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常规网络摄像机的应用分析与展望

随着信息社会与网络的发展,使网络摄像机得到极大的发展。至今,在机型、种类方面都有很大改进,尤其是技术的日臻完善,为IP Camera的广泛应用提供了可能。本文主要从IP Camera的分类、应用趋势以及平台整合等方面,辅以常规IP案例对常规IP Camera的应用进行阐析,并从常规IP Camera发展的技术困境中得出人们迫切期待更符合应用需求的新一代IP Camera的出现。
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【安防知识网】网络摄像机(IP Camera),即拥有独立的IP地址和嵌入式的操作系统的一种产品,从而实现网络监控的智能化产品。因此又被叫做IP 摄像机或IP Camera。它可以通过LAN、DSL连接或者是无线网络适配器直接连接到网络上。网络摄像机包括一个镜头、光学过滤器、影像感应器、定时同步驱动控制、信号处理、数字化编码压缩、网络连接服务控制器以及嵌入式操作系统,其还拥有CPU、闪存和动态存储器,即网络摄像机具备微型计算机的功能,且它也是特别为网络应用而设计的。另外新型的网络摄像机还能够配备其它更高级的功能,如动态监测功能等。

  常规IP Camera的分类

  由于生产厂家的不同、技术的差异、用户对IP Camera的需求不同等原因,市场上出现了种类繁多、功能各异的常规网络摄像机。为便于对其分析,做如下分类。

  按应用划分:网络枪机、网络红外摄像机、网络半球机、网络高速球机等

  · 网络枪机:适用于中小家庭或商务办公室,以及需要运用到远程网络视频传输及监控的各种场合;

  · 网络红外摄像机:带红外灯一体化户外经济型网络摄像机,日夜两用,它具有防水效果好、镜面不起雾等特点,适用于银行、超市、写字楼等需夜间监视和录像的场所;

  · 网络半球:是广泛应用于银行、交通、小区等专业监控场所,以及中小商铺和个人家庭等民用监控场所的无线WiFi一体化网络摄像机;

  · 网络高速机:其配置了变焦镜头的高性能数字信号处理(DSP)摄像机,内置云台和数字解码器于一体,代表了新一代高技术监控产品的发展潮流,可任意迅速定位及连续追踪扫描,实现了真正意义上的全方位、无盲点监视,可以适应明暗环境和目标远近的自动调节变化。

  按感光元件划分:CCD网络摄像机和CMOS网络摄像机两种

  CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上,工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术,且由于CCD制造工艺较复杂,采用CCD的摄像机产品的价格相对较贵。事实上经过技术改造,目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经缩小了不少,而且CMOS的制造成本和功耗都要远低于CCD,所以很多摄像机生产厂商也有采用CMOS感光元件。

  成像方面:在相同像素下,CCD的成像通透性、明锐度都较好,色彩还原、曝光都可以保证基本准确。而CMOS的产品通透性往往一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好。由于自身物理特性的原因,CMOS的成像质量和CCD还是存在一定的距离的。但由于它低廉的价格以及高度的集成整合性,因此CMOS技术在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

  按处理器方案划分:目前市场上分为ASIC、FPGA、传统的DSP、MCU(ARM核)+DSP几种方案

  · ASIC:ASIC芯片本身的压缩算法可以帮助加快产品研发进度,比较适合于没有算法基础的研发队伍采用。但是,随着音/视频格式和标准的不断演进,导致这种方案在视频监控领域的广泛应用又成为一种限制;

  · FPGA:具有强大的并行处理能力,在要求复杂和密集的视频信号处理的高端视频监控领域中,理论上FPGA应该具有很大优势,遗憾的是,FPGA的产业生态环境、较大的功耗以及高昂的成本拖了它的后腿,极大限制了其在应用领域中的广泛使用;

  · 传统的DSP:其具有较灵活的处理能力,在数据处理能力方面也更加强大,然而,DSP传统的处理架构的重点还是集中在数据运算能力方面,由于传统DSP在视频监控应用上不够优化,对于那些需要复杂的控制能力和更高速媒体流的系统级应用来说,传统的DSP并不理想——DSP中更多的系统资源被浪费掉;

  · MCU(ARM核)+DSP:由于ARM采用RISC指令集,适合处理控制代码,但对视频编解码则力不从心,DSP则能弥补ARM的不足,其运算能力能够满足人们对视频流畅程度的需求。这种方案的思路集发挥ARM核的控制作用和DSP处理器的处理能力于一体,但是,这一方案的研发成本高,对研发人员的要求也都比较高。 [nextpage]

