专注SIP通讯产品与方案

安防视频监控系统中的高清智能网络摄像机


网络摄像机(Network Camera)是可直接接入网路的数字摄像机,或者使用网络来传输图像的数字摄像机,有的直接称为1P网络摄像机(简称IPC)。它是可以在互联网及局域网络(Local Network ing)上进行即时视频通信或连续传输的产品,与DVR等监控产品相比,它具有以下特点。

•即插即看,安装、使用方便:

•能节省费用、降低成本:

•能有效地集中管理与远距离监控;

•能灵活集成,并使系统性能大大提高。

一、网络摄像机的结构及工作原理

一个典型的网络摄像机的结构,如图1所示。

图1 网络摄像机的组成结构

由图可见,它包括如下的6个部分:

•一个摄像镜头;

•一个含有光学低通滤波器(OLPF)、红外截止滤光片、图像传感器保护玻璃等的滤光器;

•一个含有像元微透镜阵列、彩色编码膜阵列、固体光电成像器件(CCD或CMOS)及其驱动系统的图像传感器;

•一个含有相关双取样及保持电路、AGC与A/D等的图像/数字转换器:

•一个含有DSP芯片的特殊的微处理控制器进行亮度、色度处理、背景光补偿、自动电子曝光、自动白平衡以及数字视频压缩的图像压缩处理器;

•一个具有与视频服务器一样的网络连接功能等(图中以视频服务器表示)。

实际上,一个网络摄像机从功能上讲等价于一个模拟摄像机加上视频服务器DVS。与普通的摄像机相比,网络摄像机的内部主要是增加数字化处理与数字视频压缩,以及网络接入功能,即将数字化的视频信号转换成符合网络传输协议的数据流,以便送到网上传输。因此,人们在远端通过连网的PC,并运行专用的或通用软件,就可以任意调看通过网络传输来的某台摄像机的画面或监听该摄像机内置麦克风采集的现场声音。授权的用户还可以控制摄像机云台的转动、镜头的光圈与变焦的动作,同时还具有报警输入输出功能等。

网络摄像机除具有普通复合视频信号输出外,主要具有网络输出接口(即LAN接口),它可以通过RJ-45连接器直接将这种摄像机接入本地局域网。正是这样,在网络上的任何一台PC,根据某台摄像机的IP地址,运用相应的软件就可找到这台摄像机,并在应用软件界面的窗口中看到该台摄像机所监控的场景画面。

网络摄像机上还有通信(COM)接口。由于有了这种接口,使网络摄像机具有控制数据的捕获及转换功能。通过COM接口(用RS-485或RS-232通信方式)可与外接的解码器相连接,因此网络上任一授权用户的PC,就可通过网络传输经由摄像机COM口,对其外接的解码器发送指令,使摄像机云台与镜头根据需要动作。当然,通过合理地设置,该COM接口也可以从前端接收数据,并经过LAN传输到网络上的任一台PC±=此外,网络摄像机上还有报警(ALARM1/0)接口。这种报警信号接入端子可以接收由各类报警传感器传来的开关量信号,并对其进行编码,而后送入TCP/IP网络,通过应用软件对该报警信号进行各种联动响应设置(如发出声、光报警和采取其他措施,如进行报警录像等)。

同普通摄像机一样,网络摄像机也有电源插口,需接插DC12V或AC 220V的电源。

二、对网络摄像机的性能要求

要提高网络摄像机在网络中传输图像的质量,除网络原因外,还必须要提高网络摄像机本身的性能,即必须注意下列几个技术问题。

(1)要有好的图像数据压缩技术。由于网络摄像机的使用受到带宽的限制,因此必须要有好的图像数据压缩技术。由于MPEG1、MPEG2同M-JPEG—样,占用硬盘空间较大,尤其网络传输占用带宽较大,因而不适用于远程实时传输视频图像。由于MPEG4拥有压缩率高、视频品质可随频宽及使用者调整,对不同频宽仅需编码一次,适合各种频段应用及可广播等特点,因而将有效解决有线、无线频宽使用不足的窘境。但H264压缩后的数据量只有原MPEG4的1/3,从而大大节省用户的下载时间和数据流量收费;能解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误,即容错能力强;其文件能容易地在不同网络I•.传输(如互联网和无线网络等),即网络适应性强等,所以H264标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段(何况现又出现了H265),能获得平稳的图像质量。

