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解析IP高清摄像机可欲亦可求
        2008年以前,在安防监控领域,IP高清摄像机曾经被人们视为一种“可欲而不可求”的事物。它的“欲”在于网络+高清为我们赋予了太多的幻想,将我们此前太多的憧憬渐渐变成了可能。但是它的“不可求”又在于网络+高清的发展情况却又不是那么顺利,在满足大家期望的同时,仍不免纠结。于是,IP高清摄像机就在迷惘中前进着。在过去的几年里,市场份额上二十几个百分点的增长,是用户对IP高清监控快速认可的最好体现。而这种认可度上的提升,与IP高清摄像机的技术的支持与发展无疑是分不开的。

  IP高清摄像机产品的解决方案
 

  高清不仅仅是视频的高清采集,即安装了IP高清摄像机,而是贯穿视频采集、编码、传输、存储、控制、解码输出,到中心管理软件的全过程各个节点,从这个意义上讲,高清监控不是靠某个产品或某几个产品来实现的,它一定是一场持久战,需要的是整体解决方案。完整的高清监控解决方案,涵盖了如下从前到后的各个环节。
 

  前端采集
 

  高清的视频效果保证首先来源于高清信息的采集,如果没有前端高清视频采集,无法谈及后端的高清效果。从目前情况来看不论是130万像素还是200万像素都还是CCD占绝大多数,而且基本都应用在中高端市场;而CMOS的价格便宜基本都应用于低端市场;但是随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破,业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。
 

  编码及传输
 

  除前端采集外,高清编码及传输也是在监控系统中不可缺少的重要环节,高清视频常见编码格式有H.264、M-JPEG、MPEG4等格式。在这几种编码格式中,H.264是目前最有前途的一种编码格式,相对于MPEG2、 MPEG4而言,其压缩效率是三种编码中最高的。在传输过程中,高清意味着需要更高带宽,以1080P计算, H.264编码的一个1080P高清画面所用带宽约为8M,与D1画质的MPEG2相当。由此可以看出,对于“高清”,网络传输并没有特别的要求。目前的互联网对大路数的高清传输还有一定的瓶颈,在一些平安城市或多级联网的项目中,大都采用专网或者光纤。相比模拟传输,IP网络传输高清视频具有得天独厚的优势。
 

  高清存储
 

  IP高清存储常见的类型一般采用两种方式:分布式存储和集中存储;通常采用NVR做分布式存储,而大系统的集中存储则使用IP-SAN来实现。随着IP高清的普及,IP-SAN在存储中扮演着越来越重要的角色, IP-SAN通过采用IP构架的以太网传输,具备良好的扩展性、共享性和较低的分摊应用成本,是目前多路高清监控存储主要采用的技术之一,而存储介质储多半是采用我们常见的硬盘,容量一般是TB级别,随着2TB硬盘甚至更高容量的产品走入我们视线,大型高清监控系统PB级海量存储解决方案也得到普遍应用。

  目前高清存储面临的一个问题就是在大路数多级联网的高清项目中,如果降低存储的成本,一方面这需要压缩算法的改进,一方面需要硬盘及IP-SAN的成本下降。在算法方面,目前已经有厂家可以实现2M码流传输720P的高清图像,使一路高清一小时的存储空间大约在1.8G左右。
 

  高清显示
 

  高清的解码显示通常由高清解码器或者高清网络矩阵来完成,通过高清解码器或者高清网络矩阵配合网络键盘使用可以实现画面切换,高清上墙,轮询切换等。以高清输出接口来说,目前主流有的VGA和HDMI等接口,VGA的最为普遍,而且应用范围也最广,造价也最便宜;HDMI接口代表着高清显示接口的趋势,它的主要特点是色彩还原度高,画质无损耗。
 

  
        平台控制
 

  目前在平台尤其以大规模高清监控平台遇到问题最为典型,例如:视频设备数量庞大;前端设备的品牌很杂需实现统一管理;实施过程中网络环境多种多样;在多级联网的情况下,还经常涉及到多级联网的问题,对接困难等。针对这种情况,高清平台部署可采用“分而治之”的策略将高清监控系统构成化整为零,将大系统建设问题按管理分级、业务分层、设备分类进行逐级分解为小系统建设问题,以逻辑上的虚拟条带为构建基础单元解决系统中大量设备进行统一管理,实现灵活的系统扩充,也便于系统建设分步实施。
 

  高清摄像机方案重点
 

  
        高清监控Image Sensor是关键
 

  IP高清摄像机从本意上讲超越了传统常用的模拟摄像机。现在市面上的高清监控摄像机已经形成以百万像素为基础,200万像素,300万像素为先导的多元化产品格局。一台IP高清网摄像机主要由视频采集、视频编码、网络传输等几部分组成。一台IP高清摄像机可以被看作一台高清摄像机和一台电脑的结合体。它通过CMOS/CCD感光器进行逐行扫描,将光信号直接能够捕获影像并通过SoC单芯片处理,直接通过IP网络进行传输,从而使用户能够通过标准的基于IP网络基础构架在本地或者远程地点实现观看、存储和管理高清视频数据。  


