‧ 高清視頻晶片技術發展趨勢

【轉載】中國安防網

　　隨著近兩年尤其是2010年高清視頻監控產品的應用取得突飛猛進的發展，預計在接下來的1-2年，市場對高清產品的需求將呈現井噴的趨勢，需求量的提升一方面會帶來更高性能和更多功能的需求，另一方面也會帶來差異化競爭的進一步加劇。而高清視頻SoC作為最能影響到這兩者的核心部分，其技術的演進和性能的提升對高清視頻終端的市場狀況起到決定性作用。

影像晶片在視訊系統中的功能

　　在討論高清視頻SoC的技術發展趨勢前，我們先簡單的分析一下目前高清視頻終端（前端）產品的常見組成架構。一般的高清視頻終端分為感測器、ISP、編碼壓縮或轉換三個常見部分，部分高清相機還會包含一個智慧處理器。

1.    感測器，指得是我們常常提及的CCD Sensor或CMOS Sensor，如SONY的 ICX 445、ICX274、IMX035/036，Aptina的MT9M033，Omnivison的OV2715等等。主要作用是光電轉換，將光信號轉換為後端可以接收識別的電信號。

2.    ISP，即影像處理部分，我們常常提及的2A（AWB/AE）或者3A（AWB/AE/AF）都在這裡完成的。傳統模式下一般採用一顆DSP或者一顆FPGA來完成對圖像的後期處理。

3.    壓縮或轉換，感測器信號經過ISP部分處理後，一般以SMPTE296M/BT.1120等數位介面格式傳輸到後續的編碼壓縮或轉換部分，處理成壓縮後的TCP/IP信號或者非壓縮的HD-SDI信號。

4.    智慧視頻分析部分，一般採用一顆單獨的DSP來實現，通過該DSP實現視頻分析功能，如行為分析、視頻診斷、特徵識別等，由於受演算法性能有限和跨平臺移植的難度等限制，目前這類產品應用較少。

　　傳統意義上，這幾個部分是彼此分開的，不同的部分由不同的晶片來完成，隨著技術的發展，越來越多的晶片廠商將後面的兩個部分融合到了一起，例如NXP的ASC8850，Hisilicon即將發佈的Hi3516，這使得高清視頻終端的集成度越來越高，在這一個以融合為趨勢的大背景下，高清視頻SoC在多業務融合上的技術發展將是最關鍵的點。

　　在未來的1-2年，筆者認為高清視頻SoC在功耗、編碼性能、ISP、智慧分析、解碼和顯示幾個方面的技術突破和發展狀況將會深入影響到終端產品的發展。

更低的功耗

　　與以往的編碼晶片一般處於後端的DVR/DVS不同的是，高清的編碼和ISP晶片都處於前端攝影機部分。如果這些晶片的功耗較高導致發熱量較大，DVR和DVS可以用加裝散熱片或者製冷風扇的方式來保證設備的正常工作，但是在攝影機部分採取這些措施顯然不是最佳的選擇，即使安裝了這些設備能將整機溫度降低，也無形中增加了故障點和維護成本。

海思3516 晶片系統架構

　　最理想的情況是高清終端本身的功耗，降低到通過自然散熱即可以穩定工作的程度。這一方面要求高清視頻晶片本身功耗要更低，同時也要求其要求匹配的FLASH、DDR等周邊晶片的功耗也要盡可能的降低。但是功耗的降低和性能的提升又是一個矛盾，編碼能力為1080P的晶片會比編碼能力為D1的晶片要求更高的功耗。如何解決這個問題，就取決於晶片廠商的在這方面的技術實力了。

更高的編碼壓縮能力

　　隨著市場對高清視頻產品的解析度的要求不斷提高，一般的720P解析度已經有點捉襟見肘，200萬、300萬甚至500萬的需求在不斷湧現，同時，對不同格式碼流的需求也日益成為標準配置，這些對高清視頻晶片的壓縮能力提出了更大的挑戰。

富瀚8736 晶片系統架構

　　1.目前大部分的高清晶片如TI的DM368、海思的Hi3515/3516、NXP的ASC8850、富瀚的FH8736等都可以做到1080P，也就是可以做到200萬畫素的即時編碼壓縮，在300萬、500萬畫素下一般還無法做到即時的編碼，目前性能較高的晶片在500萬畫素時可以做到7-12幀，這已經相當優異。未來的發展趨勢肯定是保證主碼流在500萬甚至更高畫素下的即時編碼壓縮，最好還能提供1-2路即時編碼的D1或者720P子碼流，高畫素用於本地的預覽或儲存，低畫素用於遠端的網路傳輸。

