百萬(wàn)高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)清晰度原理剖析
2015-05-18 16:14:00
高清清晰度對(duì)芯片和傳感器要求
百萬(wàn)高清度，是指網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)清晰度的一個(gè)級(jí)別，一般是指百萬(wàn)及百萬(wàn)以上像素和720P/1080i/1080P以上分辨率的高清攝像機(jī)，主要是跟攝像機(jī)所應(yīng)用的傳感器有效像素?cái)?shù)有關(guān)，另外跟攝像機(jī)輸出的分辨率也有關(guān)，像素越高，分辨率越大，清晰度越高。而傳統(tǒng)模擬相機(jī)因?yàn)槭悄M信號(hào)，所以用掃描線來(lái)表達(dá)清晰度。目前在安防領(lǐng)域，百萬(wàn)成為高清的分水嶺，市面上主流攝像機(jī)有百萬(wàn)像素、130萬(wàn)像素、200萬(wàn)像素、甚至到500萬(wàn)像素，1280×720分辨率實(shí)際像素?cái)?shù)為92萬(wàn)，從嚴(yán)格意義上講未達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，所以也有人稱之為準(zhǔn)高清，而1920×1080分辨率200萬(wàn)畫質(zhì)才是被公認(rèn)的高清圖像。
從成像原理上講，其實(shí)跟傳統(tǒng)的模擬相機(jī)基本一致，圖像通過(guò)鏡頭傳遞到傳感器上，通過(guò)傳感器感光后產(chǎn)生電信號(hào)，再通過(guò)ISP(ImageSignalProcessing)圖像處理，中間輔以3A專用電路進(jìn)行曝光、光圈和聚焦等處理，最后進(jìn)行按照特定的接口進(jìn)行編碼輸出。
大家在市場(chǎng)上經(jīng)常會(huì)看到一些，高清200W，或高清1080P的宣傳，這時(shí)候有部分人就有點(diǎn)暈了，那高清的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是什么呢，這里要注意一個(gè)誤區(qū)，單純的200W或1080P并不能完整的代表實(shí)際圖像的清晰度，實(shí)際圖像的清晰度需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的測(cè)試才能夠準(zhǔn)確的判斷。比如：使用一百萬(wàn)的傳感器，后面通過(guò)芯片放大至1080P進(jìn)行編碼，那么實(shí)際輸出的圖像是無(wú)法達(dá)到200W的效果，反之將一個(gè)使用二百萬(wàn)傳感器的攝像機(jī)配置為720P輸出，那么輸出的圖像也同樣不能夠達(dá)到200W的效果。
所以，在實(shí)際應(yīng)用中要求圖像傳感器實(shí)際像素?cái)?shù)和最終輸出分辨率都達(dá)到所對(duì)應(yīng)清晰度以上標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)所需要的清晰度。
百萬(wàn)高清清晰度對(duì)芯片和傳感器要求
根據(jù)成像原理上不難看出，攝像機(jī)的清晰度，跟鏡頭、傳感器、ISP密切相關(guān)，傳感器尤為重要，目前市場(chǎng)上的圖像傳感器分為CCD和CMOS兩大類，主要有Sony、Aptina、Omnivison等主流廠商供應(yīng)。由于兩者之間的構(gòu)造不同，CCD采用電荷耦合傳遞方式輸出，同一放大器進(jìn)行信號(hào)放大，而CMOS則是每一個(gè)像素都有獨(dú)立的放大器，所以在相同面積及相同像素點(diǎn)時(shí)，CMOS的感光面積要小于CCD，同時(shí)由于每個(gè)放大器放大系數(shù)不一致的原因，所以CMOS在低照度情況下，CCD效果會(huì)更好一些，CMOS躁點(diǎn)較大。此外由于CMOS傳感器采用半導(dǎo)體最常見(jiàn)的CMOS工藝，可以輕易的將周邊電路集成到芯片中，工藝較CCD簡(jiǎn)單，成本較低，并且隨著工藝的提升，CMOS在高像素、信號(hào)處理速度上的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，以及通過(guò)后端ISP對(duì)圖像效果的提升，CMOS在高清監(jiān)控領(lǐng)域越來(lái)越多的被應(yīng)用在高清攝像機(jī)中。
后端ISP及編碼芯片，用于處理前端傳感器采集到的視頻信號(hào)，直接影響到呈現(xiàn)給用戶的圖像品質(zhì)，不同的ISP用來(lái)匹配不同廠商的圖像傳感器。
