浅谈创新IP数字监控产品 - 安防知识网

2007年至2008年，IP Camera不断在国内外市场中“攻城拔寨”，步步“蚕食”DVR和DVS市场份额。尤其是平安城市、北京奥运会、上海世博会作为当前IP Camera发展的助推力，使得IP Camera在中国的应用市场中，数量开始呈现几何倍数地增长，目前IP Camera正在以超过100％的速度增长。业内普遍预测，经过未来两到三年的市场拓展，IP Camera将成为视频监控市场的主流，我们也相信，IP Camera会在未来几年将逐步成为监控领域里一个主流的产品。在数字化和网络化概念冲击模拟技术的时

近年来，IP Camera在国内市场开始强势抬头，其以安装方便、配置简单、网络结构清晰，图象质量好等优势和特点，逐渐被市场认可。

首先，我们必须了解DVR，DVS，IP Camera之间的区别。

一、 DVR、DVS、IP Camera监控系统的基本架构特征对比

从上图可知 DVR、DVS、IP Camera建设监控系统的一个基本架构特征：

DVR：模拟摄像机 + 模拟视频传输线 + 本地存储系统

DVS：模拟摄像机 + 模拟视频传输线 + 网络存储系统

IP Camera：内嵌摄像头 + 网络存储系统[nextpage]

一、摄像头解决方案的对比

DVR和DVS的摄像头解决方案，它们采用的是模拟技术，即模拟摄像机 + 模拟传输线。其工作原理是，模拟视频信号通过模拟传输线，再传送给DVR或DVS，然后进行数字化、编码、网络传输、存储。

而大家知道，模拟摄像机输出的信号是CVBS格式的视频信号，由于受到N/P制规范的约束，CVBS信号支持的最大分辨率为D1，即P制下704x576或N制下 704x480，也就是说CVBS的最高像素仅仅在36万左右，而且这种像素分辨率是隔行的。

当对图像质量要求更高时，比如百万像素，或者逐行图像时（CMOS输出的都是逐行图像），标准的CVBS信号的传输方式是无法实现的。当然也可以专门为高解析度的图像设计专用的传输线路，但是这种线路需要采用千兆同轴电缆或光纤才可能实现，很显然，高昂的成本是厂家或用户无法接受。因此DVR和DVS的这种摄像头解决方案，是难以设计出高解析度的产品。

模拟传输线路的另一个问题是：模拟信号在传输过程中损耗很大，随着传输距离的增加，信噪比急剧增加，这就使得图像质量迅速下降，并且由于在传输过程中引入了大量噪声，这就使得DVR和DVS的视频压缩编码难度增加，也使得视频的码率会成倍上升，进而使得在低带宽的网络下传输难度增加，也使得视频存储的硬盘空间需求加大，也就是说模拟传输不仅使得图像质量容易降低，也使传输和存储的成本增加。

另外，模拟传输线路还有一个问题是：不安全！大家都知道，CVBS信号格式是一个开放的标准，视频信息在同轴电缆上传输时，没有任何加密和认证机制。只要知道视频电缆的位置，任何人可以通过移花接木的手段来观看和切换视频。大家看过欧美的一些大片电影，如“偷天换日”，“紧急迫降”等电影里的场景，那些犯罪者就是通过移花接木的方式来切换视频信号，以逃避视频监控人员的视频监控。也就是说模拟传输线路无法保证视频信号的安全。

相反，IP Camera由于是采用了内嵌摄像头的解决方案，摄像头感光器件获得的图像不需要远程传输，直接传输给编码模块，这就回避了N/P规范的制约问题，避免了CVBS信号对图像解析度限制的问题，也就是说IP Camera能够提供高质量、低码率的图像，图像解析度可支持百万像素以上、也可支持逐行的图像。另外，IP Camera的视频信号可以进行安全加密，这就确保了传输过程的安全，进而可以有效地防范非法用户的窃听和篡改。

