網絡攝像機相比于PC 攝像機具有在監控和安全等諸多應用領域中不可替代的優勢，在未來將具有更廣闊的發展前景。本文介紹了基于意法半導體公司STv0676 的網絡攝像機系統組成、工作模式以及發展趨勢。
視頻流解決方案的應用正在迅速增多，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/監控等應用。視頻流方案中攝像機是關鍵設備，過去我們曾聽說過PC 攝像機及網絡攝像機，但其工作原理有很大的不同。實際上這兩個概念一直就與PC 攝像機相關聯，但對于網絡攝像機來說，將其與PC 聯系在一起并不正確。PC 攝像機是指帶USB 接口的攝像機，絕大多數采用操作系統所提供的標準軟件，用于舉行視頻會議或視頻聊天。
而在監控技術方面則有兩種系統可用，一種是基于CCD 技術并使用模擬傳輸(PAL/NTSC) 的閉路電視攝像機，而另一種則是采用CCD
或CMOS 數字傳輸的新系統。仔細考察一下這兩種系統所采用的技術可以發現CMOS 技術對于該市場具有更大的優勢：首先，CMOS 攝像機不需要不同的電壓，這意味著電源設計要簡單很多；其次，CMOS 攝像機最大的優勢是集成了時序及ADC，這意味著圖像輸出已經數字化，這有助于降低系統的整體成本。而在低光線亮度方面的性能，由意法半導體公司提供的CMOS 技術正在逐漸接近我們目前所使用的低亮度優化像素技術的水平。此外，傳感器已能執行一些處理算法來幫助提高視頻處理器的性能。
網絡攝像機
現在讓我們來看一看真正的網絡攝像機，或所謂的IP 攝像機。除了適合于家庭安全及家庭監控以外，IP 攝像機將不可能取代PC 攝像機。這是因為如果我們想要通過網絡來傳輸視頻或視頻和音頻，則至少需要一些像流媒體服務器這樣的設備。如果采用基于PC 的系統，這種系統要求PC 24 小時開機，這意味著極大的電力浪費以及產生大量噪音。此外，如果我們想要將系統用于家庭使用，這種應用還會降低PC 性能。相反，真正的IP 攝像機是構建在嵌入式流媒體服務器基礎之上，這意味著攝像機擁有自己的流媒體服務器，而無需再使用PC，且只需插入以太網(集線器)，或使用無線以太網即可工作。
在圖1 中可以發現，在客戶端僅使用了一臺PC，該系統的優點是客戶可處于世界任何地方，只要有互聯網連接就可以通過攝像機觀察并進行控制。該解決方案將具有更多的應用。隨著移動電話擁有越來越多的數據通信方式可選，而且速度很快提高，將來有可能攝像機會通過運動檢測或噪聲檢測來發出告警，可通過發送SMS 或直接撥打手機將視頻流傳輸到手機。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安裝在門上，如有人按門鈴，攝像機即會撥打視頻電話，您可以通過視頻電話開門。
圖1
系統解決方案
從技術上考慮，意法半導體與臺灣Taifatech(臺發科技)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，則他們能使用默認界面并直接應用。我們提供的解決方案是基于STv0676 協處理器以及我們的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 是一種可將并行數據傳輸給任何嵌入式系統的總線(8 位數據及2 位控制)。最大時鐘速度為1.5MHz，即每秒最多能傳輸1.5M 字節數據，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)、曝光區加重、缺陷像素糾正及色彩模型計算等。STv0676 可以工作在下面不同的模式來將圖像數據輸出系統。
圖3模式A STv0676 采用USB 模式，通過FIFO(先先進先出)直接將圖像數據傳送至USB 端口。
模式B STv0676 采用主模式，且能將CCIR-656 、YcrCb 及RGB 7 位色彩數據流送至Digiport 。主模式意味著STv0676 能根據所選幀速率來為數據提供時鐘。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。
模式C STv0676 通過FIFO 將RGB24、YUV 及MJPEG 數據流送至Digiport。此模式限制
1.5MHz 的數據時鐘上，但系統將處于從模式，外部控制器將控制所有數據傳輸。 數據動態壓縮
在嵌入式環境中使用STv0676，意味著在模式C 下使用我們的系統時可以在異步模式下從STv0676 上讀出數據，使主MC
U 具有足夠的性能來處理其他任務。該解決方案的一個內核是4KB 的FIFO。以我們所談論的大量數據來說，此容量并不夠大，但視頻壓縮器(VC)有助于解決這個問題。VC 擁有建立動態壓縮率選擇的功能，這意味著基于FIFO 占空因子的VC 可決定壓縮率。例如，當MCU 讀數快而FIFO 逐漸騰空時，VC 壓縮減少，而當MCU 讀數慢，FIFO 逐漸滿時，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 空時將產生空閑告警，而當MCU 太慢以至于不能讀數時， FIFO 將出現溢出，且不會發出告警，但視頻流并沒有停止。實際上這種情況很少發生，因為系統可對數據率進行計算。現在讓我們來看一下數據量，根據VGA 的分辨率可有以下的計算：
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17.58MBps 的數據量。因此，唯一的辦法是采用數據壓縮。由于JPEG 壓縮是一種動態壓縮，故無法100% 地預測大小。例如，您想以10:1 的比例來壓縮一幀，這意味著VC 試圖達到此比率，但實際上有時很容易達到有時又不能達到。值得一提的是，所計算的數據量不僅僅是在計算器上除以10 那么簡單。鑒于此，VC 采用一種動態調整，故我們能擁有穩定的4KB FIFO。因此我們VC 的壓縮比大約最大為80:1，但是實際情況是壓縮比為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，所需的數據量將為600KBps。
本文總結
上面系統的實現很簡明：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 服務器，它只需存儲器及以太網PHY，而像PCI 接口、MAC 以及用于TCP/IP 協議棧處理的特殊IP 等其他部分都已集成。如果設計成無線方式，則只需將一塊miniPCI WLAN 卡與系統相連，并改變固件即可獲得一種無線解決方案。
在產品路線圖規劃上我們將有進一步的開發計劃，其中一種便是包括音頻以及可能高達兩百萬像素的更高分辨率，可進行數字聚焦及圖片儲存，且仍能以30fps VGA 來通過互聯網傳送的解決方案。IP 攝像機必將擁有比USB 攝像機更光明的發展前景，我們將繼續推出可簡化我們生活的解決方案。