百萬(wàn)高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)清晰度原理剖析

成都弱電公司訊：

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，圖像通過鏡頭傳遞到傳感器上，通過傳感器感光后產(chǎn)生電信號(hào)，再通過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，那高清的尺度應(yīng)該是什么呢，這里要注重一個(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)過專業(yè)的測(cè)試才能夠準(zhǔn)確的判斷。好比：使用一百萬(wàn)的傳感器，后面通過芯片放大至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)清晰度以上尺度才能實(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)造分歧，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)樸，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)，以及通過后端ISP對(duì)圖像效果的提升，CMOS在高清監(jiān)控領(lǐng)域越來越多的被應(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)，分歧的ISP用來匹配分歧廠商的圖像傳感器。

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，通過分歧的接口輸出給用戶，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)圖像造成分歧程度的失真。市場(chǎng)上常見的壓縮編碼類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)、人臉辨認(rèn)、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。