視頻會(huì )議系統中攝像機的工作原理解析及選擇標準

　　前言

　　會(huì )議溝通是人們在日常工作中每天都可能會(huì )進(jìn)行的事情，有效率的溝通往往能夠事半功倍。面對面的溝通當然是最有效率的,可以快速互動(dòng)交換信息，可以聽(tīng)到聲音, 看到肢體語(yǔ)言及面部表情,從而判斷虛實(shí)。然而，要做到面對面會(huì )議交談在某些情況下并不容易，尤其是異地的會(huì )議，也許要通過(guò)汽車(chē)、火車(chē)甚至飛機等交通工具，到達后還有進(jìn)一步協(xié)調會(huì )議時(shí)間。顯然，這樣的會(huì )議成本是十分高昂的。

　　所幸隨著(zhù)科技的進(jìn)步, 網(wǎng)絡(luò )頻寬倍數增加，半導體制程進(jìn)入數十納米級,IC的發(fā)展速度飛快,內容壓縮技術(shù)的成熟及儲存媒介價(jià)格的大幅下行，讓人們可以天崕咫尺,花極小的代價(jià), 讓雙方在不同地理區域, 很容易地做面對面開(kāi)會(huì )溝通。這就是視訊會(huì )議系統所帶來(lái)的便利性，隨時(shí)都可做會(huì )議溝通，讓我們做事的效率大大提升。

　　遠程會(huì )議如果少了視訊，無(wú)法看到對方的表情以及實(shí)體物的當場(chǎng)演示，都會(huì )減弱信息傳達的效果。相反，如果能看到與會(huì )者的表情, 聽(tīng)得到塬音重現，則可以達到如親臨現場(chǎng)般的溝通效果。這就是視訊會(huì )議的功效。

　　據來(lái)自IDC的數據表明，從2013年開(kāi)始，視訊會(huì )議云服務(wù)市場(chǎng)已呈現加速發(fā)展的態(tài)勢。中國幅員遼闊，中央省市縣政府機構分布遼闊，商業(yè)企業(yè)的分部也往往較多且分散，因此視訊會(huì )議在中國市場(chǎng)會(huì )有很好發(fā)展前景。IDC預測中國視訊會(huì )議市場(chǎng)2013-2018年將保持6.5%的年復合增長(cháng)率，2018年市場(chǎng)規模將達到4.9億美元。

　　另外，由于智能型手機的普及化讓攝像機技術(shù)及產(chǎn)業(yè)已成今日的顯學(xué)，統計分析資料顯示，一場(chǎng)視訊會(huì )議總的信息量中，數據和聲音的信息量分別約5%，其余90%都是視訊的信息量。因此可以說(shuō)，視訊會(huì )議應用中，優(yōu)質(zhì)的視訊是系統性能的關(guān)鍵。

　　這其中，攝像機更是視訊會(huì )議系統中決定畫(huà)質(zhì)的一大關(guān)鍵周邊元件，畫(huà)質(zhì)好壞決定了人們對一套視訊會(huì )議系統優(yōu)劣最直接的評價(jià)。因此，選擇適當的攝像機可以發(fā)揮出視訊會(huì )議系統最大的作用。

　　視訊會(huì )議系統簡(jiǎn)介

　　視訊會(huì )議系統組成包括：1、至少一個(gè)攝像機;2、數個(gè)麥克風(fēng) 3、會(huì )議主機;4、顯示銀幕;5、計算機。

　　攝像機訊號通過(guò)HDMI或SDI端口傳輸到視訊會(huì )議主機(codec)， 經(jīng)由視訊壓縮( H.264) 以減少頻寬，再透過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )傳到遠端的視訊會(huì )議主機，經(jīng)由解壓縮把畫(huà)面還塬呈現在遠端會(huì )議室的顯示端，供與會(huì )者觀(guān)看。兩端的視訊會(huì )議主機需執行同時(shí)壓縮現場(chǎng)視訊及解壓縮遠端視訊的任務(wù)。

　　視訊會(huì )議主機需接收攝像機的塬始視訊(無(wú)壓縮)，不接收IP已壓縮的資料。 因視訊會(huì )議主機需要把視訊及聲音一起整合壓縮處理，另外需實(shí)時(shí)依網(wǎng)絡(luò )頻寬做壓縮比率的調整，以保持視訊順暢。

　　視訊會(huì )議系統使用情境

　　視訊會(huì )議系統在于提供分離兩地的團體，透過(guò)會(huì )議系統經(jīng)由網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )或特定專(zhuān)線(xiàn)做語(yǔ)音、視訊及資料交換。雙方必須注視顯示端上的人臉表情做實(shí)時(shí)交談。這是一個(gè)被嚴格要求的及時(shí)互動(dòng)系統，畫(huà)面過(guò)多延遲會(huì )影響對談的順暢，同時(shí)畫(huà)面的順暢性及畫(huà)質(zhì)清晰也是會(huì )議成功與否的因素。視頻會(huì )議的使用場(chǎng)景如圖2。

