視頻監(jiān)控系統(tǒng)從第一代模擬系統(tǒng)（VCR）到第二代部分數字化系統(tǒng)（DVR/NVR）,再到第三代完全數字化系統(tǒng)（網絡攝像機，網絡視頻服務器），三個階段的發(fā)展演變預示著全數字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)不久將成為安防市場的主角。
近年來，隨著網絡環(huán)境、嵌入式軟硬件技術、計算機存儲技術和處理技術的成熟，各種先進的視頻圖像處理技術不斷出現，并伴隨硬件成本逐年的持續(xù)下降，視頻監(jiān)控的廣泛應用，及其數字化、網絡化、智能化的發(fā)展出現突飛猛進的趨勢。
數字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開放性、集成性和靈活性為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能提升創(chuàng)造了必要條件，同時也為安防產業(yè)的增值服務提供了更加廣闊的發(fā)展空間。
在數字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)里，網絡攝像機充當著“內核”的角色。高度集成化的網絡攝像機具備音視頻的采集，編碼、通過網絡傳輸數據，管理PTZ和輸入輸出設備的功能，因此網絡攝像機的功能將直接關系到網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案的成功實施。
從網絡攝像機工作機制來講，基本分為三大功能模塊：音視頻編碼、PTZ和I/O設備管理、網絡數據傳輸。
網絡攝像機音視頻編碼模塊是指將采集到的圖像和聲音進行模數轉換，然后對其進行編碼，也就是對數字圖像和聲音進行壓縮，以此減小原始圖像和聲音的比特流，在保證某種音視頻質量的前提下，盡量適應普通網絡傳輸帶寬。所以音視頻編碼采用了很多音頻和圖像編碼技術去解決音視頻質量和網絡帶寬之間的平衡問題。
編碼標準概述
1、編碼標準
網絡攝像機常用的視頻編碼標準有Motion-JPEG、H.263、MPEG-2、MPEG-4、H.264和AVS（中國標準）。
Motion-JPEG是以提供序列JPEG圖像的方式來提供視頻。網絡攝像機就象是數字靜態(tài)圖片照相機，捕捉單幅圖像并將其壓縮為JPEG格式。網絡攝像機每秒捕捉和壓縮30張圖像，并以連續(xù)圖像流的方式通過網絡發(fā)送到客戶端。當幀率達到或超過16fps時，用戶就可以瀏覽到感覺比較實時的畫面。
H.263壓縮技術主要面對固定比特率的視頻傳輸應用。但當畫面中的物體移動時，仍使用固定比特率，圖像的質量就會有所降低。由于H.263最初是為視頻會議應用而開發(fā)的，因此對于要求更多圖像細節(jié)的監(jiān)視系統(tǒng)來講并不適合。
MPEG-2從MPEG-1壓縮技術擴展而來，幀率被鎖定在25fps(PAL)/30fps(NTSC),主要針對高質量數字視頻(DVD)，數字高清電視(digital high-definition TV，HDTV)，交互式存儲媒體(interactive storage media，ISM)，數字廣播視頻(digital broadcast video，DBV)，和有線電視(cable TV，CATV)。網絡傳輸MPEG-2編碼的視頻流需要較高的帶寬，在安防監(jiān)控行業(yè)，很少有網絡攝像機采用MPEG-2編碼方案。 [nextpage]
MPEG-4從MPEG-2發(fā)展而來，MPEG-4編碼方案內建很多工具，可用來降低比特率，以滿足特定應用或場景對圖像質量的需求。而且MPEG-4幀率沒有被鎖定25fps(PAL)/30(NTSC)fps。采用MPEG-4編碼方案的網絡攝像機，往往在低帶寬的網絡環(huán)境下，通過降低幀率來完成視頻傳輸。MPEG-4引入很多工具來降低比特率，但針對網絡視頻實時性沒有內建優(yōu)化工具，編解碼時間消耗增加，視頻流傳輸往往表現出延遲，抖動現象。
