· 安控攝影機的內部結構

攝影機是如何運作的？ How does a camera work?（非本文影片）

 

不只是縮時，還有粉塵、噪音、位移偵測

IPSECU

安控攝影機分類根據輸出影像信號的不同，我們可以將安控攝影機分為類比、數位、網路三類。不同類型的攝影機內部組件和機制不同，例如類比攝影機和數位攝影機，它們只有圖像處理，沒有影像圖像編碼。

為了簡單起見，這裡介紹一下攝影機的內部結構和組成。總的來說，我們可以將安控攝影機的內部分為圖像採集、影像圖像處理與編碼、信號輸出三大部分。

圖像捕捉

攝影機的圖像採集，主要由鏡頭和晶片上的圖像感測器完成。光線穿過鏡頭，進入晶片上的感測器。感測器負責將接收到的光信號轉換成電信號，然後交給晶片上的後續單元進行處理。

影像採集請參考安控攝影機影像參數。

鏡頭的焦距（定焦、變焦）、光圈、數量（多眼相機使用的多鏡頭）、有效像素等，都會影響發送到感測器的信號，從而影響最終的成像效果。

鏡頭的相關概念，及其在安控行業的具體應用，請參考以下章節：安控攝影機鏡頭、魚眼鏡頭、安控攝影機景深、基於像素密度的攝影機選擇。

光到達感測器後，首先進行將光信號轉換為電信號的初步處理。感測器的主要性能參數，包括目標尺寸、有效像素、弱光性能等。這些也會影響最終的成像效果。感測器的參數和性能，請參考安控圖像感測器、Starvis 全彩攝影機技術、安控攝影機寬動態功能等章節。

圖像處理、影像編碼

感測器轉換後的電信號，需要傳送到攝影機晶片上的處理器，進行圖像處理、影像編碼等操作。

處理器是一個很籠統的名詞，類似於電腦或手機的 CPU。對於輸出類比或數位信號的攝影機來說，這裡的處理器主要是指 ISP，即 Image Signal Processor。

ISP 的主要工作包括：

• DEMOSAIC，翻譯成中文就是解馬賽克。感測器輸出的每個像素信號，只包含 R、G、B 中的一種顏色數據。這種數據就是拜耳數據，也就是通常所說的 RAW 數據。顯然，RAW 數據所反映的色彩資訊，並不是真實的色彩資訊。DEMOSAIC 的工作，是透過插值算法，計算出每個像素所代表的真彩色，即將貝爾圖像轉換為真彩色圖像。
• 3A 控制。它是自動對焦 (AF)、自動曝光 (AE) 和自動白平衡 (AWB) 的總稱。這是 ISP 對比的核心部分，處理的好壞直接關係到最終輸出的圖像效果。ISP 可透過 CONTRAST AF、PDAF、LASER AF 等，多種自動對焦算法實現自動對焦，使目標在感測器上清晰成像。曝光主要影響圖像的亮度。ISP 可以控制曝光程度，使圖像亮度合適。白平衡與色溫有關，用於衡量圖像的色彩真實性和準確性。自動白平衡功能力求在各種複雜場景中，準確還原目標的原始色彩。
• 伽瑪校正。感測感器對光的反應，不同於人眼對光的反應。伽瑪校正，就是使圖像看起來符合人眼的特性。
• 圖像裁剪。即透過改變圖像的大小，可以輸出不同解析度的圖像。比如原來 2048*1536 的解析度，4:3 裁剪成 2304×1296，16:9 的解析度更符合寬螢幕的視覺效果。或者 5MP 感測器，也可以支持 4MP、3MP、1080P 等不同解析度。
• 智慧算法。用於辨識特定目標，如人臉辨識、人形辨識、車牌辨識等。ISP 利用各種智慧算法準確辨識特定目標。當然，在網路攝影機中，也可以將智慧算法內置到編碼晶片中。同時，智慧算法和結構化數據功能可以放置在感測器中。比如索尼的 AI 感測器（SONY IMX500/501）已經實現了結構化數據的直接輸出。
• 動態範圍。動態範圍是圖像的明暗範圍。ISP 處理使目標圖像的暗部不會曝光不足，明亮的場景不會過度曝光。除了 ISP 支持的動態範圍處理，圖像感測器還需要支持動態範圍（HDR）功能。詳情請參考「安控攝影機的寬動態功能」部分。
• 穩定圖像，防抖。主要功能是防止由於攝影機的輕微晃動，而導致圖像模糊。

