网络摄像机的组成原理及其应用优势

Question

如题所述

Answer 1

组成原理

网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。

1、镜头
镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，与模拟摄像机相同。

2、图像传感器、声音传感器
图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体，CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现杂点。

CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。

通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途的某些特性。这一部分与模拟摄像机相同。 声音传感器即拾声器或叫麦克风，与传统的话筒原理一样。

3、A/D转换器
A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。

基于CMOS模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口，无须A/D转换器；而基于CCD模式的图像传感器模块如有直接数字输出的接口，亦无须A/D转换器，但由于此模块主要针对模拟摄像机设计，只有模拟输出接口，故需要进行A/D转换。

4、图像、声音编码器
经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或标准进行编码压缩。编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化；便于在计算机系统、网络以及万维网上不失真地传输上述信号。

目前，图像编码压缩技术有两种：一种是硬件编码压缩，即将编码压缩算法固化在芯片上；另一种是基于DSP的软件编码压缩，即软件运行在DSP上进行图像的编码压缩。同样，声音的压缩亦可采用硬件编码压缩和软件压缩，其编码标准有MP3等格式。

5、控制器
控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。

6、网络服务器
网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用了RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台。

7、外部报警、控制接口
网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。

网络摄像机的基本原理是：图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器的声音传感器转化为电信号，A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩，再控制器的控制下，由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET，控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号，且按要求发出控制信号。

8、图像的编码标准
目前，网络摄像机的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。

MPEG4

所谓MPEG标准就是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。到目前为止，已经制定完成并批准执行的有：1991年批准的MPEG1、MP3;1994年批准的MPEG2;1999年批准的MPEG4和MP4。正在制定的标准有：MPEG7和MEPG21.

H.263

H.263是ITU-T提出的作为H.324终端使用的视频编解码建议，H.263经过不断地完善和多次的升级已经日臻成熟，如今已经大部分代替了H.261，而且H.263由于能在低带宽上传输高质量的视频流而日益受到欢迎。

H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动补偿的DPCM混合编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和“之”字形扫描编码，从而得到输出码流。H.263在H.261建议的基础上，将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索；同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和PB帧编码等四个高级选项；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。

H.264

H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。

在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50％左右的码率，比目前根据MPEG4实现的视频格式在性能方面提高33％左右。

M-JPEG

M-JPEG技术即运动静止图像压缩技术，它把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩技术方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧地编辑。但M-JPEG只对帧内地空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。

应用优势

网络摄像机不仅可基于计算机局域网用于区域监控，如住宅小区监控、办公楼、银行、商场等传统地监控；而且也能通过INTERNET用于新型地跨区域远程监控及网上展示，远程儿童及老人看护、无人值守通信机房监控、旅游景点网上演播、产品网上展览等。

举例说明，系统有如下一些特点：

把图像进行M-JPEG编码压缩，通过网络利用TCP/IP协议进行传输；通过网络摄像机或镜头、云台和其它外部设备进行操作控制；

内置一个10M/100M以太网RJ45接口，可通过网络实现远程接口；一个并行I/O口，可以连接外部传感器进行自动报警，也可以对外部设备进行控制或进行联动报警功能；一个RS45串口，可以对镜头、云台进行控制，或连接其他外部设备；

内嵌WEB SERVER，网络摄像机内部提供了一个WEB SERVER,允许用户从PC机使用标准地浏览器进行各种接口、操作；具有单独地安全机制，可以对操作本摄像机地用户进行分级别的权限验证；