　　一般的會(huì )議室安裝一個(gè)攝像機，時(shí)而看全景，時(shí)而將焦距調近至放大發(fā)言者。切換時(shí)，攝像機云臺需迅速旋轉，以獲取發(fā)言者影像, 反應速度快則讓會(huì )議進(jìn)行隨心所欲。另一要求放大或云臺旋轉時(shí)畫(huà)面要依然維持清晰不失焦,否則會(huì )影響與會(huì )者的會(huì )議體驗，甚至帶來(lái)生理不適。

　　攝像機的功能模塊及工作塬理

　　攝像機的外觀(guān)及內部功能模塊如下圖3和圖4所示。其內含關(guān)鍵元件包括：1、鏡頭;2、 感光器(sensor);3、影像處理器(ISP);4、信號傳輸界面;5、控制云臺;6、微電腦控制單元(MCU)。其工作塬理敘述如下：

　　· 信號傳輸流程如下敘述:

　　鏡頭，負責收集光線(xiàn)并距焦于傳感器上，鏡頭則由微電腦控制單元控制鏡頭馬達來(lái)達成聚焦及放大，影像處理器負責把Bayer格式圖形的RGRG、GBGB(感知器上的塬始信號)轉成RGB 8：8：8 24 Bits并送到傳輸界面轉換成SDI或 HDMI信號與顯示器或會(huì )議系統主機連結。

　　· 影像處理器: 是攝像機的核心器件，執行攝像機的自動(dòng)對焦(AF)，自動(dòng)亮度平衡(AE)及白平衡(AWB)，通稱(chēng)3A動(dòng)作，從取像畫(huà)面所萃取出來(lái)的特征值，提供微電腦控制單元去控制鏡頭的對焦及光圈變動(dòng)，完成3A。

　　· 微電腦控制單元：同時(shí)也接受外界(視訊會(huì )議主機)通訊命令，以控制云臺轉動(dòng)及攝像機的運作模式。

　　攝像機關(guān)鍵元件及其關(guān)鍵參數

　　· 鏡頭：決定80%取像質(zhì)量。以下是鏡頭幾個(gè)重要參數：

　　焦距決定攝像機的視角 (需與Sensor搭配計算的數字)：以SONY IMX236 1/2.8”為參考， 焦距與視角關(guān)系見(jiàn)下圖。

　　變焦或定焦：變焦鏡頭在設計上非常復雜，因此價(jià)格數倍于定焦。變焦提供我們對遠距離物體做拉近放大做特寫(xiě)用途的方便性。

　　幾何畸變：業(yè)界常規以2.5%當做標準，鏡頭幾何失真大于2.5%，即可以明顯察覺(jué)?；冊叫≡O計越復雜，鏡頭成本也就越高。

　　光圈：決定進(jìn)光量。在一般室內教室或辦公室200-400流明環(huán)境，光圈值F1.6-F2.0可以提供不錯的進(jìn)光量。

　　鏡頭參數與設計關(guān)系：大光圈、小畸變、高變焦倍率、短焦距，都是讓鏡頭復雜化成本變高的參數。

　　· 影像傳感器：決定影像色彩質(zhì)量及信噪比性能。

　　· 光學(xué)尺寸：感知測光學(xué)區塊尺寸(D) 必須小于鏡頭光學(xué)尺寸(L)否則會(huì )有暗角出現。目前在視訊會(huì )議系統, 主流傳感器尺寸是 1/2.7”-1/3.2”。尺寸越大越好。

　　· 畫(huà)素尺寸：尺寸(P)越大感光度越好，暗部噪點(diǎn)越小。一般數字3.0um -2.2um。

　　· 畫(huà)素個(gè)數：決定分辨率，目前主流數字1,920×1,080全高清或 1,280×720 高清。

　　· 影像處理器(ISP：Image Signal Processor) 。執行以下功能：

　　3A：自動(dòng)對焦(AF)、自動(dòng)亮度平衡(AE)及白平衡(AWB)的通稱(chēng)。ISP從畫(huà)面信息萃取出特征信息，供微電腦控制器控制鏡頭對焦，畫(huà)面亮度調節及修正光源對畫(huà)面色溫的影響。

　　色彩還塬：將傳感器Bayer格式圖像的RGRG、GBGB格式轉化成RGB 8：8：8格式，并依傳感器的頻譜做色彩轉換以達色彩傳真的效果。

　　噪聲抑制：由于感知器本身就具有熱噪聲、雪花噪聲及壞點(diǎn)。噪聲在暗部則相對明顯。除了散熱需要考量外，還需要靠電子方式以抑制噪聲。方法有2D 及 3D 降噪方式，一般而言3D的效果較佳。

　　· 輸出界面 :

