網(wǎng)絡攝像機將圖像轉換為基于TCP/IP網(wǎng)絡標準的數(shù)據(jù)包，使攝像機所攝的畫面通過RJ-45以太網(wǎng)接口或WIFI WLAN無線接口直接傳送到網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡即可遠端監(jiān)視畫面。

一、網(wǎng)絡攝像機的基本原理

網(wǎng)絡攝像機的基本原理是：圖像信號經(jīng)過鏡頭輸入及聲音信號經(jīng)過麥克風輸入后，由圖像傳感器的聲音傳感器轉化為電信號，A/D轉換器將模擬電信號轉換為數(shù)字電信號，再經(jīng)過編碼器按一定的編碼標準進行編碼壓縮，再控制器的控制下，由網(wǎng)絡服務器按一定的網(wǎng)絡協(xié)議送上局域網(wǎng)或INTERNET，控制器還可以接收報警信號及向外發(fā)送報警信號，且按要求發(fā)出控制信號。

網(wǎng)絡攝像機是真正全數(shù)字化的產(chǎn)品，視頻信號從圖像傳感器(如CCD、CMOS等)采集并數(shù)字化后，后繼的處理全部采用數(shù)字信號，保證了圖像的清晰度，并采用網(wǎng)絡打包和傳輸這些多媒體數(shù)據(jù)(視頻、音頻、文本信息等)。

(一)視頻采集技術

視頻采集部分的核心器件--圖像傳感器，主要有CCD和CMOS兩種，傳感器性能的高低直接決定了攝像機的級別。

(二)編碼算法

1.MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4

隨著視頻編碼與處理算法研究的進展，針對不同應用需求，相繼發(fā)布過多個圖像和視頻編碼壓縮標準。例如，MPEG為多媒體存儲媒體和數(shù)字電視應用制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4。所謂MPEG標準就是指由ISO的活動圖像專家組制定的一系列關于音視頻信號以及多媒體信號的壓縮與解壓縮技術的標準。到目前為止，已經(jīng)制定完成并批準執(zhí)行的有：1991年批準的MPEG1、MP3;1994年批準的MPEG2;1999年批準的MPEG4和MP4。正在制定的標準有：MPEG7和MEPG21。M-JPEG技術即運動靜止圖像壓縮技術，它把運動的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來處理，這種壓縮技術方式單獨完整地壓縮每一幀，在編輯過程中可隨機存儲每一幀，可進行精確到幀地編輯。但M-JPEG只對幀內(nèi)地空間冗余進行壓縮，不對幀間的時間冗余進行壓縮，故壓縮效率不高。

2.H.263、H.264、H.265

面向低碼率的實時視頻通信;ITU-T應用制定了H.261、H.263、H.263+、H.264、H.265。

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)過不斷地完善和多次的升級已經(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是基于運動補償?shù)腄PCM的混合編碼，在運動補償?shù)腄PCM混合編碼，在運動搜索的基礎上進行運動補償，然后運用DCT變換和“之”字形掃描編碼，從而得到輸出碼流。H.263在H.261建議的基礎上，將運動矢量的搜索增加為半象素點搜索;同時又增加了無限制運動矢量、基于語法的算術編碼、高級預測技術和PB幀編碼等四個高級選項;從而達到了進一步降低碼速率和提高編碼質(zhì)量的目的。

H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的聯(lián)合視頻組開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率，比目前根據(jù)MPEG4實現(xiàn)的視頻格式在性能方面提高33%左右。

H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復雜度之間的關系，達到最優(yōu)化設置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實現(xiàn)標清數(shù)字圖像傳送;H265則可以實現(xiàn)利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。

3.數(shù)字音視頻編解碼技術標準AVS-S

面對當前及未來興起的安防應用領域，我國AVS(Audio Videocoding Standard)工作組自主制定的先進數(shù)字音視頻編解碼技術標準AVS-S�？梢哉f視頻監(jiān)控編碼標準的選擇有很多種，但目前網(wǎng)絡攝像機主要采用的標準有MJPEG、MPEG4、H.264等。M-JPEG即運動靜止圖像壓縮技術，但M-JPEG只對幀內(nèi)空間冗余進行壓縮，不對幀間的時間冗余進行壓縮，因此壓縮效率不高。MPEG-4的著眼點在于解決低帶寬上音視頻的傳輸問題，使它成為當前網(wǎng)絡產(chǎn)品生產(chǎn)廠商開發(fā)的重要趨勢之一H.264是目前主流的解決方案，具有高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡適應性，其應用范圍較廣，能適應不同場合，但算法復雜度較高，需要強勁的硬件支持。

當前行業(yè)主流的編碼算法有MPEG-4和H.264，MPEG-4和H.264誰將主導網(wǎng)絡攝像機的視頻編碼?

