IP摄像机

１.图像质量佳：数字信号的使用可以将电路部分引入噪音的影响忽略不计。同时由于数字记录的特点，磁带的本底噪音对重放的图像信号的影响几乎没有，因此重放图像清晰干净，质量极佳；

２.记录密度高，机器体积小：数字记录能有效减小记录磁迹的宽度，提高磁带的记录密度，现在标准的摄像机使用的MiniDV磁带仅火柴盒大小，但在标准ＳＰ走带速度下可记录６０分钟的内容，ＬＰ慢录时可记录９０分钟（使用ＤＶＭ６０磁带）。磁带体积的缩小使机器的体积相应地缩小，从而出现了比手掌还小的真正的“掌中宝”摄像机。

３.在记录过程中采用纠错编码，使得重放时磁带的信号失落可以得到有效补偿，画面失落少。

４.可靠性高：数字电路的高度一致性以及数字信号对电路性能离散性的低敏感使得数字摄像机里使用机械方式进行调整的电路部分几乎为零，大大提高的机器的可靠性，延长的机器的使用寿命。

５.低使用成本：由于数字摄像机走带张力很小，仅数克，对磁头及磁带的磨损相应地减小，作为最贵重元件之一的磁鼓的使用寿命大大延长，使得维修费用相应地降低，从而降低使用成本。

６.完美的录音音质：数字摄像机的音频部分采用数字ＰＣＭ方式记录到磁带上，具有极高的保真度，在１６比特记录时其音质可以达到ＣＤ母盘的质量。

 

　　IP摄像机将图像转换为基于TCP/IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口或WIFI WLAN无线接口直接传送到网络上，通过网络即可远端监视画面。

　　IP摄像机采用了最先进的摄像技术和网络技术，具有强大的功能。内置的系统软件能实现真正的即插即用，使用户免去了复杂的网络配置；内置的大容量内存存储警报触发前的图像；内置的I/O端口和通讯口便于扩充外部周边设备如：门禁系统，红外线感应装置，全方位云台等。提供软件包(SDK)便于用户自行快速开发应用软件。

 

　　网正（BNT）的IP摄像机广泛应用于教育，商业，医疗，公共事业等各方面领域。

 

IP摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。
　　

1、镜头　

镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，与模拟摄像机相同。
　　

2、图像传感器、声音传感器

　
　　图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体，CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现杂点。
　　CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。
　　通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途的某些特性。这一部分与模拟摄像机相同。 声音传感器即拾声器或叫麦克风，与传统的话筒原理一样。
　　

3、A/D转换器

　
　　A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。
　　基于CMOS模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口，无须A/D转换器；而基于CCD模式的图像传感器模块如有直接数字输出的接口，亦无须A/D转换器，但由于此模块主要针对模拟摄像机设计，只有模拟输出接口，故需要进行A/D转换。
　　

4、图像、声音编码器

　 　　经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或标准进行编码压缩。编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化；便于在计算机系统、网络以及万维网上不失真地传输上述信号。
　　目前，图像编码压缩技术有两种：一种是硬件编码压缩，即将编码压缩算法固化在芯片上；另一种是基于DSP的软件编码压缩，即软件运行在DSP上进行图像的编码压缩。同样，声音的压缩亦可采用硬件编码压缩和软件压缩，其编码标准有MP3等格式。
　　

5、控制器

　　
　　控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。
　　

6、网络服务器

　　
　　网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用了RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相关网络协议，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台。
　　

7、外部报警、控制接口

　　
　　网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。
　　网络摄像机的基本原理是：图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器的声音传感器转化为电信号，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，再控制器的控制下，由网络服务器按一定的网络协议送上局域网或INTERNET，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。
　　

8、图像的编码标准

　　
　　目前，网络摄像机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经过不断地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，在运动补偿的DPCM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象素点搜索；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
　　H.264是ITU-T的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合视频组开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG4的第十部分。

　　在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50％左右的码率，比目前根据MPEG4实现的视频格式在性能方面提高33％左右。

　　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，可进行精确到帧地编辑。但M-JPEG只对帧内地空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。

