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高清网络摄像机的几个专业性问题分析

文章发布日期:2014-07-08 21:07:21
什么是高清监控?

对于视频监控而言,图像清晰度无疑是最关键的特性。图像越清晰,细节越明显,观看体验越好,智能等应用业务的准确度也越高。所以图像清晰度是视频监控永恒的追求。

衡量图像清晰度的标准是分辨率,单位是像素。这个值越大,图像越清晰。所谓高清、标清,差异也就体现在这里。两者之间的分界线就是百万像素或720p,达到百万像素或720p的就是高清。基于这样的标准,目前视频监控市场占主流的CIF和D1都属于标清。

无论是从分辨率、显示效果还是流畅度来看,高清都比标清更有优势。从分辨率来看,720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率 是CIF分辨率的20倍,在同样的显示环境下,高清会清晰得多。从显示效果来看,高清既支持大屏显示,又支持16:9宽屏显示,可以大大增强用户的观看体 验。从流畅度来看,高清支持更高的帧率,比如720p和1080i/1080p都可以支持60帧/秒或60场/秒,其图像流畅度比标清要高一倍。所以,高 清监控必然将取代标清监控。

高清监控的前端为什么一定是高清网络摄像机?

我们知道,传统的标清监控分为模拟、数字和网络三种类型。模拟监控的前端是模拟摄像机,后端是矩阵。数字监控的前端也是模拟摄像机,后端是DVR。网络监 控的前端有两种,一种是模拟摄像机+视频编码器,一种是网络摄像机,后端是平台。也就是说,在标清监控时代,前端有模拟摄像机、网络摄像机、视频编码器+ 模拟摄像机等多种类型。

那为什么到了高清监控时代,前端一定是高清网络摄像机呢?原因主要在两个方面。

第一,高清监控一定是网络化的,必然是基于视频压缩处理并通过IP网络进行传输的,因为只有这样才能控制高清视频的传输成本。

采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般 采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,不适合用于监控传输,而HD-SDI虽可以传输100米左右,但对 同轴电缆的要求很高,线缆的价格也非常昂贵。无论是模拟方式还是数字方式传输,未经压缩的高清视频信号传输成本都明显高于以前的模拟标清视频信号。而采用 视频压缩编码并通过IP网络进行传输时,高清视频与标清视频在传输成本上的差异很小。

第二,直接用高清网络摄像机进行前端处理的效率和成本比用高清视频编码器+高清摄像机要更有优势。

当前高清视频传感器以CMOS为主,CMOS传感器直接输出数字化的视频信号,在摄像机中通过DSP或ASIC对此数字高清视频信号直接进行压缩编码,然后以网络化方式传输,要比摄像机直接输出高清信号来得经济,且处理效率更高。

这就是为什么目前市面上我们能够看到的所有高清监控前端都是高清网络摄像机的原因。

CCD和CMOS哪一个更适合高清网络摄像机?

网络摄像机的核心组成部分有三块:镜头、图像传感器以及压缩处理芯片。其中,图像传感器是图像采集处理部分的核心。

图像传感器有CMOS和CCD两种。两者之间的差异大家已经讨论得非常多了,主要体现在灵敏度、成本、噪声、功耗等几个方面:1)在象素尺寸相同的情况 下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器;2)CCD传感器的成本比CMOS传感器高;3)相同尺寸的CCD传感器分辨率通常优于CMOS传感 器;4)与CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声更大;5)CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,高驱动电压更使其功耗远高于CMOS 传感器的水平。

在标清监控时代,无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机,使用最广泛的是CCD。而在高清监控时代,情况将会有所改变。高清监控对成本非常敏感,CMOS传 感器尽管图像品质总体上还不如CCD,但它在成本上的优势对CCD还是造成了非常大的威胁。当然,两者博弈的结果最终将由性价比决定,谁既能保证比较好的 图像品质又不贵谁就胜出。

从目前的趋势来看,CMOS胜出的机会明显更大。一方面,随着技术的发展,CMOS的灵敏度正在得到快速改善,据悉目前市场上致力于CMOS研究的厂商已 经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。另一方面,尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器,但如果不考虑 尺寸限制,CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难,这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外,CMOS响应速度比CCD快,因 此更适合高清监控的大数据量特点。

因此,尽管CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势,但随着CMOS工艺和技术的不断提升,以及高端CMOS价格的不断下降,未来高清网络摄像机将更多的选择CMOS。

HDTV和百万像素究竟有什么差异?