(2)要有质量好的固体摄像机。在有较好的图像数据压缩技术和其他(如网络、计算机等)较好的应用环境下,还存在影响网络带宽因素就是网络摄像机使用的CCD或CMOS摄像机的质量。因为质量不好的摄像机不能输出稳定而干净的图像,即图像表现为带冇色偏、色滚、画面扭曲或滚动、干扰条纹、噪点等。它们被输入到网络摄像机后,就会被识别为新增加的原始参考图像而被重新传输,从而使所占用的传输带宽增大。实际上,在连续图像传输的过程中,只传输图像变化的部分,而相对静化的部分不传输(即使图像数据变短而实现了压缩,从而使占用的带宽减少)。而网络摄像机在识别图像是静止还是活动的依据主要是检测图像的灰度(或色阶)是否发生变化,无变化就是静止的,有变化就是活动的。但影响灰度变化的因素除移动的人和物外,还有不稳定和不干净的图像噪声,如光线的变化等,所以网络摄像机必须选用优质的固体摄像机。

①选用DSP芯片运算速度1000万次/秒以上的固体摄像机。因为日光灯1s亮灭的变化达50次,即20ms变化一次,普通的摄像机跟不上这个变化的速度,所摄图像就会产生色偏和色漂移,使原本静止的画面变成颜色周期性变化的“活动”而不稳定的图像。如果固体摄像机的DSP芯片运算速度移动快,如仅用1ms就可以平衡一次白平衡的变化,从而就可以得到非常稳定的图像。因此,应选用DSP芯片运算速度为1000万次/秒以上的固体摄像机为好。

②选用信噪比指标最好能达60dB的固体摄像机。信噪比不高的摄像机的画面中充满噪点,而这些噪点在画面中的位置是没有重复性的,其每一帧画面都不一样,从而使网络摄像机认为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。这种倾面数据比干净画面数据至少要大30%以上,因此,选择用于网络摄像机中的固体摄像机的信噪比指标至少要大于55dB以上,最好达60dB为好。

③选用灵敏度高的固体摄像机。因为选用灵敏度高的固体摄像机(即选用低照度摄像机),可以提高照度低时的信噪比,从而可输出无噪点的图像。

(3)要有小的远程视频网络传输延时。远程视频网络传输延时,对任何-种网纟各摄像机或网络视频服务器等都是不可避免的。显然,这种延时将直接影响数字监控的效果,因而要尽量减少其延时值。而不同的网络摄像机的延时值不同,因为在不同的帧速率下其传输延时不等。所谓帧速率为每秒传输的总帧数,包括I帧和P帧。但帧速率设定愈大,其带宽愈大,图像也愈连续。对同一类产品,其帧速率越高,传输延时越小。因此,为提高数字监控的效果,应尽量提高其帧速率。

(4)要注意的其他辅助措施。除上述各点外,还要注意以下几点:

•要注意计算机屏幕的显示设定,其屏幕色彩至少为65000色;

•要影像品质好,摄像机所监控的场景的照度至少需达到200Lx;

•摄像机最好避免背光;

•要减小对比度,即调节摄像机的曝光程度来取得较平均的照度。

三、高清智能IP网络摄像机

高清智能网络摄像机的组成与工作原理框图如图2所示。

图2 高清智能网络摄像机的组成及工作原理框图

由图看出,一台高清智能网络摄像机,由高清摄像镜头、高清CMOS成像器件、A/D与预处理部分、智能软件算法模块、编码压缩模块部分与网络接口模块等六部分组成。

其工作原理是,高清摄像镜头收集所监控场景的光学图像,并将它们聚焦成像到百万像素以上的CMOS成像器件的感光面上(因CCD速度跟不上一般不选用),其转换输出的视频电信号经A/D变换与去除噪声、图像增强等预处理后,再送入嵌入智能软件算法模块中。智能软件算法是高清智能网络摄像机最重要的部分,其算法的优劣、异常信号分析识别的准确与否是该摄像机能否实用的关键。

