文/田振華

三大高清網絡攝像機新技術探討

文/田振華

安防行業(yè)是一個朝陽行業(yè)，視頻監(jiān)控行業(yè)作為安防行業(yè)的一個重要分支，伴隨著多媒體技術、編解碼技術、網絡技術等IT技術的發(fā)展而成熟起來。近年來安防業(yè)界關于高清的談論甚多，現(xiàn)如今高清已不僅僅是趨勢，而是實實在在地來到了我們身邊。本文主要從新技術與發(fā)展趨勢兩個方面探討高清網絡攝像機。

高清網絡攝像機的新技術

過去幾年，隨著高清網絡攝像機逐步發(fā)展，積累了很多關鍵技術，主要包括：圖像傳感器技術、鏡頭技術、圖像信號處理技術、視音頻編解碼技術、DSP開發(fā)技術及紅外技術。

最近幾年，隨著高清市場的推廣和高清網絡攝像機應用的增多，具備一定研發(fā)實力的設備廠商研發(fā)了一些新的技術，主要包括圖像技術和網絡技術，圖像技術有實時視頻透霧技術，網絡技術主要包括通訊協(xié)議技術和碼流傳輸技術。

實時視頻透霧技術

空氣中的液滴和固體小顆粒不僅危害人體健康，引起霧霾而導致交通事故多發(fā)，同時也使戶外監(jiān)控視頻質量明顯降低。在霧霾天氣下，圖像顯得色彩黯淡、對比度低，一些重要目標的細節(jié)淹沒在霧氣中難以觀察，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實用性受到很大影響。去除視頻中的霧氣，改善圖像質量成為越來越重要的提升戶外視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用價值的一項關鍵技術。

目前已知的透霧算法大致可以分為兩大類∶ 一種是非模型的圖像增強方法，通過增強圖像的對比度，滿足主觀視覺的要求來達到清晰化的目的；另一種是基于模型的圖像復原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復原問題。

安防產品會被應用于各種復雜場景、惡劣天氣，全天候實時監(jiān)控對產品的便攜性與功耗、處理效果、處理的自適應性等方面都提出了較為苛刻的要求。良好的視頻透霧技術應當在大氣透射模型的基礎上融合圖像增強與圖像復原的技術優(yōu)勢，從而能夠獲得較為理想的圖像效果并被實際工程化引用。

在充分分析透霧理論的優(yōu)勢與不足，并進行了深入的研究探索后，杭州海康威視數字技術股份有限公司結合安防監(jiān)控領域的視頻圖像透霧的特殊要求，開發(fā)了一種實時視頻透霧技術。該技術基于大氣光學原理，區(qū)分圖像不同區(qū)域景深與霧濃度進行濾波處理，可獲得準確、自然的透霧圖像。

該實時視頻透霧技術能夠根據霧況的變化自動調整從而適應各種場景應用，避免出現(xiàn)近景透霧過度發(fā)黑而遠景模糊的效果；同時兼顧了實現(xiàn)的效率與復雜度，保證了整個透霧的實時性與可工程化。同時，這項實時視頻透霧技術不但可以有效去除霧氣帶來的影響，而且能夠避免對某些場景的過渡處理導致的色彩誤差，以及霧氣過度去除帶來的不真實感。

實時視頻透霧技術能夠從多個角度提升視頻監(jiān)控的質量。它是一種透霧技術，可以用于氣溶膠導致的各種天氣條件的透霧處理；它還是一種增強算法，能夠明顯提升圖像的對比度、使圖像變通透、清晰；能夠顯著增強圖像的細節(jié)信息，使原來被隱藏的圖像細節(jié)被充分展示；能夠提升圖像的飽和度，使圖像色彩鮮艷活潑、生動，透霧處理后的圖像保持準確的色調、自然的外觀，因而獲得良好的圖像質量與視覺感受。

實時視頻透霧功能在部分高清網絡攝像機上初步實現(xiàn)，實際采集的透霧處理效果見圖1與圖2。其為一幅圖像的兩側，左側為透霧后的圖像，右側為未進行透霧的原始圖像?？梢悦黠@看出，左側圖像在細節(jié)、通透性、色彩等各方面均有顯著提高。前，客戶端軟件和設備進行交互的方式主要有網絡通訊協(xié)議、SDK、CGI、 PSIA和ONVIF等。

