网络摄像机近几年来发展速度非常快,在产品线上不断丰富,应用领域不断扩展。
从制造商来看,国外品牌主要sony、松下、安讯士,sony、松下有传统产品品牌优势,但是在网络摄像机投入比例并不大,而安讯士相对更专业一些。国内品牌早期以黄河数字为专业网络摄像机制造商代表,另外还有朗驰,天视通,天视达等,相对传统型或兼做模拟品牌而言,更专业。从传统转型的有海康、大华、天地伟业等。这些品牌重点还是在传统产品、网络摄像机产品推出也很快,但销量和款式相对少,很多情况需要订货,而且用期长。
目前网络摄像机已经在较多项目上得到了广泛的应用,例如,机场、高铁、银行等等。随着用户对网络摄像机需求的增大,国内网络摄像机市场在近几年发展速度也非常快。目前国内网络摄像机生产厂商多集中于深圳、北京、上海、杭州、天津、苏州等地,这些区域占据了国内大部分知名安防厂商。
虽然目前与国际品牌相比较,国内厂家的产品还存在着一定的差距,但是随着技术的发展,国内品牌的产品也会得到进一步的提升,同时也会得到广泛的推广和应用。作为网络视频监控系统中的核心设备,网络摄像机的应用和普及代表了网络视频监控发展的程度和阶段。毋庸质疑,网络摄像机正在逐步适应当前和未来的多样化需求,必将成为视频监控领域的主流产品。
一、网络摄像机的发展现状
(一)市场现状:高清网络摄像机市场应用需求明确
就网络摄像机市场来讲,目前在应用上依然是标清占据着主流,高清虽然在单个产品上已经实现,但是在整体系统应用上还没有广泛推广,主要原因一是已搭建的系统以标清为主,二是高清的成本相对比较高,但从市场趋势来讲,未来高清将逐渐占据主流,超越标清的市场占有率。
高清监控,并不是一个单一的安防产品,而是一套完整的解决方案。事实上,随着近年来监控技术的突飞猛进,针对高清,技术已不再是难题。目前国内已经有不少研发实力十分突出的监控前端、传输、存储厂商,相对来说,稍显棘手的是专业的整体解决方案供应商较少。如今,监控行业流行推广整体解决方案,其中核心便是推广各应用领域的高清解决方案,如智能交通或平安城市。龙头级企业如海康威视、大华纷纷拓展产品线,加大解决方案方面的研发与投入;一线监控厂商也几乎都在高清解决方案方面大做文章,力求在高清市场上占有一席之地。
网络摄像机有标清网络摄像机和高清网络摄像机,大部分的标清网络摄像机就是在传统的模拟摄像机基础上增加了IP模块,主要是满足那些对画质要求不是特别的高,却又能够实现远程集中监控同时还可以方便施工安装调试。在目前高清产品价格相对较高的情况下,标清网络摄像机的市场需求还是占据了相当一部分份额,像基于计算机局域网用于区域监控的场所,如居民小区、办公楼、店面、商场、连锁店等传统的监控目前主要是以标清网络摄像机为主;部分通过因特网用于跨区域远程监控也使用到了标清网络摄像机,例如:一般远程儿童及老人看护、无人值守机房监控、网吧监控等等。
(二)技术现状:高清网络摄像机技术应用逐渐深入
网络摄像机又称IP摄像机,顾名思义,这类摄像机可以将影像通过网络传至另一端,且远端的浏览者只需用网络浏览器即可监视其影像。这是一种传统摄像机与网络技术相结合所产生的新一代摄像机。
但并不是能够连上互联网的就是网络摄像机。网络摄像机可分为两类,一类是前端以CCTV模拟摄像机为基础,加上视频处理和网络传输模块组合而成的模数混合型网络摄像机;第二类是纯数字网络摄像机。二者根本的区别是,前者本质上仍是模拟摄像机,其实现机制是A/D-D/A-A/D,历经两次模数转换,最终形成网络信号,最高画质不能超过D1。后者的实现机制是从A/D模拟信号直接到网络信号,从而大大提高转换效率,进而极大地提高了画质,由于画质的改善减少了雪花噪点,所以尽管像素高,但占用的码流反而不大,其网络适用性更佳。正因为纯数字网络摄像机的优越性,使得模拟网络摄像机将在市场上逐步被淘汰。
1.高清晰成最基本诉求
在模拟监控时代,用户对模糊的、布满雪花噪点的画面早已是叫苦不迭却又无计可施,因为当时市面上最好的摄像机也只能做到D1,像素在理论上最多也只有40多万。而在非安防领域,则是铺天盖地的数码相机、摄像机、电脑摄像头、手机摄像头,动辄几百万甚至上千万像素。而监控摄像机作为安防第一大助手,模拟类监控产品已不能满足用户需要,于是,“高清”成为了第一大需求,而且,有了高清晰画质,低照度、宽动态、智能化等等更高层次的需求才能实现,才具有应用价值。
高清晰的画面主要依赖于技术上的突破,首先从提升视频源质量着手。数字网络摄像机相对于模拟摄像机,采用逐行扫描,常用的CMOS感光器内置了AD转换,光信号进入,数字信号输出,避免了反复的AD转换,画质受损小,而且在色彩还原、信号抗干扰方面表现优异。模拟摄像机前端感光器输出模拟信号,接着转化成数字信号,以便进行色彩与亮度处理,接着再将数字信号转化成模拟信号输出。当到达DVR等后端设备时,由视频采集芯片(如:7130,6805)将模拟信号转成数字信号,总共发生了3次的AD转换,画面严重受损,当复合视频传输给视频采集芯片时,视频采集芯片除了做AD转换,还要做亮色分离(梳妆滤波),由于难以完全分离亮度与色彩信号,导致传统模拟视频监控容易出现色彩渗透与杂色现象。
