‧ 百萬高清攝影機 晶片種類及應用

來源:CPS中安網作者:羅進一

很多年以前業界就談到安防視頻監控領域的三個趨勢：數位化、網路化、智慧化。目前安防市場上視頻監控系統的主流產品，已經從十多年前的純類比視頻監控系統，逐步轉變成了純數位的百萬高清視頻監控系統，即從視頻採集、視頻傳輸、視頻錄影和重播，全部採用類比信號轉變為全部是數位元信號。

　　
　　相比於類比視頻監控設備，百萬高清數位攝影機大大提升了畫質，畫素達到1280×720、1920×1080或更高，因此有了“百萬高清”之名。同時，對比類比監控設備傳輸技術而言，數位視訊監控設備僅需普通網線，易於實現遠距離傳輸，更重要是降低了工程造價且易於維護。隨著純數位高清監控系統配套設備越來越齊全，解決方案越來越完善，它已經成為安防視頻監控領域不可逆轉的潮流，並佔據市場主導地位。

攝影機晶片的功能
　　從數位攝影機的組成結構來看，它主要由鏡頭、圖像感測器（CCD或者CMOS器件）、ARM/DSP等組成。鏡頭聚集被攝物體反射的光線至圖像感測器上，再由圖像感測器經過廣電轉換成數位視訊信號輸出給晶片，晶片進行一系列數位圖像信號處理（ISP）和資料壓縮之後，通過網路傳輸給後端解碼顯示裝置，進而實現視頻預覽、錄影、重播等功能。

　　從上面我們可以看出，攝影機晶片是整個攝影機裡面核心部件，它接收來自圖像感測器獲取的圖像，然後進行一系列的運算和處理，實現了數位網路攝影機的所有功能。

　　數位攝影機晶片，習慣上又稱之為SoC（System-on-Chip），它將處理器資源、記憶體資源、編解碼演算法、週邊設備介面等都集成在單個平臺上，其中大部分功能固化在晶片上，並且對一些特殊功能需求模組化，採用提供原始程式碼方式給使用者，使用者再根據不同的應用需求進行二次開發；除此之外，SoC還可以增加視頻輔助處理器以及其他視頻子系統，實現如預覽、縮放、光學處理、圖文疊加等功能，從而進一步增強視頻處理能力。

當前百萬高清攝影機晶片 廠家及產品
　　SoC方案作為高清數位攝影機晶片解決方案，能夠有效滿足百萬高清攝影機內部複雜視頻處理運算，以及週邊設備介面擴展。目前最主流的攝影機晶片廠家有德州儀器（TI），海思(HiSilicon)，安霸(Ambarella)，恩智浦（NXP），升邁（GrainMedia），Nextchip等等。

TI德州儀器
　　TI推出的TMS320 DM368視頻處理器，支援多格式高清視頻，包括VC1、MPEG2、MPEG4、MJPEG以及H.264等，最高支援每秒30幀編碼的1080p標準。此外DM368支援多格式解碼、多速率多流，以及高清多通道功能，而且還可提供音訊、語音以及其他高清視頻轉碼器，可實現更高的靈活性與更低的設計複雜性。DM368採用的ARM926EJ-S內核可實現超過40%的性能提升，頻率高達432MHz，同時還可將視頻編碼/解碼功能交由集成高清視頻加速器完成，從而優化系統性能。

　　同時TI在智慧化方面也有嘗試。DMVA1通過集成TI第一代視覺輔助處理器提供入門級分析功能，如人數統計、觸發區、智慧運動檢測、攝影機篡改檢測，以及流媒體中繼資料等。由於在同一晶片中緊密耦合了視覺輔助處理器與智慧分析功能，從而實現了具有視頻分析功能的IP攝影機。

　　DMVA2 SoC是繼DMVA1之後的產品，不但視頻性能是DMVA1的3倍，而且還採用了TI智慧轉碼器技術，可將位元速率銳降5倍，實現更高的視頻品質與網路頻寬。和支援720p的DMVA1相比，DMVA2可在流媒體標準高達1080p的情況下實現上述智慧分析功能。

HiSilicon海思
　　從Hi3512、Hi3515到最新的Hi3516，海思提供了一套完整的高清解決方案。以Hi3512為例，該方案基於ARM9處理器內核，以及視頻硬體加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成，可程式設計，支援H.264和MJPEG等多協定的優點，其中視頻處理單元可以支援H.264 Main Profile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多種協議實施編解碼；支持1.3M Pixels@30fps，支援最大300萬畫素的JPEG抓拍；視頻處理單元還可以支援雙碼流編碼等功能。

