高清網絡攝像機技術發展趨勢

　　近年來，高清視頻監控技術逐步進入人們的眼簾，成為未來安防監控領域技術發展的方向之一。越多來越多的廠商開始推出高清化的產品。其中，作為高清視頻監控的“排頭兵”高清網絡攝像機，更是受到廣大廠商的青睞，五花八門的產品層出不窮，各式各樣的技術名詞更是讓廣大用戶眼花繚亂。如何把握好高清網絡攝像機的脈搏，了解其未來的發展方向?本文將從技術發展角度出發，對高清網絡攝像機未來的發展趨勢進行簡要的介紹和展望。

　　分辨率不斷提高

　　高清的定義，最早來源于數字電視領域。高清電視，又叫“HDTV”，是由美國電影電視工程師協會確定的高清晰度電視標準格式。電視的清晰度，是以水平掃描線數作為計量的，它將高清劃分為：720p格式(750條垂直掃描線，720條可見垂直掃描線，16∶9，分辨率為1280×720，逐行/60Hz，行頻為45KHz);1080i格式(1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16∶9，分辨率為1920×1080，隔行/60Hz，行頻為33.75KHz); 1080p格式(1125條垂直掃描線，1080條可見垂直掃描線，16∶9，分辨率為1920×1080，逐行掃式)。

　　監控行業借鑒了廣電行業的相關標準。上海市于2010年9月頒布了國內第一個針對安防監控用數字攝像機的地方性技術規范，規范中將數字攝像機按清晰度由低到高分為A、B、C三級。其中，B級要求分辨率≥1280×720，C級要求分辨率≥1920×1080?？梢姡?20p和1080p已經成為業界高清網絡攝像機的一種標準。

　　然而，有的廠商對于高清網絡攝像機還有著其它的命名方式，比如百萬像素高清網絡攝像機，200萬像素高清網絡攝像機等等，這可以理解為“非標準”命名，它和“標準”有一定關聯，但不能簡單對應。比如，720p的像素為92.16萬，1080p的像素為207.36萬，可以分別叫做百萬像素和200萬像素，但常見的130萬像素其實際分辨率為1280×1024，雖然也具有較高清晰度，但并不符合廣電行業標準。

　　就分辨率而言，高清網絡攝像機的發展可以說是一日千里，除了目前接觸較多的百萬像素、130萬像素、200萬像素外，300萬像素、500萬像素、800萬像素的產品已經在市場上出現，甚至千萬及千萬以上像素的產品也開始在監控行業中露出端倪?？梢哉f，人們在追求看得更清楚的路上將永不止步。

　　COMS逐漸取代CCD

　　感光器件是攝像機最為核心的部件，目前普遍采用的主要有CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體)兩種。兩者都是利用光敏二極管(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數字信號，而其主要差異是數字信號傳送的方式不同。CCD在數據傳送時不會失真，因為各個像素的數據是逐點傳輸到輸出端再進行放大處理;而CMOS傳感器是每個像素都有放大器，其放大效果保持均衡很困難，因而最后整合會產生噪聲。也正由于其數據傳輸方式不同，CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異。通常認為CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。

　　針對CMOS傳感器性能的不足之處，業界正在通過不斷的技術革新加以改善，其中最主要的技術突破點在于低照度條件下的成像性能提升和降低圖像中的噪聲信號。

　　以提升低照度性能而言，業界提出了微透鏡(Micro Lens)陣列技術，讓更多的光能導入到CMOS傳感器的每個像素(光電二極管)上，從而增加感應的亮度，不過微透鏡技術已屬微機電系統(MEMS)的層次，而非原有的單純半導體電路層次，所以挑戰難度的增加自是不難想像。

　　對于降低圖像中的噪聲信號，一種做法是對原有半導體制程進行改進，在CMOS電路的硅表面上摻入雜質，以此形成一個針扎層(Pinning Layer)，此結構可將光吸收到硅晶片的內部，進而降低(光電二極管)表面的噪聲，此種作法也稱為針扎光電二極管(Pinned Photodiode)。目前此種作法確實改善了噪聲問題，使圖像品質提升，不過現階段此種制程也會增加晶片的制造成本。

　　隨著技術的發展，CMOS傳感器的性能正在得到快速提升。此外，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS傳感器在成品率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS傳感器在更高分辨率下將更有優勢。另外，CMOS傳感器響應速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點。

