【安防知識(shí)網(wǎng)】手機(jī)監(jiān)控真的聽起來很不錯(cuò)，雖然它的穩(wěn)定性，堪比——周期亂掉的大姨媽!那到底為什么我們覺得手機(jī)監(jiān)控這么坑爹呢?是我們掉入了刻板印象的怪圈，用“不穩(wěn)定”來苛求這個(gè)稚嫩的技術(shù)?還是手機(jī)廠家拔高自己所愛，人為打壓同行產(chǎn)品?這究竟是人性的扭曲?還是道德的敗壞...下面就讓我們走進(jìn)科學(xué)，揭秘手機(jī)監(jiān)控背后隱藏著的故事。

　　智能手機(jī)監(jiān)控(以下簡稱手機(jī)監(jiān)控)相對于傳統(tǒng)監(jiān)控最大的特點(diǎn)就是“AnyTime、AnyWhere、AnyDevice”(任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控的三大要數(shù)是智能手機(jī)、攝像機(jī)和3G網(wǎng)絡(luò)。攝像機(jī)和智能手機(jī)是手機(jī)監(jiān)控的前后端，攝像機(jī)通過有線或者3G網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接，智能手機(jī)通過3G網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接，從而形成攝像機(jī)和智能手機(jī)的視頻信號(hào)通道連接，下面分別探討這三大要素目前的狀況以及在手機(jī)監(jiān)控中實(shí)現(xiàn)高清視頻的可能性。

　　智能手機(jī)和3G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

　　2013年7月，工信部發(fā)布了《2013年上半年電信業(yè)統(tǒng)計(jì)分析》，文中指出：“3G移動(dòng)電話用戶凈增8606.6萬戶，超過去年全年凈增量80%，總數(shù)達(dá)3.19億戶”，從這些數(shù)字可以看出3G用戶數(shù)量發(fā)展迅猛。如此龐大的基數(shù)，為通過3G網(wǎng)絡(luò)部署的手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用提供了廣泛的用戶基礎(chǔ);同時(shí)，以ios和android操作系統(tǒng)為代表的智能手機(jī)和平板電腦也迅速普及，主流智能手機(jī)的屏幕分辨率也發(fā)展到了如今的1280×720，甚至出現(xiàn)了1920×1080這樣的全高清分辨率，這使得智能手機(jī)完全可以支持高清分辨率的視頻應(yīng)用;使用這些便攜智能終端，加上3G網(wǎng)絡(luò)的支撐，用戶可以隨時(shí)隨地地觀看來自任何地點(diǎn)攝像機(jī)的監(jiān)控視頻，這種的便捷性會(huì)大大促進(jìn)手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用的發(fā)展。

　　在基于IP網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為視頻信息的采集者直接決定了監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信息量。目前, 高清攝像機(jī)已經(jīng)被普遍應(yīng)用在監(jiān)控系統(tǒng)中，對于攝像機(jī)來講，更高的分辨率，就可以提供了更多的細(xì)節(jié)特征或者更大的視野范圍，這些對于監(jiān)控應(yīng)用無疑是有利的。從安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的發(fā)展來看，主流分辨率經(jīng)歷了CIF、D1到現(xiàn)在的百萬像素、二百萬像素甚至五百萬像素，這樣的一個(gè)發(fā)展過程充分體現(xiàn)了監(jiān)控應(yīng)用對高分辨率的不斷追求。以前制約手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用中使用高清分辯率的主要技術(shù)障礙就是無線網(wǎng)絡(luò)帶寬不足和手機(jī)屏幕分辨率過低，而隨著智能手機(jī)和3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)完全能勝任高清視頻的顯示，無線網(wǎng)絡(luò)帶寬也比2G時(shí)代有了很大的提高，手機(jī)監(jiān)控的高清應(yīng)用將破繭而出。

