网络摄像机技术结构、编码标准及主流方案

2016-03-03 19:18:51来源: CPS 关键字:网络摄像机  编码标准  方案
     网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品,除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外,机内还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统,使得视频数据经压缩加密后,通过局域网,Internet或无线网络送至终端用户。

    网络摄像机的应用,使得图像监控技术有了一个质的飞跃。第一,网络的综合布线代替了传统的视频模拟布线,实现了真正的四线(音频、视频、数据、电源)合一,网络摄像机即插即用,工程实施简便,系统扩充方便;第二,跨区域远程监控成为可能,特别是利用互联网,图像监控已经没有距离限制,而且图像清晰,稳定可靠;第三,图像的存储、检索十分安全、方便、可异地存储,多机备份存储以及快速非线性查找等。下图为典型的网络摄像机在视频监控中的应用拓扑图

    网络摄像机的技术结构

    大家可以看到,网络摄像机可以直接接入到TCP/IP的数字化网络中,因此这种系统主要的功能就是在联网上面,通过互联网或者内部局域网进行视频和音频的传输。从内部构成上说,网络摄像机的基本结构一般都是由图像传感器视频编码器、网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。

    相比较传统的模拟摄像机,网络摄像机最核心的技术就是视频编码器。现在,就网络摄像机的各部分我们做一个技术分析,然后再重点分析一下核心的视频编码器部分。    

    图像传感器:传统的模拟摄像机,就是通过图像传感器采集视频信息,然后直接输出是模拟的视频信号,通过视频线对外输出。现在摄像机的图像传感器主要有2种,即CMOS和CCD.由于CCD在图像质量方面比CMOS有一定的优势,但CMOS近年技术发展,性价比较高,在监控市场占有率逐年提高,因此现在监控工程中使用的图像传感器主流是CMOS,而CCD的主流厂商大部分是日本企业,比如Sony、Sharp等,几乎占了全球CCD市场的90%以上份额。

    视频编码器:其功能是把CCD的视频信号按照一定的格式进行数字化编码,有些是直接抓取CCD输出的BT.656的信号,有些是采集CCD驱动输出的模拟信号,通过一个视频AD进行模拟数字转化。视频编码的标准很多,现在主要的网络摄像机的标准有MJPEG、MPEG4、H.264和H.265。

    网络服务器:其功能是把压缩好的视频信号,通过TCP/IP的协议输出,并且基本上要支持现阶段主流的通信格式,比如支持PPPOE、DNS、UDP、TCP等等

    外部报警和控制接口都是网络摄像机的辅助功能,主要是通过串口或者IO口来实现,串口的方式包括RS232和RS485等等。

    图像的编码标准

    当前,网络摄像机的图像压缩编码标准主要有M-JPEG、MPEG4、H.263、H.264等,下面我们对这些技术再做一个简单介绍。

    M-JPEG

    M-JPEG技术即运动静止图像压缩技术,它把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理,这种压缩技术方式单独完整地压缩每一帧,在编辑过程中可随机存储每一帧,可进行精确到帧地编辑。但M-JPEG只对帧内地空间冗余进行压缩,不对帧间的时间冗余进行压缩,因此压缩效率不高。

    MPEG4

    MPEG标准就是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。MPEG-4的着眼点在于解决低带宽上音视频的传输问题,在164KHZ的带宽上,MPEG-4平均可传5-7帧/秒。采用MPEG-4压缩技术的网络型产品可使用带宽较低的网络,如PSTN,ISDN,ADSL等,大大节省了网络费用。另外,MPEG-4的最高分辨率可达720×576,接近DVD画面效果,基于图像压缩的模式决定了它对运动物体可以保证有良好的清晰度。MPEG-4所有的这些优点,使它成为当前网络产品生产厂商开发的重要趋势之一。

    H.263

    H.263是ITU-T提出的作为H.324终端使用的视频编解码建议,H.263经过不断地完善和多次的升级已经日臻成熟,如今已经大部分代替了H.261,而且H.263由于能在低带宽上传输高质量的视频流而日益受到欢迎。

    H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码,在运动补偿的DPCM混合编码,在运动搜索的基础上进行运动补偿,然后运用DCT变换和“之”字形扫描编码,从而得到输出码流。H.263在H.261建议的基础上,将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索;同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和PB帧编码等四个高级选项;从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。

    H.264

    H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)的联合视频组(JVT:jointvideo

    team)开发的一个新的数字视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。

    在相同的重建图像质量下,H.264能够比H.263节约50%左右的码率,比目前根据MPEG4实现的视频格式在性能方面提高33%左右。

    H.265

    H.265是ITU-TVCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264,保留原来的某些技术,同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时算法复杂度之间的关系,达到最优化设置。具体的研究内容包括:提高压缩效率、提高鲁棒性错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化,可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。

