淺析高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

高清及高清百萬(wàn)像素的定義

　　在這個(gè)“高清”橫行的時(shí)代，隨處可以看見(jiàn)冠以高清“頭銜”的產(chǎn)品，那到底什么是高清？什么又是百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)呢？

　　目前，高清的定義只出現(xiàn)在廣電行業(yè)，按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，一般顯示比例為16：9，至少能解析1080i（分辨率1920×1080）的數(shù)字信號(hào)，或掃描線數(shù)垂直和水平方向都必須達(dá)到720P的數(shù)字信號(hào)，只有滿足或超到以上標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能被歸類為高清產(chǎn)品。

　　高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是指能按大于12FPS 連續(xù)采集最大分辨率大于720P(1280*720)，甚至超過(guò)Full HD（1080P，分辨率1920*1080）到更高的2048×1536畫(huà)面的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。滿足上文高清定義中提及的高清指標(biāo)掃描線數(shù)垂直和水平方向都達(dá)到720P數(shù)字信號(hào)要求，可被理解為高清產(chǎn)品中百萬(wàn)像素級(jí)別。如市場(chǎng)上常見(jiàn)的1.3 Megapixel、2.0 Megapixel Video Network Camera等便是所謂的高清130萬(wàn)或200萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

　　一般百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)較傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)、普通網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具如下優(yōu)勢(shì)：
　　1、采用百萬(wàn)像素級(jí)傳感器，能獲得更多的視頻信息，一般可達(dá)1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率；
　　2、圖象顯示質(zhì)量更高，能夠更好地捕捉細(xì)節(jié)；
　　3、逐行掃描CCD/COMS動(dòng)態(tài)畫(huà)面表現(xiàn)更流暢；
　　4、可支持HDTV的寬屏輸出模式（16:9）；
　　5、覆蓋面更廣，相同監(jiān)視區(qū)域可以替代原有的多個(gè)固定點(diǎn)攝像機(jī)和一個(gè)全方位攝像機(jī)。

　　攝像機(jī)的清晰度取決于Sensor性能，CCD與CMOS兩種感光芯片相比，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制、高質(zhì)量圖像輸出、動(dòng)態(tài)影像表現(xiàn)方面都要優(yōu)于COMS，所以絕大部分專業(yè)攝像機(jī)仍是選擇CCD作為感光芯片，且高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選用的Sony 最高級(jí)ICX系列感光芯片具超低靈敏度照度，在黑暗的環(huán)境下取得更清晰的圖像，是普通攝像機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　一般市場(chǎng)上高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)常用選用的感光芯片（Sensor） 型號(hào)列表如下：

傳輸、編碼壓縮方式

　　現(xiàn)今，高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的信號(hào)傳輸一般有2種：一種為Mono/RAW傳輸，直接通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)不進(jìn)行任何壓縮編碼在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，直接將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)并借助計(jì)算機(jī)的處理手段在計(jì)算機(jī)中顯示出來(lái)，代表產(chǎn)品如Prosilica GC-Series系列、Basler scout系列高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；另外一種為編碼傳輸。

    現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼壓縮方式主要有：

JPEG、MJPEG

    JPEG壓縮技術(shù)可以說(shuō)是所有圖像壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)。它適合靜態(tài)圖像的壓縮，直接處理整個(gè)畫(huà)面，壓縮倍數(shù)為20-80倍，分辨率沒(méi)有選擇的余地。所以要等到整個(gè)壓縮檔案?jìng)鬏斖瓿刹砰_(kāi)始進(jìn)行解壓縮成影像畫(huà)面，而這樣的方式造成傳輸一個(gè)高解析畫(huà)面時(shí)須耗時(shí)數(shù)十秒甚至數(shù)分鐘。

    而MJPEG(Motion JPEG)是在JPEG基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的動(dòng)態(tài)圖像壓縮技術(shù)，它只單獨(dú)的對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮，而基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化。通過(guò)此壓縮技術(shù)可獲取清晰度很高的視頻圖像，而且可靈活設(shè)置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)，并且壓縮后的畫(huà)面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯：其一、丟幀現(xiàn)象嚴(yán)重、實(shí)時(shí)性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實(shí)時(shí)壓縮。其二、壓縮效率低，存儲(chǔ)占用空間較大。
后來(lái)又出現(xiàn)了多層式JPEG（ML-JPEG）壓縮技術(shù)，它采取漸層式技術(shù)，先傳輸?shù)徒馕龅膱D檔，然后再補(bǔ)送更細(xì)節(jié)的壓縮資料，使畫(huà)面品質(zhì)改善。這種方式所需的時(shí)間雖然與原先的方式一樣。但由于可以先看到畫(huà)面，所以使用者會(huì)覺(jué)得這種方式較好。