圖1 實時視頻透霧圖像與原始圖像的對比

網絡通訊協(xié)議

網絡通訊協(xié)議是基于TCP/IP定義的一套通訊標準，包括各個廠家自己定義的結構體，報文的頭和報文內容格式等等。它是基于碼制和文本的，交互簡單，數據量小。當第三方軟件廠商集成的時候，相對于SDK，開發(fā)的自由度更大，但是難度也很大。如圖3所示。

圖2 實時視頻透霧圖像與原始圖像的對比

通訊協(xié)議技術

與模擬視頻監(jiān)控封閉的系統(tǒng)不同，對于網絡攝像機來說，日常的設備管理，遠程配置，云臺操作，報警處理等工作都必須通過客戶端軟件來進行，因此網絡協(xié)議和SDK是很重要的一個方面。目

圖3 控制命令交互的主要方式

SDK(Windows或者Linux)

SDK 是基于網絡通訊協(xié)議封裝的一層接口，比如Windows 版本的SDK中，API被封裝在.dll文件中；在Linux版本的SDK中，API被封裝在.so文件中。當第三方軟件廠商集成的時候，直接調用封裝好的API，不用去管通訊的細節(jié)，因此開發(fā)相對簡單。但是軟件必須包含SDK中的封裝文件，并且必須遵循SDK定義好的流程，自由度相對小一些。

CGI

CGI 是基于Web Service的。其工作原理如圖4所示：

服務的消費者（客戶端軟件）和服務的提供者（硬件設備）之間，通過SOAP或者REST方式進行溝通。區(qū)別于傳統(tǒng)的網絡通訊協(xié)議和SDK碼制和文本的通訊方式， 它的傳輸過程是基于HTTP協(xié)議的，傳輸的內容則是XML文件。

CGI有幾大優(yōu)勢：基于標準的網絡協(xié)議，命令格式統(tǒng)一，開發(fā)相對簡單，開發(fā)平臺和開發(fā)語言獨立，不受操作系統(tǒng)限制，易穿越防火墻。因此受到了廣泛的歡迎。

圖4 Web Service的工作原理

標準協(xié)議(ONVIF和PSIA)

網絡通訊協(xié)議、SDK和CGI都是各個廠家私有的，ONVIF和PSIA則是兩個國際性的標準化組織定義的通用標準協(xié)議。他們也都是Web Service的架構，具有和CGI協(xié)議一樣的優(yōu)勢。最理想的情況下，支持ONVIF或者PSIA的客戶端軟件可以直接和支持ONVIF或者PSIA協(xié)議的嵌入式設備溝通，把集成所需要的成本減到最低。

在具體的實施過程中，標準的推行存在一定的滯后性。由于每家支持ONVIF或PSIA的能力不同，產品集成的具體方法都會存在一些差異，并且由于支持ONVIF或PSIA的廠家提供的SDK接口比較簡單，某些系統(tǒng)的功能沒有被接入，現(xiàn)在大多數主流廠家在支持ONVIF或者PSIA協(xié)議的時候，都保留了自己的私有協(xié)議，以便保證集成的穩(wěn)定性和完整性。但是，隨著標準的逐漸成熟以及各個產品廠家對標準的全面支持，集成系統(tǒng)的標準與兼容性將大大的改觀。

碼流傳輸技術

高清視頻信號的特點是大碼流，這給網絡傳輸帶來了很大的壓力。在視頻監(jiān)控中進行網絡傳輸，重點關注以下幾個方面的技術：

碼流傳輸方式也分為私有的和標準的兩種。如果需要用私有的SDK進行取流，使用的就是私有的基于碼制與文本的碼流傳輸協(xié)議。標準的碼流傳輸采用RTSP+RTP的方式，可以用VLC、QuickTime等直接播放。其中RTSP（Real Time Streaming Protocol，默認端口是554）是握手協(xié)議，定義了報文長度等信息，可分為RTSP over TCP和RTSP over UDP 兩種。 RTP（Real-time Transport Protocol）是傳輸碼流協(xié)議，在碼流數據上定義了相對時間戳等信息，可分為RTP over TCP，RTP over UDP ，RTP over RTSP和RTP over RTSP over HTTP等，不同的類別表示RTP通過不同的端口來傳輸不同的數據。 RTP本身并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP（Real-time Transport Control Protocol）提供這些服務。 RTCP包中含有已發(fā)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統(tǒng)計資料，因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。ONVIF和PSIA都是使用標準的碼流傳輸方式。

