浅析高清百万像素网络摄像机

高清及高清百万像素的定义

　　在这个“高清”横行的时代，随处可以看见冠以高清“头衔”的产品，那到底什么是高清？什么又是百万像素网络摄像机呢？

　　目前，高清的定义只出现在广电行业，按照有关的标准，一般显示比例为16：9，至少能解析1080i（分辨率1920×1080）的数字信号，或扫描线数垂直和水平方向都必须达到720P的数字信号，只有满足或超到以上标准的产品才能被归类为高清产品。

　　高清百万像素网络摄像机是指能按大于12FPS 连续采集最大分辨率大于720P(1280*720)，甚至超过Full HD（1080P，分辨率1920*1080）到更高的2048×1536画面的网络摄像机。满足上文高清定义中提及的高清指标扫描线数垂直和水平方向都达到720P数字信号要求，可被理解为高清产品中百万像素级别。如市场上常见的1.3 Megapixel、2.0 Megapixel Video Network Camera等便是所谓的高清130万或200万像素网络摄像机。

　　一般百万像素网络摄像机较传统模拟摄像机、普通网络摄像机具如下优势：
　　1、采用百万像素级传感器，能获得更多的视频信息，一般可达1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率；
　　2、图象显示质量更高，能够更好地捕捉细节；
　　3、逐行扫描CCD/COMS动态画面表现更流畅；
　　4、可支持HDTV的宽屏输出模式（16:9）；
　　5、覆盖面更广，相同监视区域可以替代原有的多个固定点摄像机和一个全方位摄像机。

　　摄像机的清晰度取决于Sensor性能，CCD与CMOS两种感光芯片相比，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制、高质量图像输出、动态影像表现方面都要优于COMS，所以绝大部分专业摄像机仍是选择CCD作为感光芯片，且高清百万像素网络摄像机选用的Sony 最高级ICX系列感光芯片具超低灵敏度照度，在黑暗的环境下取得更清晰的图像，是普通摄像机无法实现的。

　　一般市场上高清百万像素网络摄像机常用选用的感光芯片（Sensor） 型号列表如下：

传输、编码压缩方式

　　现今，高清百万像素网络摄像机的信号传输一般有2种：一种为Mono/RAW传输，直接通过模数转换器芯片转换成数字信号不进行任何压缩编码在网络上传输，直接将数据传输给计算机并借助计算机的处理手段在计算机中显示出来，代表产品如Prosilica GC-Series系列、Basler scout系列高清百万像素网络摄像机；另外一种为编码传输。

    现今网络摄像机编码压缩方式主要有：

JPEG、MJPEG

    JPEG压缩技术可以说是所有图像压缩技术的基础。它适合静态图像的压缩，直接处理整个画面，压缩倍数为20-80倍，分辨率没有选择的余地。所以要等到整个压缩档案传输完成才开始进行解压缩成影像画面，而这样的方式造成传输一个高解析画面时须耗时数十秒甚至数分钟。

    而MJPEG(Motion JPEG)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：其一、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。其二、压缩效率低，存储占用空间较大。
后来又出现了多层式JPEG（ML-JPEG）压缩技术，它采取渐层式技术，先传输低解析的图档，然后再补送更细节的压缩资料，使画面品质改善。这种方式所需的时间虽然与原先的方式一样。但由于可以先看到画面，所以使用者会觉得这种方式较好。

MPEG-4

　　MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成为国际性标准，随后为扩展用途又进行了第二版的开发，于1999年底结束。起初，MPEG-4主要应用于视像电话（VideoPhone）,视像电子邮件（VidoEmail）和电子新闻（Electronicnews）等领域，其对传输速率要求较低，一般在4800-64000bits/sec之间。这项技术利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传送资料，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。这是一个有交互性的动态图像标准。

　　目前，MPEG-4被主要应用于三个领域：数字电视、交互式的图形应用（包括内容上的合成技术）、交互式多媒体领域。MPEG-4提供了标准的技术使其能被整合到产品、分类、内容访问等过程中去。

　　MPEG4在网络视频监控应用中的优势主要包括以下几方面：
　　1、节约存储空间：视音频全同步40M--120M/路/小时，是同质量的MPEG1或MJPEG的1/10；节省存储硬盘成本投入以及后期的硬盘更换费用；
　　2、占用网络传输带宽少：由于压缩比是同质量的MPEG1和MJEPG的十倍多，所以网络传输时占用的带宽是同质量的MPEG1和MJEPG的1/10。如在64K的带宽上，MPEG1和MJEPG平均只能传1/2帧，而MPEG4可以传5--7帧，将大幅度节省了传输线路租用费；
　　3、错误恢复能力强：当网络传输有误码或丢包现象时，MPEG4受的影响很小并且能够迅速恢复。如在误码达到1%时，MPEG1已经无法播放，而MPEG4只会有轻微的边缘模糊；再如当网络传输由瞬间丢包现象时，MPEG1恢复至少需要10多秒，而MPEG4只需要1~3秒；
　　4、图像质量高：可以达到接近DVD的效果；
　　5、可变带宽：网络输出速率从56K--384K可调。
　　国内、外大部分百万像素网络摄像机产品(如AXIS)一般使用MJPEG/MPEG-4视频流编码传输。

