網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)相比于PC 攝像機(jī)具有在監(jiān)控和安全等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中不可替代的優(yōu)勢，在未來將具有更廣闊的發(fā)展前景。本文介紹了基于意法半導(dǎo)體公司STv0676 的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)組成、工作模式以及發(fā)展趨勢。
視頻流解決方案的應(yīng)用正在迅速增多，這其中一些原因包括像SARS 這樣的疾病對社會的影響、不需要出差的可視會議以及安全/監(jiān)控等應(yīng)用。視頻流方案中攝像機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，過去我們曾聽說過PC 攝像機(jī)及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，但其工作原理有很大的不同。實(shí)際上這兩個(gè)概念一直就與PC 攝像機(jī)相關(guān)聯(lián)，但對于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來說，將其與PC 聯(lián)系在一起并不正確。PC 攝像機(jī)是指帶USB 接口的攝像機(jī)，絕大多數(shù)采用操作系統(tǒng)所提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件，用于舉行視頻會議或視頻聊天。
而在監(jiān)控技術(shù)方面則有兩種系統(tǒng)可用，一種是基于CCD 技術(shù)并使用模擬傳輸(PAL/NTSC) 的閉路電視攝像機(jī)，而另一種則是采用CCD
或CMOS 數(shù)字傳輸?shù)男孪到y(tǒng)。仔細(xì)考察一下這兩種系統(tǒng)所采用的技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)CMOS 技術(shù)對于該市場具有更大的優(yōu)勢：首先，CMOS 攝像機(jī)不需要不同的電壓，這意味著電源設(shè)計(jì)要簡單很多；其次，CMOS 攝像機(jī)最大的優(yōu)勢是集成了時(shí)序及ADC，這意味著圖像輸出已經(jīng)數(shù)字化，這有助于降低系統(tǒng)的整體成本。而在低光線亮度方面的性能，由意法半導(dǎo)體公司提供的CMOS 技術(shù)正在逐漸接近我們目前所使用的低亮度優(yōu)化像素技術(shù)的水平。此外，傳感器已能執(zhí)行一些處理算法來幫助提高視頻處理器的性能。
網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)
現(xiàn)在讓我們來看一看真正的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，或所謂的IP 攝像機(jī)。除了適合于家庭安全及家庭監(jiān)控以外，IP 攝像機(jī)將不可能取代PC 攝像機(jī)。這是因?yàn)槿绻覀兿胍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)來傳輸視頻或視頻和音頻，則至少需要一些像流媒體服務(wù)器這樣的設(shè)備。如果采用基于PC 的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要求PC 24 小時(shí)開機(jī)，這意味著極大的電力浪費(fèi)以及產(chǎn)生大量噪音。此外，如果我們想要將系統(tǒng)用于家庭使用，這種應(yīng)用還會降低PC 性能。相反，真正的IP 攝像機(jī)是構(gòu)建在嵌入式流媒體服務(wù)器基礎(chǔ)之上，這意味著攝像機(jī)擁有自己的流媒體服務(wù)器，而無需再使用PC，且只需插入以太網(wǎng)(集線器)，或使用無線以太網(wǎng)即可工作。
在圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，在客戶端僅使用了一臺PC，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是客戶可處于世界任何地方，只要有互聯(lián)網(wǎng)連接就可以通過攝像機(jī)觀察并進(jìn)行控制。該解決方案將具有更多的應(yīng)用。隨著移動電話擁有越來越多的數(shù)據(jù)通信方式可選，而且速度很快提高，將來有可能攝像機(jī)會通過運(yùn)動檢測或噪聲檢測來發(fā)出告警，可通過發(fā)送SMS 或直接撥打手機(jī)將視頻流傳輸?shù)绞謾C(jī)。此概念同樣適用于無人值守的辦公室情況。其它用途包括將攝像機(jī)安裝在門上，如有人按門鈴，攝像機(jī)即會撥打視頻電話，您可以通過視頻電話開門。
圖1
系統(tǒng)解決方案