前面我们提到,衡量图像清晰度的标准是分辨率,所谓高清,分辨率必须达到百万像素或720p。那么百万像素和720p有什么差异?

720p源自美国电影电视工程师协会(SMPTE)制定的HDTV标准。根据该标准,真正符合高清视频的格式主要有以下三种:

720p:1280*720分辨率,16:9宽屏显示,逐行扫描/60Hz

1080i:1920*1080分辨率,16:9宽屏显示,隔行扫描/60Hz

1080p:1920*1080分辨率,16:9宽屏显示,逐行扫描/60Hz

此外,该标准还详细定义了每一种分辨率所对应的帧率等数据。因此,满足任何给定HDTV标准的高清网络摄像机必然支持一个或多个特定分辨率、帧率以及色彩保真度,从而始终能够确保规定的视频质量。

而百万像素并不是一个公认的标准,它仅仅是代表一个行业最佳实践的概念,具体指的是网络摄像机的图像传感器元素数量。也就是说,当我们听到一个高清网络摄 像机说支持百万像素、两百万像素或五百万像素时,我们并不知道这个摄像机的帧率是多少、视频宽高比如何、隔行还是逐行、色彩保真度怎么样等等,而这些信息 同样是衡量一个高清网络摄像机性能的重要参照。

因此,符合HDTV720p/1080i/1080p标准的高清网络摄像机毫无疑问将成为主流。

MJPEG和H.264谁将主导高清网络摄像机的视频编码?

视频编码是高清网络摄像机的一项关键参数,它决定了所传输视频的图像质量以及需要的网络带宽。我们目前看到的高清网络摄像机视频编码标准主要有MJPEG和H.264两种。

MJPEG(MotionJPEG)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: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;二,压缩效率低,传输带宽和存储空间占用大。

H.264是ITU-T和ISO共同成立的JVT联合视频工作组制定的新一代视频编码标准,用来实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目 标。H.264不仅比MJPEG节约了80%以上的码率,而且对网络传输具有更好的支持功能。H.264引入了面向IP包的编码机制,有利于网络中的分组 传输,支持网络中视频的流媒体传输,支持不同网络资源下的分级编码传输,从而获得平稳的图像质量。H.264可以在更低的带宽下实现720p、 1080i/p的广播级高清视频分辨率。

尽管MJPEG能够获得比较好的单幅图像质量,但由于它在运动性、带宽占用以及存储空间占用方面均有致命缺陷,高清网络摄像机未来必然以H.264为主。

高清网络摄像机能够全面代表高清监控吗?

对于高清而言,要真正取代标清,有一个重要的障碍需要克服,就是如何在低成本下保证方案的完整性。根据传统监控的应用特点,高清只有在覆盖前端、中心管 理、录像存储、解码显示等各个环节时才有意义。而目前,我们看到的所有高清产品都仅仅停留在前端,即高清网络摄像机,后端的管理、存储、解码都没有,还无 法全面推广。

因此,对于高清监控而言,只有高清网络摄像机是不够的。高清网络摄像机仅仅是完成前端功能,而更全面的高清应用还需要一系列后端部分的配合。科达在09年 末发布的全高清系列产品与解决方案就率先走出了这一步,它通过高清网络摄像机、高清NVR、高清电视墙以及高清客户端的全面配合,为用户提供完整的端到端 高清监控解决方案,同时保证系统的高性价比。