　　低碼率視頻的必要性

　　前面提到3G的帶寬比2G有了很大的提高，那么目前在傳統(tǒng)監(jiān)控中應(yīng)用的高清攝像機(jī)是否可以直接用在手機(jī)監(jiān)控中的高清應(yīng)用呢?首先我們看看3G的實(shí)用帶寬是多少?國內(nèi)的三個(gè)3G網(wǎng)絡(luò)分別是聯(lián)通的W-CDMA、電信的CDMA2000和移動(dòng)的TD-CDMA，理論上傳速率從0.384Mb/s到5.76Mb/s,理論下載速率從2.8Mb/s到14.4Mb/s。但這三個(gè)網(wǎng)絡(luò)均是采用共享模式，每個(gè)基站提供的帶寬都是有限的，同一時(shí)間服務(wù)的用戶數(shù)量越多，每個(gè)用戶所獲得的平均網(wǎng)速就會(huì)越慢，所以實(shí)際應(yīng)用中的速率會(huì)遠(yuǎn)低于理論值。在市區(qū)住宅實(shí)測TD-SCDMA的下載速度大約為430 Kbps，CDMA2000的下載速度大約為720Kbps，W-CDMA的下載速度大約為1120 Kbps。另外，根據(jù)2012年10月份，UMNet移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評估平臺(tái)發(fā)布的《全國3G用戶體驗(yàn)速率數(shù)據(jù)報(bào)告》顯示，“2012年10月份我國平均3G感知速率為52.51KB/S(420kbps)”，從這些數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際的3G網(wǎng)絡(luò)速率與理論值有較大的出入，比較容易得到的帶寬大概是512kbps。其次我們再看看傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用中的高清攝像機(jī)需要的帶寬是多少?720P的高清視頻碼率大約是2Mbps，1080P的高清視頻碼率大約是4Mbps，很明顯即使是720P高清視頻所需要的帶寬也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3G所能提供的帶寬，所以傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用中的高清攝像機(jī)不能在手機(jī)監(jiān)控中得到高清效果，只有降低高清攝像機(jī)的編碼碼率，才可能在3G網(wǎng)絡(luò)中使用高清視頻。低碼率不僅意味著相同傳輸帶寬條件下可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，還更有利于對抗傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)帶寬抖動(dòng)。

　　從另一個(gè)方面來看，通信費(fèi)用也是一個(gè)制約手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用普及的重要因素。國內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際使用費(fèi)用不菲，以中國電信天翼3G資費(fèi)為例，189元的套餐包含了1GB的流量，超出部分按0.0003元/KB計(jì)算，如果視頻碼率為512kbps，每個(gè)月只能看1024×1024×8/512=16384秒=273分鐘=4.55小時(shí)，平均每天只能看9.1分鐘。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)低碼率的視頻數(shù)據(jù)傳輸，可以大大降低通信費(fèi)用，這對那些小型企業(yè)和家庭用戶更加有利，他們對通信費(fèi)用更加敏感，而這些用戶在數(shù)量上占據(jù)了更大的比重。降低通信費(fèi)用，意味著降低了手機(jī)監(jiān)控的應(yīng)用門檻，從這個(gè)意義上講，實(shí)現(xiàn)低碼率攝像機(jī)，有利于促進(jìn)手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用的普及和發(fā)展。

　　手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用中的存儲(chǔ)位置，可以位于攝像機(jī)的本地存儲(chǔ)設(shè)備(通常是SD卡)，或者客戶端(例如智能手機(jī))的本地存儲(chǔ)，也可能位于網(wǎng)絡(luò)中(云存儲(chǔ))，無論哪一種方式，用戶都會(huì)傾向于更小的存儲(chǔ)空間占用。低碼率的視頻編碼文件，無疑更適合存儲(chǔ)要求。

　　通過以上的分析，低碼率和高清對于基于3G網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用都是需要的。針對智能手機(jī)的主流分辨率，1280×720×25fps是一個(gè)比較適中的攝像機(jī)視頻輸出指標(biāo);在此基礎(chǔ)上，只要能把碼率限制在512kbps以下，就能基本滿足通過3G網(wǎng)絡(luò)部署手機(jī)高清監(jiān)控應(yīng)用的需求，而且目前最普及的ADSL和家庭光纖上傳帶寬就是512kbps，高清攝像機(jī)的碼率控制在512kbps以下將可以大大擴(kuò)展手機(jī)監(jiān)控的應(yīng)用范圍。

　　低碼率高清攝像機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　通過上面的探討可以知道碼率低于512kbps的高清攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)監(jiān)控的高清應(yīng)用，即使不用高清，低碼率也可以降低手機(jī)監(jiān)控的使用成本。為了使高清攝像機(jī)大幅降低碼率，不僅要采用H.264等先進(jìn)的編碼算法，而且要從系統(tǒng)的角度全面考慮，從攝像機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)降低碼率。

