cookieOptions = {...}; ‧ IP 攝影機技術結構編碼標準及主流方案 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2016年3月21日 星期一

來源CPS 
網路攝影機是傳統攝影機與網路技術相結合的新一代產品,除了具備一般傳統攝影機所有的圖像捕捉功能外,機內還內置了數位化壓縮控制器和基於WEB的作業系統,使得影像資料經壓縮加密後,通過局域網,Internet或無線網路送至終端使用者。
網路攝像影的應用,使得圖像監控技術有了一個品質上的飛躍。第一,網路的綜合佈線代替了傳統的影像類比佈線,實現了真正的四線(音訊、影像、數據、電源)合一,網路攝影機隨插即用,工程實施簡便,系統擴充方便;第二,跨區域遠端監控成為可能,特別是利用網路,圖像監控已經沒有距離限制,而且圖像清晰,穩定可靠;第三,圖像的儲存、檢索十分安全、方便、可異地儲存,多機備份儲存以及快速非線性查找等。


網路攝影機的技術結構
大家可以看到,網路攝影機可以直接接入到TCP/IP的數位化網路中,因此這種系統主要的功能就是在聯網上面,通過網路或者內部局域網進行影像和音訊的傳輸。從內部構成上說,網路攝影機的基本結構一般都是由圖像感測器、視訊轉碼器、網路伺服器、外部報警、控制介面等部分組成。
相比較傳統的類比攝影機,網路攝影機最核心的技術就是視訊轉碼器。現在,就網路攝影機的各部分我們做一個技術分析,然後再重點分析一下核心的視訊轉碼器部分。


圖像感測器:傳統的類比攝影機,就是通過圖像感測器採集影像數據,然後直接輸出是類比的視訊訊號,通過影像線對外輸出。現在攝影機的圖像感測器主要有2種,即CMOSCCD
由於CCD在圖像品質方面比CMOS有一定的優勢,但CMOS近年技術發展,性價比較高,在監控市場佔有率逐年提高,因此現在監控工程中使用的圖像感測器主流是CMOS,而CCD的主流廠商大部分是日本企業,比如SonySharp等,幾乎佔了全球CCD市場的90%以上市佔率。
視訊轉碼器:其功能是把CCD的視訊訊號按照一定的格式進行數位化編碼,有些是直接抓取CCD輸出的BT.656的信號,有些是採集CCD驅動輸出的類比信號,通過一個影像AD進行類比數位轉化。影像編碼的標準很多,現在主要的網路攝影機的標準有MJPEGMPEG4H.264H.265
網路伺服器:其功能是把壓縮好的視訊訊號,通過TCP/IP的協訂輸出,並且基本上要支持現階段主流的通信格式,比如支援PPPOEDNSUDPTCP等等。
外部報警和控制介面,都是網路攝影機的協助工具,主要是通過串口或者IO接口來實現,串口的方式包括RS232RS485等等。

圖像的編碼標準
當前,網路攝影機的圖像壓縮編碼標準,主要有M-JPEGMPEG4H.263H.264等,下面我們對這些技術再做一個簡單介紹。
M-JPEG
M-JPEG技術即運動靜止圖像壓縮技術,它把運動的影像序列作為連續的靜止圖像來處理,這種壓縮技術方式單獨完整地壓縮每一幀,在編輯過程中可隨機儲存每一幀,可進行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對幀內地空間冗餘進行壓縮,不對幀間的時間冗餘進行壓縮,因此壓縮效率不高。
MPEG4
MPEG標準就是指由ISO的活動圖像專家組,製訂的一系列關於音視訊訊號,以及多媒體信號的壓縮與解壓縮技術的標準。MPEG-4的著眼點在於解決低頻寬上,影音訊號的傳輸問題,在164KHZ的頻寬上,MPEG-4平均可傳5-7/秒。
採用MPEG-4壓縮技術的網路型產品,可使用頻寬較低的網路,如PSTNISDNADSL等,大大節省了網路費用。另外,MPEG-4的最高解析度可達720×576,接近DVD畫面效果,基於圖像壓縮的模式決定了它對運動物體,可以保證有良好的清晰度。MPEG-4所有的這些優點,使它成為過去網路產品生產廠商開發的重要趨勢之一。(其活躍的時間大致在2003-2008)
H.263
H.263ITU-T提出的作為H.324終端使用的影像編解碼建議,H.263經過不斷地完善和多次的升級已經日臻成熟,如今已經大部分代替了H.261,而且H.263由於能在低頻寬上傳輸高品質的影像流而日益受到歡迎。
H.263是基於運動補償的DPCM的混合編碼,在運動補償的DPCM混合編碼,在運動搜索的基礎上進行運動補償,然後運用DCT變換和“之”字形掃描編碼,從而得到輸出碼流。H.263H.261建議的基礎上,將運動向量的搜索增加為半像素點搜索;同時又增加了無限制運動向量、基於語法的算術編碼、高級預測技術和PB幀編碼等四個高級選項;從而達到了進一步降低碼速率,和提高編碼品質的目的。
H.264
H.264ITU-TVCEG(影像編碼專家組)ISO/IECMPEG(活動圖像編碼專家組)的聯合影像組(JVTjointvideo
team)開發的一個新的數位視訊編碼標準,它既是ITU-TH.264,又是ISO/IECMPEG4的第十部分。
在相同的重建圖像品質下,H.264能夠比H.263節約50%左右的碼率,比目前根據MPEG4實現的影像格式在性能方面提高33%左右。(其活躍的時間大致在2008-2015)
H.265(HEVC,高效率視訊編碼High Efficiency Video Coding,簡稱HEVC)
H.265ITU-TVCEGH.264之後所製訂的新的影像編碼標準。H.265標準圍繞著現有的影像編碼標準H.264,保留原來的某些技術,同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術,用以改善碼流、編碼品質、延時和演算法複雜度之間的關係,達到最優化設置。


