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网络摄像机的原理与应用

更新时间:2010-3-20:  来源:毕业论文

网络摄像机的原理与应用
网络摄像机,也叫IP摄像机,即IP Camera,简称IPC,在近几年得益于网络带宽、芯片技术、编码算法、存储技术的进步而得到大力发展。IPC的特点主要体现在“IP”上,即支持网络协议的摄像机,IPC可以看成是模拟摄像机与视频编码器的结合体,从图像质量指标讲,又可以实现高于模拟摄像机与视频编码器的效果。IPC是新一代网络视频监控系统中的核心硬件设备,通常采用嵌入式架构,集成了视频音频采集、信号处理、编码压缩、智能分析、缓冲存储及网络传输等多种功能,再结合网络视频存储录像系统及管理平台软件,就可以构建成大规模、分布式的智能网络视频监控系统。
  相对于模拟摄像机加DVS的架构,IPC是真正的即插即用纯网络设备,IPC可以部署在局域网,也可以部署在互联网环境的任何位置,允许用户通过浏览器在任何地方对摄像机视频进行显示及控制,这种相对独立的工作模式使得IPC既适合大规模视频监控系统中,也可以独立分散应用在如商店、学校、家庭的分布式、需要远程视频监控应用中。  
  图 1 IPC在网络监控系统中角色示意图
  IPC的主要功能 视频编码:采集并编码压缩视频信号
  音频功能:采集压缩音频信号,实现音频实时播放或录音
  网络功能: 编码压缩的视音频信号通过网口传输
  云台、镜头控制功能:通过网络控制云台、镜头的各种动作
  缓存功能:可以把压缩的视音频信号临时存储在本地存储介质
  报警输入输出:能接受、处理报警输入输出信号,即具备报警联动功能
  移动检测报警:检测场景内移动物体并产生报警,灵敏度可调
  视频分析:自动对视频场景进行分析,比对原则并触发报警
  IPC的优势
  在模拟摄像机中,CCD传感器所产生的模拟信号首先经过模/数(A/D)转换器转换为数字信号,然后由摄像机内置的DSP芯片进行信号处理,如增益、降噪、背光补偿等处理。经过DSP处理后的数字信号又经过数/模(D/A)转换重新转化为模拟信号,用于在同轴电缆上进行传输,然后传输至DVR或DVS后再次进行模/数(A/D)转换来完成编码压缩工作,这样多次模/数、数/模转换过程牺牲了大量图像质量。
  在IPC中,如果传感器输出的是数字信号,那么该数字信号可以直接传送给编码压缩芯片完成编码压缩工作,之后打包上传到网络上进行传输;如果传感器输出的是模拟信号,那么需要进行一次模数转换,再进行编码压缩,打包上传。因此IPC比模拟系统信号转换环节少,可以尽可能少的降低图像质量损失。另外,IPC通常采用逐行扫描传感器,相对于模拟摄像机的隔行扫描方式,图像质量更好。
  IPC的硬件构成
  IPC的硬件构成一般包括镜头、图像传感器、声音传感器、信号处理器、模/数转换器、编码芯片、主控芯片、网络及控制接口等部分组成。光线通过镜头进入传感器,然后转换成数字信号由内置的信号处理器进行处理,处理后的数字信号由编码压缩芯片进行编码压缩,最后通过网络接口发送到网络上进行传输。
  图 2 IPC硬件构成结构示意图
  从上图可以看成,独立芯片+CPU的架构中,编码压缩工作与系统主控工作分别独立在两个芯片完成,而在SOC的架构中,系统的SOC除了具有完成视频的编码压缩工作外,还需要处理系统数据及网络数据。
  IPC的工作原理
  图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后,由图像传感器和声音传感器转化为电信号,模/数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,在控制器的控制下,由网络服务模块按一定的网络协议传送到网络,控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号。IPC启动时,主控模块将系统内核转入系统内存SDRAM中,系统从SDRAM启动。系统启动后,主控模块控制通过串行接口/主机接口等控制编码模块、网络模块及串行接口,实现视频的编码压缩、网络传输及PTZ控制。IPC加电启动后软件启动的过程包括装载启动代码、设备驱动程序、网络协议处理,监控接收转发控制程序等。 IPC的亮点功能 v IPC的无线功能
  远距离信号传在模拟视频监控时代就是一个问题,无线网络技术带给IPC远距离传输解决方案。无线传输具有重要的意义,在有线施工困难场所、或者摄像机位置不固定场所,无线网络IPC将会带来很大便利性。另外,对于建筑之间的IPC联网,可以节省大量网络布线施工成本,目前的无线技术主要有WIFI、3GPP、WIMAX等。
  v PoE技术
  PoE(PoweroverEthernet),指的是通过以太网为网络设备提供电力的技术,PoE技术遵循于IEEE 802.3af标准,在不降低网络数据通讯性能的基础上对网络设备进行供电,是IT行业的一个成熟标准。将PoE技术引入到IPC系统应用中,可以解决IPC单独供电的施工及线缆成本,并便于管理。IEEE 802.3af标准规定的受电设备的功率在12.95瓦以下,基本可以满足各普通固定类IPC的供电需求,而对于PTZ式IPC或快球IPC,可能仍然需要另外单独供电。
  v 本地缓存功能
  对于网络摄像机或视频编码器,一个弱点是其对网络的依赖性过强,实时的浏览与存储需求导致网络不允许有一刻的中断,否则带来的后果是部分视频丢失,这在一些重要场合是无法接受的,因此,需要临时存储报警前后的视频信息。一些厂家的IPC具有本地缓存机制,实现IPC的本地临时存储(Ring Buffer),本地缓存可作为网络故障时图像的缓冲设备,在网络恢复正常后,再将视频进行上传,这样可有效地保证视频数据的连续性和完整性。
  v IPC的安全通信
  闭路电视监控系统,系统采用点对点连接,系统中没有任何加密或认证机制,如果想截获或者破坏视频信号,仅仅需要物理连接到这个闭路系统中,采用搭线的方式或切换视频源的方式对视频信号进行截获或破坏。对于网络视频监控系统,数据包直接在开放的网络环境中传输,因此,视频数据及控制数据的中途截取是个风险,同时,由于其采用数字化网络化架构,因此具有多种安全保护机制,数据加密方式通常有以下几种:SSL、HTTPS、、IPSec VPN。
  v 报警改变帧率技术
  通常采用网络录像机(NVR)对IPC传输过来的视频进行存储, 实际上,IPC每时每刻都在产生大量的数据流,这对存储系统是个巨大的考验,存储系统存储的大量数据,实际证明,绝大多数是无用的垃圾数据,没有任何价值。在存储系统中,真正有意义的数据是IPC报警及事件触发后的相关视频,既然如此,可以通过在平时状态下,采用较低的分辨率和帧率进行录像,而一旦发生事件或报警,系统自动切换成高分辨率和帧率进行录像,这样可以节省大量的存储资源同时有可以保证重要的视频的高画质。
  v IPC的多码流技术

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