　　1、選擇低噪聲的圖像傳感器

　　圖像傳感器是獲取視頻信號(hào)的源頭，選擇高信噪比的低噪聲傳感器是必須的，這為后續(xù)處理提供了基礎(chǔ)條件。

　　2、注重降噪的圖像處理過程(ISP)

　　清晰而且低噪聲的圖像是獲得低碼率視頻的首要條件, 圖像噪聲混入到圖像細(xì)節(jié)特征中,會(huì)大大增加后續(xù)編碼過程的信息量，從而增加碼流。所以首先要獲取清晰而且低噪聲的圖像，這對圖像處理過程(ISP)提出了一些要求。ISP主要包括demosaic、濾波、銳化、白平衡、曝光控制、gamma校正等處理過程，其中濾波和銳化處理對噪聲影響最大。濾波算法很多，我們需要選擇能保持邊緣信息的濾波算法，這樣才不會(huì)降低清晰度;應(yīng)用3D濾波也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它可以利用到幀間信息。濾波和銳化共同作用的結(jié)果，才能獲得低噪聲的清晰圖像，然后進(jìn)行下一步的視頻編碼處理。

　　3、選擇高壓縮率的視頻編碼器

　　H.264作為一個(gè)成熟的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛使用在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，而且也被智能手機(jī)普遍支持。基于這個(gè)原因，如同其他攝像機(jī)廠商一樣，我們也同樣選擇H.264視頻編碼器來進(jìn)行視頻編碼。再進(jìn)一步，我們選擇了Main Profile，理由是可以使用B幀和CABAC編碼。這兩個(gè)功能對降低碼率有很大的作用，B幀可以進(jìn)行雙向預(yù)測，使得預(yù)測更加準(zhǔn)確，可以減少碼流;同時(shí)還可以設(shè)置解碼后的B幀不再做為參考幀，這樣就可以把量化造成的誤差局限在本幀范圍內(nèi)而不繼續(xù)擴(kuò)散，因此可以適當(dāng)增大B幀的量化參數(shù)，減少碼流的同時(shí)而不對視頻質(zhì)量造成明顯損害。相對于CAVLC編碼，在相同編碼信息源數(shù)據(jù)的情況下，CABAC編碼可以節(jié)約10%左右的碼流，這個(gè)差距足以令CABAC成為我們的不二的選擇。

　　4、優(yōu)化視頻編碼碼流

　　H.264編碼中存在I幀，P幀和B幀。其中I幀是幀內(nèi)預(yù)測編碼，盡可能實(shí)現(xiàn)全部幀內(nèi)預(yù)測方式，這樣可以提高預(yù)測準(zhǔn)確性，減少殘差數(shù)據(jù)量，從而降低碼流。 在一個(gè)GOP中，P幀和B幀的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I幀，所以這兩種幀編碼是決定視頻碼流大小的主要因素。對于P幀和B幀編碼，幀間預(yù)測的準(zhǔn)確性直接決定了殘差信息量，因此必須盡可能提高預(yù)測準(zhǔn)確性，手段包括增加參考幀和擴(kuò)大搜索范圍;受硬件資源的制約，在攝像機(jī)中實(shí)現(xiàn)全像素搜索是不現(xiàn)實(shí)的，但是搜索點(diǎn)數(shù)太少會(huì)嚴(yán)重影響搜索精度，因此應(yīng)該盡可能增加搜索點(diǎn)數(shù)，獲得高的搜索精度，最后再用1/2像素和1/4像素匹配最佳位置。

　　5、根據(jù)像素信息重要性分配宏塊QP

　　量化參數(shù)QP直接決定了畫面質(zhì)量，同時(shí)對碼率大小也有極大影響。增加QP,量化誤差增大，畫面細(xì)節(jié)丟失，碼率變小;減小QP則會(huì)產(chǎn)生相反的影響;這就為選擇合適的QP值帶來困惑。理想的解決方式是：畫面中包含重要信息的部分需要細(xì)節(jié)，這些部分應(yīng)該使用較小的QP值;畫面的其他部分則不需要過多細(xì)節(jié)，這些地方可以使用相對較大的QP值。通過這種變化QP的方式，可以大大減少畫面中不關(guān)注細(xì)節(jié)部分的編碼碼流，同時(shí)又不會(huì)危害到畫面中的監(jiān)控對象畫面，這是降低碼流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