H.264

　　H.264是由国际电信联盟(iTU-T)所制定的新一代的视频压缩格式。H.264最具价值的部分是更高的数据压缩比。在同等的图像质量，H.264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的 MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。在 MPEG-2需要6Mbps的传输速率匹配时，H.264只需要1Mbps--2Mbps的传输速率。目前H.264已经获得DVD Forum与Blu-ray Disc Association采纳，成为新一代HD DVD的标准，不过H.264解码算法更复杂，计算要求比WMA-HD还要高。我们知道ATI从Radeon X1000系列、NVIDIA从GeForce 6系列开始绝大部分显卡均加入了对H.264硬解码的支持。在国内，以海思Hi-3511芯片开发的高清百万像素摄像机一般采用H.264 Baseline Profile @Level 2.2压缩算法。

　　高清百万像素网络摄像机应属当前数字视频产品中比较领先的，质量高、功能全，应该属于业内高端产品。但此类摄像机因为有网络资源占用、不同系统兼容、设备价格等各种原因还没有引起市场上更多的注意。

高清百万像素网络摄像机选购要点

　　从当前市场推出的高清百万像素网络摄像机来看，采用的压缩方式仍然以RWR/MJPEG/MPEG4 为主，而在其带宽、传输速率方面没有更加明确的量化数据，使得用户虽然了解其超高的图象质量，但仍然对其在如此高图象质量下的图像连续性和传输所需的带宽产生疑惑。因此这类产品在选择时需要注意如下几点：

　　1、确切了解高质量图像下的实际带宽、传输速率等量化指标，并针对项目建设的网络资源进行科学评估；
　　2、采用CCD还是COMS感光芯片？若CCD芯片方案，其采用何种（单通道/多通道）“输出平衡”技术，帧速率是否满足实际需求；
　　3、光学镜头的配合问题，必须配套使用工业级百万镜头否则无法体现出摄像机的高清画质优点；
　　4、充分考察此类产品在低照度环境下的实际表现，尤其是厂商采用何种技术来补偿低照度下的成像；
　　5、考察此类产品的软件功能及SDK技术支持，以便与其它系统或其它设备兼容使用。
　　如恒业国际NCC-4514型号高清百万像素网络摄像机：采用2/3" CCD ExView HAD progressive scan Sony ICX285，分辨率1.4 Megapixel，清晰度>800线；采用Gigabit Ethernet数据接口，帧率达15.2帧/秒；快门速度1/50000s -- 0.06s可调，支持自动曝光；增益91--1023调节范围可调，且支持自动增益；闪光灯控制信号输出；内置用户自定义数据区；提供SDK，支持用户二次开发等。

　　参考以上产品参数可以知道Sony ICX285这款单通道逐行扫描CCD芯片分辨率为140万像素，帧速率最大为15FPS/s（即22MB/s）。若应用于电子警察、治安卡口等智能交通应用上，其140万像素高清分辨率及超低灵敏度照度能在夜间得到清晰的闯红灯系统红绿灯状态信息图片，15.2FPS/S的速率完全高于智能交通系统功能所需的4-5FPS/S要求；NCC-4514特别改进采用千兆网(GigE)接口，相比市场上主流的100M接口，1Gb/s的传输速率大幅提高，使得传输速率不再是实际应用中的瓶颈；直连长度最大90m距离，大大增强了产品应用灵活性，通过以太网可远程控制摄像机，使用方式不再受限于距离限制；摄像机硬件实现连续、触发模式下自动增益，自动曝光等特性，又使得该产品特别适合超速抓拍、电子警察、卡口监控等智能交通应用场合。

　　高清百万像素网络摄像机让监控的图像更加清晰和细腻，对于一些需要更高像素画质的场合，例如：火车站广场的监控：既要求摄像机能大范围的控制人流的动向，又要求在录像回放中能够识别人物的脸部特征。

结语

　　随着国际市场和国内市场对于监控系统的普及和大量使用，人们对图像的要求越来越高：从最开始的能看到图像，到现在的要清晰的图像，到今后的能进行处理分析的高清晰图像。整个市场高清化、网络化、智能化的氛围，消费者的需求无疑刺激高清百万像素网络摄像机等高清技术与产品的快速普及。