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网络摄像机在高清时代技术特点及应用

来源：互联网 发布时间：2011/01/17
　　　高清晰摄像机主要是体现在画面的清晰度上，要做到画面的清晰度，不仅仅是一个水平分辨率达到540TVL就行了，必须在超宽动态、自动白平衡、图像的锐利度调整、超级数字降噪(信噪比)、智能数字自动测光补偿、亮度信号、彩色信号边缘补正、损坏象素自动调整与恢复、色彩调整、宽动态范围等指标上有集中体现。只有达到这些综合性的要求才能算得上是高清晰度摄像机。
　　高清监控的意义
　　对于视频监控而言，图像清晰度无疑是最关键的特性。图像越清晰，细节越明显，观看体验越好，智能等应用业务的准确度也越高。所以图像清晰度是视频监控永恒的追求。
　　衡量图像清晰度的标准是分辨率，单位是像素。这个值越大，图像越清晰。所谓高清、标清，差异也就体现在这里。两者之间的分界线就是百万像素或720p，达到百万像素或720p的就是高清。基于这样的标准，目前视频监控市场占主流的CIF和D1都属于标清。
　　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，高清监控必然将取代标清监控。
　　要实现真正的高清监控，必须从视频源的采集、视频信号的编码压缩、视频信号的传输、视频的浏览、录像文件的回放等环节全面支持高清。对客户而言，高清只有在包含了前端、平台、存储、浏览、显示等各个环节时才有意义。
　　采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式，模拟传输一般采用YPbPr分量传输，一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输，其中DVI或HDMI的传输距离只有几米，不适合用于监控传输，而HD-SDI虽可以传输百米左右，但对同轴电缆的要求很高，线缆的价格也非常昂贵。但是，如果在前端就对高清视频进行高效压缩处理，然后通过IP网络传输的话，其传输成本与标清监控网络化传输成本相当。目前DVR的视频信号处理，分为视频采集和视频编码两个部分。在视频信号采集部分，目前大多数的DVR都是模拟视频输入，均采用BNC接口的CVBS(即复合视频信号)信号输入。复合视频信号的最大分辨率是D1，DVR内部对于复合视频信号是按照D1分辨率采集、量化的。目前DVR均无YPbPr的模拟分量接口，或DVI、HDMI、HD-SDI等数字视频接口。在编码部分，DVR对每路采集的视频信号可以编码成CIF、2CIF、DCIF、D1等分辨率，但编码最大分辨率只能为D1，不具备编720p或1080i、1080p的编码能力。因此，目前的DVR无法实现高清监控。
　　可见，要实现高清监控，得从整个监控系统考虑高清，而网络化是高清监控系统应用的基础。
　　高清网络摄像机举足轻重
　　我们知道，传统的标清监控分为模拟、数字和网络三种类型。模拟监控的前端是模拟摄像机，后端是矩阵。数字监控的前端也是模拟摄像机，后端是DVR。网络监控的前端有两种，一种是模拟摄像机+视频编码器，一种是网络摄像机，后端是平台。也就是说，在标清监控时代，前端有模拟摄像机、网络摄像机、视频编码器+模拟摄像机等多种类型。
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　　那为什么到了高清监控时代，前端一定是高清网络摄像机呢?原因主要在两个方面。
　　第一，高清监控一定是网络化的，必然是基于视频压缩处理并通过IP网络进行传输的，因为只有这样才能控制高清视频的传输成本。
　　采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式。模拟传输一般采用YPbPr分量传输，一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输，其中DVI或HDMI的传输距离只有几米，不适合用于监控传输，而HD-SDI虽可以传输100米左右，但对同轴电缆的要求很高，线缆的价格也非常昂贵。无论是模拟方式还是数字方式传输，未经压缩的高清视频信号传输成本都明显高于以前的模拟标清视频信号。而采用视频压缩编码并通过IP网络进行传输时，高清视频与标清视频在传输成本上的差异很小。
　　第二，直接用高清网络摄像机进行前端处理的效率和成本比用高清视频编码器+高清摄像机要更有优势。
　　当前高清视频传感器以CMOS为主，CMOS传感器直接输出数字化的视频信号，在摄像机中通过DSP或ASIC对此数字高清视频信号直接进行压缩编码，然后以网络化方式传输，要比摄像机直接输出高清信号来得经济，且处理效率更高。
　　CCD和CMOS谁适合高清网络摄像机
　　网络摄像机的核心组成部分有三块：镜头、图像传感器以及压缩处理芯片。其中，图像传感器是图像采集处理部分的核心。
　　图像传感器有CMOS和CCD两种。两者之间的差异大家已经讨论得非常多了，主要体现在灵敏度、成本、噪声、功耗等几个方面：1)在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器;2)CCD传感器的成本比CMOS传感器高;3)相同尺寸的CCD传感器分辨率通常优于CMOS传感器;4)与CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声更大;5)CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
　　在标清监控时代，无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机，使用最广泛的是CCD。而在高清监控时代，情况将会有所改变。高清监控对成本非常敏感，CMOS传感器尽管图像品质总体上还不如CCD，但它在成本上的优势对CCD还是造成了非常大的威胁。当然，两者博弈的结果最终将由性价比决定，谁既能保证比较好的图像品质又不贵谁就胜出。
　　从目前的趋势来看，CMOS胜出的机会明显更大。一方面，随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善，据悉目前市场上致力于CMOS研究的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。另一方面，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。
　　因此，尽管CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，未来高清网络摄像机将江城足球网 ：的选择CMOS。
　　MJPEG和H.264谁将主导高清网络摄像机的视频编码
　　视频编码是高清网络摄像机的一项关键参数，它决定了所传输视频的图像质量以及需要的网络带宽。我们目前看到的高清网络摄像机视频编码标准主要有MJPEG和H.264两种。
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　　MJPEG(MotionJPEG)是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术，它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。通过此压缩技术可获取清晰度很高的视频图像，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：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;压缩效率低，传输带宽和存储空间占用大。
　　H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT联合视频工作组制定的新一代视频编码标准，用来实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。H.264不仅比MJPEG节约了80%以上的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。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/p的广播级高清视频分辨率。
　　尽管MJPEG能够获得比较好的单幅图像质量，但由于它在运动性、带宽占用以及存储空间占用方面均有致命缺陷，高清网络摄像机未来必然以H.264为主。
　　高清监控面临的问题
　　高清网络摄像机使图像清晰度有了质的飞跃，但是也给高清监控系统带来了一系列现实的问题：
　　分辨率越大、清晰度超高，意味着在进行数据传输的时候码流也会增大，增加网络带宽压力。
　　数据流量的翻倍，增大了录像容量，给网络存储带来压力。
　　对中心控制、管理软件和硬件性能的要求成倍增长。
　　对于记录视频图像的管理和事后分析的工作量也将成倍增长。
　　投资成本高昂。
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