有中心的集中式管理与控制的监控网以及无中心的分布式监控网；内置实时操作系统，支持软件下载和配置设置，方便升级和操作管理。

Answer 2

　　网络摄像机发展历程
　　IP网络摄像机诞生于上世纪90年代中期。由于那个时期全球网络以窄带为主，大型宽带网络为主的商业应用很少，而网络带宽低，限制了视频传输的质量；编码方式落后导致对带宽需求很大，而摄像机集成编码功能的芯片也不是很多，加上本身造价昂贵，因此市场对此需求很低。
　　直到20世纪末期，随着宽带技术和其它相关科技的日新月异，网络开始以人类想像不到的速度发展起来，从ISDN到DSL及专网的建设使网络视频成为新兴的行业，在这个大的环境下，快速的网络普及及编码技术的推新使网络摄像机逐步被市场的有识之士所认可，于是更多的厂商大胆地投入到这一新兴领域。当时在国内还没有网络摄像机的制造商，但在国内市场已经出现台湾、日本、韩国品牌的网络摄像机。
　　由于早期的网络摄像机采用M-JPEG的非实时压缩方式，但无论从图像效果，还是配套条件看，市场的需求未成气候。步入21世纪初期后，MPEG-4的压缩算法应用于网络监控领域，开始了正式的网络视频产品市场应用宣传与推广，市场逐渐开始接受并适应了网络视频编码器与模拟摄像机配套应用的方式。之后几年，网络视频技术已普遍被广大客户认可，并逐步开始大规模应用，这为网络摄像机的发展奠定了良好的技术基础和应用环境。直到2004年后，在网络视频技术日渐成熟和网络视频服务器产品竞争日趋激烈的阶段，各主要厂商开始将网络视频技术转向网络摄像机，并逐步推出了各种型号的产品。截至2008年底，在全世界从几个厂商快速发展到成百上千的网络摄像机的生产厂商，编码技术也已经趋向于H.264编码方式。由此可见，用网络摄像机可取代传统模拟CCTV监控产品，网络摄像机已给监控市场带来全新的冲击。

　　网络摄像机与传统摄像机的异同点
　　众所周知，传统的模拟黑白摄像机主要由镜头、图像传感器、定时驱动及同步信号产生、视频信号处埋及电源等五大部分组成。如果是彩色，则要增加滤色片与色彩处理部分，而网络摄像机则要在上述的基础上增加视频和声音编码压缩模块以及网络连接控制模块及接口等。
　　由于DSP芯片性能的提高和完善，而被用于摄像机中进行数字信号处理。因此，在模拟摄像机中，CCD传感器所产生的模拟信号首先将被A/D（模拟/数字）转换器转换为数字信号，这样视频图像就可以通过其内置的DSP芯片进行处理和完善；经过DSP处理后的数字图像信号接着又被重新转化为模拟信号，用于在同轴电缆上进行传输；最后，当该模拟信号到达后端的DVR时，又被DVR重新数字化然后存储到硬盘上。可以看出，在这一过程中，图像信号要经过三次转化，而每一次转化都会造成图像质量不同程度的下降。
　　但在网络摄像机中，图像经过数字化之后将一直保持数字化的状态，无需进行多次数/模或模/数转化，从而避免了图像质量下降的现象发生。当摄像机把图像进行编码压缩后，通过网络利用TCP/IP协议进行传输；通过网络摄像机或镜头、云台和其它外部设备进行操作控制（参见图1）。

　　下面，首先要介绍以下几种适用于网络摄像机中的图像压缩编码标准。

　　M-JPEG
　　M-JPEG技术即运动静止图像压缩技术，它把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩技术方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑。但M-JPEG只对帧内的空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。
　　MPEG-4
　　所谓MPEG-4标准就是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。MPEG-4压缩倍数为450倍（静态图像可达800倍），专为移动通信设备（例如移动电话）在英特网实时传输音/视频讯号而制定的最新MPEG标准。MPEG-4和MPEG以往的版本相比，最大的不同之处在于MPEG-4使用「图层」（layer）方式，能够智能化选择影像的不同之处，在压缩下个别编辑画面，使图文件容量大幅缩减，而加速音/视频的传输。
　　H.264
　　H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第十部分。在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50%左右的码率，比目前根据MPEG-4实现的视频格式在性能方面提高33%左右。
　　由此可见，H.264在图像压缩方面最节省带宽.