H.264編碼方案，也稱為MPEG-4(Part10)或高級視頻編碼(AVC)，是H.263開發(fā)小組和MPEG-4開發(fā)小組合并后推出了新的下一代視頻壓縮標準。該標準只增加了有限的編碼復雜度，用于實現極高的數據壓縮，該標準在比原先壓縮標準的比特率小很多的條件下仍可提供高質量的視頻。國內市場新推出的網絡攝像機，很多都采用了H.264編碼方案，由于編解碼計算復雜度高，能提供實時視頻流的網絡攝像機很少。很多的網絡攝像機生產廠商都看好H.264編碼方案，隨著各種優(yōu)化技術的成熟，H.264編碼方案將來可能會成為市場的主流。
AVS編碼方案是中國具備自主知識產權的第二代信源編碼標準，編碼效率比MPEG-2高2-3倍，與H.264相當，而且技術方案簡潔。AVS通過一站式許可政策，解決MPEG-4/H.264專利許可問題。2006年2月22日，國家標準化管理委員會頒布通知AVS視頻部分正式成為國家標準。一些IT廠商對該編碼方案已經開始測試。雖然AVS標準已經包含視頻會議與視頻監(jiān)控優(yōu)化工具，但目前市場上還沒有出現采用AVS編碼的網絡攝像機。由于其目的是繞開國外高額的專利授權費用，很受到國內音視頻設備上游生產廠商的關注。
以上編碼方案各有優(yōu)缺點，Motion-JPEG編解碼簡單，可以提供高分辨率圖像，也常在客戶端實現智能化圖像處理，但采用Motion-JPEG編碼方案，進行實時網絡傳輸時占用網絡帶寬較高。對視頻實時性要求較高的安防行業(yè)，大規(guī)模的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)網絡帶寬一般難以適應Motion-JPEG編碼方案。MPEG-2編碼方案，除了被一些高端網絡攝像機采用，普通網絡攝像機幾乎不采用MPEG-2編碼方案，鎖定的幀率，較高的比特流很難適用普通安防行業(yè)的基礎設施。MPEG-4編碼方案傳輸實時網絡視頻占用的網絡帶寬較少，但其編解碼復雜性較高，網絡延遲，圖像抖動問題需要重點考慮。H.264編碼方案，同等質量圖像H.264編碼產生的比特流比MPEG-4少20-40%，并且內建針對流媒體和無線網絡的優(yōu)化工具，相比MPEG-4其編碼復雜度更高，編解碼時間更長，需要網絡攝像機編碼器提供很強的計算能力，成本較高。市場上目前還沒有采用AVS編碼方案的網絡攝像機，暫時不予討論。從編碼效率比較，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264相當，都是MPEG-2兩倍以上。
針對安防行業(yè)的網絡攝像機主要生產廠家，采用最多的編碼方案是MPEG-4和Motion-JPEG，有些產品具有MPEG-4，Motion-JPEG可切換編碼標準，客戶可以根據應用現場二者擇一。還有同時提供MPEG-4和Motion-JPEG視頻流輸出的網絡攝像機，兼顧實時瀏覽和高品質視頻記錄應用。只采用MPEG-4編碼方案的網絡攝像機市場占有率較高，能滿足普通應用市場需求，軟硬件技術成熟，運行穩(wěn)定，價格容易接受，在大規(guī)模的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中優(yōu)勢較大。隨著H.264相關技術的成熟，最新的網絡攝像機采用H.264編碼方案的逐漸多起來，但只實現H.264編碼方案里最基本的功能，目前只有很少的網絡攝像機才能提供4CIF（D1）實時視頻，而且價格較高，很多H.264網絡攝像機大多數是CIF分辨率或非實時視頻，還不能滿足安防系統(tǒng)的要求。 [nextpage]
2、增值功能
網絡攝像機普遍具備視頻動態(tài)偵測(VMD)功能，通過分析圖像數據和一系列圖像的不同，來確定現場發(fā)生的行為。這一功能既可內置在網絡攝像機中，也可在應用軟件中提供。網絡攝像機針對圖像處理的智能功能在此不做分析。
