浅谈网络摄像机与编码器的发展趋势

    近年来，网络摄像机在国内市场开始强势抬头，其以安装方便、配置简单、网络结构清晰，图象质量好等优势和特点，逐渐被市场认可。

    2007年至2008年，网络摄像机不断在国内外市场中“攻城拔寨”，步步“蚕食”编码器市场份额。尤其是平安城市、北京奥运会、上海世博会作为当前网络摄像机发展的助推力，使得网络摄像机在中国的应用市场中，数量开始呈现几何倍数地增长，目前网络摄像机正在以超过100％的速度增长。业内普遍预测，经过未来两到三年的市场拓展，网络摄像机将成为视频监控市场的主流，我们也相信，网络摄像机会在未来几年将逐步成为监控领域里一个主流的产品。在数字化和网络化概念冲击模拟技术的时代，我们如何运用数字化和网络化的思维来认识视频监控产品，尤其是网络摄像机？

    首先，我们必须了解编码器，网络摄像机之间的区别。

    一、编码器、网络摄像机监控系统的基本架构特征对比

    编码器:

    网络摄像机:

    从上图可知 编码器、网络摄像机建设监控系统的一个基本架构特征：

    编码器：模拟摄像机+ 模拟视频传输线 + 网络存储系统

    网络摄像机: 内嵌摄像头+网络存储系统

    二、摄像头解决方案的对比

    编码器的摄像头解决方案采用的是模拟技术，即模拟摄像机+ 模拟传输线。其工作原理是，模拟视频信号通过模拟传输线，再传送给编码器，然后进行数字化、编码、网络传输、存储。

    而大家知道，模拟摄像机输出的信号是CVBS格式的视频信号， 由于受到N/P制规范的约束，CVBS信号支持的最大分辨率为D1，即P制下704x576或N制下 704x480，也就是说CVBS的最高像素仅仅在36万左右，而且这种像素分辨率是隔行的。

    当对图像质量要求更高时，比如百万像素，或者逐行图像时（CMOS输出的都是逐行图像），标准的CVBS信号的传输方式是无法实现的。当然也可以专门为高解析度的图像设计专用的传输线路，但是这种线路需要采用千兆同轴电缆或光纤才可能实现，很显然，高昂的成本是厂家或用户无法接受。因此编码器的这种摄像头解决方案，是难以设计出高解析度的产品。

    模拟传输线路的另一个问题是：模拟信号在传输过程中损耗很大，随着传输距离的增加，信噪比急剧增加，这就使得图像质量迅速下降，并且由于在传输过程中引入了大量噪声，这就使得编码器的视频压缩编码难度增加，也使得视频的码率会成倍上升，进而使得在低带宽的网络下传输难度增加，也使得视频存储的硬盘空间需求加大，也就是说模拟传输不仅使得图像质量容易降低，也使传输和存储的成本增加。

    另外，模拟传输线路还有一个问题是：不安全！大家都知道，CVBS信号格式是一个开放的标准，视频信息在同轴电缆上传输时，没有任何加密和认证机制。只要知道视频电缆的位置，任何人可以通过移花接木的手段来观看和切换视频。大家看过欧美的一些大片电影，如“偷天换日”，“紧急迫降”等电影里的场景，那些犯罪者就是通过移花接木的方式来切换视频信号，以逃避视频监控人员的视频监控。也就是说模拟传输线路无法保证视频信号的安全。

    相反，网络摄像机由于是采用了内嵌摄像头的解决方案，摄像头感光器件获得的图像不需要远程传输，直接传输给编码模块，这就回避了N/P规范的制约问题，避免了CVBS信号对图像解析度限制的问题，也就是说网络摄像机能够提供高质量、低码率的图像，图像解析度可支持百万像素以上、也可支持逐行的图像。另外，网络摄像机的视频信号可以进行安全加密，这就确保了传输过程的安全，进而可以有效地防范非法用户的窃听和篡改。

    我们说，为什么会有网络摄像机这种产品？其根本原因就在于此。

    三、网络摄像机原理架构及技术分析

    当今随着网络技术的迅速发展，网络摄像机技术被逐渐到应用到我国安全防范领域。在近期安防展上，一些公司就展示出了新型的网络摄像机超低码流网络摄像机，其原理结构与主要特点如下。

