IP网络摄像机的研究与应用
IP网络摄像机的研究与应用
胡青松
中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008
摘要：IP网络摄像机是基于网络传输的数字化设备。本文深刻分析了IP网络摄像机原理，以网络摄像机的内部结构为中心出发点，探讨了它的主要功能和优势；在此基础上，分析提出了基于IP网络摄像机的远程视频监控解决方案。
关键词：IP网络摄像机 原理 功能 监控系统 应用
Research and Application of IP Networks Camera
Hu Qingsong
Information and Electric Engineering College of CUMT, Xuzhou Jiangsu 221008 Abstract：Camera is a digital equipment with network transmission capacity. In this paper, we analyzed its principle deeply. And regard inside structure of the camera of the network as the centre point, has probed into its main functions and advantages.On basis that, a remote monitoring system solution was brought forward using IP networks camera.
Key words: IP networks camera, principle, function, monitoring system,
Application
1.引言
摄像机是监控系统的一个非常重要的设备之一，配合镜头、云台、防护罩等设备即可构成系统的视频采集部分。其主要功能是完成目标景物到图像信息的转换，其物理变化是一个光电转换过程，在这个转换过程中摄像器件承担了主要任务，而云台、镜头和其它辅助设备则完成目标景物的取景、照明和聚焦等功能。
IP网络摄像机是基于网络传输的数字化设备，网络摄像机除了具有普通复合视频信号输出接口BNC外，还有网络输出接口，可直接将摄像机接入本地局域网。可用于电视会议、住宅小区、银行、煤矿生产、考试现场等场合的视频传输和安全防范。但是由于人们使用模拟摄像机历史已久，从而对网络摄像机形成了一种先入为主的偏见。为了全面认识这个蓬勃发展的新事物，我有必要对它的基本原理、优缺点和开发应用方面的问题做一个较为全面深刻的分析。
2.结构分析
图1是网络摄像机的图像采集模块，其中最重要的是CCD（光电耦合器件）。对于模拟摄像机而言，这其实就形成了它的全部结构了。来自于监控对象的光信号首先进入摄像镜头，并使其在摄像仪的CCD上聚焦，经过光电转换后形成图像，然后经过视频处理以后即可通过光纤传输到监控室。从图1可以看出，其输出是模拟视频信号。
图1 某网络摄像机图像采集部分结构框图
网络摄像机除了具有传统模拟摄像机的功能外，还具有许多自己独特的结构。图2是IP网络摄像机原理结构图，由于网络摄像机图像采集部分和模拟摄像机是一样的，我们就简化为镜头、滤光镜以及CCD图像传感器等三个部分。IP网络摄像机包含有CPU，内建Web Server和CCD图像传感器，增加了对模拟视频进行数字化处理的的芯片，并由编解码芯片完成对图像及声音的压缩和动态录像的回放。此类摄像机拍摄的图像既可传送给个人电脑，也可以加到Web站点的主页上，或者附在电子邮件中发送，故也被称为Web摄像机。
图2 IP网络摄像机原理结构图
3.功能优势
从外观上看，网络摄像机与普通摄像头非常相似。不过，在原理上，它们的差别很大，这从图1和图2 就可以看出来。我们常见的用于监视系统的摄像机直接将视频信号传送出去，而网络摄像机最大的特点是集成普通摄像机和视频压缩、网络转换器，将图像转换为基于TCP/IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口直接传送到网络上，通过网络即可远端监视画面。下面我们将从图1和图2的原理结构图出发，从几个方面进行比较分析IP网络摄像机的功能，从这个分析过程中我们能深刻的理解IP网络摄像机所具有的优势以及它为什么具有这些优势的原因。
（1）数据压缩功能
视频信号的获得首先经过系统的视频接口及处理模块，然后逐次从多路输人中选出一
路进行A/D转换，将转换后的数据压缩后予以存储或传输。视频压缩格式可以采用M－JPEG、H.263、MPEG-l、MPEG-2、MPEG-4等不同的形式。由于视频的前后帧之间相关性一般都比较大，被压缩掉的冗余信息是相当可观的，使之更适合于录像和传输，比较方便的实现数据长期保存和远程监控。而传统的模拟摄像机是直接传输模拟信号，很显然数据量大得多，只适合于较小范围的监控，如一个公司、学校等。
（2）内嵌操作系统与监控软件
IP网络摄像机的硬件包含有32位RISC嵌入式处理器、快闪存储器、RAM（可存储多达500帧），还内置有Web服务器，从而可在任何TCP/IP网络环境下一插即用。安全性有口令保护和IP地址保护，从软件上而言，配置和组态可用以太网口，快闪存储器允许通过TCP/IP 网络升级到新版本软件。因此，这种摄像机在实际应用中可以省去以前布置监控系统的许多麻烦，监控人员不用担心复杂的配置问题，不必考虑监控软件的安装升级问题，更不用考虑监控软件的使用问题，他所需要的仅仅是会使用浏览器而已。并且由于它不需要一些不必要的设备和安装的投入，所以能大幅减少投入，降低管理费用。