  常规IP监控系统的行业应用趋势

  智能化需求

  监控系统已开始从企事业单位走向大众的日常生活,监控点数越来越多,单纯依靠人工方式去发现和检索大量的视频数据将会越来越难,尤其现在平安城市的建设如火如荼,公安系统作为最直接的用户将要面对整个城市的监控对象,单靠人工方式很难实现24小时盯着屏幕监控整个城市的一举一动。举一个简单的例子,有一个博物馆丢了一件物品,如果没有智能分析技术,只能将所有的录像文件全部看一遍才有可能找到线索,但若引入智能分析技术,只需设定一个“移走规则”,当指定区域内的物品消失后就会自动报警,提前预防盗窃事件发生。而智能分析技术还有很多可以提供类似的解决方案,包括“闯入规则”、“警戒线规则”以及“人数统计”、“人脸识别”等,这些技术将有效提升监控系统的整体使用效益和效率。

  从国外的市场经验以及人们对网络摄像机的期望看,智能分析技术和网络摄像机技术在同一个历史发展轨迹中找到了一个焦点。智能分析技术是国外一项应用比较成熟的技术,最先由美国国防部提出并开发实现,它改变了传统监控的被动防御地位,变被动为主动,对视频数据进行分析,及时把有用的信息以报警的形式反映给用户,达到预期的防御目的。网络摄像机则是第三代网络视频监控技术的最新代表,它完全集成了成像技术、视频编码技术以及包括云镜控制技术在内的多项网络视频技术,是未来网络视频产品发展的重点。于是在这样一个历史时期,网络摄像机成为智能分析技术的最好载体。

  产品分类细化

  网络摄像机最初的概念似乎只局限在枪式网络摄像机上,随着技术的成熟和用户需求的日益明确化,网络摄像机也衍生出多种类型,并逐步细分市场。目前还可以看到红外一体化网络摄像机、枪式护罩型网络摄像机、快速球型网络摄像机、可变速球型网络摄像机以及无线网络摄像机、网络供电网络摄像机等多种产品,从这些产品中可找到一种共性,即网络摄像机向着更简便、更实用的方向发展。例如红外网络摄像机解决了夜间监控的问题;枪式护罩型网络摄像机实现了在恶劣的环境下的监控需求;快速和可变速网络摄像机解决了网络摄像机云镜控制问题,同时其继承的优秀球机的云台性能也使其可以在多种环境应用中胜任;至于无线网络摄像机则解决了在偏远或不便于搭建网络环境下的网络监控,一举解决了终端接入问题;对于网络供电的网络摄像机则在简便易用的方向上迈进了一大步,目前支持PoE功能的网络摄像机在国外应用得也比较广泛,预测在国内随着厂家推广力度的加大和实际应用环境的改善,这种需求也将会越来越被重视。

  算法的改进

  网络摄像机的核心技术是视频编码技术,目前网络摄像机技术主要是通用DSP芯片技术和ASIC芯片技术两大实现方案。后者的开发难度相对较低,可以直接基于芯片做PCI接口开发,但算法优化空间较小,基本依赖于芯片本身,如INTIME、VWEB、HIS、WIS等芯片;前者的灵活性较高,可以自定义系统功能,包括智能分析技术的引进,但需要厂家自己做算法,如TI、EQUATOR、BLACKFIN等。

  目前国外的网络摄像机产品多使用M-JPEG算法,这种压缩方式能够单独完整地压缩每一帧,在编辑过程中可随机存储每一帧,甚至可进行精确到帧的编辑,正因如此,该种算法的视频文件在国外获得法律认可,不过M-JPEG压缩效率比较低,存储占用的空间大到每帧8〜15kb,最低也只能做到每帧3kb,因此对带宽占用较高,用户只能通过牺牲其帧率来弥补带宽占用较高的缺陷,而国内用户对带宽和帧率要求比较高,即在低带宽下依然满足25fps的传输速率。H.264算法的压缩比是MPEG-2的2-3倍,是MPEG-4的1.5-2倍,在算法的优化上各厂家都有很大的提升空间来满足客户对带宽占用的需求,因此MPEG-4算法尤其是H.264算法在国内大有市场。

  另外,针对行业客户的特殊应用环境,如水面监控、街道监控、广场监控等,需要满足对这些特殊监控对象监控效果进行优化的要求;解决水表浮动澡点、车辆高速运动拖影、人脸模糊等问题也是网络摄像机计算法优化很急需改进的重要方面。

  平台整合的需求

  作为一款监控终端产品,网络摄像机离不开后端平台软件的支持,因此,在系统软件功能、可应用规模、系统扩展性、系统稳定性以及操作人性化等方面将成为未来发展的主要竞争点。在现有网络监控系统中,监控点数和系统用户数都成倍增长,系统级数也越来越多,一套大型网络监控平台是将成百上千个网络终端联合为一个整体的关键,在一个系统中不能只满足于网络摄像机一种产品,还应该兼容更多网络视频服务器、DVR等产品系列。随着国内平安城市的建设,以及电信运营级产品品质要求理念的引入,系统平台应该向着能够具有可网管、抗灾难、有预防、可恢复等方向发展。 [nextpage]

