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    百萬高清監控攝像機清晰度原理剖析
    2015-05-18    16:14:00
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          高清清晰度對芯片和傳感器要求

      百萬高清度,是指網絡攝像機清晰度的一個級別,一般是指百萬及百萬以上像素和720P/1080i/1080P以上分辨率的高清攝像機,主要是跟攝像機所應用的傳感器有效像素數有關,另外跟攝像機輸出的分辨率也有關,像素越高,分辨率越大,清晰度越高。而傳統模擬相機因為是模擬信號,所以用掃描線來表達清晰度。
      目前在安防領域,百萬成為高清的分水嶺,市面上主流攝像機有百萬像素、130萬像素、200萬像素、甚至到500萬像素,1280×720分辨率實際像素數為92萬,從嚴格意義上講未達到百萬級別,所以也有人稱之為準高清,而1920×1080分辨率200萬畫質才是被公認的高清圖像。
      從成像原理上講,其實跟傳統的模擬相機基本一致,圖像通過鏡頭傳遞到傳感器上,通過傳感器感光后產生電信號,再通過ISP(ImageSignalProcessing)圖像處理,中間輔以3A專用電路進行曝光、光圈和聚焦等處理,最后進行按照特定的接口進行編碼輸出。
      大家在市場上經常會看到一些,高清200W,或高清1080P的宣傳,這時候有部分人就有點暈了,那高清的標準應該是什么呢,這里要注意一個誤區,單純的200W或1080P并不能完整的代表實際圖像的清晰度,實際圖像的清晰度需要經過專業的測試才能夠準確的判斷。比如:使用一百萬的傳感器,后面通過芯片放大至1080P進行編碼,那么實際輸出的圖像是無法達到200W的效果,反之將一個使用二百萬傳感器的攝像機配置為720P輸出,那么輸出的圖像也同樣不能夠達到200W的效果。
      所以,在實際應用中要求圖像傳感器實際像素數和最終輸出分辨率都達到所對應清晰度以上標準才能實現所需要的清晰度。


      百萬高清清晰度對芯片和傳感器要求
      根據成像原理上不難看出,攝像機的清晰度,跟鏡頭、傳感器、ISP密切相關,傳感器尤為重要,目前市場上的圖像傳感器分為CCD和CMOS兩大類,主要有Sony、Aptina、Omnivison等主流廠商供應。由于兩者之間的構造不同,CCD采用電荷耦合傳遞方式輸出,同一放大器進行信號放大,而CMOS則是每一個像素都有獨立的放大器,所以在相同面積及相同像素點時,CMOS的感光面積要小于CCD,同時由于每個放大器放大系數不一致的原因,所以CMOS在低照度情況下,CCD效果會更好一些,CMOS躁點較大。此外由于CMOS傳感器采用半導體最常見的CMOS工藝,可以輕易的將周邊電路集成到芯片中,工藝較CCD簡單,成本較低,并且隨著工藝的提升,CMOS在高像素、信號處理速度上的優勢逐漸體現,以及通過后端ISP對圖像效果的提升,CMOS在高清監控領域越來越多的被應用在高清攝像機中。
      后端ISP及編碼芯片,用于處理前端傳感器采集到的視頻信號,直接影響到呈現給用戶的圖像品質,不同的ISP用來匹配不同廠商的圖像傳感器。
      早期后端芯片一般由ISP和接口芯片組成,ISP用于進行圖像處理,處理后再進行壓縮或編碼處理,通過不同的接口輸出給用戶,一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種,在安防監控相機中一般有SDI高清攝像機和網絡高清攝像機,SDI高清攝像機是采用非壓縮方式的串行視頻信號輸出,網絡高清攝像機是按照H.264/MPEG/MJPEG算法編碼壓縮并通過網絡協議發送的視頻信號輸出。SDI因非壓縮緣故,視頻數據清晰度高,但帶寬要求也高,傳輸距離有限,在高清監控剛發展階段曾一度和網絡高清產品競爭。隨著網絡高清的快速發展,網絡高清已占據了大部分的高清監控市場,但在特定的應用場合,SDI還是具備一定的優勢。
      在早期應用方案中,ISP一般由廠商在FPGA或DSP芯片上自主開發,或選擇專用ASIC,主要有SONY等主流傳感器廠商以套片的方式提供,隨著行業的發展,Nextchip、Pixelplus等廠商也推出相關ISP芯片。ISP芯片主要搭載自動曝光、自動聚焦、自動白平衡電路,用于對圖像的線性糾正、噪聲去除、壞點去除、邊緣加強、白平衡、自動曝光控制等,使圖像更能接近真實的效果,所以ISP算法的優劣對圖像的質量影響是至關重要的。
      后端接口芯片,在上文中提到一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種,非壓縮輸出一般不會造成圖像質量的下降,而壓縮輸出的攝像機,會根據壓縮算法及壓縮比,對圖像造成不同程度的失真。市場上常見的壓縮編碼類SOC有TI、Hislicon、NXP、Ambarella等廠商。
      隨著技術的發展,大部分廠商已經將ISP及壓縮編碼融合在一起,形成單芯片解決方案,甚至還集成了智能分析的應用,如運動檢測、人臉識別、越界報警、自動去霧等功能,大大降低了高清攝像機的開發難度和BOM成本,這也是促進高清監控發展的關鍵因素。

