网络摄像机原理.doc

网路摄像机的组成原理网络摄像机又叫IP CAMERA（简称IPC）由网络编码模块和模拟摄像机组合而成。网络编码模块将模拟摄像机采集到的模拟视频信号编码压缩成数字信号，从而可以直接接入网络交换及路由设备。网络摄像机内置一个嵌入式芯片，采用嵌入式实时操作系统。网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品。摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过网络总线传送到Web服务器。网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。网络摄像机能更简单的实现监控特别是远程监控、更简单的施工和维护、更好的支持音频、更好的支持报警联动、更灵活的录像存储、更丰富的产品选择、更高清的视频效果和更完美的监控管理。另外，IPC支持WIFI无线接入、3G接入、POE供电（网络供电）和光纤接入。网路摄像机一般由镜头、声音传感器、A/D转换器、图像传感器、图像、声音、外部报警、控制器网络服务器、控制接口等部分组成。 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。图像传感器、声音传感器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。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。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。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。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。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。网络视频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。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。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。 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。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IP网络摄像机安装注意事项如果想在既有的网路架构下安装IP网路摄影机，一台性能较强的电脑是不可或缺的，可以选用Windows95/98/NT/2000或Linux作业系统的PC，此外苹果电脑也是一个不错的选择。而一般市面上的电脑通常都具备网路支援功能及浏览器，所以使用者可以很轻易的启动IP网路摄影机，不需要为其他周边设备伤脑筋。 设定密码以增添网路传输的安全性 如果要采用IP网路摄影机，建议设定密码以保护摄影机所录取的资料；密码既可防止资料外，又可保证摄影机操作设定不会被随意窜改。若要应用在安全需求更高的场所，可将IP网路摄影机连接到具备特殊保护措施的电脑上，并可采用加密技术，如HTTPS协定等，以确保资料的机密性。 *质影像须知 如果希望捕捉到*质的影像，用户应注意到电脑萤幕的显示设定，其萤幕色彩至少需达65.000位元；另外，平面LED显示幕虽然使用起来十分方便，但在观看影像时，效果反而不如CRT萤幕。其他*质影像需求如下 . 使用大量光线 在很多情况下，影像画质较差是由於照度太低。一般而言，光线越强，影像的品质越高；而在较弱的光线下，影像的色彩容易单调、模糊不清。一般专业摄影师都会采用照相机闪光灯来弥补光线的不足。 此外，解析度较高的摄影机虽可在照度小於1 Lux的条件下工作，但这只是意味著摄影机在1 Lux时可以捕捉到影像，却不代表在1 Lux时能获得良好的影像效果；若要捕捉高解析影像，其照度至少需达到200 Lux。 . 避免背光 一般而言，摄影机的动态调节能力是有限的，应尽量避免出现影像上的明亮区域，因为明亮的影像会导致曝光过多，物体就会显得过暗。 . 减小对比度 用户可以通过调整摄影机的曝光程度，来取得较平均的照度。 安装室外摄影机 如果要将IP网路摄影机安装在室外，则需配置室外用机壳。室外摄影机一般使用自动变焦镜头，可以调节影像感测器需要的光线，提高摄影机的动态功能，并可保护影像感测器免遭强光的损坏。 其他户外用IP网路摄影机的的注意事项如下 . 照明 夜晚使用摄影机时，为了避免反射和阴影，通常需要照明设备，可以使用红外线照明灯代替普通灯泡。不过用户必须使用黑白摄影机和带有红外线照明设备的网路影像伺服器，因为黑白摄影机对红外线感光较为灵敏，而彩色摄影机则无法发挥红外线功能。 . 避免直接拍射阳光 尽量避免影像中出现直射的阳光。直射的光线会使摄影机无法捕捉影像，并可能使感测器晶片上的彩色滤光器永久性脱色，导致影像出现条纹。