　　最新推出的Hi3516方案基於ARM Cortex A9處理器內核，除了具備上述特點之外，它支持1080P@30fps，支援最大1600萬畫素的JPEG抓拍；視頻處理單元還可以支援雙碼流編碼等功能。另外它還增加了RGB Bayer格式輸入，能夠與更多圖像感測器直接對接，同時增加了CVBS輸出，可以提供HDMI或SDK擴展輸出。智慧化方面集成了智慧分析加速引擎，支援智慧運動偵測、周界防範、人臉檢測、視頻診斷等多種智慧分析應用。

Ambarella安霸
　　安霸A5s網路攝影機晶片採用528MHz ARM11處理器，帶有DSP子系統用來進行ISP和H.264/MJPEG的編解碼處理，支援全高清1080p30 H.264編碼，並且集成了專業處理240MPixel/s影像處理功能。其影像處理引擎包含了增強的降噪處理、圖像增強濾波，以及電子防抖動等技術。前端感測器支持Aptina MT9M033 (1.3 MP WDR)，Aptina MT9J003 (10 MP)，OmniVision OV2715 (2 MP)和Sony IMX036 (3 MP)等等。另外該SoC方案基於45nm CMOS工藝，在1080P@30fps工作狀態下，功耗低於1W（包含DDR的功耗）。

NXP恩智浦
　　NXP推出的ASC8850單晶片方案，支援大部分IP攝影機所具備的功能，它集成了視訊壓縮功能，也能夠進行完整的視頻圖像控制和網路傳輸。ASC8850基於ARM926J，集成了硬體模組，支援H.264 1080p 30fps編碼和MJPEG 1080p 40fps編碼等多種流媒體格式，並且還支援完整影像處理功能 (鏡頭光學畸變校正、色調映射、自動聚焦、自動白平衡以及自動曝光等)。在感測器的配合下，ASC8850在低光線條件下也可以實現高視頻品質，因為這款晶片支援高解析度色調映射，能夠自動調整曝光並實現畫素組合。

百萬高清攝影機晶片發揮功能需配套產品配合
　　百萬高清攝影機晶片功能主要包含圖像感測器、影像處理、視頻編解碼、視頻輸出、智慧分析等等。圖像感測器主要有低照度，寬動態等等；影像處理（ISP）包括3A（自動曝光，自動白平衡，自動聚焦），邊緣增強，3D降噪，圖像的縮放、翻轉、亮度、色度、飽和度、對比度調節，還有數位寬動態、數位放大、電子防抖等等；圖像編解碼主要有MPEG4、H.264、MJPEG、多碼流處理等等；視頻輸出主要有Ethernet、WIFI、CVBS、HDMI、SDI等等；智慧分析方面有運動偵測、周界防範、人臉檢測、車牌識別、視頻診斷等等。

　　視頻安防監控攝影機的圖像感測器主要是CCD和CMOS兩種。類比攝影機以CCD圖像感測器為主，百萬畫素以上的高清攝影機目前主要以CMOS圖像感測器居多。近年來，在手機等消費類電子領域佔據了大部分市場的圖像感測器公司，開始將一些高性價比的CMOS晶片引入安防領域，CMOS圖像感測器的感光效率更高，圖像雜訊更少，動態範圍也增強很多。

　　一般來講，同樣的感光面積，畫素點越多，每一個畫素的感光面積就越小，每一個畫素所承受的光子數目就少了，感光器的光照靈敏度就越差。很多人經常錯誤地拿幾十萬畫素的1/3英寸CCD類比攝影機，與1/3英寸CMOS百萬高清攝影機比較低照度效果，從而得出錯誤的論斷，認為CCD低照度更好。

　　事實上，以APTINA公司1/3英寸130萬畫素CMOS晶片製成的低照度攝影機，與某採用日產1/3英寸CCD晶片製成的130萬畫素數位高清攝影機進行低照度效果比照，在齊整條件下，CMOS不只不亞於CCD，反而在視覺上大大超出了CCD百萬高清數位攝影機。所以對於圖像感測器的選擇，要擺脫類比攝影機不能盲目的認為CCD的低照度效果是最好的，CMOS感光器效果一定不如它。技術是不斷進步的，有時候情況也會隨著發生變化。

　　如果只是簡單少量點的需求，或者已經有了大平臺，要滿足使用者高清網路視頻上電視牆的需求，採用具有單路解碼效果的晶片即可。對中小型專案和大專案的分級點而言，則要用到NVR或者目前最熱門的混合型DVR來解決。考慮到把多台百萬高清網路攝影機的大量資料流程進行管理和儲存會消耗非常大的網路和PCI頻寬，這對網路晶片和CPU來說也是非常大的考驗，這也是目前一些晶片要集成雙核CPU和千兆網口的原因。

百萬高清攝影機晶片應用前景
　　對目前網路攝影機晶片解決方案而言，一方面SoC晶片解決方案的公司只有具備足夠的相關技術才能應對未來更多挑戰；另一方面網路攝影機也不是功能越多越全越好，在目前工程水準上快速便捷地滿足客戶的需求才是根本。