　　网络摄像机优势
　　高清晰的图像质量
　　近年来，高分辨率电脑显示器和数字摄像机不断出现，最终用户也开始要求将图像分辨率提高到百万像素的级别，视频监视应用的最终用户同样也开始提出类似的要求。现阶段，模拟黑白监控摄像机高解的是752×582，能达到的电视线一般最多为564TVL，而现在一般的网络摄像机都能到4CIF，即704×576的分辨率，换算成像素也就40多万。但是随着百万像素高清的概念，主流厂商陆续推出100万像素、200万像素甚至300万像素的效果.

　　集成存储卡和音频
　　网络摄像机不仅拥有模拟摄像机图像采集功能，相比模拟摄像机加编码器和平台的方式，它的优势本身已经是一个前端处理系统，如VOIP、报警、232/485串行设备的接入等等，除此以外，还可以将移动侦测、视频丢失、存储异常等报警信号通过网络发送给后端。网络摄像机可内嵌存储系统，采用的是SD或其他的存储卡，存储卡可作为网络故障时图像的暂存设备，等网络恢复正常，再将视频进行上传，可有效地保证视频数据的连续性和完整性。存储卡的另外一个用处是将重要的报警图像进行本地摄像机存储，同时上传后端，这样不会因为网络的不可靠传输导致视频数据的缺失。另外，可以集成双向音频功能，即内置MIC和扬声器的输出。比如在停车场监控中，如保安在监控中心发出警告指令使违法人员远离车辆；再如在医院应用，重点病房安装监控保证医生和护士24小时了解病人的状况。那么，病人在病房通过摄像机的MIC和扬声器可以实时和医生进行沟通。现在的应用以单工和半双工为主.

　　支持PoE功能
　　PoE（Power Over Ethernet）以太网供电这项创新的技术，是用一条通过以太网电缆同时传输以太网信号和直流电源，它将电源和数据集成在同一有线系统当中，在确保现有结构化布线安全的同时，保证了现有网络的正常运作。PoE网络摄像机具有以下优点：

　　1、PoE功能连接
　　·施工上安装简单，只需要布置一根双绞线，不需要敷设电源线，可以省去昂贵的电源线，省去敷设电源线的工作量。布置点位相对比较自由，不用考虑电源取电的难题，只要网络线可以到达的地方都可以安装，减少安装过程中考虑的因素；
　　·PoE供电时不用单独敷设220V的电源，减少信号的干扰导致图像不清晰、衰减大的因素；
　　·采用集中供电方式，只需要对交换机进行集中供电，供电的范围比较集中，容易管理，成本较低；
　　·通过PoE供电，前端没有强电，系统的安全性好，不会因为电源问题发生事故，尤其在安全性要求高的场所，优势更加明显。PoE网络摄像机增加网络防雷模块就可以保证前端设备在雷雨天气的安全，网络线不超过100米，不容易形成感应电势击坏摄像机的电子元器件。

　　2、支持无线功能
　　网络摄像机不仅具备PoE功能可节省布线的成本和难度，有些厂家已经在摄像机内部增加无线网卡模块或提供无线网卡的插槽，支持无线功能的摄像机可以接入无线AP实现采集前端视频信息到后端的目的。现在支持无线传输的技术有很多，WIFI、MESH、WIMAX等等，现在点对点传输距离可达到几十公里以上（如图6），可以满足一些监控的需求，但是要想使无线监控今后成为主流，还需一段时间，取决于无线网络的发展。

