、安全性,成为安防监控前端的重要组成部分。

  目前在视频监控系统中,视频压缩方式主要有JPEG、MPEG-4、H.264三种,每种压缩方式有不同的特点,M-JPEG能获得最高的单幅画面质量,但压缩效率较低,占用带宽最大;H.264可以获得最高的压缩比,对摄像机本身的处理平台要求也最高。用户可根据不同的产品定位配置不同的编码方式。比如:将较低码流的H.264视频压缩格式的D1图像传向远端给客户进行实时的监看,同时将百万像素的H.264视频压缩格式实时图像传入存储服务器进行录像,得益于H.264压缩标准。在同等数据量的情况下,相对于MPEG4标准,H.264压缩后的容量只有MPEG4压缩后的20%,这意味着相同的存储容量H.264的存储是MPEG4的5倍,这可以大大降低用户的存储成本,并且图像的传输质量不会改变。另外还可以在报警的时候传输百万像素的JPEG图像,便于事后进行放大确认,寻找可疑对象等。

  SDI摄像机与网络摄像机的对比分析

  网络摄像机的延迟大、编解码损耗、高带宽等问题一直没有得到很好的解决,厂家和用户在无奈之余,仍在不断寻求更好的高清解决方案。在此需求下,产生了新的应用——将广播级标准SDI引入到安防应用领域中,实现真正意义上的实时高清,基于HD-SDI标准接口的高清摄像机即为其中的代表。

  SDI是以“数字为骨,CCTV为形”的概念运行的,也就是说遵循SDI规范的数字信号在视频线/BNC接口上传输未压缩的视频,此即“数字为骨”;并且该系统的安装方式与CCTV完全相同,此即“CCTV为形”,这种做法的好处是,对于工程商或用户来说,不需要增加额外成本,以及如网络监控般的售后服务费用和人力。

  SDI摄像机相对于网络摄像机优势包括如下:

  · 不失真可靠度高: SDI的数字信号以未经压缩的形式在同轴电缆上传输, 不像经过编码压缩的IP信号会有图像延迟、拖尾或掉帧,可靠度较高;

  · 高清级别的实时图像:SDI在传输上的延迟性,比起IP要好得多,是实时监控较好的方案;

  · 升级高清总成本较低:使用已有的同轴电缆线(RG58/59), 从D1升级到HD, 线路不需要更换;

    · 操作接口(UI)相似:对工程商或用户而言,其设定与操作与传统的模拟CCTV无异,没有学习上额外的成本;

  · 多任务传输,节化布线:可在同轴电缆上同时传输视频、双向音频、双向控制、节省布线成本;

  · 提供智能监控所需高清图像:HD-SDI提供的未压缩过的高清图像,可供给智能监控所需的最佳高清图像来源。

    以标清转高清角度来看,原采用CCTV的小区可直接添加HD-SDI前端和后端产品即可升级到高清监控,不需全部换成高成本的网络高清系统;而以售后服务或教育训练的角度来看,大多数的用户和工程商都没有网络应用的背景,所以即插即用的HD-SDI对于这类型的使用者来说有极大的吸引力,他们可省下转换为网络监控所增加的一些间接成本。

  但是SDI摄像机也有自身的不足,SDI传输距离最远100米,限制了视频监控的规模和覆盖区域,如果要进行远距离传输需要添加中继或者光端机等设备,总成本会提高。其次相对于SDI摄像机而言,网络摄像机的IT化应用更方便集中管理。所以在接下来的三到五年之内,网络摄像机和SDI摄像机都不会被对方所替代或淘汰,相反它们会在相互竞争中共存,不管是高清还是标清,会依照它们原本的特征和优势应用在各个项目之中。

  网络摄像机未来发展方向

  1、高清

  高清这个名词基本是伴随着高清电视开始的,在多年前就开始流行。然而对于监控行业,真正大规模的应用也就是最近一两年的事,这主要是监控技术的快速发展,包括编码技术、网络技术、传输技术、存储技术等,高清监控成为可能,整体技术方案也逐渐成熟,逐渐被用户所接受;当然,用户对监控需求的改变,对高清的推动也起到了积极的作用。

  上海浦东城区高清视频覆盖项目是一个典型的代表。该项目是截止目前国内最大单一高清视频监控项目,也是目前全球最大的高清监控项目。此项目有超过一万余个监控点,大规模采用了高清技术,成为中国监控市场上第一个名副其实的大型高清监控工程,对于推动高清的发展起到了积极作用,具有里程碑的意义。

  与标清相比,无论是从分辨率显示效果还是流畅度来看,高清都比标清更有优势。从分辨率来看,720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍,在同样的显示环境下,高清会清晰得多。从显示效果来看,高清既支持大屏显示,又支持16:9宽屏显示,可以大大增强用户的观看体验。从流畅度来看,高清支持更高的帧率,比如720p和1080i/1080p都可以支持60帧/秒或60场/秒,其图像流畅度比标清要高一倍。所以,高清监控是监控行业发展最主流的趋势之一,作为采集前端,网络摄像机的高清趋势也随之而动。