  IPv6 的整合需求

  IPv6作为一种新的网络协议,对于提高网络的地址扩展、安全性、移动性、QOS以及对流的支持有明显优势,对网络视频监控的应用和发展有很大的促进作用,是实现“监控大联网”的有效解决方案。IPv6的应用可以有效弥补监控网络由单级单节点向多级多节点扩展,从局部到城域扩展过程中的网络传输问题,可以大大缩短系统的部署周期,使视频监控系统具有更高的扩展性、安全性、便捷性和移动性。

  相对于IPv4技术, IPv6具有如下优势:

  · IPv6 把IP地址由32 位增加到128位,从而能够支持更大的地址空间,增加路由数的同时扩大了网络的寻址能力,解决了IPv4地址枯竭的问题;

  · 简化了报文格式,丢弃了IPv4报文中的一些冗余部分,提高了报文处理能力并降低了带宽开销,使得网络转发效率更高;

  · IPv6集成了IPSec,适用于网络层的认证与加密,为用户端到端的的网络传输提供了安全;

  · IPv6强大的组播支持、对流支持以及对于QOS的考虑,使得网络上的多媒体应用有了长足发展的空间,为服务质量的控制提供了良好的网络平台;

  · MobileIPv6为移动终端增强了移动特性、安全特性以及路由特性,降低了网络部署的难度和投资,能为用户提供永久在线的服务。

  现有的安防系统需要通过终端设备升级支持IPv6协议栈,它们的结合归根结底是网络视频监控系统终端设备与IPv6网络的结合。目前,在安防行业内的网络视频监控产品,包括网络摄像机、网络视频服务器以及网络视频监控平台软件等,会率先实现对IPv6的应用。IPv6视频监控技术将会在交通管理、应急指挥等大规模网络视频监控中得到广泛应用。

  IPv6的出现是个机遇,安防企业如何能够有效抓住这个机遇来优化产品,完善产品功能、丰富产品应用是关键。

  目前IPv6在中国安防大规模应用的时机还未成熟,IP网络依旧是以IPv4为主,向IPv6的过渡还有很长一段路要走,但网络IPv6化是大势所趋。目前主流网络设备提供商都已经提出相关的IPv6解决方案,同时电信运营商也着手计划部署IPv6网络,一旦现有网络向IPv6过渡完成,网络视频监控设备必然IPv6化。

  网络视频监控设备从IPv4向IPv6过渡的技术难度不大,主要是设备的网络模块从支持IPv4协议栈向IPv4/IPv6双栈过渡,最终过渡到支持IPv6协议栈的过程,对视频编码不会产生很大影响。

  总的来讲,IPv6的出现对网络视频监控技术的发展是起到促进作用的,本质上是对视频流的基础承载环境的优化,会使网络视频监控的应用场景和应用内容更加丰富。

  常规IP监控案例

  IP摄像机利用目前的网络技术是在网络上进行图像传输,它针对动态IP用户、XDSL拨号上网的PPPoE用户提供动态域名解析功能,还支持PPPoE拨号服务功能。

  针对目前国内两种上网方式:WEB认证和PPPoE拨号认证,下面分析三种网络实现方案:

  · 通过共享路由器和xDSL调制解调器,IP Camera对图像在网络上进行传输。

  这是目前最多的网络接入方式,只要将路由器RJ45端口直接联接到IP摄像机,就可以像普通PC接入网络模式一样来接入internet。

  · IP Camera 连接 HUB和xDSL。

  用户需要在IP Camera上面设置PPPoE拨号,输入ISP服务商提供的用户名称和密码,就可将IP Camera 拨号到 internet。

  · IP Camera直接连接到调制解调器。

  此种方式与第二种相同,也需要设置PPPoE拨号。

  目前,网络摄像机技术尚处于开发期,广大厂商都在尝试将网络视频服务器的市场经验转移到网络摄像机上。网络摄像机(无线网络摄像机除外)受其100米网线接入距离的限制,主要在室内环境中使用,如网吧、营业厅、连锁店、大厦、娱乐场所等这些平安城市首先重点建设的地方将会有较广泛的应用,而随着网络摄像机技术的日益成熟以及价格的逐步降低,网络摄像机有望进入民用市场。当然,这得依赖于广大厂商和工程商更多的去开发市场以实现网络摄像机的产业化发展。届时,将在更广泛领域应用网络摄像机,可能会导致网络摄像机的监控职能在概念上有所模糊。

  这是一个难得的历史时期,网络视频技术日臻完善,网络建设基本完成,平安城市开展得如火如荼,中国这个世界上人口最多的国家将营造一个史无前例的监控市场。网络摄像机作为第三代网络监控技术的新宠必将走在时代的前沿并获得长足发展。

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