用戶需求分析

　　輸油站場視頻監(jiān)控系統(tǒng)由輸油站場生產(chǎn)場所電視監(jiān)視系統(tǒng)和場站周界防范電視監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。其主要用于對站場內(nèi)工藝設(shè)備區(qū)、機(jī)房等區(qū)的生產(chǎn)情況和站區(qū)周界進(jìn)行監(jiān)視與報(bào)警。以實(shí)現(xiàn)對輸油管道生產(chǎn)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)視，預(yù)防有人意外闖入。當(dāng)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情時，能及時給予報(bào)警和確認(rèn)等。

　　按輸油工藝站場生產(chǎn)區(qū)不同，還可分成防爆區(qū)和非防爆區(qū)，所以監(jiān)控?cái)z像機(jī)選型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和用戶需求慎重選擇。同時，合理選擇攝像機(jī)，對安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)投資也非常重要。下面將結(jié)合工程實(shí)際，對輸油站場監(jiān)控?cái)z像機(jī)的選擇進(jìn)行分析。

　　在防爆區(qū)(泵棚、計(jì)量間等狹小區(qū)域)，選用固定防爆高清攝像機(jī);在大門口等開闊區(qū)域，選用固定非防爆高清攝像機(jī)。選擇原因如下：

　　· 節(jié)約成本。3~4個固定防爆高清攝像機(jī)的成本與1個旋轉(zhuǎn)防爆攝像機(jī)的成本相當(dāng);

　　· 方便監(jiān)視。防爆場所攝像機(jī)一般利用建筑物棚架安裝，限于位置，難免有遮擋，只有安裝多個攝像機(jī)才能不留下死角，所以2臺或多臺固定攝像機(jī)組合使用比一臺旋轉(zhuǎn)防爆攝像機(jī)更經(jīng)濟(jì)，而且更有效;

　　· 故障維修方便。防爆旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)由于有旋轉(zhuǎn)云臺部分，體積大、份量重，活動部分的維護(hù)量也比較頻繁，根據(jù)長期實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，防爆旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)的故障主要在云臺部分，相對而言，攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩出的問題并不是很多，所以選擇固定攝像機(jī)還是比較經(jīng)濟(jì)和合理的;

　　· 圖像清晰度及視角表現(xiàn)突出。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，以200萬像素的網(wǎng)絡(luò)高清防爆攝像機(jī)為例，其像素是普通攝像機(jī)(35萬像素)的6倍左右(如圖1所示)，即使電子放大也可以看清圖像細(xì)節(jié)(效果相當(dāng)于數(shù)碼相機(jī)4~6倍左右的變焦)，而且多點(diǎn)電子變焦也相當(dāng)于有一定范圍的鏡頭旋轉(zhuǎn)，監(jiān)視范圍也足夠，一個百萬像素?cái)z像機(jī)的圖像可以替代三個標(biāo)清攝像機(jī)的圖像效果。

圖1  200萬像素網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)與標(biāo)清攝像機(jī)監(jiān)控效果比對圖

　　百萬像素?cái)z像機(jī)定義

　　高清定義源自廣電行業(yè)，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，顯示比例16﹕9、全幀率，至少能解析1080i(1920×1080)、720P(1280×720)、1080P(1920×1080)分辨率的數(shù)字信號，只有滿足或超過以上標(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Full HD(1080P，1920×1080)到更高的2048×1536畫面的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。[nextpage]

　　滿足上文高清定義中提及的高清指掃描線數(shù)垂直和水平方向都達(dá)到720P數(shù)字信號要求，可被理解為高清產(chǎn)品中百萬像素級別。如市場上常見的1.3 Megapixel、2.0 Megapixel Video Network Camera等便是所謂的130萬或200萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

　　百萬像素?cái)z像機(jī)工作原理

　　采用CMOS傳感器作為成像器件加上高清光學(xué)鏡頭，逐行掃描的CMOS可以有效避免隔行掃描攝像機(jī)圖像的運(yùn)動模糊和撕裂等問題，畫面更加細(xì)膩感人。比如某個采用1/3.5" 500萬像素逐行掃描高分辨率圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)720P、1080P高清。用500萬像素CMOS作為百萬像素(兩百萬像素)的信號源，再做后期處理，所得效果一定是百萬像素源所無法媲美的。正是基于此，再配合優(yōu)質(zhì)的視頻壓縮算法(H264、MPEG4)和先進(jìn)的濾波技術(shù)，使的IP攝像機(jī)具有卓越的圖像畫質(zhì)(結(jié)構(gòu)如圖2所示)。

圖2 百萬像素?cái)z像機(jī)工作原理示意圖

　　百萬像素?cái)z像機(jī)傳輸、編碼壓縮方式介紹

　　現(xiàn)今，高清百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的信號傳輸一般有兩種：一是為Mono/RAW傳輸，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號不進(jìn)行任何壓縮編碼就在網(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，代表產(chǎn)品如Prosilica GC-Series系列、Basler scout系列高清百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);另一種為編碼壓縮傳輸。目前百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼壓縮方式主要有如下幾種。

