全球鹰摄像机的设计与实现 - 安防知识网

本文提出了一种基于低成本FPGA的3G/4G高清低码流安防摄像机实现方式，该设计已经完全实现，开创了3G/4G高清低码流安防摄像机的先河。

　　1. 简介

　　3G/4G HD低码流H.264IP摄像机简称为全球鹰摄像机，它发出的视频可以在世界上任何地方通过互联网和3G/4G网络用智能手机、平板电脑和PC来实时观看。

　　2. 设计背景

　　近年来，智能手机和3G/4G网络越来越普及;

　　2.1. 智能手机

　　智能手机的销量在2012年超过6亿台，智能手机的屏幕达到HD720p，双核或者四核的CPU，主频超过1GHz，内存达到2GB，闪存达到64GB，其硬件配置已经达到中端笔记本的水平，有足够的能力解码H.264视频;

　　2.2. 3G/4G网络

　　目前3G网络已经普及，4G网络在美国已经普及，在中国4G网络的建设已经开始;在中国3G网络有3种制式：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA;

　　WCDMA的下载速度为14.4Mbps，上传速度为5.76 Mbps，CDMA2000的下载速度为3.1 Mbps，上传速度为1.8 Mbps，TD-SCDMA的下载速度为2.8Mbps，上传速度为384Kbps;用智能手机作为监控终端只需要考虑下载速度，经过实测，512 Kbps是容易达到的。

　　如果要用3G网络上传全球鹰摄像机视频，需要考虑2个因数：上传速度和3G路由器的动态IP地址;

　　2.2.1. WCDMA和CDMA2000的上传速度都在1.8 Mbps以上，远大于512 Kbps;

　　2.2.2. WCDMA的3G路由器获得的动态IP地址是10.x.x.x，这个IP地址是不能在互联网上传输的，所以不能通过DDNS来按域名访问摄像机;CDMA2000的3G路由器获得的动态IP地址可以在互联网上传输;

　　综上所述，使用3G下载全球鹰摄像机视频可以用WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，使用3G上传全球鹰摄像机视频只能用CDMA2000。

　　3. 设计目标

　　监控视频要想上传到互联网上，上传方式和上传速度是需要考虑到主要因数，上传方式有专线、ADSL、光纤和3G/4G，专线、ADSL和光纤适合监控场景固定的情况，对于不方便接入专线、ADSL和光纤或者是监控场景移动的情况应该选择3G/4G;不同的上传方式有不同的上传速度，使用专线可以获得数M以上的上传速度，但是成本高，不能普及，最普及的家庭上网方法一般是用ADSL和光纤，成本最低，但是上传速度是个瓶颈，ADSL的上传速度为 512 Kbps，光纤在家庭使用时上传速度也是512 Kbps，所以把512 Kbps作为码流上限有利于把全球鹰摄像机视频上传到互联网;在实际应用中码流是随着监控场景而变化的，为了在有限的码流下提供高质量的视频，智能自适应码流控制是关键的技术;最后，为了使智能手机能显示清晰流畅的视频，视频分辨率和帧率的上限为1280x720x25fps，全球鹰摄像机具体的设计目标如下：

　　3.1. SOC芯片：单片FPGA;

　　3.2. H.264编码器：main profile with cabac;

　　3.3. 编码能力：1280x720x25fps;

　　3.4. 码流：512kbps;

　　3.5. 电子变焦和电子PTZ：1X~8X;

　　3.6. 智能分析：码流自适应，移动侦测;

　　3.7. 家庭安防接口：433M无线或者有线;

　　3.8. 协议：UDP，TCP，RTP，RTSP，DHCP，NTP，HTTP，FTP，SMTP和DDNS;

　　3.9. 基本功能：实时观看、客户端录像、邮箱录像、回放、移动侦测、报警通知、100M网络和光电隔离数字IO;

　　3.10.扩展功能：WIFI、SD录像、大功率光电隔离驱动和433M无线接口;

　　4. 功能

　　4.1. 典型应用

　　4.2. 实时观看

　　视频协议是标准的RTP/RTSP，标准的流媒体播放器可以观看视频，如VLC等，虽然ADSL没有固定的IP地址，但是通过DDNS，

　　流媒体播放器可以按域名访问，如rtsp://fineimg.3322.org/ch1，www. 3322.org是DDNS;