 

IP摄像机网络方案

    IP摄像机利用目前的网络技术，在网络上进行图象传输，它针对动态IP用户、XDSL拨号上网的 PPPoE用户提供动态域名解析功能，还支持PPPoE拨号服务功能。

    针对目前国内两种上网方式：WEB认证和PPPoE拨号认证，下面我们分析三种网络实现方案：

    1. 通过共享路由器和xDSL调制解调器，IP Camera对图象在网络上进行传输

    这是目前最多的网络接入方式, 只要具有路由器共享的地方，路由器RJ45端口直接联接到IP摄像机，就可以于普通PC接入网络模式一样来接入internet.。

    2. IP Camera 连接 HUB和 xDSL

    这里,用户需要在IP Camera上面设置PPPoE拨号， 输入 ISP服务商提供的用户名称和密码，允许 IP Camera 拨号到 internet。

    3. IP Camera直接连接到调制解调器

    与前面第二相同，也需要设置PPPoE拨号。

   

1 概述

IP摄像机的最大特点在于信号数字化。它由成像芯片CCD将静止或活动的图像分解成像素，并转换成电信号。这些信号由数字摄像机内的数字信号转换器转换成数字信号，再经微处理器进行图像处理和数据压缩编码后送到内部或外部存储器，同时也可送到LCD/TV显示屏。

存储器中的数字信息通过接口输入电脑再变成图像。借助于CPU所提供的图像处理软件，按人们意愿进行加工、编辑等处理，然后由彩色打印机制成一张理想的图像。更重要的是，数字委员会还能通过电脑网络传到世界各地。

与模拟摄像机相比较，数字摄机具有如下特点：

图像以数字方式存储，这样便于保存、传送和重复使用，从而免除胶片冲洗和图像扩印。

利用电脑可对图像进行修改、编辑等加工处理，也可输入电视和上网观看。

可通过电脑网络进行远距离传送，且具有速度快、干扰小、质量高等优点。本文介绍的数字摄像系统是由单片大规模集成电路LSI组成，它能以30帧/s的速率传送全运动图像或连续图像，并具有体积小、功耗低、传输速度快、分辨率高的特点。

2 工作原理

数字摄像系统的原理如图1所示。该系统由CCD信号处理器、 M-JPEG编解码器、32位RISC-CPU、NTSC编码器、DRAM控制器和各种外设接口等组成，是典型的嵌入式系统。

来自CCD的信号，经彩色校正的Y/C分离后，通过A/D转换器转换为10位的数字信号，写入动态存储器DRAM中的帧缓冲器，作为YUV（4：2：2）图像数据。这些数据又被传送到NTSC/PAL编码器进行编码，最后由LCD显示习显示。当释放快门时，这些数据同样要传送到M-JPEG芯片中，经1/10和1/20压缩编码处理后存储到DRAM中的JPEG编码区域。RISC-CPU把压缩数据转换成文件格式数据，然后写到外部存储器中，如微驱动。在放像时，数据的流向与上述（摄像）相反。解码后的图像在LCD显示屏上显示。

该系统采用三总线分技术，即把信号总线（228 MB/s）、CPU总线（114 MB/s）和外设总线（57 MB/s）分开，使用RISC芯片（32位嵌入式微处理器）能有效、高速地处理信号，以避免需要存储大容量图像数据和外设处理速度慢的矛盾。这种总线分离技术不仅能解决通信拥挤问题，还能实现高速、高分辨率图像处理、是该系统重要特点这一。

3 几个重要电路

3.1 CCD信号处理电路

为了能对1360×1042（1.5M）像素的信号进行实时处理，该电路采用像素原色逐行扫描CCD摄像技术。CCD信号处理器是数字摄像机（DSC）中的关键电路，它的优劣将直接影响DSC的性能。该电路由原始数据校准模块、彩色处理模块、数字放大模块、RGB-YUV转换模块和图像质量调节模块组成，如图2所示。其中原始数据校准模块由数字钳位、像素校准白色平衡、自动强制和伽码校准电路组成。

