網絡攝像機原理及發展

徐強

（四川長虹電子系統有限公司 四川省綿陽市 621000）

1 網絡攝像機的特點

常見的網絡攝像機的信號處理流程如圖1所示。

信號處理流程為：經過鏡頭成像后的光信號經過CCD/CMOS轉化成電信號后，進入到主芯片內部進行ISP(光信號處理)和數字信號處理，然后按照MPEG-4/H.264 進行編碼壓縮后，輸出到PHY芯片封裝成網絡圖像碼流信號,最終通過網絡接口RJ45 輸出。對于部分網絡攝像機，可能還同時具有本地CVBS 信號，這就需要在DSP 的后面再增加一個CVBS 信號的編碼芯片。

隨著DSP 技術的發展，很多原本只能在攝像機后端完成的智能分析的功能也逐步集成到攝像機的內部。

網絡攝像機有如下優點：

1.1 高清晰度

由于CCD/CMOS 光電轉換后的信號直接進行數字信號處理，與模擬攝像機相比，省去了中間的A/D 轉換過程，這在一定程度上保留了更多的圖像細節，也省去了模擬信號需要接網絡視頻服務器時的A/D。

對于一般的模擬攝像機的清晰度，也就再450 線左右，對于比較特殊的模擬攝像機，比如超銳類型，可以達到600 線左右，而對于720P的網絡攝像機，由圖2和圖3所示，清晰度已經超過了800線，如果測試卡允許的話，估計可以達到1000 線以上。清晰度的提升，直接帶來的就是更多的局部細節的表現。

1.2 更經濟更省錢

由于網絡攝像機相當于一個WEB 服務器，可以直接與Internet連接，所以省去視頻服務器/硬盤錄像機以及價格相對雙絞線更昂貴的同軸線纜的費用，而且布線簡單快捷，施工及后續的管理工作更方便快捷。如果采用Wi-Fi、3G 無線傳輸的話，那更是省去了大量的人工和物料成本。

另外，由于網絡攝像機輸出的信號一般為720P 以上的信號，視角范圍比普通的模擬攝像機更大，這在單位面積上監控點的密度能夠有效的降低。

1.3 方便后端功能的開發

由于圖像后端的智能分析都是數字信號，因此對于網絡攝像機這種基于像素點的數字信號，將更有利于后端進行各種圖像智能分析。

2 網絡攝像機的基本原理

圖2所示的是一款簡單的網絡攝像機（槍機）的組成圖，在其基礎上還可以進行功能的擴展，如紅外、無線、云臺等等。

網絡攝像機的基本原理是：圖像信號經過鏡頭輸入，聲音信號經過麥克風輸入后，由圖像傳感器及聲音傳感器轉化為電信號，即由A/D 轉換器將模擬電信號轉換為數字電信號，再經過編碼器按一定的編碼標準進行編碼壓縮，在控制器的控制下，由網絡服務器按一定的網絡協議送上局域網或Internet 網，控制器還可以接收報警信號及向外發送報警信號，且按要求發出控制信號。

圖1：網絡攝像機的信號處理流程

圖2：網絡攝像機

圖3：基本的網絡攝像機的體系結構

網絡攝像機的基本結構大多都是由鏡頭、濾光器、圖像傳感器、聲音傳感器、A/D 轉換器、圖像及聲音編碼器和一個具有網絡連接功能的服務器所組成。下面將大概介紹各個組成部分的功能。

3 網絡攝像機技術的發展

由于技術發展的限制，目前市場上主流的網絡攝像機是720P（1280×720）的。高清網絡攝像機方案提供商主要有MAXIM、TI、海思、ADI 等，虹微的Apollo-pro 芯片也能支持720P 輸出；另外對于1080P高清網絡攝像機的方案商有MAXIM、安霸、升邁等，但由于技術及價格的限制，1080P 的攝像機的普及尚需時日。因此，這里主要介紹720P 的方案。