由于CMOS成像器件采用百万或几百万像素的高分辨率,因而提取目标信息的特征准确而便于识别。当高清智能网络摄像机开始进入监控状态时,会把所监控场景的识别异常的视频信号经编码压缩通过网络接口送到网络中传输,这样可大大节省网络带宽的资源。

由于通过视频压缩后传输,会失去一部分真实信息并产生一些噪声信号,若这时用智能软件对压缩后的视频进行分析与识别处理,相对会有更多的漏报警和误报警。而高清智能网络摄像机是对没有压缩的原始高清图像进行目标提取,就显然没有上述问题。并且,它只有在出现异常需预/报警的情况下,才需要把相关的视频发送到后端进行监视和记录,而一般情况下只需要通过网络传送很少的目标数据信息,这些目标数据信息的流量还不到视频流量的1/50,从而减少了对网络带宽的要求和消耗,减少了用户在网络方面的投资,而同时对网络条件不是很好的用户,也带来了使用智能视频网络监控系统的可能。

因此,实现高清智能网络摄像机的重点是,选择好所需要的智能化功能,并选择设计好的智能软件算法,然后将其嵌入到DSP或与FPGA中,形成智能软件模块部分。

四、高清智能IP网络摄像机所应具备的智能化功能

利用网络摄像机的优势而形成的智能网络摄像机,是嵌入有智能化功能的网络摄像机。一般,可充分利用前端网络视频设备所富余的CPU资源,来实现一些基本的智能视频功能。并且,除普遍应用的智能功能外,还可在此基础上,根据不同的应用嵌入一些不同需要的智能化功能。

(1)监控摄像机普遍需要的智能化功能。

•有视频遮挡与视频丢失侦测的识别与预/报警功能o•有视频变换侦测的识别与预/报警功能。

•有视频模糊侦测的识别与预/报警功能。

•有亮度与偏色异常的侦测的识别与预/报警功能,当自动检测由于照明条件变化使亮度异常而使图像画面过暗或过亮,以及自动检测视频图像画面偏色(包括全屏单-偏色与多种颜色的混杂的带状偏色)时,即可自动预/报警。这样,值班人员就能在第一时间去进行查看与处理,以消除安全隐患。

•有图像画面冻结、画面抖动、滚屏等侦测的识别与预/报警功能,当自动检测由于噪声干扰等引起的图像画面冻结,画面图像上下抖动,画面图像滚动,以及图像中混有杂乱的横道、波纹、雪花、线状干扰等噪声现象时,即可自动预/报警,从而使值班人员能在第一时间去进行查看与处理,以消除安全隐患。

(2)根据不同的应用嵌入的智能功能。

•可嵌入对各种天灾的检测识别与预/报警的智能功能。

•可有能滤除小动物及光线变化等环境干扰的视频移动侦测的识别与预/报警功能。

•可有出入口人数统计的智能功能。

•可嵌入人群注意力及拥堵等检测识别与预/报警的智能功能。

•可嵌入非滞留爆炸物或可燃等危险物品的检测识别与预/报警的智能功能。

•可有自动开关灯光、调整光强与识别有否外人侵入的智能功能。

•有能联动相应防区的其他安全防范设备的综合安全防范功能等。

此外,还可根据需要,专门嵌入人体特征生物识别,以及电子警察与智能交通所需的智能功能等。

上述的智能化功能,可根据用户不同监控地点的需要,分别安置於安防监控系统前端的不同位置的摄像机中,当然有的较复杂一点的也可嵌入DVS与DVR中。