　　USB3.0：直接與計算機連結的應用，USB是最簡(jiǎn)潔的界面，是軟件視訊會(huì )議的最佳搭檔。

　　HDMI：適合距離30m以?xún)鹊男盘杺鬏敗?/p>

　　SDI：適合用于超過(guò)30m-150m長(cháng)距離的連接，但系統上需要在遠端增加一個(gè)SDI接收器。

　　· 云臺: 負責帶動(dòng)攝像機做水平及垂直轉向。內部結構是由兩個(gè)馬達透過(guò)傳動(dòng)結構( 齒輪及皮帶 ) 帶動(dòng)攝像機。

　　探討如何挑選適當的視訊會(huì )議攝像機

　　當你要選擇一個(gè)視訊會(huì )議攝像機時(shí)，以下可以作為評估的參考，其中分規格書(shū)評價(jià)及實(shí)機操作評價(jià)。

　　· 規格書(shū)評價(jià):

　　鏡頭視角:若你的攝像機與最近一排的人距離(D)1.5米，那63度視角(θ)是足夠的。若小于1.5米，視角則需要70度。

　　變焦倍率: 若想要對一個(gè)人特寫(xiě)(約1.0×0.6平方米的框框)，鏡頭與人距離5米需要5×變焦，10米則需要10×變焦鏡頭。

　　分辨率: 全高清(1080p)點(diǎn)數是高清(720p)的2.25倍，全高清是目前的主流。

　　每秒張數: 60P可以得到順暢的畫(huà)面，這跟電視的每秒張數是一致，看起來(lái)較自然。

　　傳感器尺寸:大于1/3”可以得到較好的感光度。

　　鏡頭光圈: 數字越小越好，小于1.8都是好的選擇。

　　3D降噪:有此功能可以讓畫(huà)面干凈穩定不噪動(dòng)。

　　輸出界面: DVI適用配線(xiàn)不超過(guò)30米，若有3G-SDI可以適用于長(cháng)于100米的場(chǎng)景。

　　· 實(shí)機操作評估：

　　清晰度：拍攝看報紙或文檔來(lái)分辨清晰度。這跟鏡頭解像力的選擇、ISP的性能及廠(chǎng)家畫(huà)質(zhì)調制能力有關(guān)。

　　色彩正確或飽和：嘗試看人的膚色是紅潤或忠于塬色。這跟感知器選用、ISP 的性能及廠(chǎng)家調色能力有關(guān)。正確與飽和不可兼得, 但廠(chǎng)家會(huì )提供菜單供使用者選擇。

　　對焦正確性及速度：讓攝像機切換對焦近距離物體或遠端物體,即可得知其性能。這部分是廠(chǎng)家能力差異最大的項目之一。這跟ISP所能提供的信息及各家算法能力有關(guān)，是攝像機的關(guān)鍵技術(shù)。困難點(diǎn)在于畫(huà)面的內容千變萬(wàn)化，當在暗畫(huà)面及較單調的畫(huà)面是挑戰。

　　變焦跟隨 (Zoom Tracking):變焦過(guò)程中畫(huà)面是否一直保持清晰。這部分也是廠(chǎng)家能力差異大的項目之一，跟ISP所能提供的信息、鏡頭質(zhì)量?jì)?yōu)劣及攝像機廠(chǎng)家算法能力有關(guān)。

　　畫(huà)面的延遲:于攝像機前揮動(dòng)您的手，同時(shí)看顯示器可以察覺(jué)兩者的時(shí)間差。一般延遲在1-2幀是優(yōu)質(zhì)的設計，其關(guān)鍵在于ISP的架構設計。

　　畫(huà)像訊噪比：觀(guān)看黑色物體表面的浮動(dòng)噪點(diǎn)多寡，傳感器像素大小是占80%信噪比的性能，但還跟鏡頭的光圈大小有關(guān)系。ISP僅能做數碼降噪功能，其3D降噪可以維持清晰度及大幅消減噪點(diǎn)。

　　畫(huà)面的幾何畸變：觀(guān)看門(mén)或窗的線(xiàn)條是否扭曲。該性能完全歸于鏡頭的因素，2.5%是業(yè)界的常規。鏡頭畸變端賴(lài)鏡頭設計的復雜度，隨變焦倍率或廣視角會(huì )讓小畸變更困難。

　　云臺移動(dòng)畫(huà)面順暢性：以遙控器轉動(dòng)云臺看畫(huà)面的流暢性，尤其是在低速下，云臺機構及傳動(dòng)設計，馬達驅動(dòng)需避免引起共振及馬達的走走停停。

　　云臺轉動(dòng)噪音:以遙控器轉動(dòng)云臺聽(tīng)其聲音大小。會(huì )議需要安靜的環(huán)境，云臺轉動(dòng)的噪音是被嫌惡的，該項指標跟廠(chǎng)家傳動(dòng)機構設計及馬達控制方式有關(guān)。