　　6、實(shí)施智能分析

　　智能分析是指對圖像進(jìn)行分析，主要有兩個(gè)功能：運(yùn)動(dòng)分析和圖像區(qū)域分析。運(yùn)動(dòng)分析是為了獲得視頻中的運(yùn)動(dòng)物體，如人和車輛等物體，分析結(jié)果可以進(jìn)一步用于入侵檢測等告警規(guī)則;圖像區(qū)域分析是實(shí)現(xiàn)QP分配的基礎(chǔ)條件，分析結(jié)果是獲得運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域的分布，通常靜止區(qū)域都是一些背景區(qū)域，這些區(qū)域可以在H.264編碼過程中應(yīng)用較大的QP值，達(dá)到減小碼率的目的。

　　7.應(yīng)用碼率智能自適應(yīng)控制

　　3G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)有效帶寬處于一個(gè)不斷變化的波動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)有效地匹配視頻輸出碼率和實(shí)時(shí)可用帶寬，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，從而在相同條件下為客戶端提供更好質(zhì)量的視頻碼流。網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬是不可預(yù)知因素，考慮到瞬間的帶寬抖動(dòng)不會(huì)對通信造成實(shí)質(zhì)影響，我們只需要針對作用時(shí)間較長的慢速抖動(dòng)進(jìn)行處理，可以預(yù)設(shè)一個(gè)基本帶寬參數(shù)，然后檢測碼流發(fā)送過程中的TCP的擁塞狀態(tài)，據(jù)此進(jìn)行修正，作為實(shí)時(shí)帶寬的近似值。

　　場景內(nèi)容(包括環(huán)境光線條件)的變化是引起碼率主動(dòng)變化的主要因素，而碼率適應(yīng)過程則是需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整若干參數(shù)，這些參數(shù)包括：視頻幀率、量化參數(shù)QP、視頻濾波強(qiáng)度、圖像銳化強(qiáng)度和圖像分析靈敏度等，分別分布在ISP、智能分析、H.264編碼等多個(gè)處理環(huán)節(jié)。每個(gè)參數(shù)對碼率的影響不同，需要調(diào)整哪些參數(shù)，以及調(diào)整的幅度，需要一個(gè)比較復(fù)雜的控制策略來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程就是碼率智能自適應(yīng)控制。碼率自適應(yīng)控制需要較高的實(shí)時(shí)性;另外，為了保證碼率變化的平滑過渡，參數(shù)調(diào)整過程也需要進(jìn)行漸變過渡，這樣才能獲得較佳的視覺效果。

　　主芯片的選擇

　　目前，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上都采用單芯片的解決方案，可供選擇的主要包括ASIC和FPGA,傳統(tǒng)高清攝像機(jī)大多采用ASIC芯片廠商提供的攝像機(jī)解決方案，所以這些攝像機(jī)都不能實(shí)現(xiàn)低碼流高清。為了實(shí)現(xiàn)低碼流高清，可以FPGA, FPGA具有并行處理機(jī)制能帶來實(shí)時(shí)性和高性能，而且設(shè)計(jì)靈活，便于實(shí)現(xiàn)低碼率目標(biāo)所需要的全部處理過程。

　　結(jié)束語

　　通過以上分析, 低碼率高清攝像機(jī)在手機(jī)監(jiān)控應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)的意義，技術(shù)上也完全可行。我們已經(jīng)使用單片altera的CYCLONE IV(EP4CE115)作為主芯片，實(shí)現(xiàn)了低碼率高清攝像機(jī)(GlobalEagle)的最大分辨率和幀率是1280×720×25fps，平均碼率小于512Kbps。隨著FPGA工藝的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的資源越來越多，運(yùn)動(dòng)宏塊的預(yù)測可以做到越來越準(zhǔn)確，編碼碼流會(huì)越來越少，下一步我們準(zhǔn)備用CYCLONE V來實(shí)現(xiàn)1920×1080×25fps的平均碼率小于1024Kbps的低碼率高清攝像機(jī)。