我们说，为什么会有IP Camera这种产品？其根本原因就在于此。

二、存储系统的对比

从前面的3个图我们知道DVR采用的是本地存储，DVS、IP Camera采用的是网络存储。那么要对这两类存储系统进行对比，需要了解这三种产品的发展历史。

DVR兴于90年代中后期，当时的视频压缩算法MJPEG、MPEG-1标准开始普及、廉价的嵌入式处理器开始大量出现，但是网络的普及度还不是很高，网络带宽特别有限，特别是海量存储服务器非常昂贵。

因此，将编码后的视频都通过网络，存储到网络中心的海量存储服务器，其成本太高，很难大规模普及。因此，DVR利用了嵌入式处理器对硬盘的支持能力，在其内部实现了一个廉价的、内嵌的存储系统来存储编码后的音视频数据，由于这种设计方案有效地利用了IT领域对视频编码和嵌入式处理器的最新成果，所以与当时的模拟监控系统相比，性价比有很大的优势。但可以看到，DVR是视频压缩标准和嵌入式处理器出现，但网络和海量存储并不普及时的产物。

DVS始于2000年，当时有了MPEG-4标准，相对于MPEG1、 MPEG2, MPEG-4压缩算法有了较大的改进，压缩的码率相比以前的算法标准降低了很多，也就是说，由于降低了对网络带宽的要求，使得DVS有了发展。在那时，在近1Mbps的网络带宽下（城域网），远程点播MPEG-4视频可以得到较佳的视频质量。但是，网络存储服务器还是相当昂贵，利用DVS构建的监控系统，在成本还是无法与DVR竞争。因此，DVS在监控行业里是没有获得很大的发展，只是在视频会议系统上得到应用。

从技术原理上讲，能开发DVS，就能开发IP Camera，但是很奇怪的是，IP Camera并没有与DVS同步发展。一个可能的原因是：开发DVS和开发摄像头的公司是分属不同类型的公司，所谓术业有专功，所以在当时就有专业的公司开发DVS，但由于网络存储还是相当昂贵，且压缩的码率仍旧对带宽要求高，且专业开发DVS的公司有没有摄像头技术，这就注定了DVS不能很好的、健康的发展，只是过渡产品。而且在这一阶段的时间浪费也是IP Camera滞后发展的一个重要原因。[nextpage]

从以上的历史可知：海量网络存储系统和网络是影响监控行业发展轨迹的一个重要因素。但是到了今天，海量网络存储系统如NAS SAN的价格已经很低，而将音视频数据集中存储的一个优点就是数据易于集中管理，可靠性和安全性更高。也是基于此，DVS和IP Camera也就逐渐成为了行业的热点。

基于以上存储系统的分析可知，DVR产品由于低可靠性的和非专业化的存储系统，只适合于小规模的、可靠性要求不高的监控系统，如4、8、16、32路的监控。而DVS、IP Camera在配置了海量存储服务器后，特别适合于构建监控点比较多的中大型监控系统，而且IP Camera将更加显示出其较好图象质量优势。

总结以上对比可知，DVR和DVS产品是无法设计出高解析度的产品，DVR仅适合于小规模的、可靠性要求不高的监控系统，DVS是介于DVR和IP Camera之间的过渡产品。

而IP Camera是真正的全数字网络化产品，能是实现真正的数字安全监控，能提供更优的图像质量、更高的图像解析度、对网络带宽的要求更低。

四、IP Camera原理架构及技术分析

当今随着网络技术的迅速发展，IP Camera技术被逐渐到应用到我国安全防范领域。在刚刚过去的北京安防展上，一些公司就展示出了新型的IP Camera超低码流网络摄像机，其原理结构与主要特点如下。

其工作过程为：光传感模块采集视频，将其传送给MPEG编码模块进行编码；拾音器采集语音，将其传给音频编码模块进行编码；最后，音视频传输模块将编码后的音视频流通过IP网络传输到CMS中心。根据其基本结构，我们可以看到IP Camera有4个技术关键点。

1、光传感模块

该模块设计的关键在于准确地配置光传感芯片，使其在各种光的环境下图像质量都好，另外要尽可能抑制电子噪声（因为MPEG编码算法对噪声编码效率很低，信噪比较低有噪声时，MPEG编码时码率会成倍的增加）。对该模块的设计，传统的模拟Camera厂家有一定的技术优势。