MPEG-4

　　MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成為國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，隨后為擴(kuò)展用途又進(jìn)行了第二版的開(kāi)發(fā)，于1999年底結(jié)束。起初，MPEG-4主要應(yīng)用于視像電話（VideoPhone）,視像電子郵件（VidoEmail）和電子新聞（Electronicnews）等領(lǐng)域，其對(duì)傳輸速率要求較低，一般在4800-64000bits/sec之間。這項(xiàng)技術(shù)利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)，壓縮和傳送資料，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。MPEG-4的特點(diǎn)是其更適于交互AV服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。這是一個(gè)有交互性的動(dòng)態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前，MPEG-4被主要應(yīng)用于三個(gè)領(lǐng)域：數(shù)字電視、交互式的圖形應(yīng)用（包括內(nèi)容上的合成技術(shù)）、交互式多媒體領(lǐng)域。MPEG-4提供了標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)使其能被整合到產(chǎn)品、分類、內(nèi)容訪問(wèn)等過(guò)程中去。

　　MPEG4在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾方面：
　　1、節(jié)約存儲(chǔ)空間：視音頻全同步40M--120M/路/小時(shí)，是同質(zhì)量的MPEG1或MJPEG的1/10；節(jié)省存儲(chǔ)硬盤成本投入以及后期的硬盤更換費(fèi)用；
　　2、占用網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬少：由于壓縮比是同質(zhì)量的MPEG1和MJEPG的十倍多，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)占用的帶寬是同質(zhì)量的MPEG1和MJEPG的1/10。如在64K的帶寬上，MPEG1和MJEPG平均只能傳1/2幀，而MPEG4可以傳5--7幀，將大幅度節(jié)省了傳輸線路租用費(fèi)；
　　3、錯(cuò)誤恢復(fù)能力強(qiáng)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸有誤碼或丟包現(xiàn)象時(shí)，MPEG4受的影響很小并且能夠迅速恢復(fù)。如在誤碼達(dá)到1%時(shí)，MPEG1已經(jīng)無(wú)法播放，而MPEG4只會(huì)有輕微的邊緣模糊；再如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸由瞬間丟包現(xiàn)象時(shí)，MPEG1恢復(fù)至少需要10多秒，而MPEG4只需要1~3秒；
　　4、圖像質(zhì)量高：可以達(dá)到接近DVD的效果；
　　5、可變帶寬：網(wǎng)絡(luò)輸出速率從56K--384K可調(diào)。
　　國(guó)內(nèi)、外大部分百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品(如AXIS)一般使用MJPEG/MPEG-4視頻流編碼傳輸。

H.264

　　H.264是由國(guó)際電信聯(lián)盟(iTU-T)所制定的新一代的視頻壓縮格式。H.264最具價(jià)值的部分是更高的數(shù)據(jù)壓縮比。在同等的圖像質(zhì)量，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比能比當(dāng)前DVD系統(tǒng)中使用的 MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。正因?yàn)槿绱�，�?jīng)過(guò)H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì)。在 MPEG-2需要6Mbps的傳輸速率匹配時(shí)，H.264只需要1Mbps--2Mbps的傳輸速率。目前H.264已經(jīng)獲得DVD Forum與Blu-ray Disc Association采納，成為新一代HD DVD的標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)H.264解碼算法更復(fù)雜，計(jì)算要求比WMA-HD還要高。我們知道ATI從Radeon X1000系列、NVIDIA從GeForce 6系列開(kāi)始絕大部分顯卡均加入了對(duì)H.264硬解碼的支持。在國(guó)內(nèi)，以海思Hi-3511芯片開(kāi)發(fā)的高清百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)一般采用H.264 Baseline Profile @Level 2.2壓縮算法。

　　高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)屬當(dāng)前數(shù)字視頻產(chǎn)品中比較領(lǐng)先的，質(zhì)量高、功能全，應(yīng)該屬于業(yè)內(nèi)高端產(chǎn)品。但此類攝像機(jī)因?yàn)橛芯W(wǎng)絡(luò)資源占用、不同系統(tǒng)兼容、設(shè)備價(jià)格等各種原因還沒(méi)有引起市場(chǎng)上更多的注意。