　　4.3. 视频录像

　　有三种录像方法：

　　4.3.1. 客户端录像

　　用客户端软件和流媒体播放器把录像保存在客户端;

　　4.3.2. 邮箱录像

　　摄像机把视频发送到邮箱保存;

　　4.3.3. SD卡录像

　　摄像机把视频保存在SD卡;

　　4.4. 回放

　　录像格式为MKV，MKV播放器或者客户端软件可以回放录像;

　　4.5. 入侵检测

　　通过无线或者有线连接到摄像机的PIR和视频智能分析都可以检测出入侵，尤其在黑暗中，PIR的效果更好;

　　4.6. 报警动作

　　当入侵发生时，可以预先设置几种动作;

　　4.6.1. 推送客户端

　　摄像机把报警信号和视频都推送到客户端;

　　4.6.2. 推送邮箱

　　摄像机把视频发送到邮箱保存;

　　4.6.3. 推送FTP

　　摄像机把视频发送到FTP服务器保存;

　　4.6.4. SD卡保存

　　摄像机把视频保存在SD卡;

　　5. 结构

　　5.1. 摄像机结构

　　5.2. FPFA内部结构

　　6. 设计特点

　　低码流和智能自适应是全球鹰摄像机的两个主要特点：

　　6.1. 低码流

　　为了获得低码流，首先要通过智能分析决定需要编码的图像，其次是对运动的图像做精确的预测，最后是根据码流确定合适的视频质量;

　　6.2. 智能自适应

　　影响码流的参数有QP、帧率、分辨率、智能分析灵敏度、滤波强度等，摄像机实时统计分析码流，通过自动调整参数获得合适的码流;

　　7. 技术指标

　　7.1. FPGA

　　EP4CE115(ALTERA)

　　7.2. 视频

　　传感器：Aptina AR0331, 1/3”CMOS, 2.2um pixel, 39db S/N, 100db WDR;

　　视频1：1920x1088x11fps，1440x1088x15fps，1280x720x25fps，1136x640x25fps，1024x768x25fps，960x544x25fps，800x480x25fps，

　　704x576x25fps，640x480x25fps，512x384x25fps，480x320x25fps，400x240x25fps，352x288x25fps，320x240x25fps，最小帧率为2;

　　视频2：分辨率同视频1或者为1/4，帧率同视频1或更少;

　　视频3：分辨率为视频1的1/4或者1/16，帧率同视频1或更少;

　　编码器：H.264 main profile with cabac;

　　多码流：两个码流可以同时被访问，如果两个访问都是来自互联网，需要设置合适的分辨率和帧率;

　　变焦和云台：1～8倍，电子云台;

　　7.3. 音频

　　内置麦克风，耳机输出，双向，16Kbps/32Kbps G.726, 64Kbps G.711(A-Law);

　　7.4. 图像处理

　　去马赛克，滤波，锐化，GAMMA校正，自动白平衡，自动曝光控制，OSD，视频智能分析，背景建模，多区域隐私、运动检测和入侵检测;

　　7.5. 网络

　　MAC：100M全双工以太网;

　　协议：UDP，TCP，RTP，RTSP，DHCP，NTP，HTTP，FTP，SMTP和DDNS;

　　RTP传送：支持RTP over UDP或者RTP over RTSP;

　　平均码流：16～8128kbps

　　7.6. 接口

　　RJ45(POE)插座，DC12~48V插座，3.5mm耳机插座，RS232/485接口，1个通道光电隔离数字输入，1个光电隔离数字输出(250V，0.2A);

　　7.7. 扩展

　　WIFI，SD卡插座，大功率光电隔离驱动，433M无线接口;

　　7.8. PC客户端软件

　　多窗口显示，录像，回放，通话、区域定义;

　　7.9. 智能手机客户端软件

　　显示、录像、回放、通话;

　　7.10.WEB

　　参数设置、升级、报警接口;

　　8. 结束

　　全球鹰摄像机的设计已经完成，完全达到设计目标，视频质量清晰流畅，完全满足智能手机作为监控终端的要求。