如果可能的话，安装时需保持摄影机与阳光照射的方向一致，并尽量避免对准天空拍摄。 . 放大器增益 在电脑中可以调节影像感测器的增益级别，增益越高，在弱光下的性能越好，但干扰也会扩大。在光线较弱的时候，用户可以使用高增益以获得较好的性能，在光线品质良好的时候，用户使用低增益同样可获得*质的影像。 . 快门速度 通常快门速度应设置为1/50或1/60秒；光线弱时曝光时间长，可以获得良好的性能。如果要捕捉快速移动的影像，快门速度应设定为1/10000秒。 选择合适的镜头 底座 摄影机的底座有两种主要的标准 1. CS-mount感测器和镜头间的距离应为12.5mm。 2. C-mount感测器和镜头间的距离应为17.5mm。如果无法聚焦，可能是选用了错误的底座类型。 另外，用户也可采用一个5mm的套环（C/CS适配器环），将C-mount镜头转换为 CS-mount镜头。 . 感测器尺寸 感测器尺寸越大，镜头越昂贵；1/2镜头适用於1/2、1/3和1/4感测器，但不适用於2/3感测器。如果在大感测器上使用一个较小感测器制造的镜头，影像将会出现黑角。 . 焦距 焦距与感测器组合在一起形成了视角；小焦距的视角较宽，较大焦距具有狭窄的远摄视角，而在调整远摄镜头的聚焦时，操作必须更为精确。 . 镜头类型 镜头主要有三种类型 1. 单一焦距焦距是固定的，如4mm、8mm。 2. 变焦镜头可以在一定范围内调整焦距，如4-10mm；焦距变化时焦点不变。 3. 变焦点镜头这是一种低成本的变焦镜头；当焦距更改时，镜头必须重新聚焦；通常为3.5-8mm。 . 可变光圈 可变光圈是一种机械装置，用於调节通过镜头的光线数量。在镜头中有三种不同类型的可变光圈 1. 手动可变光圈转动一个环，以调节可变光圈。 2. DC自动可变光圈摄影机的输出调节可变光圈。 3. 影像自动可变光圈类比影像信号调节可变光圈；此类型目前不常使用。 室外一般采用自动可变光圈镜头，能保护影像感测器免遭强光的损坏。 CCD 摄像机质量对网络摄像机的影响提要：网络摄象机 ( 网络摄象服务器、视频服务器、网络视频转换器等 ) 采用的 CCD 摄像机的质量对带宽的影响很大，采用优质的 CCD 摄像机可以大大减少网络摄象机的带宽。 1. 问题的提出 网络摄象机技术的发展，特别是宽带网络的普及，使得基于网络的网络监控应用正在普及。灵活的监视和控制配置、与信息网络紧密融合、长距离远程监控等优势都是传统监控所不可比拟的。如何正确掌握及合理应用网络摄象机是用户面临的新课题。 网络摄象机实际应用中的主要问题，第一是图像压缩技术问题：第二就是网络带宽数据传输问题。所谓解决带宽问题的实质就是如何在有限的带宽上传输更高质量的图像，当然还有计算机操作系统软件管理能力的提高（解压）问题；图像数据压缩技术的发展以及高速中央处理器的应用等都是解决网络摄象机图像压缩问题的基础技术，许多技术（特别是 MPEG4 ）的发展，无疑使我们今天的网络摄象机能够比以前取得更大的图像压缩比。但是否有了这些就足够了呢？答案是否定的。 2. 提高原始参考图像质量是图像压缩的关键 在一定的压缩技术和一定的应用环境下，是什么因素影响网络摄象机的带宽呢？这就是系统前端使用的 CCD 摄像机是否能够送出稳定干净的图像，即每一帧都作为新增加原始参考图像呢，还是作为不变的可压缩的变异图像，这个因素往往被大家忽视。不稳定不干净的图像输入到网络摄象机后，网络摄象机识别为新增加的原始参考图像而被重新传输。本来不变的可压缩的变异图像被误判成新增加原始参考图像，表现为带有色偏、色滚、画面扭曲或滚动、干扰条纹、噪点等等。实践证明，网络摄象机传输的这些不稳定不干净的图像本来应该作为没有变异的图像传输，那么这些图像数据所占用的传输带宽就一定很大。为什么会出现这个结果呢？这要从图像数据压缩原理去理解。 图像数据压缩技术：一是对图像尺寸的压缩，图像尺寸越小，图像数据就越短。二是对图像形成过程的压缩，就是在连续图像传输的过程中，我们只传输图像中变化的部分，而使相对静止的部分不传输，这样使图像数据变短而实现了压缩，也就减少占用过多的带宽，。 3. 采用优质 CCD 摄像机确保变异图像减少 采用优质 CCD 摄像机可以提高信噪比和实现高速追踪白平衡是确保变异画面减少，从而减少网络摄象机带宽的关键。 没有噪声的画面就是干净的画面，表现的指标就是信噪比高，相反，信噪声比不好的 CCD 摄像机的画面中充满噪点，而噪点在画面中的位置是没有重复性的，每一祯画面都不一样，在网络摄象机看来每幅都是全屏变化的图像，压缩后数据最大，占用的带宽也最多。实验表明，这样的画面数据比干净画面的数据要大 30% 以上甚至更多，这就是我们很多用户的网络摄象机带宽增大的主要原因之一。 另外一个参数是 CCD 摄像机的追踪白平衡的速度，这个参数实际上反映的是 CCD 摄像机中所用的 DSP 芯片的运算速度指标，普通 CCD 摄像机的 DSP 的运算速度为 10 万次 / 秒，优质 CCD 摄像机中的 DSP 的运算速度可达 1000 万次 / 秒，整整差 100 倍。 DSP 快了有什么好处呢？比较容易想到的是色彩漂移问题，因为运算速度快慢直接影响到它对白平衡跟踪的速度。我们可以用日光灯环境来说明这个问题。 一般的 CCD 摄像机白平衡速度通常是在 120 毫秒到 16