　　2.雖然從2007年開始，H.264就已經成為安防用視頻設備的主要壓縮格式，但是隨著視頻設備在不同的行業領域的應用逐步深入，MPEG4和M-JPEG壓縮格式逐步又有了較多的需求，目前有的晶片已經可以同時支援H.264、MPEG4和M-JPEG三種壓縮格式了，區別在於是否能夠支持2個或者3個壓縮格式碼流的同步傳輸。視頻晶片能夠同時提供三個或以上壓縮格式的碼流，也是比較迫切的需求。

影像處理技術（ISP）的融合

NXP ASC8850 晶片系統架構

　　影像處理（ISP，Image Signal Processor）是攝影機裡不可缺少的部分，圖像經過CCD或者CMOS的採集後，需要經過後期的處理才可以較好的適應不同的環境，在不同的光學條件下都能較好的還原出現場細節。影像處理包含很多部分的功能，但是最主要的就是我們經常聽到的2A和3A，2A指的是AWB（自動白平衡）和AE（自動曝光），3A則是在2A的基礎上加上AF（自動聚焦）。

　　傳統的標清網路攝影機和目前市場上絕大多數的高清網路攝影機中，一般採用一顆獨立的DSP或者FPGA處理器來實現ISP功能，經過DSP或FPGA處理過的信號才再次進入編碼晶片進行壓縮處理。這種方式雖然具備較高的靈活性，使得開發者在選擇方案的時候有更多的組合，但是對於設備而言，一方面加大了整機功耗，另外也增加了設備的複雜程度，如果有集成度更高的晶片方案將ISP和編碼部分融合在一起無疑是更好的選擇。

影像處理技術的融合

    另外現在大部分內置ISP功能的視頻晶片對CMOS Sensor的支援都比較完善，可以直接對接各主要Sensor廠商的主要產品，但是對CCD Sensor的支援則相對有限，還需要開發者做二次轉換，要額外增加一片CPLD或者FPGA，除了在一定程度上降低了開發難度和週期，比較關鍵的BOM成本和整機功耗並無多大的優化。

整合智慧視頻技術

　　智慧分析技術經過幾年的發展，現在已經逐步轉變了原來技術先進、應用無望的尷尬局面，越老越多的在實際應用中得到普及，隨著高清時代的到來，信息量成倍增長的前提下，智慧視頻技術已經成為必不可少的手段。

　　早期的智慧分析功能主要在後端通過PC實現，後續陸續出現基於DVS或者DVR的形態，而隨著高清化的到來，智慧分析融合到前端的需求已經非常迫切，晶片性能的提高為該需求提供了可行性。

　　根據智慧視頻技術目前的應用情況，預計以下幾類分析演算法會最先在高清的前端產品中得到應用：視頻診斷演算法，主要用於判斷前端設備的工作狀態是否正常，是否有模糊、噪點、異常遮擋、視頻丟失等異常情況；行為分析演算法，主要用於對視頻監控場景內的運動物體行為的識別和判定等；人臉檢出和識別演算法，主要用於對監控場景中人臉特徵的檢出、識別和對比；智慧交通演算法，主要用於交通違章管理，屬於一類特定的行業應用。

　　按照現在的狀況，晶片廠商暫時還不具備成熟的條件直接在晶片中內置上述演算法，比較可行的辦法是在高清視頻晶片中預留一顆較高主頻的DSP或者ARM核心，開發者可以自己選擇將上述演算法中的某一部分或者全部移植到該DSP或者ARM上，形成帶智慧演算法的智慧相機。

完善系統配套晶片

　　系統配套產品主要指的是用於監控後端的產品，諸多現場經驗表明，高清的推廣必須以系統化的方式來做，出了有高品質的高清前端，還必須有完善的系統配套產品來解決傳輸、儲存和顯示等重要功能。

　　NVR和混合DVR用晶片，隨著高清的概念開始深入人心，NVR和混合DVR也逐步成為系統必備的產品。在NVR和混合DVR中使用晶片一般要求具備較強的業務處理能力，如清單管理、儲存管理、網路管理，同時對晶片的PCI等性能要求也較高。

　　解碼顯示晶片，主要用於高清圖像的顯示，一般要求晶片具備良好的顯示性能，同時盡可能多的支持多個輸出，最好支援HDMI或者DVI等數位高清的輸出介面，而輸出的顯示解析度則最少要求達到1080P，甚至更高。

　　目前業界主要的晶片製造商都已經意識到高清視頻晶片的整合化趨勢，並投入大量力量進行新一代高清晶片的研發，不管是率先推出ASC8850的NXP和推出DM368的TI，還是即將推出Hi3516的海思半導體，都已經開始在高度融合的高清視頻晶片上有所建樹，同時也還有一些有影響力的IC廠商正躍躍欲試，相信隨著晶片廠商的努力和推動，結合下游終端廠商的市場推廣和用戶需求的拉動，高度集成和高度融合的新一代高清視頻晶片會取得越來越大的發展，並逐步成為一個成熟的產業。