          不同英寸傳感器成像效果
      不同英寸的傳感器對高清晰度有那些不同的成像效果和影響。
      圖像傳感器的尺寸,是指圖像傳感器對角線的長度,尺寸越大代表圖像傳感器面積越大,在同樣工藝下,面積越大,內部所集成的像素數越多,其所能提供的畫面分辨率也就越高,圖像就越清晰。例如:常見的1/3英寸,尺寸比為4:3的圖像傳感器,感應區域對角線長6mm,寬4.8mm,高3.6mm。
      另外大家知道,外界光線是通過鏡頭映射在靶面(圖像傳感器)上,再經過轉換形成電信號,那么在同樣環境下,靶面越大,預示著攝像機的視角越大,反之則越小。
      隨著高清晰度的提升,對圖像傳感器的像素數越大,為保障幀率不低于24或30幀的情況下,單位時間內處理像素數需要增加,表示處理速度需要提升,那么對于圖像傳感器的要求更高。CCD的信息采集方式,是以行為單位,串行讀取的方式,而CMOS傳感器可以同時讀取所采集到的電信號,速度上比CCD要快很多,所以在高清監控中CMOS的應用較為廣泛。
      CCD因技術起步早,技術成熟,成像質量上相對CMOS傳感器有一定的優勢,但成本也較高,所以在高端相機及攝像機上還是不可被替代的,日常應用中的數碼相機及廣電級攝像機都采用高分辨率CCD圖像傳感器。特別是廣電級攝像機采用高分辨率CCD,配備3CCD攝像機,利用3個CCD分別采集3個色度信號,最后通過合成從而達到高清晰度的圖像效果,當然價格也是較為昂貴的。

      高清晰度監控攝像機應用,網絡高清監控未來發展的前景
      紅蘋果電子是最早進入高清監控的廠商之一,自2009年首先推出高清矩陣產品,在連續幾年的發展中,我們投入大量的精力進行高清產品的研發,見證了高清監控的成長歷程。在整個高清監控發展過程中,由準高清到高清,甚至到4k的應用,由FPGA/DSP等到高集成化的單芯片解決方案,由高成本到低成本,由自定義到標準化,由單一產品到整套解決方案,標志著高清監控在安防行業中的發展成熟。
      從行業發展趨勢上,網絡高清監控是必然趨勢,目前網絡高清監控產品(如:前端相機、存儲、顯示等)已經完善和成熟,未來的發展將重點將在智能化、云服務及終端應用等環節。
      自安防行業智能化的實現,為滿足各行業的需求,安防產品會根據市場需求逐步的細分,安防產品也會逐漸趨向于多樣化,根據不同的應用環境及應用場合(如:交通、社區、家庭、物聯網)結合智能化的應用將產品進行細化,不再是原來的一套解決方案可以滿足大部分的需求。
      2014年前,高清監控產品受價格、帶寬、標準及老系統的影響,大部分企業市場并沒有達到預期值,但隨著技術的突破,高清監控已進入快車道,后續發展必將是由現有市場的快速膨脹,并向多樣化方向延伸,重新占領新市場的發展方向。
      目前H.265標準的推出,將網絡高清監控推向新的高點,為高清及超高清產品的推廣奠定了一個基礎,形成可持續發展的道路,同時應對編解碼芯片和相關產品會得到一個快速發展的空間。紅蘋果高清監控各系列產品也緊跟高清發展步伐積極進行產品升級換代,目前PM70高清數字矩陣、PE5128網絡高清數字鍵盤等產品已經站到了高清最前沿,期待大家有機會切身感受紅蘋果數字全高清視頻監控的完美體驗! 








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