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网络摄像机技术发展现状分析

2015-5-22 19:08:22      点击:


           摘要:网络摄像机将图像转换为基于TCP/IP网络标准的数据包,使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口或WIFI WLAN无线接口直接传送到网络上,通过网络即可远端监视画面。

    网络摄像机将图像转换为基于TCP/IP网络标准的数据包,使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口或WIFI WLAN无线接口直接传送到网络上,通过网络即可远端监视画面。


  一、网络摄像机的基本原理

  网络摄像机的基本原理是:图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后,由图像传感器的声音传感器转化为电信号,A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩,再控制器的控制下,由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET,控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号,且按要求发出控制信号。

  网络摄像机是真正全数字化的产品,视频信号从图像传感器(如CCD、CMOS等)采集并数字化后,后继的处理全部采用数字信号,保证了图像的清晰度,并采用网络打包和传输这些多媒体数据(视频、音频、文本信息等)。

  (一)视频采集技术

  视频采集部分的核心器件--图像传感器,主要有CCD和CMOS两种,传感器性能的高低直接决定了摄像机的级别。

  (二)编码算法

  1.MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4

  随着视频编码与处理算法研究的进展,针对不同应用需求,相继发布过多个图像和视频编码压缩标准。例如,MPEG为多媒体存储媒体和数字电视应用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4。所谓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。到目前为止,已经制定完成并批准执行的有:1991年批准的MPEG1、MP3;1994年批准的MPEG2;1999年批准的MPEG4和MP4。正在制定的标准有:MPEG7和MEPG21。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,故压缩效率不高。

  2.H.263、H.264、H.265

  面向低码率的实时视频通信;ITU-T应用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264、H.265。

  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是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组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是ITU-T VCEG 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、延时和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、提高鲁棒性和错误恢复能力、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。

  3.数字音视频编解码技术标准AVS-S

  面对当前及未来兴起的安防应用领域,我国AVS(Audio Videocoding Standard)工作组自主制定的先进数字音视频编解码技术标准AVS-S。可以说视频监控编码标准的选择有很多种,但目前网络摄像机主要采用的标准有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即运动静止图像压缩技术,但M-JPEG只对帧内空间冗余进行压缩,不对帧间的时间冗余进行压缩,因此压缩效率不高。MPEG-4的着眼点在于解决低带宽上音视频的传输问题,使它成为当前网络产品生产厂商开发的重要趋势之一H.264是目前主流的解决方案,具有高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性,其应用范围较广,能适应不同场合,但算法复杂度较高,需要强劲的硬件支持。

  当前行业主流的编码算法有MPEG-4和H.264,MPEG-4和H.264谁将主导网络摄像机的视频编码?

  MPEG-4压缩技术可获取清晰度较高的视频图像,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:一是丢帧现象严重、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;二是压缩效率低,传输带宽和存储空间占用大。而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/Pd的广播级高清视频分辨率。

  目前,网络摄像机基本上都采用的是H.264编码芯片。但这不是说任何厂家网络摄像机的H.264算法都是好的。因此,要对网络摄像机编码算法有一个清晰的认识和理解,以免进入误区。如果仅关心是否采用了H.264,认为两个厂家的MPEG编码模块都实现了H.264,那么它们就会一样好。事实是,H.264标准包含一个很大的算法集合,如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。要实现所有的算法计算量很大,目前还没有一个芯片能实现所有算法。而设计H.264编码芯片的过程实际上是要根据芯片的运算能力,在H.264算法集合中选择算法子集的一个过程。因此,我们可以使用图像领域里面的主观评价法来判别编码芯片和编码算法的好坏,如通过调低码率(比如几十kbps或一两百Kbps),调整图像的运动量,察看图像有没有丢帧、有没有马赛克等现象,根据这些现象的程度来判断芯片的好坏。

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