高清网络摄像机是基于视频压缩处理并通过IP网络进行传输的,因为只有这样才能控制高清视频的传输成本。采集后未经压缩的高清视频信号有模拟和数字两种传输方式。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,不适合用于监控传输,而HD-SDI虽可以传输100米左右,但对同轴电缆的要求很高,线缆的价格也非常昂贵。无论是模拟方式还是数字方式传输,未经压缩的高清视频信号传输成本都明显高于以前的模拟标清视频信号。而采用视频压缩编码并通过IP网络进行传输时,高清视频与标清视频在传输成本上的差异很小。
当前高清视频传感器以CMOS为主,CMOS传感器直接输出数字化的视频信号,在摄像机中通过DSP或ASIC对此数字高清视频信号直接进行压缩编码,然后以网络化方式传输,要比摄像机直接输出高清信号来得经济,且处理效率更高。
如今,最为红火的就是高清化监控的概念与应用,而许多大型项目的成功也表明高清监控已经逐渐成为主流。高清IP摄像机的发展可谓是一日千里,除了目前接触较多的百万像素、130万像素、200万像素外,300万像素、500万像素、800万像素的产品已经在市场上出现,甚至千万及千万以上像素的产品也开始在监控行业中露出端倪。
2009年以来,随着金融、交通等行业以及平安城市部分项目对高清监控的高需求,加上上海世博会、广州亚运会、深圳大运会等大型活动推动高清监控趋势下,高清网络摄像机(分辨率大于等于720P)如雨后春笋般快速增长。一些主流网络视频监控厂商如松下、索尼、海康威视、科达、Axis、大华等纷纷推出百万像素网络摄像机,在高清网络监控领域中进行新一轮的角逐。
2.低照度加速普及步伐
随着安防监控由高端专用领域日趋民用化,摄像机的应用范围也越来越广泛,很多监控条件差、光线昏暗的地方也要求安装功能多样的摄像机,尤其是低照度摄像机。网络摄像机无疑是现今视频监控领域的第一大主题。一方面,电子、网络技术的快速发展大大提升了其应用价值和适用范围;另一方面,全球安防需求的急速膨胀以及用户越来越高的使用要求也极大刺激了网络摄像机的发展。
二、网络摄像机应用现状
网络摄像机的应用范围相当广泛,已逐渐成为安全防范、远程教学、远程展示、病房监护、社区服务等各方面广为采用的工具。尤其是在安全防范领域,网络摄像机以其优越的性能,再配以卓越的监控管理平台,使得安防系统得到了前所未有的发展,使网络化数字监控系统成为未来市场的发展趋势。
(一)交通监控系统
在我国,包括北京、天津、上海、深圳、广东等多个大城市都已在主要交通公路、铁路干线上;大型立交桥上;沿海、沿江的诸多码头、海港;重点国道及高速公路上均安装了监控设备。据预测,在不远的将来,地方交通监控系统和全国长途自动交通监控系统将连成一体,做成一条“由点到面,全面布局成网”的全国立体交通监控系统,这一趋势更将成为建设“平安城市”的重要组成部分而成为新兴热点。智能交通的概念成为当代经济发展的一个特有课题。
网络摄像机,一方面,它采用最先进的数字技术,将视频图像进行采集处理和压缩编码后,在保证图像质量的前提下,使视频图像的存储,传输变得方便快捷,视频图像可以在指挥中心、分中心之间自由切换。另一方面,随着网络技术与服务的发展,宽带网络正在快速地伸展到城市的各个角落,在这种情况下,网络摄像机无需专门布线就能够方便地得到应用,比传统监视设备更为简便的多,成本也会大幅度降低。再者网络摄像机由于具有双向传输功能,不仅具备监视范围内的全部功能,而且在控制室内就能操作道路上的各类交通管理设施,如开关红绿灯,警示灯,调节监控器等,这也是传统设备无法比拟的。
在为交通系统提供监控手段的同时,网络摄像机还能够为大众提供道路交通状况的服务,司机可以根据自己看到的路况决定要走的路线。
(二)保安系统
随着楼宇建设的增加和社会安保系统需求的增长,无线网络摄像机用于安保系统的需求将会快速增长。与传统的监控系统相比,网络摄像机具有如下优势:
1.减少线路种类,便于安装。无线高清网络摄像机不需要连接网线,只要有网络,即可实现轻松网络远程监控操作。
2.在低照度下,仍然可发挥强大的拍摄记录功能。对于像公路铁路沿线的低光区也能轻松捕捉画面影像。
3.可进行双向通讯。如开关红绿灯,警示灯,调节监控器等。
4.可灵活地增加监控点。多角度上下,左右可调节操控。让你有的放矢,不放过一个盲点。
5.节约人力,物力,财力。不必保安走来走去的忙碌巡逻。
