網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為一個(gè)特殊的混合產(chǎn)品，由于橫跨網(wǎng)絡(luò)與安防兩大之前關(guān)系不大的行業(yè)，搞網(wǎng)絡(luò)的不太懂監(jiān)控、搞監(jiān)控的不太懂網(wǎng)絡(luò)，這給網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)蒙上了一層神秘的面紗。本文將介紹網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)核心技術(shù)——數(shù)字視頻壓縮技術(shù)。

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的前端產(chǎn)品，其主要結(jié)構(gòu)就是通過(guò)內(nèi)置一個(gè)嵌入式ARM芯片 + 硬件編碼芯片，將圖像傳感器(CCD，COMS)采集的光電信號(hào)經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換后進(jìn)行壓縮，把高數(shù)據(jù)量的非壓縮視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?常見(jiàn)的壓縮協(xié)議包括M-JPEG，MPEG-4，以及最新的H.264壓縮技術(shù))壓縮信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)備。除了具備傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)所有的圖像捕捉功能外，機(jī)內(nèi)通過(guò)內(nèi)置數(shù)字壓縮控制器和基于WEB的操作系統(tǒng)，使得視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮加密后，通過(guò)局域網(wǎng)，Internet或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送至終端用戶。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以直接接入到TCP/IP、UDP網(wǎng)絡(luò)中，因此這種系統(tǒng)主要的功能就是在聯(lián)網(wǎng)上面，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)進(jìn)行視音頻傳輸。同樣相對(duì)于模擬攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能更簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，特別是遠(yuǎn)程監(jiān)控，能更簡(jiǎn)單地施工和維護(hù)、更好地支持報(bào)警聯(lián)動(dòng)、更靈活的錄像存儲(chǔ)、更豐富的產(chǎn)品選擇、更高清的視頻效果和更完美的監(jiān)控管理。另外，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)支持WIFI無(wú)線接入、3G接入、POE供電(網(wǎng)絡(luò)供電)和光纖接入。

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)主要包括三個(gè)技術(shù)層次，即成像(光電轉(zhuǎn)換)、數(shù)字壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　而本文談的主要就是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻壓縮技術(shù)部分。壓縮技術(shù)的好壞將會(huì)直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控成本。較高的碼流會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸交換機(jī)系統(tǒng)，以及存儲(chǔ)系統(tǒng)，圖像還原部分帶來(lái)巨大的壓力，所以壓縮算法的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的成本和最終的用戶體驗(yàn)效果。

　　圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

　　目前，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。

　　MPEG4

　　所謂MPEG標(biāo)準(zhǔn)就是指由ISO的活動(dòng)圖像專家組制定的一系列關(guān)于音視頻信號(hào)以及多媒體信號(hào)的壓縮與解壓縮技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，已經(jīng)制定完成并批準(zhǔn)執(zhí)行的有：1991年批準(zhǔn)的MPEG1、MP3;1994年批準(zhǔn)的MPEG2;1999年批準(zhǔn)的MPEG4和MP4。正在制定的標(biāo)準(zhǔn)有：MPEG7和MEPG21。

　　H.263

　　H.263是ITU-T提出的作為H.324終端使用的視頻編解碼建議，H.263經(jīng)過(guò)不斷完善和多次的升級(jí)已經(jīng)日臻成熟，如今已經(jīng)大部分代替了H.261，而且H.263由于能在低帶寬上傳輸高質(zhì)量的視頻流而日益受到歡迎。

　　H.263是基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄PCM的混合編碼，在運(yùn)動(dòng)搜索的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，然后運(yùn)用DCT變換和“之”字形掃描編碼，從而得到輸出碼流。H.263在H.261建議的基礎(chǔ)上，將運(yùn)動(dòng)矢量的搜索增加為半像素點(diǎn)搜索;同時(shí)又增加了無(wú)限制運(yùn)動(dòng)矢量、基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼、高級(jí)預(yù)測(cè)技術(shù)和PB幀編碼等四個(gè)高級(jí)選項(xiàng)，從而達(dá)到了進(jìn)一步降低碼速率和提高編碼質(zhì)量的目的。

　　H.264

　　隨著HDTV的興起，H.264規(guī)范頻頻出現(xiàn)，HD-DVD和藍(lán)光DVD均計(jì)劃采用這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)目制作。而且自2005年下半年以來(lái)，無(wú)論是NVIDIA還是ATI都把支持H.264硬件解碼加速作為自己最值得夸耀的視頻技術(shù)，H.264到底是何方“神圣”呢?