3.1 硬件平臺

MAXIM、TI、海思三種方案采用了基本類似的網絡攝像機體系架構：以視頻采集及處理引擎作為核心，根據具體實現功能，再進行接口電路擴展硬件平臺。

MAXIM 及華為海思均采用硬件ASIC 圖像編解碼，同時采用嵌入式ARM 處理器進行管理調度；

表1：MAXIM、海思、TI 的編碼、壓縮方式比較

TI 則采用了其所擅長的DSP 芯片技術。DSP 芯片技術靈活性好，易于修改等優點，特別適合大公司在全面掌握芯片技術后，根據市場需求進行深入二次開發，；但是掌握其技術并推出適當產品所需要的人力物力及時間均較長，比如像海康威視這種有多年DSP開發經驗和龐大技術開發團隊的公司；同DSP 技術相比，硬件編解碼技術具有穩定性好，平均處理時延短，開發投入成本低等優點，特別適合中小公司采用。

3.2 軟件平臺

MAXIM 及華為海思均采用Linux 系統；TI 采用其專用的系統及開發工具。

3.3 編碼格式及性能

TI 公司的參考方案無法支持H.264 編碼；

- MAXIM 及華為海思方案大致相同，但MAXIM 提供更高級別的H.264 壓縮編碼方式（HD H.264 L4.1），使MAXIM 方案在壓縮速度及效率方面更有優勢。

三種方案的編碼、壓縮方式比較如表1所示。

圖3為三個廠家解決方案的大致體系架構。

各部分功能介紹如下：

3.3.1 Sensor Board

Sensor Board 主要是鏡頭成像后的圖像光電轉化為電信號以及通過拾音器將聲音轉為電信號后，輸出給DSP Board。印制板為4層結構。

3.3.2 I/O Board

I/O Borad 主要提供攝像機的對外接口，包括電源輸入接口、CVBS 信號輸出接口、自動光圈控制接口、自動紅外濾光控制、RS485 控制、PoE 供電以及局域網的一些驅動接口。印制板為2 層板結構。

3.3.3 DSP Board

DSP Board 是攝像機系統的核心組成，主要負責信號處理，包含主芯片、DDR、Flash、PHY 芯片、音視頻編解碼芯片、實時時鐘控制芯片，并提供網絡接口RJ45、CVBS 輸出RCA 接口、USB/Mini-USB 接口、debug 接口、SD 卡接口。印制板為8 層板結構。

對于任何一款會大規模應用的電子產品而言，成本永遠都是最為敏感的因素。高清網絡攝像機的成本除主芯片方案的成本以外，主要還會和產品實現功能多少、生產數量有關，并且，在一臺高清網絡攝像機中，主芯片成本并不占主要，比如，高清網絡攝像機中所用的CMOS 傳感器價格就可能比主芯片方案價格要高，這和液晶電視方案中主芯片成本占據主板成本1/3 以上的情況是截然不同的。

表2：某方案網絡攝像機的BOM 成本

表2是某個方案的大概BOM 成本：

目前720P 的網絡攝像機的出廠成本基本控制在500 塊人民幣以內，終端用戶的價格基本在2000 千塊左右，扣除中間環節的費用，制造企業基本還能有200～400 的凈利潤。但隨著市場競爭的加劇，特別是海思Hi3512 這類中低端方案的廝殺，網絡攝像機的開發和制造正逐步像山寨手機一樣的山寨怪圈，生產企業的產品盈利能力正迅速的降低。

為增強網絡攝像機的市場盈利能力，眾多廠家分分開始支持1080P 輸出網絡攝像機的開發，這其中也包括海思。相信在海思的1080P 芯片大量涌入市場前，有開發能力的廠家尚可憑借自身的技術能力占據一定的市場份額，并獲得較高的利潤空間；待海思1080P 的芯片進入市場后，也許攝像機行業的洗牌就正式拉開了幃幕，眾多沒核心技術、市場渠道的中小公司將出局。

雖然網絡攝像機在2000年的時候就已經有零星的產品上市，但一直沒有量產，主要是我國受網絡帶寬的影響，以及網絡攝像機自身的性能和價格方面的影響不過現在隨著光纖網絡、特輥是3G網絡的覆蓋，DSP 技術的越來越成熟，現在網絡攝像機越來越適用了。