具體的研究內容包括:提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少即時的時延、減少通道獲取時間和隨機接入時延、降低複雜度等。H264由於演算法優化,可以低於1Mbps的速度實現標清數位圖像傳送;H265則可以實現利用1~2Mbps的傳送速率傳送720P(解析度1280*720)普通高清音影像傳送。

主流的核心解決方案
剛才我們介紹,傳統的類比攝影機和網路攝影機,主要的區別就是網路攝影機把傳統的類比攝影機的類比視訊訊號,轉化為一定標準的數位信號,並通過TCP/IP的協議進行傳輸,同時帶有一定的外部報警和控制介面的協助工具。
現在,核心的網路攝影機解決方案都是採用一個晶片來完成視訊壓縮和網路服務器的核心功能。現階段,網路攝影機的主要解決方案有DSPASIC兩大陣營,DSP方面,主要有TIADITrimediaAmbarella等;而ASIC解決方案中,早期比較成功的有映佳(已被馥鴻科技所併購),和近期的智原與中國海思的方案,下面我們就這些核心方案進行一個分析。
TI(Texas Instruments)
是美國德州儀器的簡稱,總部位於美國德克薩斯州的達拉斯,是全球知名的半導體企業,主要從事類比電路和數位信號處理技術的研究,其具有代表性的DaVinci-DM3xARM9影像處理器解決方案,在安防行業有著廣泛的應用。
1951年更名為德州儀器,並開始進入半導體市場,至今在多個市場領域佔有重要市佔率。當安防領域的影像監控,從類比階段發展到數位壓縮處理階段後,TI在安防視訊壓縮領域逐漸暫居主導地位。在IP Cam領域有代表性的解決方案是DM355DM365DM368,以及最新推出的DM369DM388
海思(Hisilicon)
海思半導體有限公司成立於200410月,前身是創建於1991年的華為積體電路設計中心。海思公司總部位於深圳,在北京、上海、美國矽谷和瑞典設有設計分部。海思的產品涵蓋無線網路、固定網路、數位媒體等領域的晶片及解決方案,成功應用在全球100多個國家和地區;在數位媒體領域,已推出網路監控晶片及解決方案、可視電話晶片及解決方案、DVB晶片及解決方案和IPTV晶片及解決方案。
2009-2012年,DVR晶片可謂風生水起。在IP Cam領域有代表性的解決方案是Hi3516Hi3516CHi3517Hi3518AHi3518CHi3518E
安霸(Ambarella)
2004年組建,總部位於加州的聖克拉拉市;公司中文名稱為「安霸」,安霸是高清影像業界的技術領導者,主要提供低功耗、高清視訊壓縮與影像處理的解決方案,在電視廣播市場,安霸技術也得到廣泛應用,來自世界各地的電視節目都經安霸晶片壓縮後傳送。
在業界率先推出了基於最新H.265視訊壓縮標準的高整合SoC晶片,整合了各種關鍵系統功能,提供高性價比的高清整體解決方案,在H.264高清專業廣播編碼設備市場,擁有近90%的市場。在IP Cam領域代表性的解決方案是A2A5A5SA7A9
美國類比元件公司(ADI)
ADI公司在DSP晶片市場上也佔有一定的市佔率,先後推出具有自己特點的DSP晶片,其Blackfin系列的DSP具有功耗小,運算能力強的特點。其中的BF531具有非常好的性價比,批量價格只有5美元,比較合適在低端的網路攝影機的方案中採用,不過現在BF531只能處理到CIFMPEG4編碼,在很多對於圖像清晰度要求高的場合無法滿足。
另外ADI還有一款BF561也是比較合適的產品,這是一個雙核的DSP,能夠處理到D1的解析度。
NXP(恩智浦半導體)

NXP晶片屬於工業級別,在相對惡劣的環境使用具有很強的優勢;ROI功能,碼流非常低,最高可低至512K,為用戶使用手機觀看高清、流暢畫質提供了可能;業界高端的highprofile級別的H.264編碼方式,高壓縮比,高影像品質,基於CPU的強大處理能力,可以在前端植入智慧分析演算法,可極大地緩解後端處理壓力,同時強大的3D降噪能力,不會有噪點在那裡一閃一閃的感覺,給人感覺看過去就是一幅畫那麼平靜;先進的AWB控制,色彩還原性能良好等等,NXP晶片方案在市場具有很強的競爭力。
                                                                                                                                                                                                                            

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