简析网络摄像机相关知识及应用案例

　

概要：上使用得最为广泛有MPEG-4、H.264。 Motion-JPEG是以提供序列JPEG图像的方式来提供视频。网络摄像机就像是数字静态图片照相机，捕捉单幅图像并将其压缩为JPEG格式。网络摄像机每秒捕捉和压缩30张图像，并以连续图像流的方式通过网络发送到客户端。当帧率达到或超过16fps时，用户就可以浏览到感觉比较实时的画面。 H.263压缩技术主要面对固定比特率的视频传输应用。但当画面中的物体移动时，仍使用固定比特率，图像的质量就会有所降低。由于H.263最初是为视频会议应用而开发的，因此对于要求更多图像细节的监视系统来讲并不适合。 MPEG-2从MPEG-1压缩技术扩展而来，帧率被锁定在25fps(PAL)/30fps(NTSC),主要针对高质量数字视频(DVD)，数字高清电视(digital high-definition TV，HDTV)，交互式存储媒体(interactive storage media，ISM)，数字广播视频(digital broadcast video，DBV)，和有线电视(cable TV，CATV)。网络传输MPEG-2编码的视频流需要较高的带宽，在安防监控行业，很少有网络摄像机采用MPEG-2编码方案。 MPEG-4从MPEG-2发展而来

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随着网络和多媒体技术的广泛应用，数字网络视频得到了飞速发展。尤其在监控领域，将传统的模拟视频监控信号转换为数字视频信号，并且利用现有IP网络设计一个不受距离限制的廉价通用网络视频监控设备成为了新的热点。

　　一、何谓网络摄像机（IP Camera）

　　“IP” 是“Internet Protocol”的缩写，是目前用于计算机网络及Internet 上最广泛的一种通讯协议。IP Camera为一种可生产数字视频流，并将视频流通过有线或无线网络进行传输的摄像机，已经超越了地域的限制，只要有网络都可以进行远程监控及录像，将大大节省安装布线的费用，真正做到远程监控无界限。

　　二、编码标准概述

　　网络摄像机常用的视频编码标准有Motion-JPEG、H.263、MPEG-2、MPEG-4、H.264，而目前市场上使用得最为广泛有MPEG-4、H.264。

　　Motion-JPEG是以提供序列JPEG图像的方式来提供视频。网络摄像机就像是数字静态图片照相机，捕捉单幅图像并将其压缩为JPEG格式。网络摄像机每秒捕捉和压缩30张图像，并以连续图像流的方式通过网络发送到客户端。当帧率达到或超过16fps时，用户就可以浏览到感觉比较实时的画面。

　　H.263压缩技术主要面对固定比特率的视频传输应用。但当画面中的物体移动时，仍使用固定比特率，图像的质量就会有所降低。由于H.263最初是为视频会议应用而开发的，因此对于要求更多图像细节的监视系统来讲并不适合。
 
　　MPEG-2从MPEG-1压缩技术扩展而来，帧率被锁定在25fps(PAL)/30fps(NTSC),主要针对高质量数字视频(DVD)，数字高清电视(digital high-definition TV，HDTV)，交互式存储媒体(interactive storage media，ISM)，数字广播视频(digital broadcast video，DBV)，和有线电视(cable TV，CATV)。网络传输MPEG-2编码的视频流需要较高的带宽，在安防监控行业，很少有网络摄像机采用MPEG-2编码方案。
 
　　MPEG-4从MPEG-2发展而来，MPEG-4编码方案内建很多工具，可用来降低比特率，以满足特定应用或场景对图像质量的需求。而且MPEG-4帧率没有被锁定25fps(PAL)/30(NTSC)fps。采用MPEG-4编码方案的网络摄像机，往往在低带宽的网络环境下，通过降低帧率来完成视频传输。MPEG-4引入很多工具来降低比特率，但针对网络视频实时性没有内建优化工具，编解码时间消耗增加，视频流传输往往表现出延迟，抖动现象。 

