淺談網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與編碼器的發(fā)展趨勢(shì)

    近年來，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在國內(nèi)市場(chǎng)開始強(qiáng)勢(shì)抬頭，其以安裝方便、配置簡單、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，圖象質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，逐漸被市場(chǎng)認(rèn)可。

    2007年至2008年，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)不斷在國內(nèi)外市場(chǎng)中“攻城拔寨”，步步“蠶食”編碼器市場(chǎng)份額。尤其是平安城市、北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)展的助推力，使得網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在中國的應(yīng)用市場(chǎng)中，數(shù)量開始呈現(xiàn)幾何倍數(shù)地增長，目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)正在以超過100％的速度增長。業(yè)內(nèi)普遍預(yù)測(cè)，經(jīng)過未來兩到三年的市場(chǎng)拓展，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將成為視頻監(jiān)控市場(chǎng)的主流，我們也相信，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)會(huì)在未來幾年將逐步成為監(jiān)控領(lǐng)域里一個(gè)主流的產(chǎn)品。在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化概念沖擊模擬技術(shù)的時(shí)代，我們?nèi)绾芜\(yùn)用數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的思維來認(rèn)識(shí)視頻監(jiān)控產(chǎn)品，尤其是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)？

    首先，我們必須了解編碼器，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)之間的區(qū)別。

    一、編碼器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)特征對(duì)比

    編碼器:

    網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī):

    從上圖可知 編碼器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)基本架構(gòu)特征：

    編碼器：模擬攝像機(jī)+ 模擬視頻傳輸線 + 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)

    網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī): 內(nèi)嵌攝像頭+網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)

    二、攝像頭解決方案的對(duì)比

    編碼器的攝像頭解決方案采用的是模擬技術(shù)，即模擬攝像機(jī)+ 模擬傳輸線。其工作原理是，模擬視頻信號(hào)通過模擬傳輸線，再傳送給編碼器，然后進(jìn)行數(shù)字化、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲(chǔ)。

    而大家知道，模擬攝像機(jī)輸出的信號(hào)是CVBS格式的視頻信號(hào)， 由于受到N/P制規(guī)范的約束，CVBS信號(hào)支持的最大分辨率為D1，即P制下704x576或N制下 704x480，也就是說CVBS的最高像素僅僅在36萬左右，而且這種像素分辨率是隔行的。

    當(dāng)對(duì)圖像質(zhì)量要求更高時(shí)，比如百萬像素，或者逐行圖像時(shí)（CMOS輸出的都是逐行圖像），標(biāo)準(zhǔn)的CVBS信號(hào)的傳輸方式是無法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然也可以專門為高解析度的圖像設(shè)計(jì)專用的傳輸線路，但是這種線路需要采用千兆同軸電纜或光纖才可能實(shí)現(xiàn)，很顯然，高昂的成本是廠家或用戶無法接受。因此編碼器的這種攝像頭解決方案，是難以設(shè)計(jì)出高解析度的產(chǎn)品。

    模擬傳輸線路的另一個(gè)問題是：模擬信號(hào)在傳輸過程中損耗很大，隨著傳輸距離的增加，信噪比急劇增加，這就使得圖像質(zhì)量迅速下降，并且由于在傳輸過程中引入了大量噪聲，這就使得編碼器的視頻壓縮編碼難度增加，也使得視頻的碼率會(huì)成倍上升，進(jìn)而使得在低帶寬的網(wǎng)絡(luò)下傳輸難度增加，也使得視頻存儲(chǔ)的硬盤空間需求加大，也就是說模擬傳輸不僅使得圖像質(zhì)量容易降低，也使傳輸和存儲(chǔ)的成本增加。