早期后端芯片一般由ISP和接口芯片組成，ISP用于進(jìn)行圖像處理，處理后再進(jìn)行壓縮或編碼處理，通過(guò)不同的接口輸出給用戶，一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種，在安防監(jiān)控相機(jī)中一般有SDI高清攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)，SDI高清攝像機(jī)是采用非壓縮方式的串行視頻信號(hào)輸出，網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)是按照H.264/MPEG/MJPEG算法編碼壓縮并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送的視頻信號(hào)輸出。SDI因非壓縮緣故，視頻數(shù)據(jù)清晰度高，但帶寬要求也高，傳輸距離有限，在高清監(jiān)控剛發(fā)展階段曾一度和網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。隨著網(wǎng)絡(luò)高清的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)高清已占據(jù)了大部分的高清監(jiān)控市場(chǎng)，但在特定的應(yīng)用場(chǎng)合，SDI還是具備一定的優(yōu)勢(shì)。
在早期應(yīng)用方案中，ISP一般由廠商在FPGA或DSP芯片上自主開(kāi)發(fā)，或選擇專用ASIC，主要有SONY等主流傳感器廠商以套片的方式提供，隨著行業(yè)的發(fā)展，Nextchip、Pixelplus等廠商也推出相關(guān)ISP芯片。ISP芯片主要搭載自動(dòng)曝光、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)白平衡電路，用于對(duì)圖像的線性糾正、噪聲去除、壞點(diǎn)去除、邊緣加強(qiáng)、白平衡、自動(dòng)曝光控制等，使圖像更能接近真實(shí)的效果，所以ISP算法的優(yōu)劣對(duì)圖像的質(zhì)量影響是至關(guān)重要的。
后端接口芯片，在上文中提到一般有非壓縮輸出和壓縮輸出兩種，非壓縮輸出一般不會(huì)造成圖像質(zhì)量的下降，而壓縮輸出的攝像機(jī)，會(huì)根據(jù)壓縮算法及壓縮比，對(duì)圖像造成不同程度的失真。市場(chǎng)上常見(jiàn)的壓縮編碼類SOC有TI、Hislicon、NXP、Ambarella等廠商。
隨著技術(shù)的發(fā)展，大部分廠商已經(jīng)將ISP及壓縮編碼融合在一起，形成單芯片解決方案，甚至還集成了智能分析的應(yīng)用，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人臉識(shí)別、越界報(bào)警、自動(dòng)去霧等功能，大大降低了高清攝像機(jī)的開(kāi)發(fā)難度和BOM成本，這也是促進(jìn)高清監(jiān)控發(fā)展的關(guān)鍵因素。
不同英寸傳感器成像效果
不同英寸的傳感器對(duì)高清晰度有那些不同的成像效果和影響。
圖像傳感器的尺寸，是指圖像傳感器對(duì)角線的長(zhǎng)度，尺寸越大代表圖像傳感器面積越大，在同樣工藝下，面積越大，內(nèi)部所集成的像素?cái)?shù)越多，其所能提供的畫面分辨率也就越高，圖像就越清晰。例如：常見(jiàn)的1/3英寸，尺寸比為4：3的圖像傳感器，感應(yīng)區(qū)域?qū)蔷€長(zhǎng)6mm，寬4.8mm，高3.6mm。
另外大家知道，外界光線是通過(guò)鏡頭映射在靶面(圖像傳感器)上，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)，那么在同樣環(huán)境下，靶面越大，預(yù)示著攝像機(jī)的視角越大，反之則越小。
隨著高清晰度的提升，對(duì)圖像傳感器的像素?cái)?shù)越大，為保障幀率不低于24或30幀的情況下，單位時(shí)間內(nèi)處理像素?cái)?shù)需要增加，表示處理速度需要提升，那么對(duì)于圖像傳感器的要求更高。CCD的信息采集方式，是以行為單位，串行讀取的方式，而CMOS傳感器可以同時(shí)讀取所采集到的電信號(hào)，速度上比CCD要快很多，所以在高清監(jiān)控中CMOS的應(yīng)用較為廣泛。
