網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)課件

第六章網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)6.1影響視頻質(zhì)量的關(guān)鍵指標6.2視頻壓縮技術(shù)6.3固定碼率和可變碼率編解碼6.4視頻封裝格式6.5視頻傳輸協(xié)議6.6云臺控制協(xié)議6.7芯片技術(shù)與壓縮板卡6.8圖像傳感器技術(shù)6.9紅外攝像技術(shù)6.10設(shè)備網(wǎng)管協(xié)議6.11安全監(jiān)控技術(shù)6.12時鐘同步技術(shù)6.1影響視頻質(zhì)量的關(guān)鍵指標

在模擬CCTV系統(tǒng)中，畫面質(zhì)量取決于分辨率，即人眼所能分辨的黑白條紋數(shù)，單位是電視線（TV線）。公安部于2002年6月1日開始實施的《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》GA/T-367-2001國家標準，對安防行業(yè)視頻標準提出要求：一級（甲級）項目錄像回放清晰度要≥350TV線；二級、三級項目錄像回放清晰度要≥300TV。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的圖像質(zhì)量需要考慮下列因素：（1）分辨率。（2）壓縮算法。（3）幀率。（4）視頻延時。6.2視頻壓縮技術(shù)

通過CCD或CMOS感光及BNC輸出后的視頻稱為“模擬視頻”，但事實上此時視頻信號已經(jīng)是由一幀幀連續(xù)的圖像構(gòu)成了。這種圖像的每一幅圖像都是由許許多多個像素點組成，其中每個像素點通常具有R、G、B(即紅、綠、藍）三種色彩的分量量化數(shù)值。因此，從根本上說，“模擬視頻”事實上也是數(shù)字化的，只不過這種數(shù)字化保留了原始現(xiàn)場所有的光影信息，信息冗余度極大。解決模擬視頻信號數(shù)字化后數(shù)據(jù)量龐大的有效辦法就是采用視頻壓縮編碼技術(shù)，壓縮數(shù)字視頻中的冗余信息，減少視頻數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)冗余的情況包括空間、時間、結(jié)構(gòu)、知識、視覺、圖像區(qū)域的相同性等冗余信息。根據(jù)解碼后是否能夠完全無丟失地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，可分為無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮是指壓縮后的數(shù)據(jù)解壓時得到的重現(xiàn)圖像與原始圖像完全相同的壓縮方法。無損壓縮不丟失任何信息，但其壓縮率很小。典型的算法有Huffman編碼、Shannon-Fano編碼、算數(shù)編碼等。有損壓縮是指解壓后得到的圖像與原始圖像產(chǎn)生誤差、去除一定信息的壓縮方法。

目前，有損壓縮在視頻處理中得到廣泛應(yīng)用。在選擇視頻壓縮標準時需要參考以下因素：（1）壓縮類別：有損壓縮會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損失，過大的壓縮比會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。（2）壓縮比比例：各種壓縮方案支持不同的壓縮比例，壓縮比例越大，壓縮和還原需要的時間越多，采用有損壓縮時圖像的還原效果也越差。（3）壓縮時間：壓縮算法通常需要較長時間才能完成，有些壓縮方案可以通過專用硬件提高壓縮速度。為達到低數(shù)據(jù)率的目標，幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮。其中傳統(tǒng)壓縮編碼建立在仙農(nóng)信息論基礎(chǔ)之上的，以經(jīng)典集合論為工具，用概率統(tǒng)計模型來描述信源，其壓縮思想基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，只能去除數(shù)據(jù)冗余，屬于低層壓縮編碼的范疇。MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263都是第一代壓縮編碼技術(shù)，著眼于圖像信號的統(tǒng)計特性來設(shè)計編碼器，屬于波形編碼的范疇。這種編碼方案把視頻序列按時間先后分為一系列幀，每一幀圖像又分成宏塊以進行運動補償和編碼。