　　JPEG壓縮技術(shù)可以說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，直接處理整個畫面，壓縮倍數(shù)為20?80倍，分辨率沒有選擇的余地。所以要等到整個壓縮文件傳輸完成才開始進(jìn)行解壓縮成影像畫面，而這樣的方式傳輸一個高解析畫面須耗時數(shù)十秒甚至數(shù)分鐘。

　　MJPEG(Motion JPEG)則是在JPEG基礎(chǔ)發(fā)展起來的動態(tài)圖像壓縮技術(shù)，它只單獨(dú)的對某一幀進(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)時壓縮;其二、壓縮效率低，存儲占用空間較大。[nextpage]

　　后來又出現(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，使畫面品質(zhì)改善。這種方式所需的時間雖然與原先的方式一樣，但由于可以先看到畫面，所以使用者會覺得這種方式較好。

　　MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成為國際性標(biāo)準(zhǔn)，隨后為擴(kuò)展用途又進(jìn)行了第二版的開發(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，這是一個有交互性的動態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前，MPEG-4被主要應(yīng)用于三個領(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)容訪問等過程中去。MPEG4在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用中的優(yōu)勢主要包括以下幾方面：

　　· 節(jié)約存儲空間：視音頻全同步，碼流速度40M?120M/路/小時，是同質(zhì)量的MPEG1或MJPEG的1/10;節(jié)省存儲硬盤成本投入以及后期的硬盤更換費(fèi)用;

　　· 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)省了傳輸線路的租用費(fèi);

　　· 錯誤恢復(fù)能力強(qiáng)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸有誤碼或丟包現(xiàn)象時，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，MPEG1已經(jīng)無法播放，而MPEG4只會有輕微的邊緣模糊;再如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸由瞬間丟包現(xiàn)象時，MPEG1恢復(fù)至少需要10多 秒，而MPEG4只需要1~3秒;

　　· 圖像質(zhì)量高：可以達(dá)到接近DVD的效果;

　　· 可變帶寬：網(wǎng)絡(luò)輸出速率從512K?1.8M可調(diào)。

　　國內(nèi)外大部分百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(如AXIS)都使用MJPEG/MPEG-4視頻流編碼傳輸。

　　H.264是由國際電信聯(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H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過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，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系列開始絕大部分顯卡均加入了對H.264硬解碼的支持。在國內(nèi)，以海思Hi-3511芯片開發(fā)的高清百萬像素?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，所以還沒有引起市場更多的注意。

　　百萬像素?cái)z像機(jī)性能

　　下面以某公司200萬像素高清攝像機(jī)為例介紹百萬像素?cái)z像機(jī)的性能：

　　· 圖像傳感器：1/3.2英寸CMOS傳感器，自動日/夜轉(zhuǎn)換;

　　· 分辨率：1600 ×1200 2百萬像素,15FPS;

　　· 壓縮方式： H264 、MPEG4及 M-JPEG可選;

　　· 靈敏度：彩色0.9Lux ，黑白0.03 Lux;

　　· 信噪比：>45dB;

　　· 工作溫度: 0?50攝氏度;

　　· 相對濕度：90%相對濕度，無冷凝;

　　· 工作要求：24小時連續(xù)工作;

　　· 手動變焦高清鏡頭;

　　· 焦距：3.8?12mm等效變焦鏡頭;

　　· 光圈：F1.4。[nextpage]

　　百萬像素視頻系統(tǒng)在江南成品油管線輸油站的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　百萬像素?cái)z像機(jī)是江南成品油管線輸油站數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)的前端設(shè)備，在攝像機(jī)與操作顯示終端間采用以太網(wǎng)絡(luò)連接，用戶可通過系統(tǒng)操作軟件在顯示終端進(jìn)行高清圖像瀏覽，通過網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字錄像機(jī)上進(jìn)行錄像存儲，整體結(jié)構(gòu)如下圖3。

圖3  江南成品油管線輸油站數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)圖

　　前端百萬像素?cái)z像機(jī)安裝

　　在江南成品油管線的南京首站、鎮(zhèn)江分輸泵站、常州分輸站、江陰分輸泵站、無錫分輸站，蘇州末站，揚(yáng)子泵站的輸油泵棚及閥組區(qū)都安裝百萬像素高清攝像機(jī)，由于現(xiàn)場為防爆區(qū)域，因此攝像機(jī)應(yīng)安裝在防爆防護(hù)罩內(nèi)，以滿足現(xiàn)場防爆要求。進(jìn)出防爆防護(hù)罩的專用電纜包括攝像機(jī)電源線及UTP網(wǎng)線，線纜自防爆防護(hù)罩連接到安裝于防爆箱內(nèi)的攝像機(jī)電源及以太網(wǎng)光收發(fā)器，之后再連接到站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。通過傳輸網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與站內(nèi)的NVR、瀏覽終端及遠(yuǎn)程調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