CCD因技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，成像質(zhì)量上相對(duì)CMOS傳感器有一定的優(yōu)勢(shì)，但成本也較高，所以在高端相機(jī)及攝像機(jī)上還是不可被替代的，日常應(yīng)用中的數(shù)碼相機(jī)及廣電級(jí)攝像機(jī)都采用高分辨率CCD圖像傳感器。特別是廣電級(jí)攝像機(jī)采用高分辨率CCD，配備3CCD攝像機(jī)，利用3個(gè)CCD分別采集3個(gè)色度信號(hào)，最后通過(guò)合成從而達(dá)到高清晰度的圖像效果，當(dāng)然價(jià)格也是較為昂貴的。
高清晰度監(jiān)控?cái)z像機(jī)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控未來(lái)發(fā)展的前景
紅蘋果電子是最早進(jìn)入高清監(jiān)控的廠商之一，自2009年首先推出高清矩陣產(chǎn)品，在連續(xù)幾年的發(fā)展中，我們投入大量的精力進(jìn)行高清產(chǎn)品的研發(fā)，見(jiàn)證了高清監(jiān)控的成長(zhǎng)歷程。在整個(gè)高清監(jiān)控發(fā)展過(guò)程中，由準(zhǔn)高清到高清，甚至到4k的應(yīng)用，由FPGA/DSP等到高集成化的單芯片解決方案，由高成本到低成本，由自定義到標(biāo)準(zhǔn)化，由單一產(chǎn)品到整套解決方案，標(biāo)志著高清監(jiān)控在安防行業(yè)中的發(fā)展成熟。
從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)上，網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控是必然趨勢(shì)，目前網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控產(chǎn)品(如：前端相機(jī)、存儲(chǔ)、顯示等)已經(jīng)完善和成熟，未來(lái)的發(fā)展將重點(diǎn)將在智能化、云服務(wù)及終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)。
自安防行業(yè)智能化的實(shí)現(xiàn)，為滿足各行業(yè)的需求，安防產(chǎn)品會(huì)根據(jù)市場(chǎng)需求逐步的細(xì)分，安防產(chǎn)品也會(huì)逐漸趨向于多樣化，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用場(chǎng)合(如：交通、社區(qū)、家庭、物聯(lián)網(wǎng))結(jié)合智能化的應(yīng)用將產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)化，不再是原來(lái)的一套解決方案可以滿足大部分的需求。
2014年前，高清監(jiān)控產(chǎn)品受價(jià)格、帶寬、標(biāo)準(zhǔn)及老系統(tǒng)的影響，大部分企業(yè)市場(chǎng)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期值，但隨著技術(shù)的突破，高清監(jiān)控已進(jìn)入快車道，后續(xù)發(fā)展必將是由現(xiàn)有市場(chǎng)的快速膨脹，并向多樣化方向延伸，重新占領(lǐng)新市場(chǎng)的發(fā)展方向。
目前H.265標(biāo)準(zhǔn)的推出，將網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控推向新的高點(diǎn)，為高清及超高清產(chǎn)品的推廣奠定了一個(gè)基礎(chǔ)，形成可持續(xù)發(fā)展的道路，同時(shí)應(yīng)對(duì)編解碼芯片和相關(guān)產(chǎn)品會(huì)得到一個(gè)快速發(fā)展的空間。紅蘋果高清監(jiān)控各系列產(chǎn)品也緊跟高清發(fā)展步伐積極進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)換代，目前PM70高清數(shù)字矩陣、PE5128網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字鍵盤等產(chǎn)品已經(jīng)站到了高清最前沿，期待大家有機(jī)會(huì)切身感受紅蘋果數(shù)字全高清視頻監(jiān)控的完美體驗(yàn)！
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