從技術(shù)上考慮，意法半導(dǎo)體與臺灣Taifatech(臺發(fā)科技)公司共同合作提供真正的一站式解決方案(見圖2)。客戶只需修改其希望在客戶端瀏覽器中顯示的用戶界面即可，如果不修改，則他們能使用默認(rèn)界面并直接應(yīng)用。我們提供的解決方案是基于STv0676 協(xié)處理器以及我們的VGA 傳感器VV6501。該套方案允許通過USB 及所謂的“Digiport (數(shù)字端口)”來傳輸視頻。我們在該解決方案中所使用的Digiport 是一種可將并行數(shù)據(jù)傳輸給任何嵌入式系統(tǒng)的總線(8 位數(shù)據(jù)及2 位控制)。最大時(shí)鐘速度為1.5MHz，即每秒最多能傳輸1.5M 字節(jié)數(shù)據(jù)，這很容易就能傳輸30fps 的視頻。
圖2
圖3 為該解決方案組成框圖。在圖左邊，視頻處理器直接與傳感器相連，且用來控制所有必要的圖像處理功能，如自動白平衡(AWB)、自動曝光(AE)、色彩變換陣列(colour shifting matrix)、曝光區(qū)加重、缺陷像素糾正及色彩模型計(jì)算等。STv0676 可以工作在下面不同的模式來將圖像數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)。
圖3模式A STv0676 采用USB 模式，通過FIFO(先先進(jìn)先出)直接將圖像數(shù)據(jù)傳送至USB 端口。
模式B STv0676 采用主模式，且能將CCIR-656 、YcrCb 及RGB 7 位色彩數(shù)據(jù)流送至Digiport 。主模式意味著STv0676 能根據(jù)所選幀速率來為數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。在此模式下，它可以連接外部TV 解碼器并直接將信號傳送給電視機(jī)。
模式C STv0676 通過FIFO 將RGB24、YUV 及MJPEG 數(shù)據(jù)流送至Digiport。此模式限制
1.5MHz 的數(shù)據(jù)時(shí)鐘上，但系統(tǒng)將處于從模式，外部控制器將控制所有數(shù)據(jù)傳輸。 數(shù)據(jù)動態(tài)壓縮
在嵌入式環(huán)境中使用STv0676，意味著在模式C 下使用我們的系統(tǒng)時(shí)可以在異步模式下從STv0676 上讀出數(shù)據(jù)，使主MC
U 具有足夠的性能來處理其他任務(wù)。該解決方案的一個(gè)內(nèi)核是4KB 的FIFO。以我們所談?wù)摰拇罅繑?shù)據(jù)來說，此容量并不夠大，但視頻壓縮器(VC)有助于解決這個(gè)問題。VC 擁有建立動態(tài)壓縮率選擇的功能，這意味著基于FIFO 占空因子的VC 可決定壓縮率。例如，當(dāng)MCU 讀數(shù)快而FIFO 逐漸騰空時(shí)，VC 壓縮減少，而當(dāng)MCU 讀數(shù)慢，F(xiàn)IFO 逐漸滿時(shí)，VC 將盡可能多地壓縮。但所有這些都無法避免FIFO 溢出或空。FIFO 空時(shí)將產(chǎn)生空閑告警，而當(dāng)MCU 太慢以至于不能讀數(shù)時(shí)， FIFO 將出現(xiàn)溢出，且不會發(fā)出告警，但視頻流并沒有停止。實(shí)際上這種情況很少發(fā)生，因?yàn)橄到y(tǒng)可對數(shù)據(jù)率進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)在讓我們來看一下數(shù)據(jù)量，根據(jù)VGA 的分辨率可有以下的計(jì)算：
每幀的Bayer 圖案：640×480 = 307,200(像素)
YUV 每幀：307,200 ×2B = 614,400B / 1024 (KB) = 600KB。
例如，以非壓縮模式傳送30fps，意味著高達(dá)17.58MBps 的數(shù)據(jù)量。因此，唯一的辦法是采用數(shù)據(jù)壓縮。由于JPEG 壓縮是一種動態(tài)壓縮，故無法100% 地預(yù)測大小。例如，您想以10:1 的比例來壓縮一幀，這意味著VC 試圖達(dá)到此比率，但實(shí)際上有時(shí)很容易達(dá)到有時(shí)又不能達(dá)到。值得一提的是，所計(jì)算的數(shù)據(jù)量不僅僅是在計(jì)算器上除以10 那么簡單。鑒于此，VC 采用一種動態(tài)調(diào)整，故我們能擁有穩(wěn)定的4KB FIFO。因此我們VC 的壓縮比大約最大為80:1，但是實(shí)際情況是壓縮比為30:1 的效果可以接受，而更高則會引起太多的壓縮噪聲，是不能接受的。故按照30fps@VGA 來傳輸，所需的數(shù)據(jù)量將為600KBps。
本文總結(jié)
上面系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很簡明：先通過傳感器捕獲圖像，然后Stv0676 再處理并直接將MJPEG 傳輸給TF - 520 。TF - 520 為單芯片IP 服務(wù)器，它只需存儲器及以太網(wǎng)PHY，而像PCI 接口、MAC 以及用于TCP/IP 協(xié)議棧處理的特殊IP 等其他部分都已集成。如果設(shè)計(jì)成無線方式，則只需將一塊miniPCI WLAN 卡與系統(tǒng)相連，并改變固件即可獲得一種無線解決方案。
在產(chǎn)品路線圖規(guī)劃上我們將有進(jìn)一步的開發(fā)計(jì)劃，其中一種便是包括音頻以及可能高達(dá)兩百萬像素的更高分辨率，可進(jìn)行數(shù)字聚焦及圖片儲存，且仍能以30fps VGA 來通過互聯(lián)網(wǎng)傳送的解決方案。IP 攝像機(jī)必將擁有比USB 攝像機(jī)更光明的發(fā)展前景，我們將繼續(xù)推出可簡化我們生活的解決方案。