文/田振华

三大高清网络摄像机新技术探讨

文/田振华

安防行业是一个朝阳行业，视频监控行业作为安防行业的一个重要分支，伴随着多媒体技术、编解码技术、网络技术等IT技术的发展而成熟起来。近年来安防业界关于高清的谈论甚多，现如今高清已不仅仅是趋势，而是实实在在地来到了我们身边。本文主要从新技术与发展趋势两个方面探讨高清网络摄像机。

高清网络摄像机的新技术

过去几年，随着高清网络摄像机逐步发展，积累了很多关键技术，主要包括：图像传感器技术、镜头技术、图像信号处理技术、视音频编解码技术、DSP开发技术及红外技术。

最近几年，随着高清市场的推广和高清网络摄像机应用的增多，具备一定研发实力的设备厂商研发了一些新的技术，主要包括图像技术和网络技术，图像技术有实时视频透雾技术，网络技术主要包括通讯协议技术和码流传输技术。

实时视频透雾技术

空气中的液滴和固体小颗粒不仅危害人体健康，引起雾霾而导致交通事故多发，同时也使户外监控视频质量明显降低。在雾霾天气下，图像显得色彩黯淡、对比度低，一些重要目标的细节淹没在雾气中难以观察，视频监控系统的实用性受到很大影响。去除视频中的雾气，改善图像质量成为越来越重要的提升户外视频监控系统应用价值的一项关键技术。

目前已知的透雾算法大致可以分为两大类∶ 一种是非模型的图像增强方法，通过增强图像的对比度，满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的；另一种是基于模型的图像复原方法，它考查图像退化的原因，将退化过程进行建模，采用逆向处理，以最终解决图像的复原问题。

安防产品会被应用于各种复杂场景、恶劣天气，全天候实时监控对产品的便携性与功耗、处理效果、处理的自适应性等方面都提出了较为苛刻的要求。良好的视频透雾技术应当在大气透射模型的基础上融合图像增强与图像复原的技术优势，从而能够获得较为理想的图像效果并被实际工程化引用。

在充分分析透雾理论的优势与不足，并进行了深入的研究探索后，杭州海康威视数字技术股份有限公司结合安防监控领域的视频图像透雾的特殊要求，开发了一种实时视频透雾技术。该技术基于大气光学原理，区分图像不同区域景深与雾浓度进行滤波处理，可获得准确、自然的透雾图像。

该实时视频透雾技术能够根据雾况的变化自动调整从而适应各种场景应用，避免出现近景透雾过度发黑而远景模糊的效果；同时兼顾了实现的效率与复杂度，保证了整个透雾的实时性与可工程化。同时，这项实时视频透雾技术不但可以有效去除雾气带来的影响，而且能够避免对某些场景的过渡处理导致的色彩误差，以及雾气过度去除带来的不真实感。

实时视频透雾技术能够从多个角度提升视频监控的质量。它是一种透雾技术，可以用于气溶胶导致的各种天气条件的透雾处理；它还是一种增强算法，能够明显提升图像的对比度、使图像变通透、清晰；能够显著增强图像的细节信息，使原来被隐藏的图像细节被充分展示；能够提升图像的饱和度，使图像色彩鲜艳活泼、生动，透雾处理后的图像保持准确的色调、自然的外观，因而获得良好的图像质量与视觉感受。

实时视频透雾功能在部分高清网络摄像机上初步实现，实际采集的透雾处理效果见图1与图2。其为一幅图像的两侧，左侧为透雾后的图像，右侧为未进行透雾的原始图像。可以明显看出，左侧图像在细节、通透性、色彩等各方面均有显著提高。前，客户端软件和设备进行交互的方式主要有网络通讯协议、SDK、CGI、 PSIA和ONVIF等。

图1 实时视频透雾图像与原始图像的对比

网络通讯协议

网络通讯协议是基于TCP/IP定义的一套通讯标准，包括各个厂家自己定义的结构体，报文的头和报文内容格式等等。它是基于码制和文本的，交互简单，数据量小。当第三方软件厂商集成的时候，相对于SDK，开发的自由度更大，但是难度也很大。如图3所示。

图2 实时视频透雾图像与原始图像的对比

通讯协议技术

与模拟视频监控封闭的系统不同，对于网络摄像机来说，日常的设备管理，远程配置，云台操作，报警处理等工作都必须通过客户端软件来进行，因此网络协议和SDK是很重要的一个方面。目

图3 控制命令交互的主要方式

SDK(Windows或者Linux)

SDK 是基于网络通讯协议封装的一层接口，比如Windows 版本的SDK中，API被封装在.dll文件中；在Linux版本的SDK中，API被封装在.so文件中。当第三方软件厂商集成的时候，直接调用封装好的API，不用去管通讯的细节，因此开发相对简单。但是软件必须包含SDK中的封装文件，并且必须遵循SDK定义好的流程，自由度相对小一些。

CGI

CGI 是基于Web Service的。其工作原理如图4所示：

服务的消费者（客户端软件）和服务的提供者（硬件设备）之间，通过SOAP或者REST方式进行沟通。区别于传统的网络通讯协议和SDK码制和文本的通讯方式， 它的传输过程是基于HTTP协议的，传输的内容则是XML文件。

CGI有几大优势：基于标准的网络协议，命令格式统一，开发相对简单，开发平台和开发语言独立，不受操作系统限制，易穿越防火墙。因此受到了广泛的欢迎。

图4 Web Service的工作原理

标准协议(ONVIF和PSIA)