    其工作过程为：光传感模块采集视频，将其传送给MPEG编码模块进行编码；拾音器采集语音，将其传给音频编码模块进行编码；最后，音视频传输模块将编码后的音视频流通过IP网络传输到CMS中心。根据其基本结构，我们可以看到网络摄像机有4个技术关键点。

    1、光传感模块

    该模块设计的关键在于准确地配置光传感芯片， 使其在各种光的环境下图像质量都好，另外要尽可能抑制电子噪声（因为MPEG编码算法对噪声编码效率很低，信噪比较低有噪声时，MPEG编码时码率会成倍的增加）。对该模块的设计，传统的模拟Camera厂家有一定的技术优势。

    2、MPEG视频编码模块

    1）编码格式是否符合标准

    因为，标准就意味着能实现不同平台，不同厂家产品的互连互通；标准也意味构建大型系统（电信级别系统）时所带了的成本优势。关于标准格式的码流很容易判别，只需要使用微软的Media player或苹果的QuickTime，看看它们能否播放录制的视频流文件即可。

    行业主流的编码算法有MPEG-4和H.264， 理论上H.264的码率为MPEG-4的一半。但这不是说任何厂家的H.264算法都是好的。

    对编码算法的误区认识：那就是仅关心是否采用了H.264，认为如果两个厂家的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，其中包含了20多年来对视频编码的所有研究成果，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。因此，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。哪家芯片选择的算法子集好，其压缩出来的图像质量就越好。可惜，这对于芯片设计公司来说是技术秘密，客户不能获得这个信息。

    那么怎样判别一个H.264芯片的好坏呢？我们可以使用图象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。目前，我国安防公司的网络摄像机基本上都采用的是真正的H.264芯片，不仅保证了视频压缩质量，也极大地减小了传输码流。

    3、音频编码模块

    我们相信大多数人的直觉是音频编码是很简单的。实际的事实是，如果客户想要网络摄像机通过低带宽的网络（如CDMA、甚至未来的3G、IP公网）传送音频时，音频编码会变得比较关键。其根本的原因是当网络带宽较低时，数据在IP网络传输时会丢包。对于视频来讲，因为视频的前后帧之间的关联度很大（前后帧基本是相同的），数据是可以丢帧的，丢掉一些帧后，并没有丢失太多有用的信息。但是，对于声音来讲就不行，前后部分的音频帧却没有任何预测关联特性的，如果一段声音丢弃了，这段声音就彻底没有了。

    目前的网络摄像机大多数采用G711或G726音频压缩算法，它们的码率为64Kbps和28Kbps。大家想象一下，低带宽网络通常在100bps以下，这点带宽传输音频数据都很勉强。一个较好的算法是G723.1，其带宽仅为6.3Kbps。目前我国一些公司的网络摄像机音频采用的就是G723.1的压缩算法，极大的减小了网络带宽。

    4、音视频流传输软件模块

    大家知道，IP网的带宽是共享的，网络线路带宽有限、路由器的吞吐率也有限，因此当负载较大时，数据的传输会发生丢包现象。音视频流在网络上如果采用可靠的TCP进行传输，TCP发现丢包后会进行重发，这样进一步会加重网络的负载压力，负载压力加大后，丢包频率就会更频繁，进而又使重发量加大，形成恶性循环后，严重到甚至会使网络崩溃。

    因此，音视频流在IP网络上要采用不可靠的UDP进行传输，而UDP是一个不可靠的传输协议，这意味着音视频流会被网络丢包。

    如果音视频流丢包严重，远程观看视频时，就会看到图像停顿、马赛克等现象。音视频传输软件模块的设计目标就是尽量减少丢包。其主要实现的的技术就是动态预测网络带宽，自适应地根据网络带宽控制MPEG编码模块的参数，决定如何来发送音视频包，以使丢包量减到最小。

    这就对网络摄像机厂家的软件开发能力、算法研究能力带来了很大的挑战和考验。网络摄像机最终的图像质量如何，特别是较低带宽的网络下传输时图像质量如何，实际上要取决于厂家的软件研发的实力。

    四、结语

    随着行业应用的深入，科技水平的发展，监控系统也逐渐由模拟转入了数字阶段，未来网络摄像机的应用也会越来越多，让我们把握机会，迎接安防领域纯数字阶段的到来。