网络摄像机(IPC)

智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子第七章网络摄像机机（IPC）技术7.1IPC产品介绍2057.1.1IPC的定义2057.1.2IPC的主要功能2077.1.3IPC的分类2077.1.4IPC的优势2087.1.5IPC的常用术语介绍2117.2IPC组成及工作原理2127.2.1IPC的硬件构成2127.2.2IPC的软件构成2157.2.3IPC的工作原理2167.3IPC数据的网络传输2177.3.1网络传输协议介绍217智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子第七章网络摄像机机（IPC）技术7.3.2视音频流的传输2197.3.3控制信号的传输2197.4IPC的核心技术2197.4.1光学成像技术2207.4.2视频编码算法2207.4.3编码压缩芯片2217.4.4视频分析技术2217.5IPC的亮点功能2227.5.1IPC的3G功能2227.5.2PoE技术2237.5.3本地缓存功能2247.5.4DDNS支持2257.5.5IPC的安全通信225智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子第七章网络摄像机机（IPC）技术7.5.6报警改变帧率技术2267.5.7IPC的多码流技术2277.5.8视频质量控制Qos2287.5.9视频移动探测2297.6IPC的选型要点2297.6.1IPC的主要参数2297.6.2图像质量2297.6.3网络适应性2307.6.4编码压缩算法2307.6.5系统安装与升级230智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子第七章网络摄像机机（IPC）技术7.6.6产品许可授权方式2317.6.7二次开发与集成2317.6.8厂商产品线考察2317.7IPC的应用设计2327.7.1需求分析2327.7.2系统架构2337.7.3带宽与存储设计2347.7.4系统主要功能234智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.1.1IPC的定义网络摄像机，也叫IP摄像机，即IPCamera，简称IPC，近几年得益于网络带宽、芯片技术、算法技术、存储技术的进步而得到大力发展。IPC的特点主要体现在“IP”上，即支持网络协议的摄像机，IPC可以看成是“模拟摄像机+视频编码器”的结合体，从图像质量指标讲，又可实现高于“模拟摄像机+视频编码器”能达到的效果。IPC是新一代网络视频监控系统中的核心硬件设备，通常采用嵌入式架构，集成了视频音频采集、信号处理、编码压缩、智能分析、缓冲存储及网络传输等多种功能，再结合录像系统及管理平台，就可以构建成大规模、分布式的智能网络视频监控系统。智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子图7.1IPC应用示意图7.1.1IPC的定义智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.1.2IPC的主要功能视频编码：采集并编码压缩视频信号音频功能：采集并编码压缩音频信号网络功能：编码压缩的视音频信号通过网络进行传输云台、镜头控制功能：通过网络控制云台、镜头的各种动作缓存功能：可以把压缩的视音频数据临时存储在本地的存储介质报警输入输出：能接受、处理报警输入/输出信号，即具备报警联动功能移动检测报警：检测场景内移动并产生报警视频分析：自动对视频场景进行分析，比对预设原则并触发报警视觉参数调节：饱和度、对比度、色度、亮度等视觉参数的调整编码参数调节：帧率、分辨率、码流等编码参数可以调整系统集成：可以与视频管理平台集成，实现大规模系统监控智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.1.4IPC的优势智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子在模拟摄像机中，CCD传感器所产生的模拟信号首先经过模/数（A/D）转换器转换为数字信号，然后由摄像机内置的DSP芯片进行信号处理，如增益、降噪、背光补偿等处理。经过DSP处理后的数字信号又经过数/模（D/A）转换重新转化为模拟信号，用于在同轴电缆上进行传输，然后传输至DVR或DVS后再次进行模/数（A/D）转换来完成编码压缩工作，这样多次模/数、数/模转换过程牺牲了大量图像质量。7.1.4IPC的优势智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子分辨率图象分辨率是度量数码图像清晰程度的一种方法：分辨率越高，图像清晰程度就越高。分辨率可以通过纵向（宽度）像素数×横向（高度）像素数来表达，如320×240。CIFCIF即通用中间格式。在PAL制式下，CIF是352×288像素，在NTSC制式下CIF是352×240像素的视频分辨率。帧率帧率(FPS)用于描述视频流更新的频率，用帧/秒表示，当帧率达到每秒钟25帧以上(PAL)人眼认为视频是实时的。HTTPHTTP即超文本传输协议，为网站上运行的文件（文本，图形，声音，视频和其它多媒体文件）设定规则，HTTP协议在TCP/IP协议组的上端运行。7.1.5IPC的常用术语智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.2.1IPC的硬件构成智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.2.1IPC的硬件构成IPC的硬件构成一般包括镜头、图像传感器、声音传感器、信号处理器、模/数转换器、编码芯片、主控芯片、网络及控制接口等部分组成。光线通过镜头进入传感器，然后转换成数字信号由内置的信号处理器进行预处理，处理后的数字信号由编码压缩芯片进行编码压缩，最后通过网络接口发送到网络上进行传输。IPC的硬件构成如图7.7所示。从上图可以看出，独立芯片+CPU（主控芯片系统）的架构中，编码压缩工作与系统主控工作分别在两个独立芯片上完成；而在SOC的架构中，系统的SOC除了要做视频的编码压缩工作外，还需要处理系统数据及网络传输。