网络摄像机作为一个特殊的混合产品，由于横跨网络与安防两大之前关系不大的行业，搞网络的不太懂监控、搞监控的不太懂网络，这给网络摄像机蒙上了一层神秘的面纱。本文将介绍网络摄像机核心技术——数字视频压缩技术。

　　网络摄像机是IP网络监控的前端产品，其主要结构就是通过内置一个嵌入式ARM芯片 + 硬件编码芯片，将图像传感器(CCD，COMS)采集的光电信号经数字转换后进行压缩，把高数据量的非压缩视频信号转变为(常见的压缩协议包括M-JPEG，MPEG-4，以及最新的H.264压缩技术)压缩信号进行网络传输的设备。除了具备传统模拟摄像机所有的图像捕捉功能外，机内通过内置数字压缩控制器和基于WEB的操作系统，使得视频数据经压缩加密后，通过局域网，Internet或无线网络送至终端用户。网络摄像机可以直接接入到TCP/IP、UDP网络中，因此这种系统主要的功能就是在联网上面，通过互联网或者局域网进行视音频传输。同样相对于模拟摄像机，网络摄像机能更简单地实现监控，特别是远程监控，能更简单地施工和维护、更好地支持报警联动、更灵活的录像存储、更丰富的产品选择、更高清的视频效果和更完美的监控管理。另外，网络摄像机支持WIFI无线接入、3G接入、POE供电(网络供电)和光纤接入。

　　网络摄像机主要包括三个技术层次，即成像(光电转换)、数字压缩和网络传输。

　　而本文谈的主要就是网络摄像机的视频压缩技术部分。压缩技术的好坏将会直接影响到整个网络监控成本。较高的码流会对网络传输交换机系统，以及存储系统，图像还原部分带来巨大的压力，所以压缩算法的优劣直接影响到整个网络监控系统的成本和最终的用户体验效果。

　　图像压缩编码标准

　　目前，网络摄像机采用的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.263、H.264、M-JPEG等。

　　MPEG4

　　所谓MPEG标准就是指由ISO的活动图像专家组制定的一系列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准。到目前为止，已经制定完成并批准执行的有：1991年批准的MPEG1、MP3;1994年批准的MPEG2;1999年批准的MPEG4和MP4。正在制定的标准有：MPEG7和MEPG21。

　　H.263

　　H.263是ITU-T提出的作为H.324终端使用的视频编解码建议，H.263经过不断完善和多次的升级已经日臻成熟，如今已经大部分代替了H.261，而且H.263由于能在低带宽上传输高质量的视频流而日益受到欢迎。

　　H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和“之”字形扫描编码，从而得到输出码流。H.263在H.261建议的基础上，将运动矢量的搜索增加为半像素点搜索;同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和PB帧编码等四个高级选项，从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。

　　H.264

　　随着HDTV的兴起，H.264规范频频出现，HD-DVD和蓝光DVD均计划采用这一标准进行节目制作。而且自2005年下半年以来，无论是NVIDIA还是ATI都把支持H.264硬件解码加速作为自己最值得夸耀的视频技术，H.264到底是何方“神圣”呢?

　　H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)联合组成的联合视频组(JVT，Joint Video Team)提出的高度压缩数字视频编解码器标准。

　　什么是H.264?H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联(ITU-T)”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织(ISO)”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组(JVT)共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码(Advanced Video Coding，AVC)，而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此，不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，还是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。[nextpage]

　　M-JPEG

　　M-JPEG技术即运动静止图像压缩技术，它把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩技术方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑。但M-JPEG只对帧内的空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高，图1、2为单帧/多帧技术示意图。

　　对于不同压缩算法我们也可以通过下面的图进行很直观的认识。

　　就以D1分辨率的网络摄像机来说，通过图3我们就能很直观地比较出在画面质量不变的情况下不同压缩算法对于码流的影响。

　　通过上面的压缩格式、帧率、码流对应图表1可以看到在D1的分辨率30FPS的情况下，采用H.264压缩算法的码流可以控制在1.3Mb以下;而如果采用M-JPEG压缩算法的话，码流将要达到7Mb。二种算法对于网络和存储部分的压力相差达到了5.3倍，从中也可以看出H.264相对其他压缩算法有着巨大的优势，也是客观的成本支出的比较。