常見的音頻編碼標準包括:G.711(PCM)以64kbit/s的速度提供高質音頻；G.726(ADPCM)以32或24kbit/s的速度提供音頻；MP3以比特率約為100 kbit/s提供高質音頻。網絡攝像機通過這些音頻編碼標準，提供全雙工音頻對講功能。
網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的“核心”設備網絡攝像機，不僅要通過網絡傳輸高質量的音視頻，并且要管理外部安防數字化設備。
網絡攝像機的PTZ和I/O設備管理模塊，很容易實現網絡攝像機遠程控制，外部事件捕獲、報警設備啟動、事件觸發(fā)視頻記錄等等這些智能化管理。網絡攝像機的輸入和輸出端口可以連接到外部探測設備，如門鈴、探測器(煙霧、活動、聲音、溫度和溫度傳感器) 、燈(包括紅外燈) 和報警繼電器。使用攝像機的內置邏輯功能，可通過網絡從遠程PC或自動地進行管理。I/O觸發(fā)事件可用于去除不必要的視頻傳輸，也就是說，如果連接到網絡攝像機的傳感器沒有被觸發(fā)，視頻就不會通過網絡發(fā)送。由于這些優(yōu)點，這樣網絡攝像機就可以將這些外部設備歸類為不同的觸發(fā)事件，后端管理平臺可以根據不同的事件組合，定制出更加自動化的安防監(jiān)控系統(tǒng)。由于PTZ設備的控制命令被網絡傳輸到任何地點，使用戶對于PTZ攝像機遠程操作更加輕松，方便。由于網絡攝像機和后端管理軟件可以獨立解析不同廠家的PTZ設備協(xié)議，可以使不同協(xié)議的PTZ設備互相操作，保護了客戶已有投資。市面上網絡攝像機在這方面的功能都很完善，主要的差別是支持I/O端口的數量，I/O事件響應的靈敏度。
傳輸協(xié)議概述
1、傳輸協(xié)議
網絡攝像機提供很多的基于IP網絡的傳輸協(xié)議，以盡可能地保證音視頻數據，PTZ控制數據網絡傳輸質量。實時視頻流經過IP網絡傳輸，通過多種協(xié)議組合，適應各種復雜的網絡傳輸環(huán)境。
RTP(Realtime Transport Protocol),實時傳輸協(xié)議，其專門針對實時流媒體而設計， RTP的基本功能是將幾個實時數據流復用到一個UDP分組流中，這個UDP流可以被發(fā)送給一臺主機（單播模式），也可以被傳送給多臺目標主機（多播模式）。因為RTP僅僅封裝成常規(guī)的UDP，理論上路由器不會對分組有任何特殊對待，但現在高級的路由設備都有針對RTP協(xié)議優(yōu)化選項。RTP協(xié)議的時間戳機制，不僅減少了抖動的影響，而且也允許多個數據流相互之間的同步，這樣可以很方便地基于I/O事件對視頻圖像進行字幕添加，網絡攝像機往往將音視頻編碼數據封裝成RTP分組。
RTCP(Realtime Transport Control Protocol)實時傳輸控制協(xié)議，其是RTP的姊妹協(xié)議，它處理反饋、同步和用戶界面等，但是不傳輸任何數據。它的主要功能是用來向源端提供有關延遲、抖動、帶寬、擁塞和其它網絡特性的反饋信息，編碼進程可以充分利用這些信息。因此當網絡狀況較好時，可以提高數據速率（從而達到更好的質量），而當網絡狀況不好時，它可以減少數據速率。通過連續(xù)的反饋信息，編碼算法可以持續(xù)地作相應的調整，從而在當前條件下盡可能地提供最佳的質量。 [nextpage]
RTSP(Real Time Streaming Protocol)實時流協(xié)議，RTSP協(xié)議利用推式服務器(push server)方法，讓音視頻瀏覽端，發(fā)出一個請求，網絡攝像機只是不停地向瀏覽端推送封裝成RTP分組的音視頻編碼數據，網絡攝像機可以用很小的系統(tǒng)開銷實現流媒體傳輸。
HTTP(HyperText Transfer Protocol)超文本傳輸協(xié)議，網絡攝像機通過HTTP協(xié)議提供Web訪問功能，很方便地將音視頻數據經過復雜網絡傳輸，但實時音視頻支持很不理想。