MPEG-4壓縮技術可獲取清晰度較高的視頻圖像，而且可靈活設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：一是丟幀現(xiàn)象嚴重、實時性差，在保證每路都必須是高清晰的前提下，很難完成實時壓縮;二是壓縮效率低，傳輸帶寬和存儲空間占用大。而H.264引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡中視頻的流媒體傳輸，支持不同網(wǎng)絡資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。H.264可以在更低的帶寬下實現(xiàn)720P、1080i/Pd的廣播級高清視頻分辨率。

目前，網(wǎng)絡攝像機基本上都采用的是H.264編碼芯片。但這不是說任何廠家網(wǎng)絡攝像機的H.264算法都是好的。因此，要對網(wǎng)絡攝像機編碼算法有一個清晰的認識和理解，以免進入誤區(qū)。如果僅關心是否采用了H.264，認為兩個廠家的MPEG編碼模塊都實現(xiàn)了H.264，那么它們就會一樣好。事實是，H.264標準包含一個很大的算法集合，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。要實現(xiàn)所有的算法計算量很大，目前還沒有一個芯片能實現(xiàn)所有算法。而設計H.264編碼芯片的過程實際上是要根據(jù)芯片的運算能力，在H.264算法集合中選擇算法子集的一個過程。因此，我們可以使用圖像領域里面的主觀評價法來判別編碼芯片和編碼算法的好壞，如通過調(diào)低碼率(比如幾十kbps或一兩百Kbps)，調(diào)整圖像的運動量，察看圖像有沒有丟幀、有沒有馬賽克等現(xiàn)象，根據(jù)這些現(xiàn)象的程度來判斷芯片的好壞。

(三)編碼與網(wǎng)絡

當前出于帶寬和成本的考慮，用戶要求在目前所能承受的成本下使用較高的碼流來實現(xiàn);這就對網(wǎng)絡攝像機的編碼效率提出了較高的要求。網(wǎng)絡攝像機通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡傳輸上實現(xiàn)方式有所不間，但過大的數(shù)據(jù)包則會導致網(wǎng)絡堵塞，因此對編碼器的內(nèi)部控制非常嚴格，要求不能影響圖像質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡攝像機實際應用需求不斷發(fā)展和變化，其對芯片編碼要求越來越苛刻，在更高壓縮比的前提下實現(xiàn)更貼近現(xiàn)實的場景。如海思提供的壓縮解決方案就可以實現(xiàn)720P@2Mbps的壓縮率，比一般產(chǎn)品動輒要3-4Mbps才提升了了至少50%壓縮比，2Mbps的碼率還有另外一個含義，就是用戶可以不增加網(wǎng)絡和存儲成本的情況下升級到720P的體驗。未來隨著3G\4G網(wǎng)絡的快速應用，支持各種網(wǎng)絡的編碼方式也成為重要發(fā)展方向。

二、網(wǎng)絡攝像機的核心部件

一臺IP網(wǎng)攝像機主要由視頻采集、視頻編碼、網(wǎng)絡傳輸?shù)葞撞糠纸M成。它通過CMOS/CCD感光器進行逐行掃描，將光信號直接能夠捕獲影像并通過SoC單芯片處理，直接通過IP網(wǎng)絡進行傳輸，從而使用戶能夠通過標準的基于IP網(wǎng)絡基礎構架在本地或者遠程地點實現(xiàn)觀看、存儲和管理高清視頻數(shù)據(jù)。

CMOS圖像傳感器具有低帶寬，固有的防光暈特性，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，應用較廣。隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異將逐漸減小，在較長一段時間內(nèi)二者將長期共存。目前，各式CCD和CMOS競相推出，各廠家都有自己的接口標準，即使表面上物理接口一樣，內(nèi)部數(shù)據(jù)仍有不同，所以需要與傳感器原廠對接。在這方面需要芯片廠商與傳感器廠商進行協(xié)調(diào)合作才會有比較好的效果。這也是網(wǎng)絡攝像機編解碼芯片必須要做的功課，如Hi3515和Hi3520就把SONY的720PCCD這種原來需要CPLD轉接的接口直接定義到了芯片里面，由干該CPLD的實現(xiàn)需要SONY原廠提供幫助，這樣就直接幫助一些客戶解決了原來不可獲取的問題。