利用4个行存储器，彩色处理模块能把原始CCD数据转换为RGB数据。为了减小行存储器的容量，特在信号处理模块中采用新型扫描技术，好把图像帧分成若干小块，分别在各自小块进行扫描。

与普通CCD信号处理电路相比，该电路具有如下特点：

（1）只需要4个行存储器，就能实现高质量和高速图像放大处理。

（2）具有软件功能的固件设置，能对图像质量进行微调。

（3）利用流水线方式完成CCD实时信号处理，在实时处理时，只有把数据送入DRAM后，才驱逐把来自CCD的原始数据转换成YUV数据。

3.2 M-JPEG编解码电路

本系统采用一种新型运动JPEG编解码技术，能在57MHz时钟条件下，以88帧/s的速率对VGA （350×10 3像素）图像进行压缩编码和解码处理。这种新型编码技术具有下列优点：

（1）每个图像是独立的，很容易进行限幅和编辑处理；

（2）JPEG与MPEG相比较，前者所需电路较少，能显著降低功耗和成本。

M-JPEG编解码电路如图3所示。从图3中看出，该电路由5个模块组成。当进行编码处理时，数据流向是向左的；当进行解码处理时，数据流向是向右的。若对以8×8像素为单元的并不模块进行高速流水线处理，可采用新型的M-JPEG编解码技术，并以不同速率对VGA、XGA、1.5M图像进行编码和解码处理。

M-JPEG编解码的速率如表1所列。

从表1中看出，当工作频率或时钟频率为57MHz时，使用新方法对VGA像素和1.5M像不比进行编解码处理时，它们的速率分别为88帧/15帧/s，比过去的方法快4倍。这样不仅能使DSC进行高速图像拍摄和实时处理，而且还能大大节省总的编码时间。

表1 M-JPEG编解码速率

像素大小 VGA/(帧/s)（350K像素） XGA（帧/s）（800K像素） 1.5 M像素/（帧/s）

过去方法（fc=24MHz） 22.5 9 4

新方法（fc=57MHz） 88 34 15

3.3 RISC CPU

RISC CPU是单片数字摄像系统的核心电路，它是一个32位RISC嵌入式微处理器。该电路内含有4KB的数字存储器和4KB的程序存储器及多个累加器，能在576MHz频率下工作。在DSC系统中，RISC CPU能够处理编辑图像、实时摄像机控制、声音的录/放、产生图像文件和各种软件控制。

3.4 三总线结构

为了能够对图像进行高速、高分辨率的实时处理，本系统采用三总线分离技术。第一条总线叫信号总线，具有最高的传输速率（228 MB/s），与图像处理器件相连。第二条总线叫CPU总线，是一种CPU局部总线，传输速率适中（114 MB/s）。它能通过CPU总线与信号总线相连。能直接对DRAM进行访问。第三条总线叫外设总线，传输速率最低（57 MB/s），能连到低速工作的外设电路。

3.5 电源管理

为了节电，本系统使用两种电源管理技术：一种是时钟频率调节技术；另一种是时钟挂起控制技术。

时钟频率调 节技术是根据CPU所需要的处理量来调节时钟频率的值，通常可在57MHz、28MHz和0 MHz选择。当把图像数据录到卡式存储时，时钟频率为57MHz；当CPU控制CCD中的AF、AE和AWB中，时钟频率为28MHz；当CPU不处理时，时钟频率为0 MHz。这种技术能使功耗降低到最大值的20%。