网络通讯协议、SDK和CGI都是各个厂家私有的，ONVIF和PSIA则是两个国际性的标准化组织定义的通用标准协议。他们也都是Web Service的架构，具有和CGI协议一样的优势。最理想的情况下，支持ONVIF或者PSIA的客户端软件可以直接和支持ONVIF或者PSIA协议的嵌入式设备沟通，把集成所需要的成本减到最低。

在具体的实施过程中，标准的推行存在一定的滞后性。由于每家支持ONVIF或PSIA的能力不同，产品集成的具体方法都会存在一些差异，并且由于支持ONVIF或PSIA的厂家提供的SDK接口比较简单，某些系统的功能没有被接入，现在大多数主流厂家在支持ONVIF或者PSIA协议的时候，都保留了自己的私有协议，以便保证集成的稳定性和完整性。但是，随着标准的逐渐成熟以及各个产品厂家对标准的全面支持，集成系统的标准与兼容性将大大的改观。

码流传输技术

高清视频信号的特点是大码流，这给网络传输带来了很大的压力。在视频监控中进行网络传输，重点关注以下几个方面的技术：

码流传输方式也分为私有的和标准的两种。如果需要用私有的SDK进行取流，使用的就是私有的基于码制与文本的码流传输协议。标准的码流传输采用RTSP+RTP的方式，可以用VLC、QuickTime等直接播放。其中RTSP（Real Time Streaming Protocol，默认端口是554）是握手协议，定义了报文长度等信息，可分为RTSP over TCP和RTSP over UDP 两种。 RTP（Real-time Transport Protocol）是传输码流协议，在码流数据上定义了相对时间戳等信息，可分为RTP over TCP，RTP over UDP ，RTP over RTSP和RTP over RTSP over HTTP等，不同的类别表示RTP通过不同的端口来传输不同的数据。 RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP（Real-time Transport Control Protocol）提供这些服务。 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，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。ONVIF和PSIA都是使用标准的码流传输方式。

在标准的码流传输方式下，其传输层的载体分TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）两种。TCP在建立之时采用三次握手，传输过程中通过超时重传策略、流量控制和重新排序等功能保证可靠传输，但是负载消耗大，效率低，可应用在要求保证数据完整性的场合。UDP则是面向数据报，不提供可靠性保证，但是负载消耗小，效率高，应用在不要求高可靠性，或者可靠性由上层协议负责的场合。RTP/RTCP的网络框架如图5所示。

另外，还有一个多播协议（Multicast），它是基于UDP实现。多播地址在IPv4中被叫做D类地址，它的范围从224.0.0.0到239.255.255.255。首先，服务器确定一个多播组，也就是多播地址。接着，客户端加入到这个多播组内。然后，服务器向多播组发送的数据就能够被加入多播组的成员接收。

图5 RTP/RTCP网络层次关系图

高清网络摄像机的发展趋势

高清

从分辨率来看，720p的分辨率是CIF分辨率的9倍、1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍，在同样的显示环境下，高清会清晰得多。从显示效果来看，高清既支持大屏显示，又支持16∶9宽屏显示，可以大大增强用户的观看体验。从流畅度来看，高清支持更高的帧率，比如720p和1080i/1080p都可以支持60帧/秒或60场/秒，其图像流畅度比标清要高一倍。虽然说现在已经实现高清，但是从显示效果上现有的高清无论是从分辨率、显示效果还是流畅度，都存在很多不足。

标准化

随着监控系统从模拟走向数字，从封闭式迈向网络化，基于开放的标准以达到设备、系统之间的互联互通之需求日益迫切。并且在网络时代，投身于开放标准的建设、为用户提供同时具备灵活性和可扩展性的安防系统，已经成为安防厂商角逐本土市场、实现全球化的不二选择。作为高清监控的重要产品，高清网络摄像机的标准化之路还很长。

红外

高清摄像机相对于普通摄像机感光芯片，相同尺寸上像素点成倍数增加，故造成感光点尺寸相应倍数的减少，所以相同曝光情况下，高清摄像机相对于普通像素摄像机低照度会差很多。这就意味着如果做高清摄像机夜晚红外补光需要的强度要比普通像素红外摄像机高的多。例如一个130万像素1/3"尺寸的高清CCD，相对于43万像素（480线数）1/3" 尺寸的普通CCD，单位面积上高清CCD的像素点是普通CCD的3倍，则高清CCD像素点感光性能则为普通CCD感光度的1/3，这就是高清摄像机夜晚效果差的根本原因。现在的做法是延长曝光时间，来弥补低照度性能不好的缺陷，但这样就造成图像易出现拖影现象。如果高清夜晚图像效果要好的话，只能增强外界灯光来补充此方面的不足。

针对于高清补光方面，高清摄像机红外补光对不同距离的监控有不同的方案配置。近距离选用角度广的LED灯板来补光，可实现广角监控且成本较低，中远距离由于需要的补光灯强度比较大，角度小，使用普通的LED很难达到所需的效果。故在中远距离选用具有方向性强，能量集中的激光红外灯来进行补光。

易用性

与传统模拟摄像机不同，高清网络摄像机涉及到IT的范畴，因此，网络摄像机与模拟摄像机在使用上有较大的区别，特别是对于操作者及使用人员都有较高的要求。对于国内大部分工程商、集成商及用户来说，他们对传统的CCTV系统非常熟悉，对网络摄像机尚在使用的初期阶段，所以网络摄像机在开发及设计上，要考虑到这些人的特性，在安装的便捷性和使用的易用性上要有充分的体现，例如支持PoE供电、本地视频输出，以及方便本地调试、支持无线功能等。

作者单位：杭州海康威视数字技术股份有限公司