(三)病房监护
在医院,很多病房需要定时巡视,这对于医护人员来说,是一项繁重的体力劳动。如果在每个病房安装网络摄像机,这样医生在值班室里就可一目了然地监护每个病房,及时对病人进行各种医护处置,保证了紧急事件的快速处理。病人家属和朋友在不能亲自前往医院探视时,可以在远端了解病人住院治疗情况,以减轻心中的思念与担忧。医院病房监控,既方便了住院病人的统一管理和方便治疗,又能让没能陪伴的病人亲属远程观看亲人的病情,提高医院档次,加强安全,抬升形象。我国逐渐进入老龄化社会,福利院、社区卫生保健中心利用远程监护设备,可以极大地提高效率和服务质量。这也是建设社会主义精神文明的体现。
(四)家庭--电子智能管家
对于三口之家的工薪家庭,大人白天需要上班,没法照顾家中年幼的小孩或者年迈的老人。如果有网络摄像机在您的居室看家,即使夫妻都是上班族,家里发生任何情况都逃不过自己的双眼,可以随时的查看家里的动向。对于家中有孤寡老人,体弱多病者以及小孩需要看护时,作为子女和父母肯定关心他们的情况。此时此刻,您就可以打开身边的电脑或者手机通过网络了解家中的情况以及保姆看护的情况,是您安心工作。
(五)办公室和工厂车间
对于公司的办公环境,作为企业老板来说是相当关切的。他们关注员工的办公进度与同事间关系。如果将网络摄像机装在员工办公区域,身为老板可以通过电脑随时了解自己员工的动向。即使身在外地出差,手机联网,也同样可以关注员工是否怠工,大大增加了管理力度,可以说,网络摄像机是企业办公的得力助手。其实,不仅仅局限于办公室员工动态,老板同样也可以对厂房生产线进行监控。高质量的监控设备,有利于管理者进行生产管理和质量控制,并可对各环节中出现的问题进行指导,及时解决。老板及其相关下属可能没有时间经常到生产线进行视察与巡查,但是只需要几台网络摄像机就能轻松搞定管理困扰。质监部门同样可以轻松联网,监督企业是否存在违法行为与质次产品。
(六)银行证券等金融机构
银行证券监控系统的完善,能有效地减少银行证券工作人员和用户的操作失误带来的损失,如发生点钞失误、票据填写错误等问题,能在发现错误之后通过回放当时的视频记录来加以纠正和弥补。还可以更加防护不法份子对ATM机的破环与恶意取款。
(七)远程教育
本世纪是打破时间、空间全方位运作的时代。远程教育这一有效手段,给网络视频、音频终端设备提供了广阔的发展空间。 对于中小学和幼儿园,各班级可通过网络摄像机,将班级的各种情况随时反映给学校主管教师,有利于全面教育管理。不放心孩子的幼儿园家长,也可通过浏览器随时看到孩子的笑脸。网络摄像机的优势还在于学生可以在网上通过屏幕接收实时互动的课堂教学,包括在线讨论和答疑辅导。据北京邮电大学介绍,他们在宽带网上的试验已经能做到,北京授课室的老师可以对外省听课室的学生进行当堂提问,效果很好。同样学生还可以通过点播IP课件在任何时间内上课。远程教育的在线学生不久将可以同时收看校园内数个教室里举行的不同讲座。 双向传输功能的网络摄像机,对远程网络教学具有极大的优势。
(八)突发事件的应对
社会的公共安全也同样值得政府,相关部门以及各地市民的重视。因为公共安全的建设是否完备直接关系到整个城市建设的好坏。公共汽车站以及公交站台是小偷经常出没的地方,有了网络摄像监控以后,相关部门只需在监控室或者车载视频设备上就可以迅速捕捉,大大提高了出警速度,挽救了人民财产。森林安全是环境保护部门最为重视的一项内容。森林火灾的发生不仅会对自然环境造成破坏,严重时可能还会让人民财产蒙受巨大损失,甚至付诸生命代价。公共场所的诸多安全事项也是值得整个社会重视。因为公共场所一般是人员密集度较高的地区,如:电影院,酒吧,歌厅,宾馆,公园,游乐场,博物馆,大型商场以及超市等等。如果不监管到位,很有可能发生大的危险。诸多火灾事件屡见不鲜。除了上述内容之外,大型临时会展,世界组织的各项会议等等都是网络摄像机可以效劳的。网络摄像机可以针对上述场所进行强有力的侦控与布防。
三、网络摄像机应用中存在的问题及原因分析
(一)存在的问题
近几年,随着网络通信技术、编解码技术、存储技术、视频信号处理芯片技术的发展,网络摄像机在视频监控领域的迅速发展。数字安防监控经历了多年的发展之后,目前,很多行业的监控系统进入系统升级换代阶段,但很多用户在传统模拟视频监控系统和新兴的全网络监控系统之间依然举棋不定,尽管国际国内各厂家都在努力的宣扬网络视频监控、高清监控的种种优势,但对于传统“惯”了的某些行业,没有“硬”技术,没有“实”案例,很难实现网络监控系统的推广。
IP高清网络摄像机未来在国内将会替代传统模拟摄像机,但目前其还存在迫切需要突破的三个问题:一个是降低成本;二是提高像素和帧率;三是提供给客户更多实用的智能分析和应用需求。