新一代壓縮技術(shù)編碼思想由基于像素和像素塊轉(zhuǎn)變?yōu)榛趦?nèi)容。它突破了仙農(nóng)信息論框架的束縛，充分考慮了人眼視覺特性及信源特性，通過去除內(nèi)容冗余來實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，可分為基于對象和基于語義兩種，前者屬于中層壓縮編碼，后者屬于高層壓縮編碼。以MPEG-4/H.264為代表的基于模型/對象的第二代壓縮編碼技術(shù)，除了繼承第一代視頻編碼的核心技術(shù)，如變換編碼、運動估計與運動補償、量化、熵編碼外，還充分利用了人眼視覺特行，抓住了圖像信息傳輸?shù)谋举|(zhì)，從輪廓、紋理思路出發(fā)，支持基于視覺內(nèi)容的交互功能，這適應(yīng)了多媒體信息的應(yīng)用由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容的訪問、檢索及操作的發(fā)展趨勢。H.264標準的推出，是視頻編碼標準的一次重要進步，它與現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4及H.263相比，具有明顯的優(yōu)越性，特別是在編碼效率上的提高，使之能用許多新的領(lǐng)域。盡管H.264的算法復(fù)雜度是現(xiàn)有編碼壓縮標準的4倍以上，但隨著集成電路的快速發(fā)展，H.264的應(yīng)用已成為現(xiàn)實。目前視頻監(jiān)控中采用的視頻壓縮編碼技術(shù)主要為MJPEG、MPEG-1/2、MPEG-4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種，其中，MPEG-4和H.264是現(xiàn)在國內(nèi)流行的兩種視頻壓縮標準，市場上多數(shù)的數(shù)字視頻錄像機、視頻服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像機都已經(jīng)能夠支持MPEG-4/H.264的壓縮方法。另外我國也在積極推進AVS標準。AVS標準是《信息技術(shù)：先進音視頻編碼》系列標準的簡約，AVS標準包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)管理4個主要技術(shù)標準和一致性測試等支撐標準，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標準。為了保障信息產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，原信息產(chǎn)業(yè)部科學(xué)技術(shù)司早就在2002年12月正式發(fā)文成立“數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標準AVS工作組”，負責數(shù)字音視頻等多媒體設(shè)備與產(chǎn)品中的壓縮、解壓縮、處理和表示等技術(shù)標準的制定工作。6.2.1MPEG-4標準MPEG-4是ISO/IECMPEG制定的標準，它與1998年10月定案，在1999年正式成為國際標準，隨后為擴展用途又進行了第二版的開發(fā)，于1999年底結(jié)束。MPEG-4標準最大的特點是編碼是基于對象的，對一幀中的對象進行分割，然后再進行編碼，，這樣就便于操作和控制對象，也可以利用碼率分配方法，對于用戶感興趣的對象多分配一些比特率，得到更好的主觀圖像質(zhì)量。如果說，MPEG-1“文件小，但質(zhì)量差”；而MPEG-2“質(zhì)量好，但更占空間”的話，那么MPEG-4則很好的結(jié)合了兩者的優(yōu)點。MPEG-4是超低碼率運動圖像和語言的壓縮標準，它不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，而且更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG-4標準主要應(yīng)用于視頻電話、視頻電子郵件和電子新聞等，其傳輸速率要求較低.MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個更為廣闊的平臺。

MPEG-4的特點是其更適合于交互服務(wù)以及遠程監(jiān)控。MPEG-4是第一個使觀眾由被動變?yōu)橹鲃樱ú辉僦皇怯^看，而且允許觀眾加入其中，即有交互性）的動態(tài)圖像標準；它的另一

特點是其綜合性，從根源上說，MPEG-4試圖將自然物體與人造物體相融合（視覺效果意義上的）。MPEG-4的設(shè)計目標還有更廣的適應(yīng)性和可擴展性。MPEG-4標準的占用帶寬可調(diào)，由占用帶寬與圖像的清晰度成正比。以目前的技術(shù)，一般占用帶寬大致在幾百kbit/s左右。但MPEG-4系統(tǒng)設(shè)計過于復(fù)雜，使得MPEG-4難以完全實現(xiàn)并且兼容，另外對于中國企業(yè)來說還要面臨高昂的專利費問題，目前規(guī)定：

(1)每臺解碼設(shè)備需要交給MPEG-LA0.25美元；

(2)編碼/解碼設(shè)備還需要按時間交費（4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年）。6.2.2H.264H.264是ITU-TVCEG與ISO/IECMPEG聯(lián)合成立的JointVideoTeam(JVT)制定的標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分，于2003年3月正式發(fā)布。