UDP(User Datagram Protocol)數據報協(xié)議，是最基本的網絡數據傳輸協(xié)議，利用IP協(xié)議提供網絡無連接服務，常用來封裝實時性強的網絡音視頻數據，即使網絡傳輸過程中發(fā)生分組丟失現象，在客戶端也不會影響音視頻瀏覽。
TCP(Transmission Control Protocol)傳輸控制協(xié)議，利用IP協(xié)議提供面向連接網絡服務，為在不可靠的互聯網絡上提供一個可靠的端到端字節(jié)流而設計。TCP協(xié)議往往要在服務端和客戶端經過多次“握手”才能建立連接，因此利用TCP傳輸實時性較強的音視頻流開銷較大，如果網絡不穩(wěn)定，音視頻抖動的現象明顯。利用其可靠性常用來傳輸網絡攝像機管理命令，如PTZ，I/O設備控制命令。
2、傳輸協(xié)議組合
網絡攝像機往往應用RTSP、RTP、RTCP、HTTP、UDP、TCP協(xié)議的不同組合來傳輸實時性較強的音視頻流。常見的協(xié)議組合如下。
RTP+RTSP協(xié)議組合，這種協(xié)議組合(RTP可以用TCP、UDP協(xié)議封裝，RTSP用TCP協(xié)議封裝)，在正常網絡環(huán)境里，可以保證客戶端瀏覽實時音視頻，廠商往往推薦網絡攝像機采用這種協(xié)議組合。一些網絡設備也常常支持RTP+RTSP多播模式。
RTP/RTSP協(xié)議組合，RTP分組封裝成RTSP分組，有些網絡防火墻只讓RTSP協(xié)議分組通過。但網絡攝像機又要以RTP協(xié)議提供實時音視頻。這種組合方式在沒有辦法的情況下增加了網絡負載和客戶端管理系統(tǒng)的復雜度。
RTP/RTSP/HTTP協(xié)議組合，在RTP/RTSP的數據基礎上增加了HTTP封裝，這種協(xié)議組合主要是為了適應網絡防火墻只允許使用HTTP協(xié)議的網絡環(huán)境。雖然網絡負載加大，但網絡攝像機可以適應更復雜的互聯網環(huán)境。
UDP(TCP)協(xié)議，一些網絡攝像機為了適應國內網絡帶寬狀況不佳的狀況，沒有利用RTP+RTSP應用層協(xié)議封裝音視頻數據，對音視頻流只采用UDP或TCP傳輸層協(xié)議封裝。這樣音視頻流就可以利用很小的網絡帶寬傳輸流媒體。這種協(xié)議組合也可以提供類似RTP+RTSP高級功能，但對網絡路由設備基于RTP+RTSP組合優(yōu)化特性不能利用。
UDP(TCP)/HTTP協(xié)議組合，將音視頻流數據封裝成HTTP數據分組，然后用UDP(TCP)協(xié)議傳輸到客戶端。這種協(xié)議方式可適應復雜的互聯網環(huán)境，可以穿透大多數網絡防火墻。
各種傳輸層協(xié)議組合保證了音視頻和PTZ數據實時傳輸的可靠性，但網絡攝像機內置的處理器計算能力限制，導致并發(fā)訪問的用戶數量有限。這樣往往不能滿足并發(fā)訪問要求較高的應用環(huán)境，網絡攝像機往往利用具備多播功能的網絡傳輸設備，響應更多的并發(fā)訪問要求。有些網絡攝像機客戶端軟件功能強大，利用數據轉發(fā)機制，充當可以響應更多并發(fā)訪問用戶的“虛擬網絡攝像機”，這種方式適應于也適應PTZ網絡攝像機。對大規(guī)模數字化視頻監(jiān)控網絡建設有重要意義。 [nextpage]
還有的網絡攝像機提供一些FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(郵件傳輸協(xié)議)、DDNS(動態(tài)域名解析)協(xié)議，以增強網絡攝像機在互聯網環(huán)境應用。筆者觀點，這些網絡協(xié)議對安防監(jiān)控系統(tǒng)沒有太多的幫助，反而要引入好多外部FTP、SMTP、DNS服務器去配合網絡攝像機，這樣對整個數字安防監(jiān)控系統(tǒng)的管理引入了新的復雜性，增加了不穩(wěn)定性，可能要花更多的精力去管理非主要業(yè)務。有的網絡攝像機也提供一些高級網絡管理協(xié)議，如ICMP、SNMP、IGMP、ARP協(xié)議，幫助用戶去管理網絡。
