高清網(wǎng)絡(luò )攝像機技術(shù)發(fā)展趨勢

　　近年來(lái)，高清視頻監控技術(shù)逐步進(jìn)入人們的眼簾，成為未來(lái)安防監控領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的方向之一。越多來(lái)越多的廠(chǎng)商開(kāi)始推出高清化的產(chǎn)品。其中，作為高清視頻監控的“排頭兵”高清網(wǎng)絡(luò )攝像機，更是受到廣大廠(chǎng)商的青睞，五花八門(mén)的產(chǎn)品層出不窮，各式各樣的技術(shù)名詞更是讓廣大用戶(hù)眼花繚亂。如何把握好高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的脈搏，了解其未來(lái)的發(fā)展方向?本文將從技術(shù)發(fā)展角度出發(fā)，對高清網(wǎng)絡(luò )攝像機未來(lái)的發(fā)展趨勢進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和展望。

　　分辨率不斷提高

　　高清的定義，最早來(lái)源于數字電視領(lǐng)域。高清電視，又叫“HDTV”，是由美國電影電視工程師協(xié)會(huì )確定的高清晰度電視標準格式。電視的清晰度，是以水平掃描線(xiàn)數作為計量的，它將高清劃分為：720p格式(750條垂直掃描線(xiàn)，720條可見(jiàn)垂直掃描線(xiàn)，16∶9，分辨率為1280×720，逐行/60Hz，行頻為45KHz);1080i格式(1125條垂直掃描線(xiàn)，1080條可見(jiàn)垂直掃描線(xiàn)，16∶9，分辨率為1920×1080，隔行/60Hz，行頻為33.75KHz); 1080p格式(1125條垂直掃描線(xiàn)，1080條可見(jiàn)垂直掃描線(xiàn)，16∶9，分辨率為1920×1080，逐行掃式)。

　　監控行業(yè)借鑒了廣電行業(yè)的相關(guān)標準。上海市于2010年9月頒布了國內第一個(gè)針對安防監控用數字攝像機的地方性技術(shù)規范，規范中將數字攝像機按清晰度由低到高分為A、B、C三級。其中，B級要求分辨率≥1280×720，C級要求分辨率≥1920×1080?？梢?jiàn)，720p和1080p已經(jīng)成為業(yè)界高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的一種標準。

　　然而，有的廠(chǎng)商對于高清網(wǎng)絡(luò )攝像機還有著(zhù)其它的命名方式，比如百萬(wàn)像素高清網(wǎng)絡(luò )攝像機，200萬(wàn)像素高清網(wǎng)絡(luò )攝像機等等，這可以理解為“非標準”命名，它和“標準”有一定關(guān)聯(lián)，但不能簡(jiǎn)單對應。比如，720p的像素為92.16萬(wàn)，1080p的像素為207.36萬(wàn)，可以分別叫做百萬(wàn)像素和200萬(wàn)像素，但常見(jiàn)的130萬(wàn)像素其實(shí)際分辨率為1280×1024，雖然也具有較高清晰度，但并不符合廣電行業(yè)標準。

　　就分辨率而言，高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的發(fā)展可以說(shuō)是一日千里，除了目前接觸較多的百萬(wàn)像素、130萬(wàn)像素、200萬(wàn)像素外，300萬(wàn)像素、500萬(wàn)像素、800萬(wàn)像素的產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上出現，甚至千萬(wàn)及千萬(wàn)以上像素的產(chǎn)品也開(kāi)始在監控行業(yè)中露出端倪?？梢哉f(shuō)，人們在追求看得更清楚的路上將永不止步。

　　COMS逐漸取代CCD

　　感光器件是攝像機最為核心的部件，目前普遍采用的主要有CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體)兩種。兩者都是利用光敏二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉換，將圖像轉換為數字信號，而其主要差異是數字信號傳送的方式不同。CCD在數據傳送時(shí)不會(huì )失真，因為各個(gè)像素的數據是逐點(diǎn)傳輸到輸出端再進(jìn)行放大處理;而CMOS傳感器是每個(gè)像素都有放大器，其放大效果保持均衡很困難，因而最后整合會(huì )產(chǎn)生噪聲。也正由于其數據傳輸方式不同，CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異。通常認為CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。

　　針對CMOS傳感器性能的不足之處，業(yè)界正在通過(guò)不斷的技術(shù)革新加以改善，其中最主要的技術(shù)突破點(diǎn)在于低照度條件下的成像性能提升和降低圖像中的噪聲信號。

　　以提升低照度性能而言，業(yè)界提出了微透鏡(Micro Lens)陣列技術(shù)，讓更多的光能導入到CMOS傳感器的每個(gè)像素(光電二極管)上，從而增加感應的亮度，不過(guò)微透鏡技術(shù)已屬微機電系統(MEMS)的層次，而非原有的單純半導體電路層次，所以挑戰難度的增加自是不難想像。