  2、标准化:Onvif、Psia 、HDcctv

  随着监控系统从模拟走向数字,从封闭式迈向网络化,基于开放的标准以达到设备、系统之间的互联互通之需求日益迫切。并且在网络时代,投身于开放标准的建设、为用户提供同时具备灵活性和可扩展性的安防系统,已经成为安防厂商角逐本土市场、实现全球化的不二选择。作为网络监控的重要产品,网络百万像素摄像机的标准化之路已经成为必然。

  继ONVIF、PSIA相继成立后,HDcctv联盟也成立了,从而形成了当前网络视频监控市场的三大标准。这些组织的成立,都是希望在网络时代推动实现监控标准统一的愿景。例如ONVIF,是希望通过全球性的开放接口标准来推进网络视频在安防市场的应用,这一接口标准将确保不同厂商生产的网络视频产品具有互通性。成立于2008年8月的PSIA实体安防互通联盟,目标是为实体安防系统的硬件和软件平台创立一种标准化的接口,使基于IP网络的不同安防系统具有兼容性。而HDcctv联盟(HDcctv Alliance)则主要是由芯片厂商与系统供货商共同成立的,主要针对高画质监控系统(High Definition Surveillance Systems)所开发的新标准,以期待透过新标准,开发更容易建置、成本更低的网络解决方案。

    3、智能

  整体来看,简单的智能分析包括移动侦测、遮挡报警等(目前这些功能已在广泛应用)。更复杂的智能分析包括行为识别与分析,比如人脸识别丢包、警戒等。智能分析在前几年就已经很“热”,在各种展会上很多厂家都急迫地推出了相关的产品,包括各种具有智能分析功能的网络摄像机。然而由于实际使用的环境复杂,加之算法本身不是很成熟,适应能力不强,造成误报漏报很多。而另一方面客户的期望很高,但在实际使用中智能产品不佳的表现,往往很难满足客户的实际需求,且很高的维护成本,常常使得这些设备成为一种摆设。

  然而毋庸置疑,智能化是必然的趋势,随着监控数量增多,试想几十、几百路甚至上千路的视频,靠人眼一天24小时盯着,不现实也不可能。如何快速地从海量的数据中提取有用的信息,对于用户来说,这非常有效的,也是客户迫切希望解决的,这也将成为现在和未来网络摄像机产品的市场角逐点之一。

  因为IP百万像素摄像机能够提供更多关键细节,这可以使基于视频的智能分析获得更高的精度,大大提升了智能应用的水平。其在一些细分市场增长较快,比如交通领域,相关的智能产品开发和应用相对比较成熟,如道路状况分析、车辆统计、车牌识别、逆行、压黄线、违章停车,包括交通状况的监控,以及违法行为的抓拍等,都已有广泛应用。

  4、红外

  高清摄像机相对于普通摄像机感光芯片,相同尺寸上像素点成倍数增加,故造成感光点尺寸相应倍数的减少,所以相同曝光情况下,高清摄像机相对于普通像素摄像机低照度性能会差很多。这就意味着如果高清摄像机夜晚红外补光需求的强度要比普通像素红外摄像机高得多。例如一个130万像素1/3″尺寸的高清CCD,相对于43万像素(480线数)1/3″尺寸的普通CCD,单位面积上高清CCD的像素点是普通CCD的3倍,则高清CCD像素点感光性能则为普通CCD感光度的1/3,这就是高清摄像机夜晚效果差的根本原因。现在的做法是延长曝光时间,来弥补低照度性能不好的缺陷,但这样就造成图像易出现拖影现象。如果高清夜晚图像效果要好的话,只能增加环境照度来补充此方面的不足。

  对于高清补光方面,高清摄像机红外补光对不同距离的监控有不同的方案配置。近距离选用角度广的LED灯板来补光,可实现广角监控且成本较低,中远距离由于需要的补光灯强度比较大,角度小,使用普通的LED很难达到所需的效果。故在中远距离选用具有方向性强,能量集中的激光红外灯来进行补光。

  5、易用性

  与传统模拟摄像机不同,IP百万像素摄像机涉及到IT的范畴,因此,网络摄像机与模拟摄像机在使用上有较大的区别,特别对于操作者及使用人员都有较高的要求。对于国内大部分工程商、集成商及用户来说,他们对传统的CCTV系统非常熟悉,对网络摄像机尚在使用的初期阶段,所以网络摄像机在开发及设计上,要考虑到这些人的特性,在安装的便捷性和使用的易用性上要有充分的体现,例如支持PoE供电、本地视频输出,以及方便本地调试、支持无线功能等。

  结语

  网络摄像机开启了全IP联网监控的新时代,随着技术的发展,高清、智能、红外等技术在网络摄像机中的应用会越来越多。

 

 

关键字:网络摄像机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2012/0418/article_4493.html
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