H.264標準和以往的視頻編碼標準一樣，都是基于幀的。H.264標準的推出，是視頻編碼標準的一次重要進步，它與現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4SP及H..263相比，具有明顯的優(yōu)越性，特別是在編碼效率上的提高，使之能用于許多新的領(lǐng)域。作為繼MPEG-4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，在較低帶寬上提高高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點，H.264具有低碼流、高質(zhì)量圖像、容錯力強、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強的特點。H.264分為四個檔次:基本檔次為簡單版本，應(yīng)用面廣；主要檔次采用了多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等；擴展檔次可用于各種網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸；高級檔次主要應(yīng)用于高清晰度應(yīng)用，如HDTV和高清DVD等。檔次和等級越高，對應(yīng)的清晰度越好，相應(yīng)的速率也越高，解碼越復(fù)雜。

H.264主要有以下幾大特點:(1)高效壓縮。與H.263＋和MPEG-4SP相比，減少50%比特率，使存儲容量大大降低；

(2)延時約束方面有很多的柔韌性；

(3)容錯能力強；（4）編/解碼的復(fù)雜性可伸縮；（5）高質(zhì)量應(yīng)用；（6）在不同分辨率、不同碼率下都能提供較高的視頻質(zhì)量；（7）采用“網(wǎng)絡(luò)友善”的結(jié)構(gòu)和語法，使其更有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。對比H.264和MPEG-4標準，在同等碼率下，H.264編碼重建的圖像比MPEG-4明顯清晰，信噪比高出2dB以上，拋開運算復(fù)雜度，H.264相對于MPEG-4標準，具有明顯優(yōu)勢。兩者比較見表6-1.6.2.3MJPEG標準

除了應(yīng)用較多的MPEG-4與H.264，MJPEG（MotionJPEG）標準也由于其每幀圖像都比較清晰的特性得到一定應(yīng)用，伴隨網(wǎng)絡(luò)帶寬的穩(wěn)步提高，MJPEG也將具有更多的用武之地。MJPEG是指MotionJPEG，即動態(tài)JPEG，是由JPEG專家組制訂的。

MJPEG是監(jiān)控行業(yè)常用的一種編碼格式，優(yōu)點是畫質(zhì)比較清晰，不會出現(xiàn)“馬賽克”現(xiàn)象，缺點是壓縮率低，占用帶寬很大，一般單路占用帶寬2Mbit/s左右，錄像時需要大量的存儲空間。MJPEG的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮，對每一幀進行壓縮通?？蛇_6:1的壓縮率，正是由于其不使用幀間編碼，使用非線性編輯器就很容易編輯。每幀都可任意存取。MJPEG主要應(yīng)用于對圖像清晰程度需求比較高，同時對圖像的連貫性要求不高的場合。但由于MJPEG不是一個標準化得格式，各廠家都有自己版本的MJPEG，無法互相識別。與MPEG-4及H.264這兩種高度壓縮的編碼格式相比，MJPEG壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像，并可以動態(tài)調(diào)整幀率、分辨率。6.3固定碼率和可變碼率編解碼

視頻編碼可以分為可變碼率和固定碼率兩種。如采用VBR，壓縮軟件在壓縮時根據(jù)音頻數(shù)據(jù)即時確定使用什么比特率，這是以質(zhì)量為前提兼顧文件大小的方式。可變碼率視頻編碼算法中不同圖像組的平均碼率是可變的數(shù)值，它可以根據(jù)圖像的內(nèi)容而變動，保證解碼后重建圖像的質(zhì)量恒定，沒有大的起伏。其主要優(yōu)點是顯著的減少了“填充比特”，大大提高了傳輸帶寬或存儲容量的利用率，具有巨大的經(jīng)濟效益，其代價是編碼器的技術(shù)難度大，成本高。

CBR是指編碼時從頭到尾都采用一種速率。相對于VBR和ABR來講，它壓縮出來的文件體積很大，而且音質(zhì)相對于VBR和ABR不會有明顯的提高。當輸入的圖像內(nèi)容有可能使輸出的平均碼率超出額定值時，不得不以犧牲圖像局部的、瞬時的主觀質(zhì)量為代價。另一方面，當圖像內(nèi)容不復(fù)雜時，又不得不大量地插入毫無意義的“填充碼”，來維持輸出的視頻碼率為預(yù)定的恒定值。固定碼率的視頻編碼算法簡單易行，但編碼效率不高。6.4視頻封裝格式