2、MPEG视频编码模块

1）编码格式是否符合标准

因为，标准就意味着能实现不同平台，不同厂家产品的互连互通；标准也意味构建大型系统（电信级别系统）时所带了的成本优势。关于标准格式的码流很容易判别，只需要使用微软的Media player或苹果的QuickTime，看看它们能否播放录制的视频流文件即可。

2）编码算法

行业主流的编码算法有MPEG-4和H.264，理论上H.264的码率为MPEG-4的一半。但这不是说任何厂家的H.264算法都是好的。

对编码算法的误区认识：那就是仅关心是否采用了H.264，认为如果两个厂家的MPEG编码模块都实现了H.264，那么它们就会一样好。事实是，H.264标准包含一个很大的算法集合，其中包含了20多年来对视频编码的所有研究成果，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4都是它的子集。因此，要实现所有的算法计算量很大，目前还没有一个芯片能实现所有算法。而设计H.264编码芯片的过程实际上是要根据芯片的运算能力，在H.264算法集合中选择算法子集的一个过程。哪家芯片选择的算法子集好，其压缩出来的图像质量就越好。可惜，这对于芯片设计公司来说是技术秘密，客户不能获得这个信息。[nextpage]

么怎样判别一个H.264芯片的好坏呢？我们可以使用图象领域里面的主观评价法来判别编码芯片和编码算法的好坏，如通过调低码率（比如几十kbps或一两百Kbps），调整图像的运动量，察看图像有没有丢帧、有没有马赛克等现象，根据这些现象的程度来判断芯片的好坏。目前，我国安防公司的IP Camera基本上都采用的是真正的H.264芯片，不仅保证了视频压缩质量，也极大地减小了传输码流。

3、音频编码模块

我们相信大多数人的直觉是音频编码是很简单的。实际的事实是，如果客户想要IP Camera通过低带宽的网络（如CDMA、甚至未来的3G、IP公网）传送音频时，音频编码会变得比较关键。其根本的原因是当网络带宽较低时，数据在IP网络传输时会丢包。对于视频来讲，因为视频的前后帧之间的关联度很大（前后帧基本是相同的），数据是可以丢帧的，丢掉一些帧后，并没有丢失太多有用的信息。但是，对于声音来讲就不行，前后部分的音频帧却没有任何预测关联特性的，如果一段声音丢弃了，这段声音就彻底没有了。

目前的IP Camera大多数采用G711或G726音频压缩算法，它们的码率为64Kbps和28Kbps。大家想象一下，低带宽网络通常在100bps以下，这点带宽传输音频数据都很勉强。一个较好的算法是G723.1，其带宽仅为6.3Kbps。目前我国一些公司的IP Camera音频采用的就是G723.1的压缩算法，极大的减小了网络带宽。

4、音视频流传输软件模块

大家知道，IP网的带宽是共享的，网络线路带宽有限、路由器的吞吐率也有限，因此当负载较大时，数据的传输会发生丢包现象。音视频流在网络上如果采用可靠的TCP进行传输，TCP发现丢包后会进行重发，这样进一步会加重网络的负载压力，负载压力加大后，丢包频率就会更频繁，进而又使重发量加大，形成恶性循环后，严重到甚至会使网络崩溃。

因此，音视频流在IP网络上要采用不可靠的UDP进行传输，而UDP是一个不可靠的传输协议，这意味着音视频流会被网络丢包。

如果音视频流丢包严重，远程观看视频时，就会看到图像停顿、马赛克等现象。音视频传输软件模块的设计目标就是尽量减少丢包。其主要实现的的技术就是动态预测网络带宽，自适应地根据网络带宽控制MPEG编码模块的参数，决定如何来发送音视频包，以使丢包量减到最小。

这就对IP Camera厂家的软件开发能力、算法研究能力带来了很大的挑战和考验。IP Camera最终的图像质量如何，特别是较低带宽的网络下传输时图像质量如何，实际上要取决于厂家的软件研发的实力。

五、结语

随着行业应用的深入，科技水平的发展，监控系统也逐渐由模拟转入了数字阶段，未来IP Camera的应用也会越来越多，让我们把握机会，迎接安防领域纯数字阶段的到来。