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百萬高清攝像機芯片種類及應用

應用案例2018年08月30日 19:29來源: 安防監控技術
  很多年以前業界就談到安防視頻監控領域的三個趨勢:數字化、網絡化、智能化。目前國內市場上安防視頻監控系統的主流的產品已經從十多年前的純模擬視頻監控系統,逐步轉變成了純數字的百萬高清視頻監控系統,即從視頻采集、視頻傳輸、視頻錄像和回放全部采用模擬信號轉變為全部是數字信號。
 
  相比于模擬視頻監控設備,百萬高清數字攝像機大大提升了畫質,像素達到1280×720、1920×1080或更高,因此有了“百萬高清”之名。同時,對比模擬監控設備傳輸技術而言,數字視頻監控設備僅需普通網線,易于實現遠距離傳輸,更重要是降低了工程造價且易于維護。隨著純數字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,并占據市場主導地位。
 
  攝像機芯片的功能
 
  從數字攝像機的組成結構來看,它主要由鏡頭、圖像傳感器(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傳感器上,再由圖像傳感器經過光電轉換成數字視頻信號輸出給芯片,芯片進行一系列數字圖像信號處理(ISP)和數據壓縮之后,通過網絡傳輸給后端解碼顯示設備,進而實現視頻預覽、錄像、回放等功能。
 
  從上面我們可以看出,攝像機芯片是整個攝像機里面核心部件,它接收來自圖像傳感器獲取的圖像,然后進行一系列的運算和處理,實現了數字網絡攝像機的所有功能。
 
  數字攝像機芯片,習慣上又稱之為片上系統(SoC,System-on-Chip),它將處理器資源、內存資源、編解碼算法、外圍設備接口等都集成在單個平臺上,其中大部分功能固化在芯片上,并且對一些特殊功能需求模塊化,采用提供源代碼方式給用戶,用戶再根據不同的應用需求進行二次開發;除此之外,SoC還可以增加視頻協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。
 
  當前百萬高清攝像機芯片 廠家及產品
 
  SoC方案作為高清數字攝像機芯片解決方案,能夠有效滿足百萬高清攝像機內部復雜視頻處理運算以及外圍設備接口擴展。目前主流的攝像機芯片廠家有德州儀器(TI),海思(HiSilicon),安霸(Ambarella),恩智浦(NXP),升邁(GrainMedia),Nextchip等等。
 
  TI
 
  TI推出的TMS320DM368視頻處理器支持多格式高清視頻,包括VC1、MPEG2、MPEG4、MJPEG以及H.264等,zui高支持每秒30幀編碼的1080p標準。此外DM368支持多格式解碼、多速率多流以及高清多通道功能,而且還可提供音頻、語音以及其他高清視頻編解碼器,可實現更高的靈活性與更低的設計復雜性。DM368采用的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在智能化方面也有嘗試。DMVA1通過集成TI代視覺協處理器提供入門級分析功能,如人數統計、觸發區、智能運動檢測、攝像機篡改檢測以及流媒體元數據等。由于在同一芯片中緊密耦合了視覺協處理器與智能分析功能,從而實現了具有視頻分析功能的IP攝像機。
 
  DMVA2 SoC是繼DMVA1之后的產品,不但視頻性能是DMVA1的3倍,而且還采用了TI智能編解碼器技術,可將比特率銳降5倍,實現更高的視頻質量與網絡帶寬。和支持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能分析功能。
 
  海思
 
  從Hi3512、Hi3515到zui新的Hi3516,海思提供了一套完整的高清解決方案。以Hi3512為例,該方案基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器,具有高集成,可編程,支持H.264和MJPEG等多協議的優點,其中視頻處理單元可以支持H.264 Main Profile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多種協議實施編解碼;支持1.3M [email protected],支持大300萬像素的JPEG抓拍;視頻處理單元還可以支持雙碼流編碼等功能。
 
  zui新推出的Hi3516方案基于ARM Cortex A9處理器內核,除了具備上述特點之外,它支持[email protected],支持大1600萬像素的JPEG抓拍;視頻處理單元還可以支持雙碼流編碼等功能。另外它還增加了RGB Bayer格式輸入,能夠與更多圖像傳感器直接對接,同時增加了CVBS輸出,可以提供HDMI或SDI擴展輸出。智能化方面集成了智能分析加速引擎,支持智能運動偵測、周界防范、人臉檢測、視頻診斷等多種智能分析應用。
 