时钟挂起控制技术是把时钟馈电挂在非作用功能模块，并把时钟分成27份。根据摄像机工作模式，利用功能模块和固件改变挂起时钟，从而使整个系统的功耗降低。

另外，芯片采用不同电源供电技术，即芯片内部用低电源电压（2.5V）供电，而I/O引脚用3.3V电源供电。这种供电技术也能大大降低电源的功耗。

4 性能

4.1 单块芯片的性能

本系统的单块芯片是目前较新的大规模集成电路LSI，其主要性能如表2所列。

表2 芯片主要性能

处理技术 0.25um,3层CMOS门阵列

时钟频率/MHz 最大值为57

芯片面积 10.1mm X 10.1mm

晶体管数量/个 3.35 X 10 6

电源电压/V 2.5（芯子）/3.3（I/O）

功耗/mW 700

RISC

CPU 时钟频率/MHz 57

存储器/KB 4+4

封装 FBGA封装，324引脚

4.2 单片数字摄像机的性能

利用单块芯片组成摄像机，这是SoC（System on Chip）的典型应用。摄像机的主要性能如表3所列。

表3 DSC的主要性能

CC传感器 12.7mm(1/2in),1.5 X 10 6像素PS-CC

图像分辨率 1360 X 1024像素

压缩格式 M-JPEG

记录媒体 小型快速存储器（94MB），微驱动（340MB）

处理时间 0.8s(编码)，0.6s（放音或放像）

图像容量（微驱动） 静止：4800图像，视频：50

视频限幅 VGA：15帧/s X 5，QYGA：30帧/s X 5

连续摄像（1.5像素） 20个图像（7.5个图像/s）

声音 8位16KHz

其它 LCD监视器（45.7mm,110X10 3像素）

电池：AAX2

体积：110mmX63mmX40mm

质量：220mg（主要元件）

引 言

本文以BASLER A202k面阵 CCD摄像机的配置为目标设计嵌入式摄像机配置系统。BASLER公司提供了2种摄像机配置方案：一是利用该公司提供的摄像机配置软件CCT+(Camera Configuration Tool Plus)，二是利用该公司提供的二进制配置命令，由用户编程实现。本文采用二进制配置命令，通过设计的嵌入式系统配置摄像机。该摄像机的二进制配置命令帧格式如下：

起始字 描述字 数据段 BCC 结束字BCC是块检查字(Block Check Character)，需要由用户计算。主要的配置命令及其二进制帧格式如表1所示。

表中02h是起始字;03h是结束字。此外还有测试图像命令、选择启动点，视频输出格式选择、水平Binning和竖直Binning等命令。摄像机配置和摄像机特性的关系为：AOI(area of interesting)用于局部扫描的控制，Binning用于分辨率的控制，定时器用于曝光时间的控制等。

1 系统结构与原理

设计的摄像机配置系统所在的图像处理系统框架如图1所示。

其中RS232和RS644是控制通道所用的协议，即摄像机配置系统的通道; LVDS和Camera Link是数据通道用到的协议。

根据所在系统的通道协议和摄像机的配置命令，同时考虑到必要的人机交互，设计了摄像机配置系统3大模块：数据处理模块，对二进制配置命令进行必要的处理;通信模块，通过RS232串口收发摄像机配置命令;人机接口模块，用于对摄像机配置的调节更改以及配置参数的显示。此外还有支持处理器工作的时钟、电源等。系统的结构如图2所示。

系统的工作原理为：处理器接收数据输入，根据接收到的输入执行相应的操作，通过串口读写配置命令，从而达到对摄像机的配置调节，并根据需要显示配置参数。

2 硬件设计

由于高的性价比，单片机广泛应用于信号检测、信号处理、数据采集和控制系统中。设计的系统以AT89C51AC2单片机为处理器，以拨码开关、键盘阵列为调节输入，以数码管作为显示输出。同时利用了键盘/显示芯片Intel 8279简化系统设计。串口芯片选用MAX232A。系统工作时钟为11.059 2 MHz，整个系统采用+5 V单电源供电。系统的硬件结构图如图3所示。

以下介绍开关电路、键盘显示电路的设计和功能分配;串口电路和其他电路为单片机系统的常规电路，故此从略。

2.1 开关电路

利用单片机P1口的直接输入/输出功能，接开关和LED，单片机复位时，P1口皆为高电平，常态为高电平， LED不亮。当某一开关接通时，对应的P1.i口被拉成低电平，对应的LED亮。开关电路及其功能分配如表2所示。

2.2 键盘/显示电路

Intel 8279有键盘处理和自动显示功能。在8279内部有2个RAM：一是键盘 FIFO堆栈/传感器RAM，具有自动消抖动和双键互锁功能;另一个是显示RAM，最多可为16个数码管提供RAM。

