文/高娜

數(shù)字百萬(wàn)高清一體化機(jī)芯的優(yōu)勢(shì)明顯

文/高娜

隨著安防監(jiān)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，安防監(jiān)控的市場(chǎng)需求也在快速發(fā)生著變化。近幾年，百萬(wàn)高清這個(gè)組合詞匯也頻繁地出現(xiàn)在大家的視線內(nèi)，整個(gè)市場(chǎng)也逐步從傳統(tǒng)的標(biāo)清向百萬(wàn)高清跨進(jìn)，百萬(wàn)高清監(jiān)控以成熟的技術(shù)和合理的價(jià)格正逐漸滲透整個(gè)視頻監(jiān)控市場(chǎng)，百萬(wàn)高清產(chǎn)品也逐漸被越來(lái)越多的用戶所接受。

百萬(wàn)高清攝像機(jī)，對(duì)于一些成熟的模擬攝像機(jī)的廠商來(lái)說(shuō)，是一個(gè)全新的領(lǐng)域，因而很多廠商都從相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單一些的槍式攝像機(jī)，半球形攝像機(jī)開(kāi)始嘗試百萬(wàn)高清，著重高清、網(wǎng)絡(luò)方面的開(kāi)發(fā)與起步。在高清方面有所展開(kāi)之后才開(kāi)始進(jìn)行百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯的研發(fā)及上市，因?yàn)橐惑w機(jī)機(jī)芯獨(dú)特的性能特點(diǎn)，其在安防監(jiān)控領(lǐng)域上占有不可或缺的地位。

一體機(jī)機(jī)芯關(guān)鍵技術(shù)與優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于普通攝像機(jī)，一體機(jī)機(jī)芯體積精巧，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀，適合于高檔次的應(yīng)用場(chǎng)合，可與精美的裝潢相得益彰。其區(qū)別于其他攝像機(jī)的關(guān)鍵部分有三點(diǎn)：自帶一體化可變焦鏡頭組；自動(dòng)聚焦功能；自動(dòng)曝光功能。

首先是自帶一體化可變焦鏡頭組。鏡頭對(duì)于攝像機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，畫(huà)質(zhì)效果，特別是高清畫(huà)質(zhì)，很大程度取決于鏡頭的好壞。實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)殓R頭匹配問(wèn)題導(dǎo)致畫(huà)面效果不佳的示例。自帶鏡頭，能夠保證更優(yōu)的搭配，呈現(xiàn)更加完美的效果。而可變焦鏡頭組，變焦倍數(shù)從12倍、26倍、27倍到30倍、36倍，甚至更高，這對(duì)于在大范圍內(nèi)捕捉高清晰度圖像有著重要意義，尤其適用于大范圍的場(chǎng)景的監(jiān)控。

其關(guān)鍵的自動(dòng)聚焦功能，是監(jiān)控圖像清晰度的重要性能，讓一體機(jī)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控。尤其在高速公路監(jiān)控中，由于車(chē)輛速度較快，容易出現(xiàn)監(jiān)控圖像模糊、拖尾等現(xiàn)象，高品質(zhì)的一體機(jī)機(jī)芯可對(duì)車(chē)輛圖像進(jìn)行自動(dòng)聚焦，并能達(dá)到很好的定焦效果，為道路監(jiān)控和交通管理提供理想的監(jiān)控圖像。

自動(dòng)聚焦技術(shù)與變焦控制技術(shù)相結(jié)合提高了監(jiān)控效率。當(dāng)圖像畫(huà)面發(fā)生變化(如有物體移動(dòng)或變焦控制時(shí))需要重新聚焦，自動(dòng)聚焦鏡頭可以自動(dòng)執(zhí)行聚焦操作，讓整個(gè)畫(huà)面始終保持焦點(diǎn)準(zhǔn)確圖像清晰。比如我們控制鏡頭變焦讓畫(huà)面場(chǎng)景中的人物由遠(yuǎn)及近時(shí)，自動(dòng)聚焦算法會(huì)不斷分析當(dāng)前畫(huà)面并發(fā)出鏡頭自動(dòng)聚焦命令，使人物在畫(huà)面中始終保持焦點(diǎn)清晰。而如果一體機(jī)機(jī)芯安裝在云臺(tái)上，同樣可以根據(jù)云臺(tái)的操作完成自動(dòng)聚焦。自動(dòng)聚焦主要技術(shù)難點(diǎn)是要提高聚焦的速度和精度，精度將影響后期圖像處理的結(jié)果。場(chǎng)景中被攝物體與拍攝的距離時(shí)刻發(fā)生變化，快速的聚焦十分必要，聚焦速度的提高，取決于聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選擇。聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)用來(lái)衡量圖像聚焦與否。基于圖像處理的自動(dòng)聚焦算法中常用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的類(lèi)型大致有：灰度梯度函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)、頻域函數(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)等。用微積分法對(duì)圖像進(jìn)行梯度變換，將圖像的邊緣增強(qiáng)處理，使聚焦圖像與離焦圖像的評(píng)價(jià)函數(shù)值更加分明，提高了準(zhǔn)確聚焦的靈敏度。該方法是目前安防一體機(jī)機(jī)芯使用得較多的一種。