應用現狀
隨著有線和無線網絡帶寬成倍的增加，網絡視頻傳輸的帶寬成本將越來越小，大規(guī)模網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設已成為可能。網絡攝像機通過以太網接口將采集的音視頻數據；I/O、PTZ控制數據經過IP網絡傳輸到遠程管理系統(tǒng)。網絡攝像機的網絡數據傳輸模塊，所具備的功能決定了網絡攝像機適用的網絡類型、網絡音視頻延遲和抖動的處理能力、是否具備穿透防火墻以適應復雜的互聯網環(huán)境。
1、以太網供電技術
新的室內網絡攝像機采用以太網供電技術，減少了網絡攝像機外部連接線纜。以太網供電(Power over Ethernet，PoE)是一種將供電集成到標準局域網設備中的技術。PoE技術遵循于IEEE 802.3af標準，并且在不降低網絡數據通訊性能、縮小網絡范圍的基礎上對網絡設備進行供電。這一標準可在交換機端提供15.4W的電源，攝像機端為最大12.9W的電源。類似PTZ攝像機和快球的室外攝像機，它們的功率通常會超過上述的值，因而PoE功能顯得不太適合。一些廠商也提供了非標準的產品來滿足此類應用的需求，但需要注意的是，因為這些產品是非標準的，在不同品牌的產品間也就沒有了互操作性。
2、無線網絡技術
如今，盡管大多數建筑中都已經部署了有線網絡，但有時候對客戶來講，無線網絡解決方案在功能性和節(jié)約成本方面仍然具有很強的吸引力。例如，當網絡布線工作必須要對內部建筑產生破壞才能完成時、或者在一些需要定期地改變攝像機位置，又不想每次重新布線的場所（例如零售商店），無線網絡技術將變得非常有用。在另外一種常見應用場景中，無線網絡技術能夠方便地將兩座建筑物或場所連接起來，而不需要昂貴和復雜的地面施工。
無線通信技術主要分為兩大類：無線局域網(Wireless LAN，WLAN)是指跨越距離較短，通常位于室內的網絡。無線局域網絡標準已經非常完善，不同廠家生產的無線局域網設備也能夠很好的協(xié)同工作；無線網橋(Wireless bridges)當需要通過高速鏈路連接不同的建筑物或場所時，則必須建立一條能夠進行遠距離高速傳輸的點對點鏈路。微波和激光是實現這種功能的兩種常用技術。
無線局域網802.11x系列標準，802.11g標準是網絡攝像機支持最普遍的無線網絡標準，在室外環(huán)境下，它能夠提供最大約24Mbps實際吞吐量，最大有效距離為100米，該標準使用2.4GHz波段，理論帶寬可以達到54Mbps。
網絡攝像機提供的無線接入功能，由于無線網絡通信本質方面的原因，在無線網絡所覆蓋的范圍內，任何擁有一臺無線設備的人都可以連接到網絡中并使用共享設備，因此無線網絡必須提供良好的安全機制。無線網橋用來連接地域空間跨度比較大和多個無線局域網絡，采用微波技術的設備較多，我們應該著重考慮一下，如果在這樣的環(huán)境里，網絡攝像機是否支持移動IP。 [nextpage]
3、安全性
網絡攝像機的安全性很值得關注，在訪問網絡攝像機時，一般都提供多級用戶管理機制和IP過濾機制，不同級別的用戶(IP地址)有不同的訪問權限，這種機制很好地滿足了分布式網絡監(jiān)控系統(tǒng)的安全高效管理要求。
音視頻流通過加密處理，可以有效地防止在公共網路傳輸過程中被竊聽。一些網絡攝像機在視頻編碼時采取了有限的加密措施，但增加了網絡傳輸負載、客戶端解碼的復雜性和網絡攝像機成本。而且政府部門對這種網絡攝像機的加密標準未必采納。安防監(jiān)控行業(yè)是否可以考慮將視頻流的加密功能轉移到其它輔助系統(tǒng)來完成，減少系統(tǒng)核心設備網絡攝像機的工作負擔，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。
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