　　3、安全通信
　　模拟摄像机使用同轴电缆传输视频信息，其中没有任何加密和认证机制。在这种情况下，只要能够知道视频电缆的位置，任何人都可以通过搭线的手段来观看其中传输的视频画面。更糟的是，心怀不轨的人还可以来个移花接木，将某个重要的视频监视信号切换到其它的信号源，使用户的视频监控系统彻底失效（如同电影中经常会出现的场景一样）。但是对于网络视频系统来讲，网络摄像机可以对采集到的视频信号首先进行加密，然后再通过网络进行传输，从而可以确保视频信息无法被非数字证书对连接请求进行认证，确保只有特定的网络摄像机才能够接入系统，从而有效避免了欺诈行为授权人员获取或者篡改。系统可以通过使用高安全性的，如网络摄像机还可以在视频数据中加入“水印”信息，“水印”信息可包括图像摘要、时间、地点、日期、用户信息、报警信息等等，从而在安全事件发生之后可以确保系统保存了有效的证据。

　　4、前端智能化
　　智能监控系统中的许多技术适合在前端实现，如车牌识别、人脸检测、行为分析、目标跟踪等。智能分析技术的日益成熟使得智能技术逐步产品化，同时也逐步走入实用阶段。当前的视频监控系统中，有太多的视频数据被录制和存储下来，但是这些数据中大多都是一些无关紧要的画面，重要事件的信息往往被淹没在海量的录像资料当中，从而给事件的分析和处理工作带来很大的难度，同时也浪费了宝贵的存储资源。而具有智能的网络摄像机可以解决这样的困境：基于计算能力上的局限，集中式的视频监控系统无法实现对大量视频信息的实时分析工作。而网络摄像机拥有专用的、高度集成化的硬件设备，其自身可实现高级视频分析算法，这一特性大大降低了对后端设备的性能要求，从而使用户可以构建出超大规模的智能视频系统。一些高级智能视频分析算法（如车牌号码识别、人数统计等等）也可以集成到网络摄像机当中。通过使用网络摄像机，可以做到将系统的智能集成到视频监控的前端设备当中，能够使用户获得一个比传统的DVR或其他集中式的系统更加有效和功能强大的视频监控解决方案。所以网络摄像机将是一个承载智能技术的理想平台。

　　网络摄像机发展趋势
　　1、百万像素网络摄像机产品类型增加
　　现阶段，百万像素网络摄像机以枪机和半球为主，但随着技术的成熟和用户需求的日益明确化，网络百万摄像机也将会衍生出网络高清球型摄像机。至于在偏远或不便于搭建网络环境下的网络监控系统，要想实现高清的效果，将通过无线网络高清摄像机，以解决终端接入问题。

　　2、算法的改进
　　网络摄像机的核心技术是其视频编码压缩技术。目前网络摄像机主要包括通用DSP芯片技术和ASIC芯片技术两大实现方案。由于国内用户对带宽和帧率要求比较敏感，要求在低带宽下依然满足25帧的传输速率，因此MPEG-4算法尤其H.264算法在国内大有市场。H.264算法的压缩比是MPEG-2的2-3倍，是MPEG-4的1.5-2倍。因此在H.264算法的优化上各厂家都有很大的提升空间来满足客户对带宽占用的需求。另外，百万像素摄像机应用H.264编码方式是今后发展的方向，但是现在的情况是各家算法不同，压缩的质量和效果也不同，更重要的是现在支持1920×1080P的分辨率摄像机已经问世，但是同时支持25ips的厂家几乎没有，现在能够做到720P@25ips已经不错了，因此这也是今后发展的潮流。

　　3、加入智能算法使之成为智能网络摄像机
　　因智能化是数字化网络化发展的必然趋势，这样才能做到事前预警，真正保安全。而网络摄像机将是一个承载智能技术的理想平台，尤其加入人与物异常等的智能算法软件，将是网络摄像机成为智能网络摄像机的重要发展方向。

　　4、配合3G技术
　　现在3G网络已经在中国逐渐发展开来，3G服务已经应用在家用的电脑上网以及3G视频通话，但是这种业务今后是否适合于监控领域还有待验证，现在部分国内厂商已经做出一些3G监控的构思，设想一下，集成3G功能的网络摄像机在传输带宽上比传统GSM网络有更大优势，这样无线远距离实时监控问题也就迎刃而解。