此外，一體機(jī)機(jī)芯的好壞直接決定了一體化攝像機(jī)產(chǎn)品之間的差距。限制一體機(jī)發(fā)展的瓶頸在于自動(dòng)聚焦，聚焦速度和效果好壞，直接影響到用戶對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)圖像的抓取和錄像。好的產(chǎn)品，可以一次性準(zhǔn)確聚焦;差的產(chǎn)品，在聚焦時(shí)會(huì)來(lái)回往復(fù)，需要3、4次才能定焦，或者聚焦不到“最清晰點(diǎn)”。自動(dòng)聚焦這一技術(shù)，成為廠商急需要解決的技術(shù)難題。

自動(dòng)曝光功能同樣也是重要的3A功能之一，通過(guò)IRIS調(diào)節(jié)來(lái)尋求合適的曝光，以得到更加清晰的畫(huà)面。這項(xiàng)功能在一體機(jī)機(jī)芯對(duì)不同場(chǎng)所進(jìn)行變倍監(jiān)控時(shí)，其效果立竿見(jiàn)影。

除此之外，一體化機(jī)監(jiān)控范圍更廣，特別適用于各類(lèi)大范圍監(jiān)控場(chǎng)所。對(duì)于高溫、雨雪等惡劣的室外環(huán)境，通過(guò)良好的防爆、防水等功能的配置，能夠解決用戶室外監(jiān)控的后顧之憂。另外，對(duì)于特殊環(huán)境的需求，一體化機(jī)芯同樣有著出色表現(xiàn)，有專(zhuān)門(mén)用于生化環(huán)境的防腐蝕一體化攝像機(jī)、有可用于海底的防水一體化攝像機(jī)，還有為應(yīng)對(duì)室外高溫天氣而研制的，具有散熱功能的一體化攝像機(jī)等?？梢詷?lè)觀地預(yù)計(jì)，隨著一體化機(jī)芯功能優(yōu)勢(shì)的全面發(fā)揮，將會(huì)給各類(lèi)安防應(yīng)用帶來(lái)更積極的監(jiān)控體驗(yàn)。

上述諸多優(yōu)勢(shì)，可清晰看到一體化機(jī)芯廣闊的發(fā)展前景。面對(duì)視頻監(jiān)控高清化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，一體化攝像機(jī)同樣需要在這條道路上長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,因此百萬(wàn)高清一體化機(jī)芯應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)比模擬一體化機(jī)芯，百萬(wàn)高清一體化機(jī)芯有諸多優(yōu)勢(shì)。

百萬(wàn)高清一體機(jī)對(duì)比模擬產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)明顯

百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯與模擬產(chǎn)品主要差別在于，百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯是數(shù)字信號(hào)輸出，而模擬產(chǎn)品要經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換，模數(shù)——數(shù)模兩次轉(zhuǎn)換，最終輸出為模擬信號(hào)。另外一個(gè)大的區(qū)別則是感光器的差異，雖然CCD也可以做到百萬(wàn)高清，但是因成本關(guān)系，目前主流的百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯的感光器均采用CMOS，而模擬產(chǎn)品則是采用CCD。因?yàn)檫@兩點(diǎn)，導(dǎo)致百萬(wàn)高清一體機(jī)對(duì)比模擬產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)明顯。

首先是分辨率，傳統(tǒng)模擬彩色攝像機(jī)采集垂直分辨率，目前最高達(dá)到600線左右已經(jīng)是目前的極限，而數(shù)字高清攝像機(jī)最低可達(dá)800線以上，并且從分辨率上來(lái)看，傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)最高分辨率可以達(dá)到D1或者4CIF左右，約合（40萬(wàn)像素），而數(shù)字?jǐn)z像機(jī)則沒(méi)有此項(xiàng)限制，可以達(dá)到百萬(wàn)級(jí)像素甚至千萬(wàn)級(jí)像素，兩者之間在像素和清晰度方面的表現(xiàn)則根本不可同日而語(yǔ)。

其次是清晰度，傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)原本分辨率就不高，加之要受到兩次的A/D轉(zhuǎn)換、電磁傳輸干擾、CCD所特有的隔行掃描、D1畫(huà)面的合成反交錯(cuò)等視頻損傷的影響，實(shí)際到達(dá)人眼時(shí)已經(jīng)非常的模糊不清了。所以無(wú)論是D1還是4CIF等只不過(guò)是理論數(shù)值，在實(shí)際應(yīng)用中清晰度則完全達(dá)不到理論數(shù)值水平。而百萬(wàn)高清一體機(jī)采用的是數(shù)字信號(hào)傳輸，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后由DSP進(jìn)行圖像壓縮與處理，最后輸出數(shù)字壓縮視頻。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在抗電磁干擾性、逐行掃描、畫(huà)面分辨率方面都擁有傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)而言之，百萬(wàn)高清一體機(jī)的畫(huà)面比模擬產(chǎn)品畫(huà)面要顯得尤為干凈、清晰。