尽管网络高清摄像机已经有了很大的发展,但在实际应用中,还存在有待提升和改进的地方。最主要的两个方面是视频储存和网络传输受限。高清监控的视频以最基本的720P效果为例,每路视频压缩到较低码率也要每小时3G容量需求,一个月监控录像就要2TB左右的容量,如果需要几百上千路这样的高清监控,如此庞大的视频文件有如潮水般的冲击着存储系统,不仅对存储设备的容量读写性能、可靠提出了更高要求,甚至连传输带宽都成了高清监控系统中比较棘手的问题。根据“木桶原理”网络高清摄像机的图像质量或是稳定性将取决于整个系统中最差的一环而往往这最差的一环往往就出现是视频储存和网络传输受限上。
网络摄像机在实际应用中还面临着一些其他的阻碍和难题。例如系统更新时,存在模拟摄像机与高清摄像机混用而难以兼容的情况;另外,高清网络摄像机的高清图像传输需要更大的网络带宽;海量高清图像数据使得存储空间迅速扩张;海量数据的检索也成为焦点,再加上有些方案设计人员对网络摄像机认可度不高等原因,使得高清网络摄像机在推广过程中遇到很大的障碍。
(二)原因分析
可以将网络摄像机在应用中受阻的原因归纳为以下六个方面:
1.应用价值
目前,市场中网络摄像机以百万像素为主流,很多国际国内厂商均已推出全线的网络摄像机产品,并且部分厂商已有基于300万、500万像素的网络摄像机。但是高清网络监控在国内,是不是也会相应地应用到各个行业和领域,还是一个现实的问题。比如高清视频的低照度处理、噪点处理,对摄像机内部ISP和SOC的处理性能要求都很高,对于比较复杂的监控环境夜间效果较差,而事实上夜间的安全级别应比白天更高,这对于银行ATM机以及其它监控级别高的领域还是一个瓶颈。而在道路监控中,百万像素网络摄像机对于高速行驶的车辆需要抓拍,以实时掌握人员面部特征和车辆细节,对于卡口的补光、闪光灯、曝光时间、码流模式转换的等方面,实际应用中也并不成熟。由此可见,网络摄像机产品在本质上确实还存在一些硬伤,还无法在一些需求量大、安全级别高的行业内普遍应用。并且,用户普遍更习惯于视频的全实时传输,而且实际监控过程中,尤其是金融、能源、生产企业等,也对实时监控的要求很高。再加上目前诸多无线视频传输的需求,网络摄像机还无法达到高清细腻的画质和流畅视频效果的综合要求,延迟问题严重,无法满足对实时性要求高的场所使用。因此,网络视频技术可以解决了监控行业要看得清楚的问题,但在实际应用中,还存在各种各样实际应用中亟待解决的技术问题。
2.应用习惯
首先,用户从观念上已经形成了一种惯性,认为当前市场中流通量大、应用范围广、生存时间长的视频监控产品才是最佳选择,因此,目前还占市场主导地位的DVR+模拟摄像机就成了大部分用户或工程商的首选。虽然在众多招标过程中,也会吸收一些网络摄像机产品在其中,但往往以DVR+模拟摄像机的组合方案胜出为结果。这对于网络摄像机这一新生代产品的看法,就会在无形之中被带进一个误区,用户会认为新的技术、新的产品就一定是不成熟的、易出现问题的,强加了诸如性能不稳定、系统安装调试复杂、受外界环境影响大、操作不易掌握等等缺点。
可见转变观念是制约网络视频监控发展的根本因素,只有转变这种看待新事物的观念,才能让网络摄像机更快更全面地被了解和认可,并发挥其应有的优势。当然,也有一些行业用户,如网络普及率较高,IT应用领先的教育、医疗行业客户来讲,从系统设计、部署,到应用,基于网络摄像机的网络监控系统方案都被得到欣然选用,并且也从意愿上能够为此投入资金和其它成本,这是一个非常好的开端,势必为网络摄像机的普及产生重要的影响。
3.核心技术
国内网络视频监控产品虽然可以说是百家争鸣,但是绝大多数安防厂商没有自己的核心技术,尤其是视音频开发、监控管理软件开发及图像处理技术,还处于“拿来主义”和“攒机”的一个低的技术层次。这样一个还没有统一规范和真正贴近国内市场需求的技术氛围,就给安防工程商和集成商增加了相当多的不必要的麻烦,往往针对一个网络视频监控系统的解决方案,要寻找各种监控器材的厂商,东拼西凑,还要整合设计方案,不但浪费了时间和精力,还增加了技术和产品的采购成本,从而无法真正实现与国际品牌厂商的对抗与竞争,更不用提一站式的解决方案和服务体系了。此外,就网络摄像机最核心的视频压缩技术本身来讲,其发展也在不断更新中,并未达到一个成熟阶段。
目前,网络摄像机中被广泛采用的图像压缩技术有M-JPEG/MPEG-4/H.264三种方式, H.264可以获得最高的压缩比,对摄像机本身的处理平台要求也最高。为了获得较高的分辨率并且实现全实时传输,主流厂家均采用H.264的压缩算法,以实现低带宽下的应用,但实际效果总不能让用户满意,并且由于技术和芯片的投入和升级,也同步增加了网络摄像机的成本。
4.网络传输