　　H.264，同時(shí)也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。

　　什么是H.264?H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。目前國(guó)際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有兩個(gè)，一個(gè)是“國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)”，它制定的標(biāo)準(zhǔn)有H.261、H.263、H.263+等，另一個(gè)是“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)”它制定的標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264則是由兩個(gè)組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高級(jí)視頻編碼(Advanced Video Coding，AVC)，而且它將成為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分。因此，不論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，還是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。[nextpage]

　　M-JPEG

　　M-JPEG技術(shù)即運(yùn)動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)，它把運(yùn)動(dòng)的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來(lái)處理，這種壓縮技術(shù)方式單獨(dú)完整地壓縮每一幀，在編輯過(guò)程中可隨機(jī)存儲(chǔ)每一幀，可進(jìn)行精確到幀的編輯。但M-JPEG只對(duì)幀內(nèi)的空間冗余進(jìn)行壓縮，不對(duì)幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，故壓縮效率不高，圖1、2為單幀/多幀技術(shù)示意圖。

　　對(duì)于不同壓縮算法我們也可以通過(guò)下面的圖進(jìn)行很直觀的認(rèn)識(shí)。

　　就以D1分辨率的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)圖3我們就能很直觀地比較出在畫(huà)面質(zhì)量不變的情況下不同壓縮算法對(duì)于碼流的影響。

　　通過(guò)上面的壓縮格式、幀率、碼流對(duì)應(yīng)圖表1可以看到在D1的分辨率30FPS的情況下，采用H.264壓縮算法的碼流可以控制在1.3Mb以下;而如果采用M-JPEG壓縮算法的話，碼流將要達(dá)到7Mb。二種算法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)部分的壓力相差達(dá)到了5.3倍，從中也可以看出H.264相對(duì)其他壓縮算法有著巨大的優(yōu)勢(shì)，也是客觀的成本支出的比較。

　　目前，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所采用的壓縮算法的變化如圖4所示。

　　從圖4可知，到2012年以后，H.264壓縮算法將占到80%以上的份額。

　　按現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的分辨率趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，百萬(wàn)高清必然成為2012年的主題，其市場(chǎng)份額也將占到80%以上的份額。下圖5是各種分辨率對(duì)應(yīng)屏幕尺寸。

　　高清在圖像的表現(xiàn)上也體現(xiàn)了其突出的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)上面的表1也可以看出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將必然采用H.264進(jìn)行高清圖像的壓縮和傳輸，而H.264最大的優(yōu)勢(shì)是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。舉個(gè)例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變?yōu)?79MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達(dá)到驚人的102∶1! H.264為什么有那么高的壓縮比?低碼率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時(shí)還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。

　　H.264算法的優(yōu)勢(shì)

　　H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的，其編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環(huán)路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。

　　H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后，最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合開(kāi)發(fā)組共同開(kāi)發(fā)的最新國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　H.264與以前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

　　1、將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀編碼處理的過(guò)程可以達(dá)到塊的級(jí)別。

　　2、采用空間冗余的方法，對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼(可變長(zhǎng)編碼)。

　　3、對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼。該算法采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)完成。對(duì)某些特定的塊，在一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索來(lái)決定塊的運(yùn)動(dòng)向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測(cè)主塊。

　　4、采用剩余空間冗余技術(shù)，對(duì)視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼。例如，對(duì)于源塊和相應(yīng)預(yù)測(cè)塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。[nextpage]

　　H.264的特征和高級(jí)優(yōu)勢(shì)

　　H.264是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華，又具有其他壓縮技術(shù)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)：

　　1、低碼流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8， MPEG4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。

　　2、高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象(DVD質(zhì)量)。

　　3、容錯(cuò)能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具。

　　4、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)抽取層(Network Abstraction Layer), 使得采用H.264壓縮的視頻圖像能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

