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网络高清摄像机引领着监控摄像机的未来

2011-07-20 16:44:14 本文行家:平安城市

 高清,顾名思义是指高清晰度,英文缩写是HD(HighDefinition)。清晰度的分辨率有很 多种,而目前安防行业内所说的高清监控摄像机主要指分辨率为720P与1080P两种格式的数字 摄像机,其画面宽高比定义为16:9。720P即是1280*720分辨率,而1080P则是1920*1080,其 中后缀“P”代表的是逐行扫描。对于移动目标的图像

  
    高清,顾名思义是指高清晰度,英文缩写是HD(HighDefinition)。清晰度的分辨率有很

多种,而目前安防行业内所说的高清监控摄像机主要指分辨率为720P与1080P两种格式的数字

摄像机,其画面宽高比定义为16:9。720P即是1280*720分辨率,而1080P则是1920*1080,其

中后缀“P”代表的是逐行扫描。对于移动目标的图像采集,相对隔行扫描,逐行扫描可以获

得更好的动态图像,不会产生拖尾,因此对安防监控应用来说逐行扫描更加适合。从下图可

以看出高清图像和传统的标清图像的区别。 

  一、高清定义

  相对于传统的4:3图像比例,高清图像的16:9格式更适合安防监控的应用。监控场景往往是需要对大范围横向区域进行监看,比如高速公路收费站、铁路沿线、体育场馆出入检票口等,这些场所的特点都是以横向排列的方式出现在画面中,而画面顶部的天空和底部的路面往往是我们不关心的内容。所以16:9的画面可以去除这些不重要的区域,而增大我们关心的监控目标的面积。以往要用好几支模拟摄像机横向排列才能监控的区域现在只要一只高清网络摄像机就可以覆盖,不仅提高了清晰度,也节省了成本。索尼作为高清监控的领导者,在今年将会推出全线高清产品,包括720P高清和1080P全高清。产品形态涵盖枪机、红外枪机、半球、红外防暴半球、室内/室外快球等。

  二、高品质图像

  图像品质是监控最基本也是最重要的要求,离开了图像品质这一点再谈其他的功能特性都是舍本逐末。监控场景千差万别,这就要求监控摄像机能适应各种场景的复杂光线,获得出色的图像品质。图像品质包含的内容非常多,主要有以下几点:

  1)色彩还原。摄像机是否能真实还原实际场景的图像颜色,白平衡是否准确,是否存在偏暖或偏冷;

  2)动态效果。移动物体边缘是否清晰,是否有拖尾;

  3)低照度表现。在低光环境下摄像机能否获得明亮的图像,灵敏度是否出色;

  4)宽动态。在光线明暗对比强烈的场景中摄像机能否兼顾亮区和暗区,动态范围是否足够大;

  5)对焦准确性。摄像机能否在各种光照条件下精确对焦,不出现失焦或对焦犹豫反复的情况。

  没有先进的技术作保障,要实现优秀的图像效果是不可能的,而索尼正是具备深厚研发实力的企业,这保证了高品质的图像效果。索尼是业内唯一能同时提供监控摄像机各个主要部件的厂商,包括感光器件CCD/CMOS、图像处理芯片DSP、摄像机模块、及成品摄像机,形成了完整的产品线。同时索尼在日本和中国都设有研发中心,实现了世界最新的技术与中国实际需求同步。

  感光器件是摄像机最为核心的部件,在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,最为广泛使用的是CCD,而CCD长期以来都在市场上有着很好的表现,出货量遥遥领先。进入高清监控时代以后,CMOS逐渐被人们所认识。CCD的特点是灵敏度高,但响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。对于相同尺寸的感光器件,像素越高,意味着每个像素的进光量越少,因此目前高清监控摄像机的突出问题是清晰度提高,灵敏度降低。幸运的是,目前已经研发出720P与1080P专用的CMOS器件,其灵敏度性能已经与CCD接近。

  在推出的高清产品中,为了提升图像效果,包括灵敏度和宽动态,特别开发了一项新的功能View-DR。这个功能实际上包含了三项先进技术:针对安防监控研发的专业高灵敏度ExmorCMOS、多次曝光宽动态技术、可视性增强(VE)技术。一般来说宽动态打开后灵敏度是会降低的,但通过开启这个功能,不仅宽动态范围超过120dB,达到超宽动态的惊人效果,而且相比传统宽动态灵敏度提升了2倍,同时对比度也增加4倍,使图像效果在低光和明暗对比强烈的环境中得到极大增强和改善。

  在高清监控摄像机噪点控制方面,索尼也有独特的技术,即超级动态降噪技术(XDNR)。传统的降噪技术往往在噪点控制和移动物体拖尾两方面难以兼顾,噪点降低了但移动物体就会有拖尾,而移动物体边缘清晰了那噪点就会增加。高清摄像机的超级动态降噪技术正是平衡了这两者的关系,在降低噪点的同时也能保证移动物体的边缘清晰不拖尾(如下图所示)。这对于安防监控来说是非常关键的,因为安防主要就是关注移动物体如人、车等。

  三、高效网络传输

  网络传输的性能对于网络摄像机特别是高清机型来说是非常重要的。因为高清摄像机比普通标清摄像机发送的图像分辨率更大、信息更多,客观上对网络提出了更高的要求。很多方面的问题诸如最大分辨率对带宽的影响、有几种编码方式、有几种码流可选、是否实时、是否支持无线网络等等都需要考虑。