　　结语
　　网络视频技术的日益完善并深入人心，网络建设基本完成，平安城市如火如荼开展，更加说明网络摄像机的潜在市场。2008年北京奥运会网络监控项目的成功实施，2010年上海世博会将会是一个全新数字化建设舞台，中国这个世界人口最多的国家将营造一个史无前例的监控市场，而网络摄像机作为第三代网络监控技术的新宠将走在风口浪尖，尤其智能网络摄像机的市场需求，将会获得长足的发展。

　　向以太网IP摄像头的PoE电源设计方法

　　IP技术在每一个领域中的应用都在不断增长—安全领域也不例外。随着IP越来越成为主流的技术，每一天市场上都有这样的新产品推出。使用标准的布线以及便宜的现成以太网交换机和路由器，使得以太网/IP成为很多新应用的媒介选择。正如其他市场一样，以太网/IP快速地成为视频监控相机的网络承载选择。

　　以太网/IP网是很多设备的优选网络，另外一种同样很快地成为他们市场竞争关键的技术是以太网供电(PoE)。在上实际90年代推出以来，PoE首次的市场成功来自于对红外数据协会(IrDA)网络接口(当前的无线接入点的前身)进行供电。在接下来的几年时间内，只有部分的制造商在他们很窄的产品中使用PoE，因为他们都不愿意再他们的标准产品中采用专有的电源系统。在2003年6月份IEEE对PoE进行了标准化以后，这种状态改变了，市场开始爆发性地使用PoE。现在，随着IEEE增加网络供电设备的可用功率，市场有望获得急剧增长的新动力。PoE和即将提出的IEEE改进会使得各种视频监控相机成为可能。

　　IP安全相机具有各种类型，某种程度上IP相机是什么是由制造商来定义的。某些制造商利用连接到中央IP解码器的模拟相机，其它的在相机内部转换视频信号，相机自身在本地运行IP。即使在机身内部实现本地IP，某些相机设计用于有线以太网，而其它包含无线数据。

　　与竞争技术相比，有线以太网/IP具有几个优势：支持有线以太网的电缆规格是明确的，市场上到处都有；有线连接在数据传输上比无线更安全，无线传输是在一个很大的半径内广播，犯罪者必须通过物理上的访问才可能盗取信息流；有线以太网还可以通过电缆利用PoE进行供电，因而对远端的设备供电问题就简化了。在大多数的管辖区域，数据电缆的布线的管控并不严，而交流电的布线要求授权的安装机构，很多时候需要一个授权的过程。以太网供电还可以采用集中化的电源备份。如果通过管道进行布线，端到段的连接可以既安全又可靠。

　　当前PoE标准IEEE802.3af-2003在2003年得到IEEE的批准。自那以后，在产生IEEE802.3-2005标准的正常修订过程中，该标准就以第33条款融入到了主要的以太网标准中。然而，随着2005版本的颁发，就技术上而言，IEEE 802.3af-2003被废弃。

　　PoE的IEEE标准允许像IP相机这样的设备在RJ-45连接头下，最多吸收不超过12.95W的功率。实际上，这意味着在实际的应用中电路只能得到大约10W的功率，因为整流二极管本身会消耗一定功率，还有前端和DC-DC转换器效率的问题。10W或更低的功率的限制意味着相机设计师必须严格注意功率预算。由于功率预算很紧，设计师合理限制功能组合，以及认真设计应用电路以符合PoE标准，以实现对IP相机供电。

　　图1是静态监视相机的一个描述性框图，它适合室内固定位置观察。根据处理器和成像器的选择，可能需要增加一个中间解码器，某些应用可能包括音频监视。图中显示了一个用于音频输入的可选模块。图1中遗漏了一个重要的耗电功能，即支持摇摄/倾斜/相机移动的马达，或者室外使用中防雾化的加热器。本回答被提问者和网友采纳