高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選購(gòu)要點(diǎn)

　　從當(dāng)前市場(chǎng)推出的高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來(lái)看，采用的壓縮方式仍然以RWR/MJPEG/MPEG4 為主，而在其帶寬、傳輸速率方面沒(méi)有更加明確的量化數(shù)據(jù)，使得用戶雖然了解其超高的圖象質(zhì)量，但仍然對(duì)其在如此高圖象質(zhì)量下的圖像連續(xù)性和傳輸所需的帶寬產(chǎn)生疑惑。因此這類產(chǎn)品在選擇時(shí)需要注意如下幾點(diǎn)：

　　1、確切了解高質(zhì)量圖像下的實(shí)際帶寬、傳輸速率等量化指標(biāo)，并針對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行科學(xué)評(píng)估；
　　2、采用CCD還是COMS感光芯片？若CCD芯片方案，其采用何種（單通道/多通道）“輸出平衡”技術(shù)，幀速率是否滿足實(shí)際需求；
　　3、光學(xué)鏡頭的配合問(wèn)題，必須配套使用工業(yè)級(jí)百萬(wàn)鏡頭否則無(wú)法體現(xiàn)出攝像機(jī)的高清畫(huà)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)；
　　4、充分考察此類產(chǎn)品在低照度環(huán)境下的實(shí)際表現(xiàn)，尤其是廠商采用何種技術(shù)來(lái)補(bǔ)償?shù)驼斩认碌某上瘢?BR>　　5、考察此類產(chǎn)品的軟件功能及SDK技術(shù)支持，以便與其它系統(tǒng)或其它設(shè)備兼容使用。
　　如恒業(yè)國(guó)際NCC-4514型號(hào)高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)：采用2/3" CCD ExView HAD progressive scan Sony ICX285，分辨率1.4 Megapixel，清晰度>800線；采用Gigabit Ethernet數(shù)據(jù)接口，幀率達(dá)15.2幀/秒；快門速度1/50000s -- 0.06s可調(diào)，支持自動(dòng)曝光；增益91--1023調(diào)節(jié)范圍可調(diào)，且支持自動(dòng)增益；閃光燈控制信號(hào)輸出；內(nèi)置用戶自定義數(shù)據(jù)區(qū)；提供SDK，支持用戶二次開(kāi)發(fā)等。

　　參考以上產(chǎn)品參數(shù)可以知道Sony ICX285這款單通道逐行掃描CCD芯片分辨率為140萬(wàn)像素，幀速率最大為15FPS/s（即22MB/s）。若應(yīng)用于電子警察、治安卡口等智能交通應(yīng)用上，其140萬(wàn)像素高清分辨率及超低靈敏度照度能在夜間得到清晰的闖紅燈系統(tǒng)紅綠燈狀態(tài)信息圖片，15.2FPS/S的速率完全高于智能交通系統(tǒng)功能所需的4-5FPS/S要求；NCC-4514特別改進(jìn)采用千兆網(wǎng)(GigE)接口，相比市場(chǎng)上主流的100M接口，1Gb/s的傳輸速率大幅提高，使得傳輸速率不再是實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸；直連長(zhǎng)度最大90m距離，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品應(yīng)用靈活性，通過(guò)以太網(wǎng)可遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)，使用方式不再受限于距離限制；攝像機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)連續(xù)、觸發(fā)模式下自動(dòng)增益，自動(dòng)曝光等特性，又使得該產(chǎn)品特別適合超速抓拍、電子警察、卡口監(jiān)控等智能交通應(yīng)用場(chǎng)合。

　　高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)讓監(jiān)控的圖像更加清晰和細(xì)膩，對(duì)于一些需要更高像素畫(huà)質(zhì)的場(chǎng)合，例如：火車站廣場(chǎng)的監(jiān)控：既要求攝像機(jī)能大范圍的控制人流的動(dòng)向，又要求在錄像回放中能夠識(shí)別人物的臉部特征。

結(jié)語(yǔ)

　　隨著國(guó)際市場(chǎng)和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的普及和大量使用，人們對(duì)圖像的要求越來(lái)越高：從最開(kāi)始的能看到圖像，到現(xiàn)在的要清晰的圖像，到今后的能進(jìn)行處理分析的高清晰圖像。整個(gè)市場(chǎng)高清化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的氛圍，消費(fèi)者的需求無(wú)疑刺激高清百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等高清技術(shù)與產(chǎn)品的快速普及。