设计的系统需要用到6个数码管，因此需要扩展8279的扫描输出线。选用3～8译码器74LS138来扩展，同时设8279的工作方式为外部译码方式。由于8279的驱动能力较弱，采用74ls06驱动。数码管编号为D0～D5。D0和D5分别表示显示数据的最低位和最高位，其余类推。

系统中采用30个键盘，编号为S0～S29，代表的操作如表3所示。

3 软件设计

软件系统的总体思想如下：首先对单片机和8279进行初始化，然后通过单片机，把不需要调整的命令送到摄像机对摄像机进行控制;再写进另一部分命令，先给一定的初值，送到摄像机，可以根据需要随时通过键盘进行调整，这部分命令一直存储于单片机的RAM。然后单片机不断查询键盘和开关，一旦有动作，就调用与动作相对应的子程序进行相应的处理。主程序流程图如图4所示。

3.1 存储单元的分配

AT89C51AC2内部有256 b的片内RAM，其中有一半为特殊寄存器，剩下的另一半可供用户自由使用。128 b的RAM不能存储所有的摄像机配置命令。为简化电路，硬件电路不外接RAM，系统采用分时复用策略使用这128 b的RAM。RAM的分配如下：00h到07h是寄存器R0到R7。08h到0fh用以传送开关命令和暂存从摄像机读回的命令;10h到15h用以暂存经过调整要传送给8279的显示RAM的数据;16h到18h用以暂存从命令帧中提取的数据;19h到1ch用以暂存命令数据的上下限。20h之后的RAM，用以存放经常调整的摄像机配置命令。

3.2 数据处理

3.2.1 显示预处理

从摄像机读回的命令中提取的命令值在写进8279显示RAM之前要做一定的调整。为简化程序，在显示子程序中，数据的显示代码(共阴极)只列了从00h到0fh的16个。而命令值的一个字可以是00fh到ffh中的任意一个，从10h到ffh的数值必须转换为00h到0fh的组合来显示，如ffh一个字变为两个字：0fh和0fh。

3.2.2 数据判限和计算

对于大部分的摄像机配置命令，数据段的值只有在一定的范围内或是一定值的组合时才是有效的。但是摄像机本身并不执行这些数据限制的检查。这项功能由软件编程实现。数据计算包括数据值的加一操作和数据值的减一操作。

3.2.3 BCC计算

BCC是命令帧中的描述字段和数据段的按位异或和(XOR)，需要在数据处理中计算。

3.3 人机接口

人机接口的软件设计主要是8279的3个基本程序：一是8279初始化程序，二是显示程序，三是键盘处理程序。初始化程序主要是送入各种命令字，给8279送键盘/显示方式命令、分频系数命令和清除命令等，在主程序的初始化部分被调用。显示程序和键盘处理程序在主程序的按键查询部分被调用。

3.4 串口通信

在RAM中开辟发送数据存储区，首址为feedback(开关操作实现)和comdata(键盘操作实现)，接收数据的首地址为feedback(与发送分时复用)。用R0存储数据发送的地址;用R1存储发送数据的字节数;用R2存储待发送数据的地址;用R3存储待发送数据的字节数。单片机把数据从接收缓冲器中读出和把数据写入发送缓冲器。通过检测是RI置位，还是TI置位来决定单片机是进行发送操作还是进行接收操作。发送和接收都是通过调用相应的子程序来完成。

4 实验结果

本文的设计在Protel Dxp(硬件设计)和伟福编译器上(软件设计)实现。利用本文设计的摄像机配置系统结合实验室研制的DSP图像采集处理器实现了对BASLERA202k面阵CCD摄像机的实时参数配置调节，为采集高质量的实时图像提供了有力的保证，满足了工程的应用需要。

5 结 论

利用介绍的数字摄像机二进制编程配置方法，以Basler A202K面阵CCD摄像机的配置为对象设计了基于单片机的嵌入式数字摄像机配置系统。该系统可作为嵌入式图像采集和处理系统的子系统，通过少量软件修改可应用于其他摄像机的配置。