（3）强大的通信功能
早期的视频图像远程传输和联网一般都是基于计算机
之间的低层控制通讯网络，如RS232/RS485通信协议，由
于RS232/RS485通信协议没有路由功能，因此只能做到点
到点的连接，另外，RS232/RS485通信协议也没有纠错功能，
因此在发生通讯错误时，联网功能就失败。因此新型的远
程视频图像传输需要改进为通过LAN传输联网的系统。
网络摄像机除了具有传统的RS232或RS485通信口以
外，还具有多种通信接口。例如，图3是新文鼎W74GM网络摄像机的背面通信接口图，
用户可自行选择通讯方式连接周边设备，如：门禁系统、红外线感应装置、全方位云台
等。通过以太网络可实现远端监控，可供多人同时监控多点，特别是利用已有网络搭建
监视系统这种方式，既免除牵线时的距离限制，又可以大幅减少人力及线材费用。
（4）方便开发和二次开发
网络摄像机的多数构件如压缩模块、嵌入式系统等可以采用成熟的集成电路和DSP
设备，为加速开发进程提供了充分的结构保证。
例如可以利用TI公司TMS320C6211 DSP开发网络摄像机，音视频处理均以软件实现。它完成视频信号的采集、处理、编码，进行系统管理和网络通讯控制。摄像镜头可以采用CMOS或CCD，依据使用的照明环境和对图像质量的要求而定。并口连接外部传感器，可以是报警器或者开关。串口实行外部设备的控制。闪存（flash）中存放系统软件和配置参数。数据存储器（SDRAM）在运行程序和数据处理时使用。可增加硬盘存储器。当装有硬盘存储器时，用户可以进行本地视频存储和回放。标准的网络设置为双绞线太网接口。
另外，多数网络摄像机厂商提供二次开发工具包，用户可以根据自己的应用要求，开发出适合自己需要的特定监控系统。
4.应用分析
下面，我们从上面的分析中导出网络摄像机在监控系统中的应用方式。以前，视频监控系统要进行视频的网络传输，一般采用的是模拟数字混合的方式。在远端监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端上，多媒体监控终端可以是一台PC机，也可以是专用的工控机组成多媒体监控终端。要通过网络传输，必须先将模拟的视频信号经过数字化以后，再通过视频服务器发布出去。这就是传统的基于PC的视频监控系统。
基于PC的视频监控系统功能较强，但稳定性不够好，功耗高，需要有人值守，同时软件的开放性也不好，特别是难以支持远程图像监控。
使用网络摄像机可以很好的解决这些问题和弊端！由于网络摄像机内置一个嵌入式芯片，采用嵌入式实时操作系统，内部已经有监控软件，因此相关的模数转换设备、视频压缩设备(以前一般由视频采集压缩卡完成)以及视频服务器统统可以不要。摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过网络总线传送到Web服务器。网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。整个视频过程传输过程可以参看图4。
图4 基于网络摄像机的监控系统
从图4可以看出，我们刚才所说的设备已经不再在系统中出现了。这样一来，除了监控人员操作简单了以外（前面已经分析过），用户施工成本也大幅下降。它充分利用网络资源，增强了监控范围的灵活性，可直接实现远端监控，利用网络更新软件。这些是传统的闭路电视监控系统无法比拟的。另外，从图中我们可以直观的看出，除了本地局域网用户（当然必须是授权用户）可以随时监看以外，通过Internet连接的远程用户也可以通过浏览器轻松的实现异地监看。
5.结束语
几年前，一直引领IP网络摄像机发展的Axis Communications率先将IP网络摄像机引入中国市场，但由于价格和认识度等问题，造成其产品销售成绩并不理想。然而，随着安防市场的日益成熟，模拟产品和数字产品并轨的趋势日益加快，IP网络摄像机也在中国市场上崭露头角。随着大量要求安全监控的应用的出现，利用网络摄像机来综合视频和网络的优点，实现远程视频监控必定大有可为，值得我们进一步关注。
参考文献：
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7.DSP系统典型应用，北京飓风中天科技发展有限公司网站，2003.6.15
作者简介：胡青松，男，1978年7月出生，汉族。现为中国矿业大学助教，在职研究
生，研究方向是视频压缩和传输技术，目前正在参与煤矿监控系统和多媒体教学软件等研制工作。电话：0516－3885682转8404，E-Mail:hqsong722@https://www.wendangku.net/doc/8513449986.html,。
Introduction of the author: Hu Qingsong was born in July 1978. He is a HAN folk man. Now, he is an assistant teacher and a on-the-job graduate student in China University of Mining and Technology. His major is video compression and transmission. At present, he is researching the mine monitoring system and the multimedia education software. Tel: 0516－3885682-8404, E-Mail:hqsong722@https://www.wendangku.net/doc/8513449986.html,。