編解碼標準與視頻文件封裝格式無特定關(guān)系，通常采用一編碼標準的文件，為了適應(yīng)不同的傳輸條件可采用多種文件封裝格式。例如，盡管HDDVD以及BD在編碼上都統(tǒng)一采用MPEG-2/VC-1/H.264，可在封裝格式上又有所分歧，HDDVD使用的是PS封裝，即ProgramStream（節(jié)目流）,PS流的后綴名是VOB以及EVO等；BD使用了TS封裝，即TransportStream（傳輸流），TS流的后綴名為TS。TS流相對于PS流來說更容易傳輸，不過由于其性質(zhì)，也更易出錯，所以在以前一般存儲方面都是使用PS流，隨著容錯/糾錯技術(shù)的提高，TS的適用范圍越來越廣，所以TS很快成為了世界標準并廣泛應(yīng)用于電視臺數(shù)字播放、手機等各個領(lǐng)域。即使采用同一編碼算法，同一廠商芯片，由于數(shù)據(jù)包封裝格式的不同，各個廠商的視頻壓縮碼流仍然難以做到兼容。所謂封裝格式就是將已經(jīng)編碼壓縮好的視頻軌和音頻軌按照一定的格式也放到一個文件夾中，也就是說僅僅是一個外殼，或者大家把它當成一個放視頻軌和音頻軌的文件夾也可以，目前主流的視頻封裝格式如下。

（1）AVI。（2）WMV.。（3）MPEG格式。（4）Matroska。（5）RealVideo或者稱RealMedia（RM）。（6）QuickTimeMovie。（7）OggMedia。綜上所述，監(jiān)控系統(tǒng)中采用MPEG-4與H.264編碼的文件封裝格式可以有多種，包括ISMA格式、存儲播放格式、MPEG-2PS或TS格式等，并且能夠封裝成為VC-1的標準格式。6.5視頻傳輸協(xié)議

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主流的傳輸協(xié)議包括RTP、RTCP、TCP、UDP等，以上各種傳輸協(xié)議的層次不同，面對的使用對象、數(shù)據(jù)包的大小和控制方式也不一樣。（1）RTP的定義及功能。實時傳輸協(xié)議由IETF的音頻/視頻傳輸工作組制定，是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議，RTP被定義為在一對或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步，RTP的典型應(yīng)用建立在UDP上，但也可以在TCP等其他協(xié)議上工作。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)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提供這些服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用中RTP主要用于實時流的傳送。（2）RTCP的定義及功能。實時傳輸控制協(xié)議負責管理傳輸質(zhì)量，在當前應(yīng)用進程之間交換控制信息，提供流量控制和擁塞控制服務(wù)。在RTP會話期間，各參與者周期性傳輸RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)的改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳輸網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。

如圖6-1所示，RTP根據(jù)應(yīng)用程序的要求將流媒體數(shù)據(jù)包封裝成RTP數(shù)據(jù)包并進行發(fā)送，在RTP會話期間，每個參與者周期性地向其他參與者發(fā)送RTCP控制包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量等統(tǒng)計資料，流媒體服務(wù)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，實驗和研究表明，RTP/RTCP協(xié)議符合流媒體實時傳輸?shù)囊?，因此，在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，首選RTP/RTCP協(xié)議。應(yīng)用程序RTP/RTCPUDPTCPIPv4/IPv6局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)

（3）實時流協(xié)議。RTSP是由RealNetworks和Netscape公同提出的，該協(xié)議定義了一對多應(yīng)用程序如何有效地通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)，同時提供用于音頻和視頻流的停止、快進、快退和定位等功能。同時RTSP又是一個應(yīng)用層協(xié)議，用來與RTP等更低層的協(xié)議一起，提供基于Internet的整套流化服務(wù)，目前支持RTSP的RFC為2326.