智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子CCD及CMOS智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.2.2IPC的软件构成图7.8IPC软件构成示意图智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子IPC的软件构成一般包括操作系统、应用软件、编码算法、底层驱动等几部分，IPC的稳定性非常重要，通常采用嵌入式Linux操作系统，其具有低成本、开放源码、高安全性及移植性好等优点，是目前IPC的主流OS。在视频编码算法上，MPEG-4是目前的主流，但是H.264是未来的方向，H.264相对于MPEG-4算法能够节约一半左右的码流，但是其算法复杂度也大大提高，因此需要更强的芯片处理能力支持。通常，出于可靠性及灵活性考虑，IPC的软件采用分层的架构。如图7.8所示，其自下而上分为四层，分别是设备驱动层、操作系统层、媒体层（多媒体库和网络协议栈）及应用层。7.2.2IPC的软件构成智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.3.1网络传输协议图7.9主要网络协议构成示意图智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.3.1网络传输协议在网络视频监控系统应用中，主要有两种数据需要传输，一种是视音频流的传输，即“数据通道”，一种是控制信息的传输，即“信令通道”。其中视音频流的特点是数据信息量大，占用绝对的带宽资源，实时性要求高，但是少量的信息丢包是可以接受的；而控制信息的特点是信息量比较少，但是传输要求绝对高质量、高可靠，不允许丢包。智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.3.2视音频流数据传输图7.10IPC的数据通道及信令通道示意图智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子视音频流传输过程中，视音频流首先以RTP协议进行封装,再用UDP协议对RTP数据包进行封装,最后由IP网络层封装为IP数据包,发送到网络上进行传输。RTP本身不提供可靠的传送机制以及流量控制或拥塞控制,它依靠RTCP提供这些服务。在RTP会话期间,各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料。基于RTCP的反馈机制,发送端可以评估网络状态和接收端情况，及时利用这些信息动态改变传输速率甚至有效载荷（Playload）类型，以尽可能地解决网络实时数据传输中出现的不可预测的延迟、抖动等问题。基于发送端的码率控制主要有改变编码量化参数、丢帧和帧率控制三种方法。7.3.2视音频流数据传输智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.4.2码流帧率与分辨率图7.11不同压缩方式效率对比示意图智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子在本书DVS章节，已经介绍过PoE技术，PoE技术在IPC上比DVS上更加适用。PoE（PowerOverEthernet），指的是通过以太网为网络设备提供电力的技术，PoE技术遵循于IEEE802.3af标准，在不降低网络数据通讯性能的基础上对网络设备进行供电，是IT行业的一个成熟标准。将PoE技术引入到IPC系统应用中，可以解决IPC单独供电的施工及线缆敷设成本，并便于管理。此外，还可以与UPS系统配合使用，提高系统电源的稳定性和可靠性。IEEE802.3af标准规定的受电设备的功率在12.95瓦以下，基本可以满足各普通固定类IPC的供电需求，而对于PTZ式IPC或快球式IPC，由于功率稍高因此可能仍然需要另外单独供电。现在，大多数厂商提供的网络交换机都支持PoE功能。如果已经装了相应的普通交换机设备，需通过给交换机增加中跨（Midspan）以实现PoE的功能支持，其中，中跨的主要作用是给网线加载电源。7.5.2POE技术智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子闭路电视监控系统中，系统采用点对点连接，系统中没有任何加密或认证机制，如果想截获或者破坏视频信号，仅仅需要物理连接到这个闭路系统中，采用搭线的方式或切换视频源的方式对视频信号进行截获或破坏。对于网络视频监控系统，数据包直接在开放的网络环境中传输，因此，视频数据及控制数据在中途遭到截取是个风险，但是，由于其采用数字化网络化架构，因此可以实现多种安全保护机制。IPC的数据安全保护通常有三种方式，IP过滤方式、用户名及密码方式、数据加密方式。在访问网络摄像机时，一般可以提供多级用户管理机制和IP过滤机制，不同级别的用户(IP地址)有不同的访问权限，这种机制满足了分布式网络监控系统的安全高效管理要求。7.5.5安全通信技术智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子本书之前介绍过DVR、DVS的多码流技术，同样，IPC的“多码流”技术也意义重大。多码流技术指对于同一个视频源，IPC能够产生并传输多个不同帧率、分辨率或图像质量的码流，以满足不同的用户的需求，实现本地存储、远程观看及移动终端用户观看等各种需求。需要注意的是这些码流可能采用不同的编码压缩方式，并且相互之间应该是完全独立的，由IPC直接生成而无需辅助手段。IPC的多码流技术原理如图7.17所示。7.5.7IPC的多码流技术智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子7.5.7IPC的多码流技术智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子视频图像质量是摄像机的灵魂，是视频监控系统最重要的指标，没有好的图像质量，任何其他丰富的功能都失去意义。在光学器件方面，成像质量与镜头和传感器密切相关；而不同于模拟摄像机，IPC不仅仅由光学器件构成，还有其他“软因素”，即视频编码压缩算法，同样的光学成像系统下不同的编码压缩算法，得到的图像质量也会有差别。在编码压缩算法方面，主要考核的是“在相同码流下图像能够达到的清晰度、流畅度，或者达到一定的清晰度、流畅度时IPC需要消耗的带宽资源”。另外，IPC的灵敏度、色彩还原能力、图像延时等参数都是图像质量要考核的方面。7.6.2IPC的选型-图像质量智能高清视频监控原理精解与最佳实践课件制作人：西刹子目前IPC的编码压缩方式主要是MJPEG、MPEG-4及日益流行的H.264压缩方式，但是在这些大的编码条框下，不同厂家的优化细