　　前端百萬像素?cái)z像機(jī)圖像及本地瀏覽

　　百萬像素?cái)z像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)圖像可以通過網(wǎng)絡(luò)無縫接入站內(nèi)工業(yè)電視主機(jī)，用戶通過工業(yè)電視主機(jī)軟件，在同一軟件界面下，可以調(diào)用百萬像素的視頻圖像(1600×1200)，同時也可以瀏覽本站的標(biāo)清攝像機(jī)的視頻圖像(720×488)。高清圖像可以由工業(yè)電視主機(jī)實(shí)現(xiàn)高清錄像，用戶可以實(shí)現(xiàn)高清錄像回放。圖四是高清攝像機(jī)的瀏覽軟件界面及高清圖像視頻效果。

　　前端百萬像素?cái)z像機(jī)圖像遠(yuǎn)程調(diào)控中心視頻瀏覽

　　百萬像素?cái)z像機(jī)的圖像可以通過網(wǎng)絡(luò)無縫接入到站內(nèi)的工業(yè)電視主機(jī)，并與遠(yuǎn)程調(diào)控中心以專用千兆網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)。在調(diào)控中心設(shè)置客戶端，用戶可通過工業(yè)電視主機(jī)軟件，調(diào)用整個江南管線所有站的百萬像素視頻圖像(1600×1200);同時也可以瀏覽整個江南管線所有站點(diǎn)的標(biāo)清攝像機(jī)圖像。根據(jù)用戶要求在調(diào)控中心設(shè)高清DLP大屏幕，通過增加支持高清解碼的網(wǎng)絡(luò)虛擬矩陣控制器，可以同時解碼高清視頻及標(biāo)清視頻，并在50寸大屏上顯示，從而可獲得極佳的視頻效果。圖五是江南線百萬像素?cái)z像機(jī)在DLP屏上的顯示效果。[nextpage]

　　百萬像素?cái)z像機(jī)特點(diǎn)及未來選擇

　　在可預(yù)期的將來，百萬像素?cái)z像機(jī)將不斷的發(fā)展。百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)較傳統(tǒng)標(biāo)清模擬攝像機(jī)、普通標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具如下優(yōu)勢：

　　· 采用百萬像素級傳感器，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;

　　· 圖像顯示質(zhì)量更高，能夠更好地捕捉細(xì)節(jié);

　　· 逐行掃描CCD/COMS的動態(tài)畫面表現(xiàn)得更流暢;

　　· 可支持HDTV的寬屏輸出模式(16∶9);

　　· 覆蓋面更廣，相同監(jiān)視區(qū)域可替代多個標(biāo)清固定點(diǎn)攝像機(jī)和一個帶云臺和變焦鏡攝像機(jī)。

　　從當(dāng)前市場推出的高清百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來看，采用的壓縮方式仍然以RWR/MJPEG/MPEG4 /H264為主，而在其帶寬、傳輸速率方面沒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，但仍然對其在如此高圖質(zhì)下的圖像連續(xù)性和傳輸所需的帶寬產(chǎn)生疑慮。因此這類產(chǎn)品在選擇時需要注意如下幾點(diǎn)：

　　· 確切了解高質(zhì)量圖像的實(shí)際帶寬、傳輸速率等量化指標(biāo)，并針對項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行科學(xué)評估;

　　· 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;

　　· 光學(xué)鏡頭的配合問題，必須配套使用工業(yè)級百萬像素鏡頭，否則無法體現(xiàn)出高清攝像機(jī)的高清畫質(zhì)優(yōu)點(diǎn);

　　· 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)來補(bǔ)償?shù)驼斩认碌某上褓|(zhì)量;

　　· 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。

　　結(jié)語

　　隨著用戶對現(xiàn)場細(xì)節(jié)高清顯示的需要提高，加之千兆光纖網(wǎng)絡(luò)通訊的日益普及，網(wǎng)絡(luò)帶寬將不再是百萬像素?cái)z像機(jī)應(yīng)用的瓶頸。百萬像素?cái)z像機(jī)能從130萬到500萬，甚至1000萬像素，可有多種選擇來滿足不同用戶的要求;同時基于百萬像素?cái)z像機(jī)的高清PTZ球、高清壓力球及防爆高清攝像機(jī)等多種類產(chǎn)品的推出，使得一定能滿足用戶在不同應(yīng)用下的需求。可以相信，百萬像素?cái)z像機(jī)在各種石油石化環(huán)境下勢必越來越普及，應(yīng)用將會更加廣泛。