  安霸
 
  安霸A5s網絡攝像機芯片采用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,支持全高清1080p30 H.264編碼,并且集成了專業處理240MPixel/s圖像處理功能。其圖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。前端傳感器支持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方案基于45nm CMOS工藝,在[email protected]工作狀態下,功耗低于1W(包含DDR的功耗)。
 
  恩智浦(N X P)
 
  NXP推出的ASC8850單芯片方案,支持大部分IP攝像機所具備的功能,它集成了視頻壓縮功能,也能夠進行完整的視頻圖像控制和網絡傳輸。ASC8850基于ARM926J,集成了硬件模塊,支持H.264 1080p 30fps編碼和MJPEG 1080p 40fps編碼等多種流媒體格式,并且還支持完整圖像處理功能 (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)。在傳感器的配合下,ASC8850在低光線條件下也可以實現高視頻質量,因為這款芯片支持高分辨率色調映射,能夠自動調整曝光并實現像素組合。
 
  百萬高清攝像機芯片發揮功能需配套產品配合
 
  百萬高清攝像機芯片功能主要包含圖像傳感器、圖像處理、視頻編解碼、視頻輸出、智能分析等等。圖像傳感器主要有低照度,寬動態等等;圖像處理(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,還有數字寬動態、數字放大、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;智能分析方面有運動偵測、周界防范、人臉檢測、車牌識別、視頻診斷等等。
 
  視頻安防監控攝像機的圖像傳感器主要是CCD和CMOS兩種。模擬攝像機以CCD圖像傳感器為主,百萬像素以上的高清攝像機目前主要以CMOS圖像傳感器居多。近年來,在shou機等消費類電子領域占據了大部分市場的圖像傳感器公司開始將一些高性價比的CMOS芯片引入安防領域,CMOS圖像傳感器的感光效率更高,圖像噪聲更少,動態范圍也增強很多。
 
  一般來講,同樣的感光面積,像素點越多,每一個像素的感光面積就越小,每一個像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像素的1/3英寸CCD模擬攝像機與1/3英寸CMOS百萬高清攝像機比較低照度效果,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130萬像素CMOS芯片制成的低照度攝像機與某采用日產1/3英寸CCD芯片制成的130萬像素數字高清攝像機進行低照度效果比照,在齊整條件下,CMOS不只不亞于CCD,反而在視覺上大大超出了CCD百萬高清數字攝像機。所以對于圖像傳感器的選擇,要擺脫模擬攝像機的陰影,不能盲目的認為CCD的低照度效果是zui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,要滿足用戶高清網絡視頻上電視墻的需求,采用具有單路解碼效果的芯片即可。對中小型項目和大項目的分節點而言,則要用到NVR或者目前熱門的混合型DVR來解決。考慮到把多臺百萬高清網絡攝像機的大量數據流進行管理和存儲會消耗非常大的網絡和PCI帶寬,這對網絡芯片和CPU來說也是非常大的考驗,這也是目前一些芯片要集成雙核CPU和千兆網口的原因。
 
  百萬高清攝像機芯片應用前景
 
  對目前網絡攝像機芯片解決方案而言,一方面SoC芯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;另一方面網絡攝像機也不是功能越多越全越好,在目前工程水平上快速便捷地滿足客戶的需求才是根本。
 
  隨著百萬高清網絡攝像機的發展,芯片實現更多功能的同時,集成度也越來越高,隨之外圍器件會越來越少,功耗也會越來越低。為了實現系統的搭配,數字高清攝像機既要有適合于安防應用的圖像傳感器,與之對接的后端還要有解碼芯片技術的支持,所以后端解碼顯示芯片的性能也有待更大突破。
 
  結束語
 
  百萬高清網絡攝像機的芯片發展不能簡單看成網絡攝像機的發展,更值得關注的是系列配套產品的完善。如果能夠從芯片設計部分就開始考慮好怎樣更加貼近實際安防工程項目,這將會使百萬高清網絡攝像機更廣泛的應用起來。
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