网络摄像机的信号交互,必须依赖于网络,但目前国内还是非常缺乏一个良好的网络环境,这是一个非常客观和现实的问题。网络视频监控系统,顾名思义就是通用网络进行视频监控系统部署和应用实现。网络环境是基础,是网络视频监控系统的载体,一个好的网络环境,才能对网络视频的流畅性和实时性提供一个良好的保障。数字视频传输需要占用较大的网络带宽资源,在局域网、专网的环境中,基本可以达到百兆接入,千兆汇聚的程度,配合相应的网络传输质量保证措施,网络带宽是可以完全有保障的,网络视频监控系统也可以完全表现其特点;但是,网络监控需要满足更大范围、更多分支、更多领域的应用需求,这就要求网络视频需要在广域网环境中传输。而国内的网络现状却非常令人无法释怀,无论是专线、ADSL、CDMA、3G等,带宽都非常有限,并且实际和理论值相差很大,与先进国家相比,国内的所谓宽带,绝大多数还只能定义为窄带,数字视频传输将面临车多路窄的窘境,从而造成画面质量下降、画面中断、延迟过长等现象。因此,没有良好的网络资源,就会制约网络视频监控系统的效果,也就无法体现网络视频监控系统的优势。
5.资源整合
由于IP监控的趋势越来越被厂商、渠道、用户所接受,网络摄像机作为一个新的监控产品趋势,使更多的厂家参与进入IP市场。但是,网络摄像机复杂的技术也让产业链各厂家之间的合作关系更为紧密。镜头、传感器、压缩处理芯片,三者缺一不可,必须透过密切的合作,提高彼此兼容性,了解彼此特性与限制,才能得到较好的成像品质。
而视频压缩部分,则依赖于芯片厂商与摄像机厂商的密切配合,软件程序的调整和不断的优化,在细节方面需要双方更为紧密的合作。芯片厂商面对摄像机厂家所提出的问题,是否有快速反应解决问题的能力,在网络摄像机,尤其是百万像素时代将显得更为突出。而且网络监控系统的开放性和融合性等特点,也产生了更多的统一管理和联动报警的需求,其核心就是管理平台与多个厂商的网络摄像机产品的兼容性整合,这就要求网络摄像机厂商与平台厂商进行强强联手,共同配合,完成网络视频监控项目整体建设。同时,我们也必须清醒地认识到视频监控系统也在进行着一场技术标准之争。
与模拟视频监控封闭的系统不同,数字视频监控系统产品与产品之间要达到系统的兼容已成为摆在实际工程中的严峻问题。技术标准的不同,会导致设备搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息等交互上的困难,因此,关于标准问题的讨论日益增多,标准的制订者,可以引导甚至控制整个产业的发展,这也是利润最丰厚的一环,为此,ONVIF、PSIA两大标准组织正相互角逐,鹿死谁手犹未可知。针对这种情况,如国外的ACTI、国内的星网锐捷等监控厂商,增加研发投入,采取两种标准全部支持的策略,以满足现状,以打消用户的顾虑,消除影响系统正常运行的隐患。
6.建设成本
用户对于网络摄像机、网络视频监控系统的建设成本有很深的误解,认为网络摄像机价格偏高,并且与网络视频监控系统相比,DVR系统的建设成本要低很多。诚然,DVR设备正在遭遇普遍降价的形势,而且其编码和存储集于一身的特点,也在很多中小型、监控要求较低的项目中保持着绝对的成本优势。但是随着用户需求逐步向网络化、高清化、智能化、集中管理、系统整合的方向发展,DVR系统本质上已经显得力不从心。实际上,我们从另一个角度来分析,网络摄像机在功能上,已经兼备了模拟摄像机、DVR编码的功能,与模拟摄像机在价格上已经没有可比性。如果对网络视频监控系统的建设成本,包括硬件成本、实施成本进行分析、核算,在满足中高端应用需求的前提下,网络视频监控系统的建设成本通常是与DVR系统基本相当。但从现实角度来考虑,很多用户已经有DVR系统在用,如果要进行全系统的网络改造,大量的监控设备就要被放弃掉,确实造成原有投资的巨大浪费,这是用户很难接受的,因此,网络摄像机的优势虽然明显,但是在实际的产品采购和系统建设时,还必须要尽可能的保护用户的原有投资。值得欣慰的是,国内如星网锐捷、科达、海康等知名厂商,已经推出了如混合式DVR、多系统管理平台等产品,可以在不更改原有系统结构和产品的前提下,实现网络化改造,最大限度地保证了用户的前期投入,满足了经济性、兼容性和先进性的综合需求。
四、技术手段解决网络摄像机应用的困难
(一)网络新技术--为百万像素高清传输提供带宽保证
平安城市、金融联网监控等项目都采用自建光纤网络或局域网络实现1000M带宽网络。这种千兆带宽资源,在前端安装上述200路720P百万像素全实时高清网络摄像机(即按每路占用资源2Mbps计算),占用总带宽资源不到50%,所以千兆网是完全可以有效支持的。因此,在网络高清项目应用时,可以在关键区域监控点安装百万像素高清摄像机,其它监控点采用基于标准H.264压缩算法的FullD1标清网络摄像机或传统的模拟+编码器模式接入。如银行金库、重要交通路口卡口或大门、事故或案件多发地段可以配置百万像素高清摄像机,这样关键通道、重点场所的现场事态都有高清图像可调取。采用百万像素高清加标清的混合组网方式,既可节约设备成本,也可有效节省网络带宽资源,系统的实用性和经济性两者可以完美结合,充分满足了用户的性价比需求。