(一)圖像傳感器

IP高清攝像機以核心部件的圖像傳感器(Image Sensor)做分類的話，主要有CCD和CMOS兩種。其中CMOS又細分為傳統(tǒng)的CMOS和Exmor CMOS即背照式CMOS。CCD和CMOS就基本結構和工作原理來說，區(qū)別如下：

CCD是 Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。

CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor(互補性氧化金屬半導體)的縮寫，和CCD一樣同為在高清攝像機中可記錄光線變化的半導體，CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡單，兩者的特點如下：

CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢; CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。

(二)處理芯片

高清IPC的設計方案很多，但從架構上來看，主要包括兩種：其一，采用CCD/CMOS傳感器作為圖像采集設備，配套提供實現(xiàn)圖像處理和編碼功能的SoC芯片;其二，采用前端攝影機模塊，作為圖像采集設備，和一個通用的ASIC或DSP進行編碼和傳輸。由于第一種架構設計靈活，廣泛被廠家采用。

在圖像處理方面有三種實現(xiàn)方案：第一種方案采用專用的ISP處理芯片和編碼處理部分，該方案較靈活，采用專用的ISP芯片穩(wěn)定性好，能夠保證圖像的質(zhì)量;第二種方案采用集成ISP的編碼芯片，該方案靈活性次于第一種方案，且專用的ISP處理芯片穩(wěn)定性雖高，但圖像質(zhì)量一般、成本較高;第三種方案采用FPGA等芯片實現(xiàn)信號處理及編碼功能，該方案靈活性最強，但是穩(wěn)定性差、成本最高、圖像質(zhì)量難于保證。專用ISP方案設計靈活、性價比高、可以保證圖像的質(zhì)量，適用于高清IPC的設計。

三、網(wǎng)絡攝像機的技術術語

(一)CPU

CPU即中央處理器，是網(wǎng)絡攝像機最核心的部件之一，是網(wǎng)絡攝像機的大腦，大部分的數(shù)據(jù)信息都是由它來完成的。它的工作速度快慢直接影響到攝像機的運行速度。CPU可分為控制單元(Control Unit;CU)、邏輯單元(Arithmetic Logic Unit;ALU)、存儲單元(Memory Unit;MU)三大部分，從應用角度可以分為X86式、嵌入式和其他高性能式三大類。網(wǎng)絡攝像機一般用的都是嵌入式的CPU。

(二)Flash Memory

Flash Memory即快擦型存儲器，在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息，但是數(shù)據(jù)刪除不是以單個的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位。區(qū)塊大小一般由256KB到20MB。FLASH這個詞最初由東芝因為該芯片的瞬間清除能力而提出。閃存源于EPROM，芯片價格不高，存儲容量大。閃存正在成為EPROM的替代品，因為它們很容易被升級。閃存被用于PCMCIA卡，PCMCIA閃存盤，其它形式硬盤，嵌入式控制器和SMART MEDIA。如果閃存或其它相關的衍生技術能夠在一定的時間內(nèi)清除一個字節(jié)，那將導致永久性的(不易失)RAM的到來。

(三)DRAM

DRAM(Dynamic Random-Access Memory)，即動態(tài)隨機存儲器最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，DRAM 必須隔一段時間刷新(refresh)一次。如果存儲單元沒有被刷新，數(shù)據(jù)就會丟失。

(四)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)(Operating System，簡稱OS)傳統(tǒng)上是負責對計算機硬件直接控制及管理的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)的功能一般包括處理器管理、存儲管理、文件管理、設備管理和作業(yè)管理等。當多個程序同時運行時，操作系統(tǒng)負責規(guī)劃以優(yōu)化每個程序的處理時間。在網(wǎng)絡攝像機是了常見的操作系統(tǒng)是Linux。 一個操作系統(tǒng)可以在概念上分割成兩部分：內(nèi)核(Kernel)以及殼(shell)。一個殼程序包裹了與硬件直接交流的內(nèi)核：硬件<->內(nèi)核<->殼<->應用程序。但有些操作系統(tǒng)上內(nèi)核與殼完全分開(例如Unix、Linux等)，這樣用戶就可以在一個內(nèi)核上使用不同的殼;而另一些的內(nèi)核與殼關系緊密(例如Microsoft Windows)，內(nèi)核及殼只是操作層次上不同而已。