　　而針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻需要網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦?，H.264算法在概念上可以分為兩層：視頻編碼層(VCL：Video Coding Layer)負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，網(wǎng)絡(luò)提取層(NAL：Network Abstraction Layer)負(fù)責(zé)以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。在VCL和NAL之間定義了一個(gè)基于分組方式的接口，打包和相應(yīng)的信令屬于NAL的一部分。這樣，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由VCL和NAL來(lái)完成。

　　VCL層包括基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償混合編碼和一些新特性。與前面的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264沒(méi)有把前處理和后處理等功能包括在草案中，這樣可以增加標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。

　　NAL負(fù)責(zé)使用下層網(wǎng)絡(luò)的分段格式來(lái)封裝數(shù)據(jù)，包括組幀、邏輯信道的信令、定時(shí)信息的利用或序列結(jié)束信號(hào)等。例如，NAL支持視頻在電路交換信道上的傳輸格式，支持視頻在Internet上利用RTP/UDP/IP傳輸?shù)母袷?。NAL包括自己的頭部信息、段結(jié)構(gòu)信息和實(shí)際載荷信息，即上層的VCL數(shù)據(jù)。(如果采用數(shù)據(jù)分割技術(shù)，數(shù)據(jù)可能由幾個(gè)部分組成)。

　　H.264 規(guī)范中包含了用于差錯(cuò)消除的工具，便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸，如移動(dòng)信道或IP信道中傳輸?shù)慕研浴?/p>

　　為了抵御傳輸差錯(cuò)，H.264視頻流中的時(shí)間同步可以通過(guò)采用幀內(nèi)圖像刷新來(lái)完成，空間同步由條結(jié)構(gòu)編碼(slice structured coding)來(lái)支持。同時(shí)為了便于誤碼以后的再一次同步，在一幅圖像的視頻數(shù)據(jù)中還提供了一定的重同步點(diǎn)。另外，幀內(nèi)宏塊刷新和多參考宏塊允許編碼器在決定宏塊模式的時(shí)候不僅可以考慮編碼效率，還可以考慮傳輸信道的特性。

　　除了利用量化步長(zhǎng)的改變來(lái)適應(yīng)信道碼率外，在H.264中，還常利用數(shù)據(jù)分割的方法來(lái)應(yīng)對(duì)信道碼率的變化。從總體上說(shuō)，數(shù)據(jù)分割的概念就是在編碼器中生成具有不同優(yōu)先級(jí)的視頻數(shù)據(jù)以支持網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量 QoS。例如采用基于語(yǔ)法的數(shù)據(jù)分割(syntax-based data partitioning)方法，將每幀數(shù)據(jù)按其重要性分為幾部分，這樣允許在緩沖區(qū)溢出時(shí)丟棄不太重要的信息。還可以采用類似的時(shí)間數(shù)據(jù)分割方法，通過(guò)在P幀和B幀中使用多個(gè)參考幀來(lái)完成。

　　在無(wú)線通信的應(yīng)用中，可以通過(guò)改變每一幀的量化精度或空間/時(shí)間分辨率來(lái)支持無(wú)線信道的大比特率變化?？墒牵诙嗖サ那闆r下，要求編碼器對(duì)變化的各種比特率進(jìn)行響應(yīng)是不可能的。因此，不同于MPEG-4中采用的精細(xì)分級(jí)編碼FGS(Fine Granular Scalability)的方法(效率比較低)，H.264采用流切換的SP幀來(lái)代替分級(jí)編碼。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻壓縮技術(shù)的日益完善并深入人心，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基本完成，平安城市如火如荼開(kāi)展，更加說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的潛在市場(chǎng)。2008年北京奧運(yùn)會(huì) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控項(xiàng)目的成功實(shí)施; 2010年上海世博會(huì) 的成功實(shí)施;2011年深圳大運(yùn)會(huì)中的大展手腳，中國(guó)這個(gè)世界人口最多的國(guó)家將營(yíng)造一個(gè)史無(wú)前例的監(jiān)控市場(chǎng)，而網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為第三代網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的新寵將走在風(fēng)口浪尖，尤其高清H.264網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的市場(chǎng)需求，將會(huì)獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。