另外,主流厂商的百万像素高清网络摄像机都支持双码流技术,如支持720P+FullD1全实时双码流,从而在本地可以采用720P高清应用,远程时则以FullD1方式供远程用户调用。也就是说,虽然目前的ADSL广域网技术对百万像素高清网络摄像机尚不能大规模支持,但通过双码流等技术可以满足本地与远程用户的不同需求。
(二)海量存储技术--解决百万像素高清的存储难题
按前所述,基于标准H.264压缩技术的高清网络摄像机,一路720P高清全实时图像的码流是2Mbps,录像一小时需要的存储空间大约是900M左右;通常,用户往往会问:一支百万像素摄像机就需要这么大的存储空间,有多支百万像素怎了得?而实质上一支百万像素的高清网络摄像机可以替代多个普通摄像机。而高分辨率的图像质量,视频的存储将变得更有价值。另外,如果能够加装智能分析模块并与时间、报警触发存储相结合,视频存储所需要的空间将大大减少。
对于高清网络摄像机的高清图像记录就需要网络存储系统(包括存储服务器和存储设备)。存储服务器和存储设备最主要的连接方式有DAS直连方式、NAS网络硬盘方式、SAN(FCSAN和IPSAN)存储区域网络,其中IPSAN方式采用IP架构的以太网络传输,具备良好的扩展性、共享性和较低的分摊应用成本,是目前大中型集中监控存储主要采用的技术之一。另一方面,IT上使用的主流数据硬盘容量已经TB级以上,2TB的数据硬盘也逐步走进大家的视线(按每小时数据量1G计算,1TB的数据硬盘大约可存储720P的视频图像1000小时或者1000路摄像机录像1个小时的数据)。
(三)液晶显示器--高清视频监控的主要显示载体
监控行业的高清没有自己的标准,因此目前主要高清网络摄像机厂商均参照广电HDTV技术标准。国际上公认的关于高清的标准有两条:视频垂直分辨率720p或1080i;视频宽纵比为16:9。在过去的几年,受消费电子市场的推动,再加上CRT电视向液晶和等离子电视屏幕转变,HDTV取得了巨大的成功。目前市场上主流的液晶显示器尺寸是21.5″、24″,分辨率可达1920×1080,可以点对点兼容16:9格式的720P和1080P全高清视频显示。而液晶电视的主流尺寸是42″,也是1080P高清的标准显示尺寸。这些液晶显示器和液晶电视具有YPbPr、HDMI等高清接口,符合高清网络摄像机视频显示的要求。对于用户比较关注的液晶显示响应时间,一些主流厂商的面板更可以达到5ms,甚至更高的2ms,完全足以应付25fps~30fps的图像刷新需求。
可喜的是,安防高清液晶监视器也紧随其后,获得了飞速的发展。一些基于DID技术的LCD液晶显示屏具备超轻薄、低功耗、高对比度、无闪烁、低成本等优点,推动了它在安防监控领域的应用,尤其目前一些大型项目的指挥中心电视墙等普遍采用。由此可见,高清视频监控在显示方面已经不存在瓶颈。
(四)H.264压缩技术--提升视频管理中心平台兼容能力
目前在国内监控市场上的多数监控平台系统都是基于传统的DVR和NVS(或DVS)基础架构。很多人认为这些平台要兼容百万像素级的图像管理需要花费巨大的开销。其实不然,高清与否只是对数据量和图像解码能力提出了更高的要求,影响更多的是前端编解码设备、网络带宽和存储设备。从某种意义上说,平台对高清的支持能力与平台的架构有关,系统架构越好的产品,在新产品接入上花的代价也就越小。此外某些IP摄像机厂商也可配套提供高清视频监控管理平台。
现阶段主流压缩技术是标准H.264压缩算法,采用此种算法不但画质较好,码流较低,更为重要的是,标准H.264格式的录像文件可使用标准解码器解码播放(如:暴风影音、VLC、MPC、KMPlayer等),设备通用性和兼容性有很大提高。从某种意义上可以说,标准的H.264可解决困扰整个安防界的录像数据文件兼容性问题。
对于用户普遍关心的高清视频图像解码能力问题,目前普通双核PC机基本可以解码4路720P(30fps,2Mbps码流)或1路1080P(30fps,4Mbps码流)。而现在已经有主流IP摄像机厂商配套提供的1080P、720P、FullD1全兼容硬件解码器,从而实现管理中心平台控制的高清视频解码输出。此外主流IP摄像机厂商最新技术已经可以利用显卡硬件解码核心在一台PC机上完成多路高清实时视频的解码显示。
(五)ISP技术--推动高清网络摄像机的发展进程