在標準的碼流傳輸方式下，其傳輸層的載體分TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）兩種。TCP在建立之時采用三次握手，傳輸過程中通過超時重傳策略、流量控制和重新排序等功能保證可靠傳輸，但是負載消耗大，效率低，可應用在要求保證數據完整性的場合。UDP則是面向數據報，不提供可靠性保證，但是負載消耗小，效率高，應用在不要求高可靠性，或者可靠性由上層協(xié)議負責的場合。RTP/RTCP的網絡框架如圖5所示。

另外，還有一個多播協(xié)議（Multicast），它是基于UDP實現(xiàn)。多播地址在IPv4中被叫做D類地址，它的范圍從224.0.0.0到239.255.255.255。首先，服務器確定一個多播組，也就是多播地址。接著，客戶端加入到這個多播組內。然后，服務器向多播組發(fā)送的數據就能夠被加入多播組的成員接收。

圖5 RTP/RTCP網絡層次關系圖

高清網絡攝像機的發(fā)展趨勢

高清

從分辨率來看，720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍，在同樣的顯示環(huán)境下，高清會清晰得多。從顯示效果來看，高清既支持大屏顯示，又支持16∶9寬屏顯示，可以大大增強用戶的觀看體驗。從流暢度來看，高清支持更高的幀率，比如720p和1080i/1080p都可以支持60幀/秒或60場/秒，其圖像流暢度比標清要高一倍。雖然說現(xiàn)在已經實現(xiàn)高清，但是從顯示效果上現(xiàn)有的高清無論是從分辨率、顯示效果還是流暢度，都存在很多不足。

標準化

隨著監(jiān)控系統(tǒng)從模擬走向數字，從封閉式邁向網絡化，基于開放的標準以達到設備、系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通之需求日益迫切。并且在網絡時代，投身于開放標準的建設、為用戶提供同時具備靈活性和可擴展性的安防系統(tǒng)，已經成為安防廠商角逐本土市場、實現(xiàn)全球化的不二選擇。作為高清監(jiān)控的重要產品，高清網絡攝像機的標準化之路還很長。

紅外

高清攝像機相對于普通攝像機感光芯片，相同尺寸上像素點成倍數增加，故造成感光點尺寸相應倍數的減少，所以相同曝光情況下，高清攝像機相對于普通像素攝像機低照度會差很多。這就意味著如果做高清攝像機夜晚紅外補光需要的強度要比普通像素紅外攝像機高的多。例如一個130萬像素1/3"尺寸的高清CCD，相對于43萬像素（480線數）1/3" 尺寸的普通CCD，單位面積上高清CCD的像素點是普通CCD的3倍，則高清CCD像素點感光性能則為普通CCD感光度的1/3，這就是高清攝像機夜晚效果差的根本原因?，F(xiàn)在的做法是延長曝光時間，來彌補低照度性能不好的缺陷，但這樣就造成圖像易出現(xiàn)拖影現(xiàn)象。如果高清夜晚圖像效果要好的話，只能增強外界燈光來補充此方面的不足。

針對于高清補光方面，高清攝像機紅外補光對不同距離的監(jiān)控有不同的方案配置。近距離選用角度廣的LED燈板來補光，可實現(xiàn)廣角監(jiān)控且成本較低，中遠距離由于需要的補光燈強度比較大，角度小，使用普通的LED很難達到所需的效果。故在中遠距離選用具有方向性強，能量集中的激光紅外燈來進行補光。

易用性

與傳統(tǒng)模擬攝像機不同，高清網絡攝像機涉及到IT的范疇，因此，網絡攝像機與模擬攝像機在使用上有較大的區(qū)別，特別是對于操作者及使用人員都有較高的要求。對于國內大部分工程商、集成商及用戶來說，他們對傳統(tǒng)的CCTV系統(tǒng)非常熟悉，對網絡攝像機尚在使用的初期階段，所以網絡攝像機在開發(fā)及設計上，要考慮到這些人的特性，在安裝的便捷性和使用的易用性上要有充分的體現(xiàn)，例如支持PoE供電、本地視頻輸出，以及方便本地調試、支持無線功能等。

作者單位：杭州?？低晹底旨夹g股份有限公司