(五)網(wǎng)絡協(xié)議

對于網(wǎng)絡攝像機來說就是傳輸所攝圖像時所要遵守的一些規(guī)范，由于現(xiàn)有的網(wǎng)絡都是在TCP/IP協(xié)議下的，所以大部分網(wǎng)絡攝像機都遵守這個協(xié)議。下面主要介紹一下什么叫協(xié)議，和現(xiàn)有的幾種常用的網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡協(xié)議就是網(wǎng)絡中(包括互聯(lián)網(wǎng))傳遞、管理信息的一些規(guī)范。如同人與人之間相互交流是需要遵循一定的規(guī)矩一樣，計算機之間的相互通信需要共同遵守一定的規(guī)則，這些規(guī)則就稱為網(wǎng)絡協(xié)議。 一臺計算機只有在遵守網(wǎng)絡協(xié)議的前提下，才能在網(wǎng)絡上與其他計算機進行正常的通信。網(wǎng)絡協(xié)議通常被分為幾個層次，每層完成自己單獨的功能。通信雙方只有在共同的層次間才能相互聯(lián)系。常見的協(xié)議有：TCP/IP協(xié)議、IPX/SPX協(xié)議、NetBIOS協(xié)議等等。在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛采用的是TCP/IP協(xié)議，在局域網(wǎng)中用得的比較多的是IPX/SPX.。用戶如果訪問Internet，則必須在網(wǎng)絡協(xié)議中添加TCP/IP協(xié)議。

(六)LAN接口

LAN接口同時也可分為廣域網(wǎng)(WAN)接口和局域網(wǎng)接口，我們常用的廣域網(wǎng)(WAN)接口有：V.35、RS232、ISDN、BRI、PRI、E1接口等。網(wǎng)絡攝像機一般是以RJ-45接口和網(wǎng)絡相連接的。網(wǎng)絡接口有多種下面是網(wǎng)絡攝像機有可能用到的幾種接口的介紹。

1.AUI端口

AUI端口是用來與粗同軸電纜連接的接口，它是一種“D”型15針接口，這在令牌環(huán)網(wǎng)或總線型網(wǎng)絡中是一種比較常見的端口之一。路由器可通過粗同軸電纜收發(fā)器實現(xiàn)與10Base-5網(wǎng)絡的連接，但更多的是借助于外接的收發(fā)轉發(fā)器(AUI-to-RJ-45)，實現(xiàn)與10Base-T以太網(wǎng)絡的連接。當然也可借助于其他類型的收發(fā)轉發(fā)器實現(xiàn)與細同軸電纜(10Base-2)或光纜(10Base-F)的連接。這里所講的路由器AUI接口主要是用粗同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡進行連接用的。

2. RJ-45端口

RJ-45端口是我們最常見的端口了，它是我們常見的雙絞線以太網(wǎng)端口，因為在快速以太網(wǎng)中也主要采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，所以根據(jù)端口的通信速率不同RJ-45端口又可分為10Base-T網(wǎng)RJ-45端口和100Base-TX網(wǎng)RJ-45端口、1000Base-TX三類。其中，10Base-T網(wǎng)的RJ-45端口在路由器中通常是標識為“ETH”，而100Base-TX 網(wǎng)的RJ-45端口則通常標識為“10/100bTX”，這主要是現(xiàn)在快速成以太網(wǎng)路由器產(chǎn)品多數(shù)還是采用10Mbps/100Mbps帶寬自適應的。

3.SC端口

SC端口也就是我們常說的光纖端口，它是用于與光纖的連接，一般來說這種光纖端口是不太可能直接用光纖連接至工作站，一般是通過光纖連接到快速以太網(wǎng)或千兆以太網(wǎng)等具有光纖端口的交換機。這種端口現(xiàn)在大多數(shù)比較高端的產(chǎn)品上都有，都以“100b FX”標注。

4.紅外線接口

IrDA是Infrared Data Association(紅外線數(shù)據(jù)標準協(xié)會)的英文縮寫，IrDA紅外接口是一種紅外線無線傳輸協(xié)議以及基于該協(xié)議的無線傳輸接口。支持IrDA接口的數(shù)碼相機，可以無線地向支持IrDA通信的其它設備如筆記本電腦或打印機傳輸數(shù)碼照片。

(七)圖像分辨率

圖像分辨率的概念簡單說就是指屏幕水平和方向垂直方向所顯示的點數(shù)。比如1024×768，其中“1024”表示屏幕上水平方向顯示的點數(shù)，“768”表示垂直方向顯示的點數(shù)。分辨率越高，圖像也就越清晰，且能增加屏幕上的信息容量。分辨率越高說明網(wǎng)絡攝像機對圖像的顯示越清晰。