第三，百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯大多采用CMOS傳感器，其圖像掃描模式為逐行掃描，每一幀圖像均由電子束順序一行接著一行連續(xù)掃描而成。而快門(mén)方式為先掃描方式，數(shù)據(jù)傳輸更快更便捷（如圖1）。

圖1 CMOS芯片的線掃描快門(mén)

而傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)的傳感器為CCD，掃描模式則采用隔行掃描，隔行掃描的行掃描頻率為逐行掃描時(shí)的一半，隔行掃描由于其工作原理所以在應(yīng)用中擁有諸多缺點(diǎn)，例如產(chǎn)生行間閃爍效應(yīng)、出現(xiàn)并行現(xiàn)象或出現(xiàn)垂直邊沿鋸齒化現(xiàn)象等不良效應(yīng)。此外其快門(mén)方式為全局曝光，即一次性曝光畫(huà)面內(nèi)全部像素，再一次性輸出，因此對(duì)于內(nèi)存要求較高，且數(shù)據(jù)傳輸效率不高（如圖2）。

圖2 CCD芯片的全局快門(mén)

正因?yàn)榭扉T(mén)及掃描方式的不同，CCD有本身導(dǎo)致的固有問(wèn)題一直無(wú)法徹底解決，其中之一是smear現(xiàn)象，即漏光現(xiàn)象（如圖3）。它是由于存儲(chǔ)區(qū)域溢出而導(dǎo)致的。

圖3 CCD芯片的SMEAR現(xiàn)象

圖4 CCD CMYG序列

圖5 CMOS RGB序列

第四，百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯的色彩還原比模擬產(chǎn)品更加真實(shí)。從根本上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)榘偃f(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯采用的CMOS為原色序列RGB。而模擬產(chǎn)品采用的多為補(bǔ)色CCD，像素序列為CMYG。參見(jiàn)圖4及圖5.從圖中可以看出，同樣的像素單位中，RGB序列的綠色成分更多，而色彩還原中綠色占很大成分。加上本身RGB直接原色輸出，而CMYG需要計(jì)算來(lái)得到原色，色彩還原的效果自然也有折扣。

并且在后續(xù)信號(hào)處理過(guò)程中，模擬視頻信號(hào)中的亮度信號(hào)與色度信號(hào)由于占用了相同的頻帶，在由ISP做信號(hào)分離時(shí)，很難將色度與亮度信號(hào)徹底分離，導(dǎo)致畫(huà)面出現(xiàn)雜色斑點(diǎn)與色滲透現(xiàn)象。而數(shù)字高清攝像機(jī)則沒(méi)有這個(gè)煩惱，全部獨(dú)立輸出，因此色彩更加的逼真、更加富有層次感、畫(huà)面飽和度更佳。第五，傳統(tǒng)模擬一體機(jī)，輸出模擬信號(hào)，通常布線中要考慮控制控制線，視頻線，電源線均需獨(dú)立布線。而百萬(wàn)高清一體機(jī)芯，無(wú)論用來(lái)做HDSDI輸出，還是網(wǎng)絡(luò)輸出，均可以減少布線，對(duì)于工程來(lái)說(shuō)更加方便。

第五，傳統(tǒng)模擬一體機(jī)機(jī)芯輸出模擬信號(hào)，在模擬信號(hào)的基礎(chǔ)上不易再進(jìn)行其他操作，發(fā)展空間不大。而百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯采用數(shù)字信號(hào)輸出，可以在后端再進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳輸，可與其他產(chǎn)品聯(lián)動(dòng)，也可采用基于服務(wù)器的視頻分析，以此創(chuàng)建更加智能的系統(tǒng)和改善整體安全性能，同時(shí)簡(jiǎn)化操作。有了百萬(wàn)像素一體機(jī)，智能化系統(tǒng)可以做的更好，與傳統(tǒng)模擬一體機(jī)相比，更加清晰的圖像可以使視頻分析獲得更高的準(zhǔn)確度。

結(jié)束語(yǔ)

在產(chǎn)品日新月異的今天，各種配套的綜合硬件得到了不斷的改善和升級(jí)，軟件也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，用戶對(duì)于百萬(wàn)高清的認(rèn)識(shí)也不斷深入，可以說(shuō)數(shù)字百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯大展拳腳的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。從目前數(shù)字百萬(wàn)高清產(chǎn)品的各項(xiàng)功能和參數(shù)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品已經(jīng)基本成熟，市場(chǎng)上對(duì)于高清的長(zhǎng)期需求將得到切實(shí)的滿足?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)在安防行業(yè)內(nèi)將刮起一股強(qiáng)勁的數(shù)字百萬(wàn)高清一體機(jī)機(jī)芯颶風(fēng)。

作者單位：上海樂(lè)金廣電電子有限公司