    另外，模擬傳輸線路還有一個(gè)問題是：不安全！大家都知道，CVBS信號(hào)格式是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，視頻信息在同軸電纜上傳輸時(shí)，沒有任何加密和認(rèn)證機(jī)制。只要知道視頻電纜的位置，任何人可以通過移花接木的手段來觀看和切換視頻。大家看過歐美的一些大片電影，如“偷天換日”，“緊急迫降”等電影里的場(chǎng)景，那些犯罪者就是通過移花接木的方式來切換視頻信號(hào)，以逃避視頻監(jiān)控人員的視頻監(jiān)控。也就是說模擬傳輸線路無法保證視頻信號(hào)的安全。

    相反，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)由于是采用了內(nèi)嵌攝像頭的解決方案，攝像頭感光器件獲得的圖像不需要遠(yuǎn)程傳輸，直接傳輸給編碼模塊，這就回避了N/P規(guī)范的制約問題，避免了CVBS信號(hào)對(duì)圖像解析度限制的問題，也就是說網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠提供高質(zhì)量、低碼率的圖像，圖像解析度可支持百萬像素以上、也可支持逐行的圖像。另外，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻信號(hào)可以進(jìn)行安全加密，這就確保了傳輸過程的安全，進(jìn)而可以有效地防范非法用戶的竊聽和篡改。

    我們說，為什么會(huì)有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)這種產(chǎn)品？其根本原因就在于此。

    三、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)原理架構(gòu)及技術(shù)分析

    當(dāng)今隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)被逐漸到應(yīng)用到我國安全防范領(lǐng)域。在近期安防展上，一些公司就展示出了新型的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)超低碼流網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其原理結(jié)構(gòu)與主要特點(diǎn)如下。

    其工作過程為：光傳感模塊采集視頻，將其傳送給MPEG編碼模塊進(jìn)行編碼；拾音器采集語音，將其傳給音頻編碼模塊進(jìn)行編碼；最后，音視頻傳輸模塊將編碼后的音視頻流通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺MS中心。根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)，我們可以看到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)有4個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

    1、光傳感模塊

    該模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地配置光傳感芯片， 使其在各種光的環(huán)境下圖像質(zhì)量都好，另外要盡可能抑制電子噪聲（因?yàn)镸PEG編碼算法對(duì)噪聲編碼效率很低，信噪比較低有噪聲時(shí)，MPEG編碼時(shí)碼率會(huì)成倍的增加）。對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的模擬Camera廠家有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

    2、MPEG視頻編碼模塊

    1）編碼格式是否符合標(biāo)準(zhǔn)

    因?yàn)�，�?biāo)準(zhǔn)就意味著能實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)，不同廠家產(chǎn)品的互連互通；標(biāo)準(zhǔn)也意味構(gòu)建大型系統(tǒng)（電信級(jí)別系統(tǒng)）時(shí)所帶了的成本優(yōu)勢(shì)。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)格式的碼流很容易判別，只需要使用微軟的Media player或蘋果的QuickTime，看看它們能否播放錄制的視頻流文件即可。

    行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264， 理論上H.264的碼率為MPEG-4的一半。但這不是說任何廠家的H.264算法都是好的。

    對(duì)編碼算法的誤區(qū)認(rèn)識(shí)：那就是僅關(guān)心是否采用了H.264，認(rèn)為如果兩個(gè)廠家的MPEG編碼模塊都實(shí)現(xiàn)了H.264，那么它們就會(huì)一樣好。事實(shí)是，H.264標(biāo)準(zhǔn)包含一個(gè)很大的算法集合，其中包含了20多年來對(duì)視頻編碼的所有研究成果，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。因此，要實(shí)現(xiàn)所有的算法計(jì)算量很大，目前還沒有一個(gè)芯片能實(shí)現(xiàn)所有算法。而設(shè)計(jì)H.264編碼芯片的過程實(shí)際上是要根據(jù)芯片的運(yùn)算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個(gè)過程。哪家芯片選擇的算法子集好，其壓縮出來的圖像質(zhì)量就越好�？上�，這對(duì)于芯片設(shè)計(jì)公司來說是技術(shù)秘密，客戶不能獲得這個(gè)信息。