        IP高清摄像机以核心部件的图像传感器(Image Sensor)做分类的话,主要有CCD和CMOS两种。其中CMOS又细分为传统的CMOS和Exmor CMOS即背照式CMOS。CCD和CMOS就基本结构和工作原理来说,区别如下:

  CCD是 Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件,CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。

  CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互补性氧化金属半导体)的缩写,和CCD一样同为在高清摄像机中可记录光线变化的半导体,CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单,两者的特点如下。

  · CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;

  · CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多;

  · CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;

  · CMOS光电传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
 

  IP高清摄像机的“大脑”:核心处理芯片
 

  高清IPC的设计方案很多,但从架构上来看,主要包括两种:其一,采用CCD/CMOS传感器作为图像采集设备,配套提供实现图像处理和编码功能的SoC芯片;其二,采用前端摄影机模块,作为图像采集设备,和一个通用的ASIC或DSP进行编码和传输。由于第一种架构设计灵活,广泛被厂家采用。

  在图像处理方面有三种实现方案:第一种方案采用专用的ISP处理芯片和编码处理部分,该方案较灵活,采用专用的ISP芯片稳定性好,能够保证图像的质量;第二种方案采用集成ISP的编码芯片,该方案灵活性次于第一种方案,且专用的ISP处理芯片稳定性虽高,但图像质量一般、成本较高;第三种方案采用FPGA等芯片实现信号处理及编码功能,该方案灵活性最强,但是稳定性差、成本最高、图像质量难于保证。专用ISP方案设计灵活、性价比高、可以保证图像的质量,适用于高清IPC的设计。
 

  IP高清摄像机产品的创新及应用
 

  随着IP高清摄像机应用领域和市场需求的不断扩张,用户对画面品质及功能的不断提升,IP高清摄像机会逐渐从一个单纯的安防监控,演变到集多种功能更多、多种操作、多种管理等多种需求与一体的一个设备,具体来说,IP高清摄像机在如下几个方面会有创新及应用。

  IP高清摄像机与物联网结合

  随着物联网的射频技术(RFID)的成功应用,在未来可以实现与高清视频的无缝结合从而带来很好的实际应用。可以通过IP高清摄像机的COM接口接收从射频传输过来的数据,做到图像和射频的结合。举例来说,此项技术可以代替固定打卡、非法人员识别从而有助于改进实际中很多较为繁琐的工作,体现高智能、高技术的价值。
 

  IP高清摄像机与报警设备联动
 

  IP高清网络摄像机上的报警(ALARMI/O)接口,可处理开关量电平,当IP高清摄像机接收到此数据后,可以对其进行编码处理,而后送入TCP/IP网络,通过应用软件对该报警信号进行各种联动响应设置,如发出声、光报警与进行报警录像等。
 

  IP高清摄像机与移动设备结合
 

  随着3G技术的普及,以及每台IP高清摄像机都拥有自己独立的IP地址,可以通过3G网络能够直接与移动设备进行网络连接,实时传输高清图像,实现无线高清视频的传输。也可以在IP高清摄像机中配置内置的Email、FTP等客户端,当在能接入互联网时,IP高清摄像机设备还可以通过Email、FTP等方式把报警触发时抓拍的图片或录像发送到移动设备。也可以通过COM口与能连接的SIM卡的设备连接,利用短信、彩信方式下发给指定的手机终端。这样,做到实时且智能的监控,而仅利用很小的带宽和成本。
 

  从智能方面切入IP高清摄像机
 

  因为IP高清摄像机前端即是带有操作系统的,所有在前端上就可以附带很多智能的算法。智能算法可以直接处理从芯片输出的原始图像信息,基于原始图像,做一些恰当的、适合特征场合的应用。比如,可嵌入出入口人数统计功能。该功能可通过对摄像机所监控的画面进行分析,自动统计计算穿越重要出入口或指定区域的人或物体的数量。而且在低碳时代,为智能算法与节能环保思想的结合则开辟了另一巨大的市场。在党政机关、学校、企业和大型家居环境,还可采用智能视频分析技术消除巨大的电能浪费与安全隐患,如自动关闭不必要的灯或打开有人办公工作的灯或视需要调整灯光的强度等。
 

  综述
 

  在监控网络化大潮的推动和市场需求的驱动下,IP高清获得了实实在在的突破。IP高清摄像机所特有的联网、开放、远程访问等特性势必会大量应用在各种各样的实际项目中,这标志着安防监控已经进入网络时代,高清时代。高清技术和产品的不断涌现,高清监控系统的现实应用,将加速促进视频监控系统与安防其它子系统的无缝整合,再进一步促进安防系统与行业业务管理系统的无缝对接,这为视频监控带来更广阔的发展空间。可以遇见未来的安防监控肯定是IP网络做主导,IP高清做先锋!