　　從市場方面來看，CCD的傳統生產廠商SONY已經開始把重心移向了CMOS傳感器，不但研發出了ClearVid CMOS技術，推出了Exmor系列的高清CMOS產品，在其生產的高清網絡攝像機中更是幾乎清一色地采用了CMOS傳感器，這也許可以看作是CMOS傳感器的一個階段性勝利。

　　ISP(Image Signal Processing)被編碼芯片集成

　　要實現良好的圖像質量，除了前端鏡頭、傳感器部分對光線的處理，影像處理部分也是高清網絡攝像機中不可忽視的一環。通常情況下，傳感器部分設置有內嵌的圖像處理芯片處理一些較簡單的功能，而較復雜的自動曝光、自動白平衡以及自動對焦等功能則必須通過后端ISP處理，以獲得良好的影像效果。

　　傳統的ISP是通過專門的ASIC或者DSP加以實現，隨著技術的發展，后端的編碼芯片已經越來越多的將ISP的功能加以集成。

　　以TI的DM36×平臺為例，其中視頻處理子系統(VPSS)中包含了CCD或CMOS傳感器的控制器，直接接收原始視頻信號，然后由集成的ISP進行預處理，其中有H3A處理(即自動曝光AE、自動白平衡AWB、自動聚焦AF)、鏡頭畸形校正模式(LDC)處理、硬件人臉檢測引擎、影像協處理器(IMCOP)、影像處理加速器(IPIPE)，以及增強型屏幕疊加顯示(OSD)等等。

　　通過集成ISP，不但可大幅降低系統成本，更能大大增強視頻的穩定性，優化影像在光學方面的性能。這對于提升高清網絡攝像機的成像品質具有及其重要的作用。

　　智能分析功能更加實用

　　智能化是監控系統發展的必然趨勢，其本質在于從模擬或數字視頻流中自動跟蹤并識別對象，分析運動并提取有用視頻信息。對網絡視頻監控而言，前端攝像機的智能化具有極其重要的實用價值。例如異常報警錄像，就是將所監控的視頻圖像，經過前端智能網絡攝像機的分析識別后，只將有異常的圖像傳輸到后端去記錄與顯示，因而可大大減輕網絡的負擔，有效地節省帶寬資源。另一方面，在有智能網絡攝像機的智能視頻監控系統后端，就只需集中對前端攝像機發送過來的目標數據信息進行管理，而不需要對視頻信號進行處理與識別，所以后端系統不需要昂貴的設備也能完成高效的智能視頻分析。由于后端只有前端發送來的預/報警事件的關聯畫面顯示，使監控中心工作人員能夠很輕松地完成整個系統的監視，而這種關聯錄像的功能，也使錄像搜索和回放變得簡單迅速，從而節省了寶貴的時間。

　　近兩年，視頻監控行業內對很多智能分析方案進行推廣，但效果并不好，往往只是廠商推銷產品的噱頭。其原因，一方面在于智能分析算法本身技術不夠完善，沒有實質意義上的突破;另一方面則在于傳統“標清”攝像機的分辨率有限，無法為智能分析算法提供足夠清晰的圖像。隨著高清網絡攝像機的廣泛應用，這一局面將得到改觀。

　　目前在高清網絡攝像機中已經實現或者正在實現的智能分析功能有：視頻遮擋與視頻丟失偵測、視頻變換偵測、視頻模糊偵測、視頻移動偵測、出入口人數統計、人群運動及擁堵識別、物品遺留識別、入侵識別等等。這些功能看上去比過去的智能分析功能要“遜色”得多，但卻更為實用。

　　標準化

　　與模擬視頻監控封閉的系統不同，網絡視頻監控系統產品與產品之間要達到系統的兼容已成為擺在實際工程中的嚴峻問題，由此，關于標準問題的討論日益增多，關于安防產品互通標準的組織也層出不迭，其中ONVIF、PSIA兩大標準組織在安防企業的影響越來越大。

　　ONVIF，全稱Open Network Video Interface Forum，即開放性網絡視頻接口論壇，由Axis、Bosch和Sony三家企業聯合推出，是全球影響力最大的網絡視頻監控行業標準組織，其目的是以公開、開放的原則共同制定開放性網絡視頻監控行業標準。2008年11月，該組織正式發布了ONVIF第一版規范ONVIF核心規范1.0。這一標準將為網絡視頻設備之間的信息交換定義通用協議(諸如裝置搜尋、實時視頻、音頻、元數據和控制信息)。