在高清网络摄像机的效果提升进程中,ISP技术的革新起到了巨大的作用。ISP技术涵盖了增益控制、白平衡、噪声控制、曝光控制等技术。ISP从高清摄像机辅助技术逐渐演变为关键技术。例如通过3D数字降噪功能可以使CMOS高清摄像机在低照度环境下获取比同尺寸CCD相同甚至更优质的图像,再加上CMOS有着较高的动态范围,使CMOS产品在高清摄像机的地位越来越重要。通过降噪的图像使视频数据量大大减少,从而降低对网络带宽和存储的压力。
随着高清网络摄像机在平安城市、电力、交通行业的应用,出现了网络带宽不足,网络设备兼容性难题,存储压力大,数据查询难度大等各种各样的问题,但通过行业同仁的努力,逐渐将问题解决:双码流技术解决带宽问题;通过统一协议和接口解决兼容问题;采用NVR前端分散存储+中心选择性存储方式解决存储安全隐患、中心存储压力大问题;通过录像标记、事件录像、智能检索等功能解决海量数据查询问题。将来随着技术的发展仍将遇到新的问题,但总会有新的技术去解决,问题的出现已经不能阻挡高清网络摄像机的普及和高清网络系统的全面更新。
五、网络摄像机发展趋势
(一)技术趋势
1.图像传感器芯片技术不断发展
多年来,视频监控行业的科研人员一直在为提高视频监控图像分辨率而不懈努力。随着视频技术尤其是图像传感器芯片技术的不断发展,视频监控摄像机的清晰度不到提高,水平分辨率从380线发展到420线、480线,再到540线、600线、650线。在高清摄像机问世之前,模拟摄像机的分辨率几乎每年或没两年都有一个明显的提高,这也成为了行业关注的热点。2006年,高清网络摄像机IPC问世,并很快在行业内掀起“高清风暴”。2009为顺应高清市场发展,几个业内厂商联合成立了HD-CCTV联盟,欲把广电的HD-SDI高清传输模式借用到安防监控系统中心,此后不久,HD-SDI高清摄像机问世。目前,行业内流行的说法是将IPC称为第一代高清监控,SDI为第二代高清监控。
2.4G带来福音 但仍需时间沉淀
网络摄像机之所以超越模拟摄像机是依赖于3G网络而存在的。网络摄像机开创了监控有限和无线网络传输的时代。无线监控也是每个厂商坚信的优势,并一直向民用市场大力推荐网络摄像机。但是网络环境确实制约网络摄像机迅速发展的一个重要原因。
4G时代的到来无疑又给网络摄像机的发展带来了福音。三大运营商都已经开始了4G的建设和测试。在年底,4G网络将覆盖100个城市、20万个基站、一百万部终端这个振奋人心的消息都给安防监控行业注入了一支强心剂。但是现有4G网络基站及实际覆盖效果都未达到理想状态,与各大运营商宣传的效果还相差甚远,这点还需大家理性对待。
3.算法改进成潮流
网络摄像机的核心技术是其视频编码压缩技术。目前网络摄像机主要包括通用DSP芯片技术和ASIC芯片技术两大实现方案。由于国内用户对带宽和帧率要求比较敏感,要求在低带宽下依然满足25帧的传输速率,因此MPEG-4算法尤其H.264算法在国内大有市场。H.264算法的压缩比是MPEG-2的2-3倍,是MPEG-4的1.5-2倍。因此在H.264算法的优化上各厂家都有很大的提升空间来满足客户对带宽占用的需求。另外,百万像素摄像机应用H.264编码方式是今后发展的方向,但是现在的情况是各家算法不同,压缩的质量和效果也不同,更重要的是现在支持1920×1080P的分辨率摄像机已经问世,但是同时支持25ips的厂家几乎没有,现在能够做到720P@25ips已经不错了,因此这也是今后发展的潮流。
4.红外补光提高性能
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性能会差很多。这就意味着如果高清摄像机夜晚红外补光需求的强度要比普通像素红外摄像机高得多。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,只能增加环境照度来补充此方面的不足。
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。
(二)市场趋势
1.国内监控厂商逆袭
高清早期的应用绝大多数还是用在金融、公安、校园、智慧城市等中高端领域,竞争中遇到的大多还是国内品牌。模拟时代,底层核心技术受控国外厂家,中国厂家基本上是生产组装。进入数字高清时代,越来越多的厂家自己编写3A算法,掌握摄像机的清晰度、色彩、聚焦、曝光等技术。另外,在数字高清时代,作为一个有竞争力的高清监控厂商,最好是能提供IPC、NVR、混合DVR、解码器、平台等全系列配套产品与解决方案,而不是单单只有IPC,恰恰是这一点,国内厂商优势更大,今天国内做高清的厂家之前都做过DVR与视频监控软件。相比之下,一些国外IPC厂家纯粹只做IPC,不能打包配套销售,需要其他高清厂家的NVR、解码器去兼容他们。
2.IPC价格战将来更猛烈