　　對于降低圖像中的噪聲信號，一種做法是對原有半導體制程進(jìn)行改進(jìn)，在CMOS電路的硅表面上摻入雜質(zhì)，以此形成一個(gè)針扎層(Pinning Layer)，此結構可將光吸收到硅晶片的內部，進(jìn)而降低(光電二極管)表面的噪聲，此種作法也稱(chēng)為針扎光電二極管(Pinned Photodiode)。目前此種作法確實(shí)改善了噪聲問(wèn)題，使圖像品質(zhì)提升，不過(guò)現階段此種制程也會(huì )增加晶片的制造成本。

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，CMOS傳感器的性能正在得到快速提升。此外，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS傳感器在成品率上的優(yōu)勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS傳感器在更高分辨率下將更有優(yōu)勢。另外，CMOS傳感器響應速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點(diǎn)。

　　從市場(chǎng)方面來(lái)看，CCD的傳統生產(chǎn)廠(chǎng)商SONY已經(jīng)開(kāi)始把重心移向了CMOS傳感器，不但研發(fā)出了ClearVid CMOS技術(shù)，推出了Exmor系列的高清CMOS產(chǎn)品，在其生產(chǎn)的高清網(wǎng)絡(luò )攝像機中更是幾乎清一色地采用了CMOS傳感器，這也許可以看作是CMOS傳感器的一個(gè)階段性勝利。

　　ISP(Image Signal Processing)被編碼芯片集成

　　要實(shí)現良好的圖像質(zhì)量，除了前端鏡頭、傳感器部分對光線(xiàn)的處理，影像處理部分也是高清網(wǎng)絡(luò )攝像機中不可忽視的一環(huán)。通常情況下，傳感器部分設置有內嵌的圖像處理芯片處理一些較簡(jiǎn)單的功能，而較復雜的自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡以及自動(dòng)對焦等功能則必須通過(guò)后端ISP處理，以獲得良好的影像效果。

　　傳統的ISP是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的ASIC或者DSP加以實(shí)現，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，后端的編碼芯片已經(jīng)越來(lái)越多的將ISP的功能加以集成。

　　以TI的DM36×平臺為例，其中視頻處理子系統(VPSS)中包含了CCD或CMOS傳感器的控制器，直接接收原始視頻信號，然后由集成的ISP進(jìn)行預處理，其中有H3A處理(即自動(dòng)曝光AE、自動(dòng)白平衡AWB、自動(dòng)聚焦AF)、鏡頭畸形校正模式(LDC)處理、硬件人臉檢測引擎、影像協(xié)處理器(IMCOP)、影像處理加速器(IPIPE)，以及增強型屏幕疊加顯示(OSD)等等。

　　通過(guò)集成ISP，不但可大幅降低系統成本，更能大大增強視頻的穩定性，優(yōu)化影像在光學(xué)方面的性能。這對于提升高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的成像品質(zhì)具有及其重要的作用。

　　智能分析功能更加實(shí)用

　　智能化是監控系統發(fā)展的必然趨勢，其本質(zhì)在于從模擬或數字視頻流中自動(dòng)跟蹤并識別對象，分析運動(dòng)并提取有用視頻信息。對網(wǎng)絡(luò )視頻監控而言，前端攝像機的智能化具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。例如異常報警錄像，就是將所監控的視頻圖像，經(jīng)過(guò)前端智能網(wǎng)絡(luò )攝像機的分析識別后，只將有異常的圖像傳輸到后端去記錄與顯示，因而可大大減輕網(wǎng)絡(luò )的負擔，有效地節省帶寬資源。另一方面，在有智能網(wǎng)絡(luò )攝像機的智能視頻監控系統后端，就只需集中對前端攝像機發(fā)送過(guò)來(lái)的目標數據信息進(jìn)行管理，而不需要對視頻信號進(jìn)行處理與識別，所以后端系統不需要昂貴的設備也能完成高效的智能視頻分析。由于后端只有前端發(fā)送來(lái)的預/報警事件的關(guān)聯(lián)畫(huà)面顯示，使監控中心工作人員能夠很輕松地完成整個(gè)系統的監視，而這種關(guān)聯(lián)錄像的功能，也使錄像搜索和回放變得簡(jiǎn)單迅速，從而節省了寶貴的時(shí)間。

　　近兩年，視頻監控行業(yè)內對很多智能分析方案進(jìn)行推廣，但效果并不好，往往只是廠(chǎng)商推銷(xiāo)產(chǎn)品的噱頭。其原因，一方面在于智能分析算法本身技術(shù)不夠完善，沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義上的突破;另一方面則在于傳統“標清”攝像機的分辨率有限，無(wú)法為智能分析算法提供足夠清晰的圖像。隨著(zhù)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的廣泛應用，這一局面將得到改觀(guān)。