    主流的核心解决方案

    刚才我们介绍,传统的模拟摄像机和网络摄像机,主要的区别就是网络摄像机把传统的模拟摄像机的模拟视频信号转化为一定标准的数字信号,并通过TCP/IP的协议进行传输,同时带有一定的外部报警和控制接口的辅助功能。现在,核心的网络摄像机解决方案都是采用一个芯片来完成视频压缩和网络服务器的核心功能。现阶段,网络摄像机的主要解决方案有DSP和ASIC两大阵营,DSP方面,主要有TI、ADI、Trimedia、Ambarella等,而ASIC解决方案中,近期比较成功的有映佳和海思的方案,下面我们就这些核心方案进行一个分析。

    TI(TexasInstruments)

    是美国德州仪器的简称,总部位于美国德克萨斯州达拉斯,是全球知名的半导体企业,主要从事模拟电路数字信号处理技术的研究,其具有代表性的DaVinci-DM3xARM9视频处理器解决方案在安防行业有着广泛的应用。1951年更名为德州仪器,并开始进入半导体市场,至今在多个市场领域占有重要份额。当安防领域的视频监控从模拟阶段发展到数字压缩处理阶段后,TI在安防视频压缩领域逐渐暂居主导地位。在IPC领域有代表性的解决方案是DM355、DM365、DM368,以及最新推出的DM369,DM388。

    海思(Hisilicon)

    海思半导体有限公司成立于2004年10月,前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。海思公司总部位于深圳,在北京、上海、美国硅谷和瑞典设有设计分部。海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案,成功应用在全球100多个国家和地区;在数字媒体领域,已推出网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。在2009-2012年,DVR芯片可谓风生水起。在IPC领域有代表性的解决方案是Hi3516、Hi3516C、Hi3517、Hi3518A、Hi3518C、Hi3518E。    

    安霸(Ambarella)

    于2004年组建,总部位于加州的圣克拉拉市;公司中文名称为“安霸”,安霸是高清视频业界的技术领导者,主要提供低功耗、高清视频压缩与图像处理的解决方案,在电视广播市场,安霸技术也得到广泛应用,来自世界各地的电视节目都经安霸芯片压缩后传送。在业界率先推出了基于最新H.265视频压缩标准的高集成SoC芯片,集成了各种关键系统功能,提供高性价比的高清整体解决方案,在H.264高清专业广播编码设备市场拥有近90%的市场。在IPC领域代表性的解决方案是A2、A5、A5S、A7、A9。

    美国模拟器件公司(ADI)

    ADI公司在DSP芯片市场上也占有一定的份额,先后推出具有自己特点的DSP芯片,其Blackfin系列的DSP具有功耗小,运算能力强的特点。其中的BF531具有非常好的性价比,批量价格只有5美元,比较合适在低端的网络摄像机的方案中采用,不过现在BF531只能处理到CIF的MPEG4编码,在很多对于图像清晰度要求高的场合无法满足。另外ADI还有一款BF561也是比较合适的产品,这是一个双核的DSP,能够处理到D1的分辨率。

    台湾映佳(Imagia)

    映佳最近在视频监控行业发展不错,在网络摄像机市场上面,已经有一些摄像机厂商开始采用映佳的产品。映佳的解决方案是ASIC的方式,采用的压缩算法是标准的MPEG4,单片芯片可以做到D1,映佳的ASIC主要在推的是MPG440,之前映佳还推出过MPG420核MPG430,相比而言,MPG440基本上比较成熟,也得到了一些客户的认可,同时映佳还提供比较完整的网络摄像机的解决方案,并且可以提供在应用软件上面强大支持。

    NXP(恩智浦半导体)

    NXP芯片属于工业级别,在相对恶劣的环境使用具有很强的优势;ROI功能,码流非常低,最高可低至512K,为用户使用手机观看高清、流畅画质提供了可能;业界高端的highprofile级别的H.264编码方式,高压缩比,高视频质量,基于CPU的强大处理能力,可以在前端植入智能分析算法,可极大地缓解后端处理压力,同时强大的3D降噪能力,不会有噪点在那里一闪一闪的感觉,给人感觉看过去就是一幅画那么平静;先进的AWB控制,色彩还原性能良好等等,NXP芯片方案在市场具有很强的竞争力。    

关键字:网络摄像机  编码标准  方案

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/article_201603039356.html
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