  目前主流的压缩格式有三种,分别是JPEG、MPEG-4、H.264。JPEG是单帧图片的压缩,单张图片的效果最佳,但占用的网络带宽资源较大;MPEG-4和H.264是帧与帧之间的连续压缩,这是指如果监控的目标图像没有变化或变化不大时,摄像机传输的数据非常小,这样就能避免重复传输占用带宽。其中目前最流行的压缩格式H.264的压缩效率最高。这三种压缩方式各有优缺点,不能简单地说哪种更好,只能根据用户实际使用的需求来选择。H.264虽然压缩效率最高,但其对后端服务器和管理软

  件的解码能力和资源耗费也最大;JPEG虽然占用带宽最高,但作为存储格式的图像品质是最好的,对于后期调查取证来说能得到最清晰的图像;MPEG-4格式通用性最强,各个品牌和型号对其支持最好,同时对后端软件系统解码资源的占用也相对较低。所以这三种编码方式各有所长,要根据实际应用来选择。

  另外,输出码流是否稳定也成为影响网络传输的重要因素。如果码流不稳,造成占用带宽突然增大会造成哪些问题呢?最主要有三个方面的问题:图像出现丢帧,遗漏重要图像信息;网络阻塞引起瘫痪;网络架构和存储资源在设计时不得不考虑更多冗余造成浪费。索尼高清网络摄像机在设计时特别考虑到了这个方面,可以使码流控制在持续稳定的水平。下图是索尼与市场同类产品的码流对比,从上部的波形图可以看出左边的波形变化是比较大的,而右边索尼机型的波形相对稳定在中心直线区域内,而从下部的柱形图可以看出,在监控场景发生重大变化时,索尼码流(绿柱)基本持平,而其他某品牌机型码流则变化达到了16倍。这个变化非常大,极容易引起网络不稳、图像丢帧。

  四、兼容性和标准化

  在整个安防系统中,监控只是其中的一部分,还有众多其他的子系统构成了完整的安防系统,如门禁、入侵探测、资产跟踪、信息安全、访客管理、消防报警等等,系统众多,品牌更是层出不穷。要使整个系统顺利协调工作,就要求产品必须要有良好的兼容性和标准化的设计。

  网络摄像机在接口方面有着良好的兼容性,并且采用标准化规格。比如下图中索尼高清枪式摄像机的接口非常丰富,这对于整合到标准的系统中正常工作是非常重要的。

  兼容性的另一方面也体现在软件管理平台对于不同品牌、不同型号监控摄像机的支持上。很多品牌的管理平台只支持本品牌的摄像机,而不支持其他品牌的机器。为了解决以上这些兼容性问题,索尼和安迅士、博世共同发起建立一个名叫ONVIF的标准。其目的就是推动网络摄像机的标准化和互操作性,截至2009年9月底已有103个参与成员。ONVIF规范描述了网络视频模型、接口、数据类型和数据交换方式,为网络视频发送设备与网络视频客户端的通讯定义了标准流程,通过使用这些接口,使得使用不同厂商的视频发送设备来组建一个统一的网络视频系统成为可能。而这一重要的网络摄像机架构正在高清摄像机上开始推广和发展,未来的高清摄像机必然也会以此标准来进行开发和生产。

  此外,为了满足不同项目特定的需求,广泛开展与第三方软件开发公司的合作,即ISV合作伙伴计划。通过把网络摄像机的SDK开发包开放给这些软件系统公司,产品能灵活整合到各个不同的平台软件中,即使用户的需求千差万别,也能针对不同的需求开发不同功能以满足实际应用。下图是与索尼有合作伙伴关系的主要公司。

  五、安全性与稳定性

  由于安防监控对保密的特殊要求,数据安全已越来越被用户重视了。如果没有可靠的数据安全技术做保障,那作为高度机密的监控录像就有可能被篡改或者删除。针对这个需求,企业还特别开发了一系列保障数据安全的技术,比如802.11x安全认证功能、多级用户管理体系、IP地址过滤功能、本地存储功能等等,这些功能的综合使用能确保摄像机采集的图像能安全地传输到后端并存储及回放。

  摄像机的稳定性和耐用性也是必须要考虑的因素。因为监控摄像机安装的环境非常复杂,各种恶劣环境都有可能遇到。如果摄像机本身适应环境的能力不强,那安装到恶劣环境中就非常容易出故障而不能工作。索尼产品定位于专业级应用,设计时已经充分考虑各种使用条件,从而能在各种应用场所正常工作。比如室外机型都满足防尘防水的IP66标准;一般工作温度都在-40~50度,适应极端温度环境;带有防破坏的坚固性外壳,甚至透明罩部分都能承受750公斤的撞击力;标配内置多个散热风扇和加热器,在不同温度下自动开启工作,等等。种种这些设计使索尼产品在市场上获得了良好的口碑。

  结语

  网络高清监控正以成熟的技术和合理的价格逐渐进入增长期和普及阶段,已经被越来越多的用户所接受,目前也出现了不少成功应用的案例。这充分表明了市场对高清图像是认可的,对高清摄像机整体的表现是接受的。我们从电视中经常能看到很多案件的录像画面,清晰度不高,对细节特别是人脸看得不够清楚;摄像机的安装数量越来越多,如何有效的监视、管理;管理人员对系统联网、远程管理的要求越来越多;很多关联系统希望能够调用摄像机的图像资源,等等,这些因素说明了模拟摄像机的局限越来越大,而网络摄像机特别是高清网路摄像机的市场需求将越来越多。从清晰度来说,模拟摄像机已经接近极限,而网络摄像机在清晰度方面可以说没有上限。网络高清摄像机代表着监控摄像机的未来。我们有理由相信,随着技术的发展和用户对高清晰图像的需求,网络高清摄像机将在中国市场上呈现出超乎想象发展前景。 
 
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参考资料:
[1] 中关村在线 http://www.zol.com.cn
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