    那么怎樣判別一個(gè)H.264芯片的好壞呢？我們可以使用圖象領(lǐng)域里面的主觀評(píng)價(jià)法來判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過調(diào)低碼率（比如幾十kbps或一兩百Kbps），調(diào)整圖像的運(yùn)動(dòng)量，察看圖像有沒有丟幀、有沒有馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)這些現(xiàn)象的程度來判斷芯片的好壞。目前，我國安防公司的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上都采用的是真正的H.264芯片，不僅保證了視頻壓縮質(zhì)量，也極大地減小了傳輸碼流。

    3、音頻編碼模塊

    我們相信大多數(shù)人的直覺是音頻編碼是很簡單的。實(shí)際的事實(shí)是，如果客戶想要網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過低帶寬的網(wǎng)絡(luò)（如CDMA、甚至未來的3G、IP公網(wǎng)）傳送音頻時(shí)，音頻編碼會(huì)變得比較關(guān)鍵。其根本的原因是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬較低時(shí)，數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)會(huì)丟包。對(duì)于視頻來講，因?yàn)橐曨l的前后幀之間的關(guān)聯(lián)度很大（前后幀基本是相同的），數(shù)據(jù)是可以丟幀的，丟掉一些幀后，并沒有丟失太多有用的信息。但是，對(duì)于聲音來講就不行，前后部分的音頻幀卻沒有任何預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)特性的，如果一段聲音丟棄了，這段聲音就徹底沒有了。

    目前的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)大多數(shù)采用G711或G726音頻壓縮算法，它們的碼率為64Kbps和28Kbps。大家想象一下，低帶寬網(wǎng)絡(luò)通常在100bps以下，這點(diǎn)帶寬傳輸音頻數(shù)據(jù)都很勉強(qiáng)。一個(gè)較好的算法是G723.1，其帶寬僅為6.3Kbps。目前我國一些公司的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)音頻采用的就是G723.1的壓縮算法，極大的減小了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

    4、音視頻流傳輸軟件模塊

    大家知道，IP網(wǎng)的帶寬是共享的，網(wǎng)絡(luò)線路帶寬有限、路由器的吞吐率也有限，因此當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)發(fā)生丟包現(xiàn)象。音視頻流在網(wǎng)絡(luò)上如果采用可靠的TCP進(jìn)行傳輸，TCP發(fā)現(xiàn)丟包后會(huì)進(jìn)行重發(fā)，這樣進(jìn)一步會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力，負(fù)載壓力加大后，丟包頻率就會(huì)更頻繁，進(jìn)而又使重發(fā)量加大，形成惡性循環(huán)后，嚴(yán)重到甚至?xí)�使網(wǎng)絡(luò)崩潰。

    因此，音視頻流在IP網(wǎng)絡(luò)上要采用不可靠的UDP進(jìn)行傳輸，而UDP是一個(gè)不可靠的傳輸協(xié)議，這意味著音視頻流會(huì)被網(wǎng)絡(luò)丟包。

    如果音視頻流丟包嚴(yán)重，遠(yuǎn)程觀看視頻時(shí)，就會(huì)看到圖像停頓、馬賽克等現(xiàn)象。音視頻傳輸軟件模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是盡量減少丟包。其主要實(shí)現(xiàn)的的技術(shù)就是動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬，自適應(yīng)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬控制MPEG編碼模塊的參數(shù)，決定如何來發(fā)送音視頻包，以使丟包量減到最小。

    這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)廠家的軟件開發(fā)能力、算法研究能力帶來了很大的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最終的圖像質(zhì)量如何，特別是較低帶寬的網(wǎng)絡(luò)下傳輸時(shí)圖像質(zhì)量如何，實(shí)際上要取決于廠家的軟件研發(fā)的實(shí)力。

    四、結(jié)語

    隨著行業(yè)應(yīng)用的深入，科技水平的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸由模擬轉(zhuǎn)入了數(shù)字階段，未來網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用也會(huì)越來越多，讓我們把握機(jī)會(huì)，迎接安防領(lǐng)域純數(shù)字階段的到來。