除了以上的工作和流程，ISP的功能還包括降噪、對比度、飽和度、銳度等。由於不同廠商、不同方案商的技術積累，以及算法的差異，攝影機的圖像效果與相同的硬體解決方案，會有所不同。

類比光信號透過感測器轉換為數位信號，經過 ISP 處理後，可以直接輸出數位信號的圖像，如 SDI 攝影機。也可以再次進行數位類比轉換，將數位信號轉換成類比信號輸出，如傳統 cvbs 信號的類比 SD 攝影機，AHD/CVI/TVI/XVI 等高清類比攝影機。

另一方面，數位信號也可以透過網路，即網路攝影機進行編碼輸出和傳輸。此時的編碼需要專門的編碼晶片來完成。需要說明的是，目前大部分的編碼晶片都整合了 ISP 功能。

對於具有影像編碼功能的處理器，我們一般稱其為 CPU、DSP 或 SOC。嚴格來說，三者之間是有區別的。但是對於安控攝影機的處理晶片來說，稱它為 CPU、DSP 或 SOC 也不錯。為了統一和遵循廠商的習慣命名，我們將支持影像編碼功能的處理器稱為 SOC。

SOC，即片上系統，可以看作是處理器、ISP、編碼晶片三合一。下面是典型的安控影像編碼晶片框圖：

由此我們可以看出其主要結構分為四核 Arm® Cortex®-A53（即處理器）、圖像信號處理器（ISP）、影像編解碼器。前端可連接感測器、音響、報警器等設備。為了支持系統的運行，有運行內不記憶體和內部。可直接擴展 WiFi/4G、SD 卡儲存等，可輸出類比/數位影像、音訊、警報、網路、串口（485、232）等信號。

SOC 的核心功能是影像編碼。例如，上面提供的典型 SOC 晶片支持三種影像編碼方式：H.264、H.265 和 MJPEG。影像編碼的相關概念在影像編碼部分有詳細的介紹，這裡不再贅述。

現階段，隨著晶片技術和 AI 智慧算法的發展，越來越多的 SOC 廠商將智慧功能，內置到 SOC 晶片中，比 ISP 內置的功能更多、功能更強大、擴展性更強。

關於 SOC、DSP，即其智慧功能，請參考以下章節：安控產品中的處理器-DSP、ISP、SOC。

信號輸出

經 ISP 或 SOC 處理的影像信號、音訊或其他信號，可根據需要輸出為類比、數位和網路信號。

• 類比信號。影像圖像的電信號經過 ISP 處理後，透過 D/A 轉換成類比信號，透過 BNC 連接器輸出。常見的類比影像信號包括標清 CVBS、高清 AHD/TVI/CVI/XVI 等。理論上，高清 AHD/TVI/CVI/XVI 信號，可以在傳輸影像信號的同時傳輸音頻、警報和控制信號。
• 數位信號。影像圖像的電信號經過 ISP 處理後，不再直接透過 D/A 轉換輸出數位信號。常見的輸出接口，可以是 BNC 頭或 HDMI 接口。這種攝影機主要是 SDI 攝影機。HDMI 接口可以在傳輸數位影像信號的同時傳輸音訊。
• 網路信號。數位信號透過編碼晶片進行編碼，然後可以透過網路傳輸。這種網路信號需要經過相應的解碼，才能顯示影像圖像。常見的解碼設備和方​​法，包括相應的電腦客戶端、NVR、影像解碼器、網路矩陣等。另一方面，音訊、警報、RS485 等信號，也可以與影像信號一起編碼後，透過網路傳輸。

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