　　目前，网络摄像机所采用的压缩算法的变化如图4所示。

　　从图4可知，到2012年以后，H.264压缩算法将占到80%以上的份额。

　　按现在网络摄像机的分辨率趋势来说，百万高清必然成为2012年的主题，其市场份额也将占到80%以上的份额。下图5是各种分辨率对应屏幕尺寸。

　　高清在图像的表现上也体现了其突出的优势。通过上面的表1也可以看出未来网络摄像机将必然采用H.264进行高清图像的压缩和传输，而H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为88GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB，H.264的压缩比达到惊人的102∶1! H.264为什么有那么高的压缩比?低码率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比，H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。

　　H.264算法的优势

　　H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的，其编解码流程主要包括5个部分：帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(Entropy Coding)。

　　H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后，最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。通过该标准，在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上，因此，H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。

　　H.264与以前的国际标准如H.263和MPEG-4相比，最大的优势体现在以下四个方面：

　　1、将每个视频帧分离成由像素组成的块，因此视频帧编码处理的过程可以达到块的级别。

　　2、采用空间冗余的方法，对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码(可变长编码)。

　　3、对连续帧的不同块采用临时存放的方法，这样，只需对连续帧中有改变的部分进行编码。该算法采用运动预测和运动补偿来完成。对某些特定的块，在一个或多个已经进行了编码的帧执行搜索来决定块的运动向量，并由此在后面的编码和解码中预测主块。

　　4、采用剩余空间冗余技术，对视频帧里的残留块进行编码。例如，对于源块和相应预测块的不同，再次采用转换、优化和熵编码。[nextpage]

　　H.264的特征和高级优势

　　H.264是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式，它既保留了以往压缩技术的优点和精华，又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点：

　　1、低码流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8， MPEG4的1/3。显然，H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。

　　2、高质量的图象：H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。

　　3、容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

　　4、网络适应性强：H.264提供了网络抽取层(Network Abstraction Layer), 使得采用H.264压缩的视频图像能容易地在不同网络上传输(例如互联网，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

　　而针对网络摄像机视频需要网络传输的特性，H.264算法在概念上可以分为两层：视频编码层(VCL：Video Coding Layer)负责高效的视频内容表示，网络提取层(NAL：Network Abstraction Layer)负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。在VCL和NAL之间定义了一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于NAL的一部分。这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。

　　VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。与前面的视频编码标准一样，H.264没有把前处理和后处理等功能包括在草案中，这样可以增加标准的灵活性。

　　NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列结束信号等。例如，NAL支持视频在电路交换信道上的传输格式，支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式。NAL包括自己的头部信息、段结构信息和实际载荷信息，即上层的VCL数据。(如果采用数据分割技术，数据可能由几个部分组成)。

　　H.264 规范中包含了用于差错消除的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，如移动信道或IP信道中传输的健壮性。

　　为了抵御传输差错，H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成，空间同步由条结构编码(slice structured coding)来支持。同时为了便于误码以后的再一次同步，在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点。另外，帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。

　　除了利用量化步长的改变来适应信道码率外，在H.264中，还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从总体上说，数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的服务质量 QoS。例如采用基于语法的数据分割(syntax-based data partitioning)方法，将每帧数据按其重要性分为几部分，这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可以采用类似的时间数据分割方法，通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。

　　在无线通信的应用中，可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。可是，在多播的情况下，要求编码器对变化的各种比特率进行响应是不可能的。因此，不同于MPEG-4中采用的精细分级编码FGS(Fine Granular Scalability)的方法(效率比较低)，H.264采用流切换的SP帧来代替分级编码。

　　结语

　　随着网络摄像机视频压缩技术的日益完善并深入人心，网络建设基本完成，平安城市如火如荼开展，更加说明网络摄像机的潜在市场。2008年北京奥运会 网络监控项目的成功实施; 2010年上海世博会 的成功实施;2011年深圳大运会中的大展手脚，中国这个世界人口最多的国家将营造一个史无前例的监控市场，而网络摄像机作为第三代网络监控技术的新宠将走在风口浪尖，尤其高清H.264网络摄像机的市场需求，将会获得长足的发展。