　　H.264编码方案，也称为MPEG-4(Part10)或高级视频编码(AVC)，是H.263开发小组和MPEG-4开发小组合并后推出了新的下一代视频压缩标准。该标准只增加了有限的编码复杂度，用于实现极高的数据压缩，该标准在比原先压缩标准的比特率小很多的条件下仍可提供高质量的视频。国内市场新推出的网络摄像机，很多都采用了H.264编码方案，由于编解码计算复杂度高，能提供实时视频流的网络摄像机很少。很多的网络摄像机生产厂商都看好H.264编码方案，随着各种优化技术的成熟，H.264编码方案将来可能会成为市场的主流。

　　以上编码方案各有优缺点，Motion-JPEG编解码简单，可以提供高分辨率图像，也常在客户端实现智能化图像处理，但采用Motion-JPEG编码方案，进行实时网络传输时占用网络带宽较高。对视频实时性要求较高的安防行业，大规模的网络视频监控系统网络带宽一般难以适应Motion-JPEG编码方案。MPEG-2编码方案，除了被一些高端网络摄像机采用，普通网络摄像机几乎不采用MPEG-2编码方案，锁定的帧率，较高的比特流很难适用普通安防行业的基础设施。MPEG-4编码方案传输实时网络视频占用的网络带宽较少，但其编解码复杂性较高，网络延迟，图像抖动问题需要重点考虑。H.264编码方案，同等质量图像H.264编码产生的比特流比MPEG-4少20-40%，并且内建针对流媒体和无线网络的优化工具，相比MPEG-4其编码复杂度更高，编解码时间更长，需要网络摄像机编码器提供很强的计算能力，成本较高。

　　三、传输协议概述

　　网络摄像机提供很多的基于IP网络的传输协议，以尽可能地保证音视频数据，PTZ控制数据网络传输质量。实时视频流经过IP网络传输，通过多种协议组合，适应各种复杂的网络传输环境。 

　　UDP(User Datagram Protocol)数据报协议，是最基本的网络数据传输协议，利用IP协议提供网络无连接服务，常用来封装实时性强的网络音视频数据，即使网络传输过程中发生分组丢失现象，在客户端也不会影响音视频浏览。

　　TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议，利用IP协议提供面向连接网络服务，为在不可靠的互联网络上提供一个可靠的端到端字节流而设计。TCP协议往往要在服务端和客户端经过多次“握手”才能建立连接，因此利用TCP传输实时性较强的音视频流开销较大，如果网络不稳定，音视频抖动的现象明显。利用其可靠性常用来传输网络摄像机管理命令，如PTZ，I/O设备控制命令。

　　UDP(TCP)协议，一些网络摄像机为了适应国内网络带宽状况不佳的状况，没有利用RTP+RTSP应用层协议封装音视频数据，对音视频流只采用UDP或TCP传输层协议封装。这样音视频流就可以利用很小的网络带宽传输流媒体。这种协议组合也可以提供类似RTP+RTSP高级功能，但对网络路由设备基于RTP+RTSP组合优化特性不能利用。

　　四、CMS平台管理软件

　　市场上的后台管理软件大同小异，基本的功能大部分都有，一个系统大体有以下几中管理服务器构成；目录管理服务器、应用管理服务器、客户端及电视墙管理服务器，下面我们一起来谈谈他们之间的关系。

　　目录服务器软件应用于多服务器监控网络系统，综合管理系统中所有的应用服务器、客户端和视频设备，为所有使用和访问监控网络系统的用户提供统一的入口。目录服务器提供的系统服务包括：系统中所有设备的索引，系统中所有数据的索引，系统中所有客户端的权限和接入，系统中各个层级电子地图的管理，以及扩展的数据转发和录像功能，目录服务器的主要功能包括：系统管理、设备索引、数据索引和数据转发。

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