网络摄像机原理及发展

徐强

（四川长虹电子系统有限公司 四川省绵阳市 621000）

1 网络摄像机的特点

常见的网络摄像机的信号处理流程如图1所示。

信号处理流程为：经过镜头成像后的光信号经过CCD/CMOS转化成电信号后，进入到主芯片内部进行ISP(光信号处理)和数字信号处理，然后按照MPEG-4/H.264 进行编码压缩后，输出到PHY芯片封装成网络图像码流信号,最终通过网络接口RJ45 输出。对于部分网络摄像机，可能还同时具有本地CVBS 信号，这就需要在DSP 的后面再增加一个CVBS 信号的编码芯片。

随着DSP 技术的发展，很多原本只能在摄像机后端完成的智能分析的功能也逐步集成到摄像机的内部。

网络摄像机有如下优点：

1.1 高清晰度

由于CCD/CMOS 光电转换后的信号直接进行数字信号处理，与模拟摄像机相比，省去了中间的A/D 转换过程，这在一定程度上保留了更多的图像细节，也省去了模拟信号需要接网络视频服务器时的A/D。

对于一般的模拟摄像机的清晰度，也就再450 线左右，对于比较特殊的模拟摄像机，比如超锐类型，可以达到600 线左右，而对于720P的网络摄像机，由图2和图3所示，清晰度已经超过了800线，如果测试卡允许的话，估计可以达到1000 线以上。清晰度的提升，直接带来的就是更多的局部细节的表现。

1.2 更经济更省钱

由于网络摄像机相当于一个WEB 服务器，可以直接与Internet连接，所以省去视频服务器/硬盘录像机以及价格相对双绞线更昂贵的同轴线缆的费用，而且布线简单快捷，施工及后续的管理工作更方便快捷。如果采用Wi-Fi、3G 无线传输的话，那更是省去了大量的人工和物料成本。

另外，由于网络摄像机输出的信号一般为720P 以上的信号，视角范围比普通的模拟摄像机更大，这在单位面积上监控点的密度能够有效的降低。

1.3 方便后端功能的开发

由于图像后端的智能分析都是数字信号，因此对于网络摄像机这种基于像素点的数字信号，将更有利于后端进行各种图像智能分析。

2 网络摄像机的基本原理

图2所示的是一款简单的网络摄像机（枪机）的组成图，在其基础上还可以进行功能的扩展，如红外、无线、云台等等。

网络摄像机的基本原理是：图像信号经过镜头输入，声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器及声音传感器转化为电信号，即由A/D 转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩，在控制器的控制下，由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或Internet 网，控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号，且按要求发出控制信号。

图1：网络摄像机的信号处理流程

图2：网络摄像机

图3：基本的网络摄像机的体系结构

网络摄像机的基本结构大多都是由镜头、滤光器、图像传感器、声音传感器、A/D 转换器、图像及声音编码器和一个具有网络连接功能的服务器所组成。下面将大概介绍各个组成部分的功能。

3 网络摄像机技术的发展

由于技术发展的限制，目前市场上主流的网络摄像机是720P（1280×720）的。高清网络摄像机方案提供商主要有MAXIM、TI、海思、ADI 等，虹微的Apollo-pro 芯片也能支持720P 输出；另外对于1080P高清网络摄像机的方案商有MAXIM、安霸、升迈等，但由于技术及价格的限制，1080P 的摄像机的普及尚需时日。因此，这里主要介绍720P 的方案。

3.1 硬件平台

MAXIM、TI、海思三种方案采用了基本类似的网络摄像机体系架构：以视频采集及处理引擎作为核心，根据具体实现功能，再进行接口电路扩展硬件平台。

MAXIM 及华为海思均采用硬件ASIC 图像编解码，同时采用嵌入式ARM 处理器进行管理调度；

表1：MAXIM、海思、TI 的编码、压缩方式比较

TI 则采用了其所擅长的DSP 芯片技术。DSP 芯片技术灵活性好，易于修改等优点，特别适合大公司在全面掌握芯片技术后，根据市场需求进行深入二次开发，；但是掌握其技术并推出适当产品所需要的人力物力及时间均较长，比如像海康威视这种有多年DSP开发经验和庞大技术开发团队的公司；同DSP 技术相比，硬件编解码技术具有稳定性好，平均处理时延短，开发投入成本低等优点，特别适合中小公司采用。

3.2 软件平台

MAXIM 及华为海思均采用Linux 系统；TI 采用其专用的系统及开发工具。

3.3 编码格式及性能

TI 公司的参考方案无法支持H.264 编码；

- MAXIM 及华为海思方案大致相同，但MAXIM 提供更高级别的H.264 压缩编码方式（HD H.264 L4.1），使MAXIM 方案在压缩速度及效率方面更有优势。

三种方案的编码、压缩方式比较如表1所示。

图3为三个厂家解决方案的大致体系架构。

各部分功能介绍如下：

3.3.1 Sensor Board

Sensor Board 主要是镜头成像后的图像光电转化为电信号以及通过拾音器将声音转为电信号后，输出给DSP Board。印制板为4层结构。

3.3.2 I/O Board

I/O Borad 主要提供摄像机的对外接口，包括电源输入接口、CVBS 信号输出接口、自动光圈控制接口、自动红外滤光控制、RS485 控制、PoE 供电以及局域网的一些驱动接口。印制板为2 层板结构。

3.3.3 DSP Board

DSP Board 是摄像机系统的核心组成，主要负责信号处理，包含主芯片、DDR、Flash、PHY 芯片、音视频编解码芯片、实时时钟控制芯片，并提供网络接口RJ45、CVBS 输出RCA 接口、USB/Mini-USB 接口、debug 接口、SD 卡接口。印制板为8 层板结构。

对于任何一款会大规模应用的电子产品而言，成本永远都是最为敏感的因素。高清网络摄像机的成本除主芯片方案的成本以外，主要还会和产品实现功能多少、生产数量有关，并且，在一台高清网络摄像机中，主芯片成本并不占主要，比如，高清网络摄像机中所用的CMOS 传感器价格就可能比主芯片方案价格要高，这和液晶电视方案中主芯片成本占据主板成本1/3 以上的情况是截然不同的。

表2：某方案网络摄像机的BOM 成本

表2是某个方案的大概BOM 成本：

目前720P 的网络摄像机的出厂成本基本控制在500 块人民币以内，终端用户的价格基本在2000 千块左右，扣除中间环节的费用，制造企业基本还能有200～400 的净利润。但随着市场竞争的加剧，特别是海思Hi3512 这类中低端方案的厮杀，网络摄像机的开发和制造正逐步像山寨手机一样的山寨怪圈，生产企业的产品盈利能力正迅速的降低。

为增强网络摄像机的市场盈利能力，众多厂家分分开始支持1080P 输出网络摄像机的开发，这其中也包括海思。相信在海思的1080P 芯片大量涌入市场前，有开发能力的厂家尚可凭借自身的技术能力占据一定的市场份额，并获得较高的利润空间；待海思1080P 的芯片进入市场后，也许摄像机行业的洗牌就正式拉开了帏幕，众多没核心技术、市场渠道的中小公司将出局。

虽然网络摄像机在2000年的时候就已经有零星的产品上市，但一直没有量产，主要是我国受网络带宽的影响，以及网络摄像机自身的性能和价格方面的影响不过现在随着光纤网络、特辊是3G网络的覆盖，DSP 技术的越来越成熟，现在网络摄像机越来越适用了。