从目前国内监控摄像机市场来看,IP高清摄像机销量不断增加、模拟摄像机呈下降趋势。目前国内许多如平安城市、平安乡村、平安校园、银行监控等招投标项目都要求IP高清摄像机,分辨率1280×720以上,并在很多民用监控领域因IP高清晰画质、布线简单、综合成本低等优势被用户接受。
数字高清与IPC给很多安防企业带来了新的机遇,大家在新时代面临重新赛跑,很多厂商希望在数字高清时代有新的转机,或者希望在高清大洗牌中实现销量更大,更加集中化。有研发实力的企业趁高清技术门槛高、起点高,将缺乏技术研发的模拟加工厂阻挡在高清大门之外。随着企业逐渐掌握IPC摄像机核心技术,更加容易实现个性化与差异化,从而避开恶性同质化价格战。跟模拟时代相比,数字高清时代更加有益于研发企业的发展。IPC将面临和DVR时代的一样价格战,甚至比DVR时代的价格战来得更猛更快。经历一场大战之后,行业将回到宁静,将更加有行业秩序,有行业规则,更加理性规范,利润更加合理化,分工细化,各有所长。厂家数量从几千到最后十几家,甚至更少。
3.高清安防试点成趋势
高清这个名词基本是伴随着高清电视开始的,在多年前就开始流行。然而对于监控行业,真正大规模的应用也就是最近一两年的事,这主要是监控技术的快速发展,包括编码技术、网络技术、传输技术、存储技术等,高清监控成为可能,整体技术方案也逐渐成熟,逐渐被用户所接受;当然,用户对监控需求的改变,对高清的推动也起到了积极的作用。
上海浦东城区高清视频覆盖项目是一个典型的代表。该项目是截止目前国内最大单一高清视频监控项目,也是目前全球最大的高清监控项目。此项目有超过一万余个监控点,大规模采用了高清技术,成为中国监控市场上第一个名副其实的大型高清监控工程,对于推动高清的发展起到了积极作用,具有里程碑的意义。
(三)产品趋势
1.产品类型不断衍生
现阶段,百万像素网络摄像机以枪机和半球为主,但随着技术的成熟和用户需求的日益明确化,网络百万摄像机也将会衍生出网络高清球型摄像机。至于在偏远或不便于搭建网络环境下的网络监控系统,要想实现高清的效果,将通过无线网络高清摄像机,以解决终端接入问题。
2.易用性有所改进
与传统模拟摄像机不同,IP百万像素摄像机涉及到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。
3.智能化必然趋势
因智能化是数字化网络化发展的必然趋势,这样才能做到事前预警,真正保安全。而网络摄像机将是一个承载智能技术的理想平台,尤其加入人与物异常等的智能算法软件,将是网络摄像机成为智能网络摄像机的重要发展方向。
整体来看,简单的智能分析包括移动侦测、遮挡报警等(目前这些功能已在广泛应用)。更复杂的智能分析包括行为识别与分析,比如人脸识别、丢包、警戒等。智能分析在前几年就已经很“热”,在各种展会上很多厂家都急迫地推出了相关的产品,包括各种具有智能分析功能的网络摄像机。然而由于实际使用的环境复杂,加之算法本身不是很成熟,适应能力不强,造成误报漏报很多。而另一方面客户的期望很高,但在实际使用中智能产品不佳的表现,往往很难满足客户的实际需求,且很高的维护成本,常常使得这些设备成为一种摆设。
4.标准化成不二之选
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。作为网络监控的重要产品,网络百万像素摄像机的标准化之路已经成为必然。
继ONVIF、PSIA相继成立后,HDcctv联盟也成立了,从而形成了当前网络视频监控市场的三大标准。这些组织的成立,都是希望在网络时代推动实现监控标准统一的愿景。例如ONVIF,是希望通过全球性的开放接口标准来推进网络视频在安防市场的应用,这一接口标准将确保不同厂商生产的网络视频产品具有互通性。成立于2008年8月的PSIA实体安防互通联盟,目标是为实体安防系统的硬件和软件平台创立一种标准化的接口,使基于IP网络的不同安防系统具有兼容性。而HD cctv联盟(HD cctv Alliance)则主要是由芯片厂商与系统供货商共同成立的,主要针对高画质监控系统(High Definition Surveillance Systems)所开发的新标准,以期待透过新标准,开发更容易建置、成本更低的网络解决方案。
六、小结
在一些已建或在建的网络监控系统中,实际使用过程中还存在多种技术与非技术因素障碍,因此在推广和应用方面,网络摄像机还面临着诸多挑战和阻碍。但是,我们也欣喜地看到少数厂商,立志做先驱、潜心做研发,推出了一系列高清晰、高降噪、高智能、低码流、低照度的高性价比的网络摄像机产品,并已经成功应用于诸多中高端行业和领域,为网络摄像机的普及开了一个好头。发展趋势代表事物进化的必然,相信在各大厂商和行业的共同支持和努力下,网络摄像机的优化会越来越贴近用户的需求和实用环境,而网络摄像机的普及也会越来越加快前进的步伐。