　　目前在高清網(wǎng)絡(luò )攝像機中已經(jīng)實(shí)現或者正在實(shí)現的智能分析功能有：視頻遮擋與視頻丟失偵測、視頻變換偵測、視頻模糊偵測、視頻移動(dòng)偵測、出入口人數統計、人群運動(dòng)及擁堵識別、物品遺留識別、入侵識別等等。這些功能看上去比過(guò)去的智能分析功能要“遜色”得多，但卻更為實(shí)用。

　　標準化

　　與模擬視頻監控封閉的系統不同，網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統產(chǎn)品與產(chǎn)品之間要達到系統的兼容已成為擺在實(shí)際工程中的嚴峻問(wèn)題，由此，關(guān)于標準問(wèn)題的討論日益增多，關(guān)于安防產(chǎn)品互通標準的組織也層出不迭，其中ONVIF、PSIA兩大標準組織在安防企業(yè)的影響越來(lái)越大。

　　ONVIF，全稱(chēng)Open Network Video Interface Forum，即開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )視頻接口論壇，由Axis、Bosch和Sony三家企業(yè)聯(lián)合推出，是全球影響力最大的網(wǎng)絡(luò )視頻監控行業(yè)標準組織，其目的是以公開(kāi)、開(kāi)放的原則共同制定開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )視頻監控行業(yè)標準。2008年11月，該組織正式發(fā)布了ONVIF第一版規范ONVIF核心規范1.0。這一標準將為網(wǎng)絡(luò )視頻設備之間的信息交換定義通用協(xié)議(諸如裝置搜尋、實(shí)時(shí)視頻、音頻、元數據和控制信息)。

　　PSIA：(Physical Security Interoperability Alliance)實(shí)體安防互通聯(lián)盟，成立于2008年8月。該聯(lián)盟的目標是為實(shí)體安防系統的硬件和軟件平臺創(chuàng )立一種標準化的接口。其致力于使基于IP網(wǎng)絡(luò )的不同安防系統具有兼容性。PSIA內也不乏Cisco、GE、Honeywell與Panasonic等大品牌，后者成員在網(wǎng)絡(luò )攝像機市場(chǎng)的占有率稍顯遜色。

　　目前，從支持廠(chǎng)商數量與影響力來(lái)說(shuō)，ONVIF聯(lián)盟更勝一籌。根據IMS Research的調查顯示，目前ONVIF組織的成員占據市場(chǎng)72%的份額，已在北美、歐洲和亞洲地區擁有眾多會(huì )員企業(yè)。除了三家發(fā)起公司外，佳能、松下、三星、思科、西門(mén)子、TI、?？低?/a>、浙江大華、GE、MARCH、IDIS、CNB、IndigoVision、American Dynamics、Anixter、Axxonsoft、Dallmeier、Deister、Genetec、HiTRON、Honeywell、ITRI、Itx、Milestone、NICE、Optelecom-nkf、Pacom、Pelco、Pravis、ZTE等有影響力的企業(yè)都參與到這個(gè)標準組織中。截止2010年5月，ONVIF已經(jīng)有超過(guò)150多家成員。

　　無(wú)線(xiàn)傳輸方面，3G網(wǎng)絡(luò )加速了手機上網(wǎng)的速度，使可視電話(huà)、手機游戲等應用如火如荼。但在安防視頻監控行業(yè)，卻還沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的應用。究其原因，一是3G網(wǎng)絡(luò )建設相對滯后;二是3G資費依然太高。面對高清視頻監控對于帶寬的要求，3G更是力有未逮。要想真正實(shí)現高清無(wú)線(xiàn)視頻監控，還需要等到4G的推廣。目前，TD-LTE的出現，為我們開(kāi)啟了4G時(shí)代高清視頻監控的大門(mén)。

　　TD-LTE是TD-SCDMA向IMT-Advanced(4G標準)演進(jìn)的方向和工作基礎，既繼承并發(fā)展了中國自主知識產(chǎn)權的TD-SCDMA技術(shù)，又得到了廣泛的國際支持。按照3GPP的TR25.913定義，LTE峰值的速率要求很高，上行50Mbps，下行100Mbps。從頻譜效率角度來(lái)看，無(wú)論是上行的還是下行的頻譜效率，都是我國現行網(wǎng)絡(luò )的3-4倍。LTE的技術(shù)發(fā)展吸引了不同的體制規范的參與，包括了UMTS(即3GSM)，還有CDMA2000陣營(yíng)的參與，使LTE逐漸成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )4G的一種可能。

　　結語(yǔ)

　　隨著(zhù)監控技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，高清網(wǎng)絡(luò )攝像機作為監控技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，結合光學(xué)成像技術(shù)、智能分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)等等帶來(lái)新的變革，在不斷滿(mǎn)足市場(chǎng)競爭需求的同時(shí)，趨向于一種自我的完美實(shí)現。它深刻地影響著(zhù)監控技術(shù)領(lǐng)域，也將深刻地改變我們的生活方式。