　　PSIA：(Physical Security Interoperability Alliance)實體安防互通聯盟，成立于2008年8月。該聯盟的目標是為實體安防系統的硬件和軟件平臺創立一種標準化的接口。其致力于使基于IP網絡的不同安防系統具有兼容性。PSIA內也不乏Cisco、GE、Honeywell與Panasonic等大品牌，后者成員在網絡攝像機市場的占有率稍顯遜色。

　　目前，從支持廠商數量與影響力來說，ONVIF聯盟更勝一籌。根據IMS Research的調查顯示，目前ONVIF組織的成員占據市場72%的份額，已在北美、歐洲和亞洲地區擁有眾多會員企業。除了三家發起公司外，佳能、松下、三星、思科、西門子、TI、海康威視、浙江大華、GE、MARCH、IDIS、CNB、IndigoVision、American Dynamics、Anixter、Axxonsoft、Dallmeier、Deister、Genetec、HiTRON、Honeywell、ITRI、Itx、Milestone、NICE、Optelecom-nkf、Pacom、Pelco、Pravis、ZTE等有影響力的企業都參與到這個標準組織中。截止2010年5月，ONVIF已經有超過150多家成員。

　　當然，不管是ONVIF還是PSIA，都是企業自發組織形成的標準，不過從其得到越來越多企業的響應來看，還是具有非常重要的意義。

　　未來幾年內，網絡視頻監控系統建設成本將迅速降低，市場份額也將隨之獲得很大提升，面對日趨龐大的市場，整個視頻監控產業鏈的分工將越來越細。日趨成熟的視頻監控市場即將形成緊密的產業合作模式，這使得各廠商產品必須提供標準化接口，以滿足整個監控產業的良性發展。從這個意義上說，標準化將成為高清網絡攝像機走向市場的通行證。

　　傳輸技術的進一步提升

　　高清網絡攝像機在提供給人們清晰的視覺體驗的同時，也對網絡帶寬提出了更高的要求。以720P實時視頻為例，采用標準H.264 Main Profile壓縮算法的高清網絡攝像機至少需要2Mbps才能獲得“高清”的視覺效果，而1080P全實時視頻則需4Mbsp以上。普通ADSL的上行帶寬早已無法滿足高清視頻的需要。隨著3G、Wi-Fi、專網等無線、有線寬帶技術的成熟和應用，大流量數據的遠程傳送更加方便，這也掃除了高清網絡攝像機在大范圍應用中的傳輸障礙。

　　目前，在平安城市、金融聯網監控等項目中通常采用自建光纖網絡或局域網絡實現1000M帶寬網絡。這種千兆帶寬資源，在前端安裝100路1080P全實時高清網絡攝像機(即使按每路占用資源4Mbps計算)，占用總帶寬資源不到50%;如果是采用720P傳輸，帶寬還可以減少一半。這樣，完全可以有效支持高清網絡攝像機的實際應用。

　　無線傳輸方面，3G網絡加速了手機上網的速度，使可視電話、手機游戲等應用如火如荼。但在安防視頻監控行業，卻還沒有實質性的應用。究其原因，一是3G網絡建設相對滯后;二是3G資費依然太高。面對高清視頻監控對于帶寬的要求，3G更是力有未逮。要想真正實現高清無線視頻監控，還需要等到4G的推廣。目前，TD-LTE的出現，為我們開啟了4G時代高清視頻監控的大門。

　　TD-LTE是TD-SCDMA向IMT-Advanced(4G標準)演進的方向和工作基礎，既繼承并發展了中國自主知識產權的TD-SCDMA技術，又得到了廣泛的國際支持。按照3GPP的TR25.913定義，LTE峰值的速率要求很高，上行50Mbps，下行100Mbps。從頻譜效率角度來看，無論是上行的還是下行的頻譜效率，都是我國現行網絡的3-4倍。LTE的技術發展吸引了不同的體制規范的參與，包括了UMTS(即3GSM)，還有CDMA2000陣營的參與，使LTE逐漸成為未來無線網絡4G的一種可能。

　　結語

　　隨著監控技術的不斷提高和發展，高清網絡攝像機作為監控技術發展的主要方向之一，結合光學成像技術、智能分析技術、網絡傳輸技術等等帶來新的變革，在不斷滿足市場競爭需求的同時，趨向于一種自我的完美實現。它深刻地影響著監控技術領域，也將深刻地改變我們的生活方式。