如圖6-2所示，RTSP位于RTP和RTCP之上，一般來說，RTSP使用TCP完成控制信息的傳輸，很多情況下還可以用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對外開放的標準訪問接口。6.6云臺控制協(xié)議

視頻服務(wù)器可以通過云臺控制協(xié)議對攝像機進行云臺和鏡頭的控制，如圖6-3所示。部署云臺時，需要根據(jù)實際情況添加控制解碼器，用來實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，不同廠家生產(chǎn)的控制解碼器與主機的通信協(xié)議、編碼方式一般都不同，所以控制解碼器一般與云臺主機同一品牌。目前，控制協(xié)議主要有RV800科立解碼器通信協(xié)議、TOTA120TOTA解碼器通信協(xié)議、S1601三樂協(xié)議、CLT-168保千里協(xié)議、TD-500保千里高速球通信協(xié)議、銀信V1200解碼器、ANT中暉協(xié)議、CBC高速球通信協(xié)議、松下CS850A高速球通信協(xié)議、CONCORD2000b、維多B01及美國concord智能快球通信協(xié)議、HD600CCVE閉路監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議、SAMSUNG641-643高速球通信協(xié)議、YAAN高速球控制協(xié)議、PIH717解碼器通信協(xié)議、MG-CS160明景B01通信協(xié)議、WISDOM解碼器通信協(xié)議、PELCOD1D通信協(xié)議、PELCOP1P通信協(xié)議、Philips高速球通信協(xié)議以及NEOCOM耐康姆協(xié)議等。6.7芯片技術(shù)與壓縮板卡

視頻監(jiān)控中用到的芯片主要包括攝像機中捕捉圖像信息并進行光電轉(zhuǎn)換的芯片，還有用于數(shù)字視頻錄像機、視頻服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像機中進行視頻壓縮的芯片，視頻壓縮芯片的處理方式分為兩種：一是基于專用處理芯片的硬件處理方式；二是基于DSP的實時軟件處理方式。由于ASIC和DSP都能獨立承擔數(shù)字視頻的壓縮工作不需要PC的參與，因此被稱為硬壓縮技術(shù)。硬壓縮芯片的發(fā)展有三個推動因素：首先是視頻編解碼算法得到重大的發(fā)展，在取得高壓縮比的同時又能保持良好的圖像質(zhì)量；第二是集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，IC集成度的提高使得視頻編解碼的芯片化得以實現(xiàn)，而且先進的設(shè)計方法使設(shè)計周期越來越短；第三是視頻壓縮標準的制定提供了統(tǒng)一的通信平臺，導(dǎo)致了大量的應(yīng)用和市場的出現(xiàn)，

DSP是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式，如6-4所示。

DSP主要應(yīng)用于通信的熱門產(chǎn)品中。隨著視頻編解碼算法的演進，集成電路技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片在編解碼平臺中得到了充分的利用。DSP芯片以DSP為核心并集成視頻單元和豐富的外圍接口，通過軟件編程來實現(xiàn)視頻解碼且能擴展特色化功能。DSP由于采用軟件編程，能夠獲得更大的靈活性和更強的高性能，DSP具有體積小、低功耗、高性能等特性，非常適合運算較大的應(yīng)用，因此在多種數(shù)字視頻編解碼標準存在的今天占據(jù)了安防市場的核心平臺地位，但是同時DSP有著開發(fā)難度大的缺點。采用DSP技術(shù)的壓縮板卡包括TiDM642、TMS320C6205/6206、PhilipsTrimedia130x、PNX150x、ADIBlackfin532和EquatorBSP15等，圖6-5顯示采用了DSP技術(shù)的壓縮板卡典型方案。高性能的DSP處理器能靈活地配置視頻編/解碼器，動態(tài)設(shè)置分辨率、幀率、碼率、圖像質(zhì)量等，可以雙碼流輸出，達到本地存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸分別處理的功能。早期的編解碼芯片以ASIC芯片為主，ASIC芯片集成一些外圍接口，通過硬件實現(xiàn)視頻編解碼，采用ASIC芯片的平臺結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)出的產(chǎn)品功能較為單一且具有同質(zhì)性，整體視頻質(zhì)量有待提高。在芯片技術(shù)上，視頻監(jiān)控前端使用的ASIC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)專門針對音頻及視頻應(yīng)用設(shè)計，在多媒體音視頻處理方面具有速度快、成本低、功耗低、易于產(chǎn)品設(shè)計、方便使用等特點，但由于很多功能以及算法都固化在芯片上，不夠