百万高清摄像机芯片种类及应用

很多年以前业界就谈到安防视频监控领域的三个趋势：数字化、网络化、智能化。目前国内市场上安防视频监控系统的主流产品已经从十多年前的纯模拟视频监控系统，逐步转变成了纯数字的百万高清视频监控系统，即从视频采集、视频传输、视频录像和回放全部采用模拟信号转变为全部是数字信号。
　　相比于模拟视频监控设备，百万高清数字摄像机大大提升了画质，像素达到1280×720、1920×1080或更高，因此有了“百万高清”之名。同时，对比模拟监控设备传输技术而言，数字视频监控设备仅需普通网线，易于实现远距离传输，更重要是降低了工程造价且易于维护。随着纯数字高清监控系统配套设备越来越齐全，解决方案越来越完善，它已经成为安防视频监控领域不可逆转的潮流，并占据市场主导地位。

　　摄像机芯片的功能
　　从数字摄像机的组成结构来看，它主要由镜头、图像传感器（CCD或者CMOS器件）、ARM/DSP等组成。镜头聚集被摄物体反射的光线至图像传感器上，再由图像传感器经过广电转换成数字视频信号输出给芯片，芯片进行一系列数字图像信号处理（ISP）和数据压缩之后，通过网络传输给后端解码显示设备，进而实现视频预览、录像、回放等功能。
　　从上面我们可以看出，摄像机芯片是整个摄像机里面核心部件，它接收来自图像传感器获取的图像，然后进行一系列的运算和处理，实现了数字网络摄像机的所有功能。
　　数字摄像机芯片，习惯上又称之为片上系统（SoC，System-on-Chip），它将处理器资源、内存资源、编解码算法、外围设备接口等都集成在单个平台上，其中大部分功能固化在芯片上，并且对一些特殊功能需求模块化，采用提供源代码方式给用户，用户再根据不同的应用需求进行二次开发；除此之外，SoC还可以增加视频协处理器以及其他视频子系统，实现如预览、缩放、光学处理、图文叠加等功能，从而进一步增强视频处理能力。

　　当前百万高清摄像机芯片厂家及产品

　　SoC方案作为高清数字摄像机芯片解决方案，能够有效满足百万高清摄像机内部复杂视频处理运算以及外围设备接口扩展。目前最主流的摄像机芯片厂家有德州仪器（TI），海思(HiSilicon)，安霸(Ambarella)，恩智浦（NXP），升迈（GrainMedia），Nextchip等等。
　　TI
　　TI推出的TMS320DM368视频处理器支持多格式高清视频，包括VC1、MPEG2、MPEG4、MJPEG以及H.264等，最高支持每秒30帧编码的1080p标准。此外DM368支持多格式解码、多速率多流以及高清多通道功能，而且还可提供音频、语音以及其他高清视频编解码器，可实现更高的灵活性与更低的设计复杂性。DM368采用的ARM926EJ-S内核可实现超过40%的性能提升，频率高达432MHz，同时还可将视频编码/解码功能交由集成高清视频加速器完成，从而优化系统性能。
　　同时TI在智能化方面也有尝试。DMVA1通过集成TI第一代视觉协处理器提供入门级分析功能，如人数统计、触发区、智能运动检测、摄像机篡改检测以及流媒体元数据等。由于在同一芯片中紧密耦合了视觉协处理器与智能分析功能，从而实现了具有视频分析功能的IP摄像机。
　　DMVA2 SoC是继DMVA1之后的产品，不但视频性能是DMVA1的3倍，而且还采用了TI智能编解码器技术，可将比特率锐降5倍，实现更高的视频质量与网络带宽。和支持720p的DMVA1相比，DMVA2可在流媒体标准高达1080p的情况下实现上述智能分析功能。
　　海思
　　从Hi3512、Hi3515到最新的Hi3516，海思提供了一套完整的高清解决方案。以Hi3512为例，该方案基于ARM9处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，具有高集成，可编程，支持H.264和MJPEG等多协议的优点，其中视频处理单元可以支持H.264 Main Profile、Baseline、Profile、MJPEG、JPEG等多种协议实施编解码；支持1.3M Pixels@30fps，支持最大300万像素的JPEG抓拍；视频处理单元还可以支持双码流编码等功能。
　　最新推出的Hi3516方案基于ARM Cortex A9处理器内核，除了具备上述特点之外，它支持1080P@30fps，支持最大1600万像素的JPEG抓拍；视频处理单元还可以支持双码流编码等功能。另外它还增加了RGB Bayer格式输入，能够与更多图像传感器直接对接，同时增加了CVBS输出，可以提供HDMI或SDK扩展输出。智能化方面集成了智能分析加速引擎，支持智能运动侦测、周界防范、人脸检测、视频诊断等多种智能分析应用。
　　安霸
　　安霸A5s网络摄像机芯片采用528MHz ARM11处理器，带有DSP子系统用来进行ISP和H.264/MJPEG的编解码处理，支持全高清1080p30 H.264编码，并且集成了专业处理240MPixel/s图像处理功能。其图像处理引擎包含了增强的降噪处理、图像增强滤波，以及电子防抖动等技术。前端传感器支持Aptina MT9M033 (1.3 MP WDR)，Aptina MT9J003 (10 MP)，OmniVision OV2715 (2 MP)和Sony IMX036 (3 MP)等等。另外该SoC方案基于45nm CMOS工艺，在1080P@30fps工作状态下，功耗低于1W（包含DDR的功耗）。
　　恩智浦（N X P）

　　NXP推出的ASC8850单芯片方案，支持大部分IP摄像机所具备的功能，它集成了视频压缩功能，也能够进行完整的视频图像控制和网络传输。ASC8850基于ARM926J，集成了硬件模块，支持H.264 1080p 30fps编码和MJPEG 1080p 40fps编码等多种流媒体格式，并且还支持完整图像处理功能 (镜头光学畸变校正、色调映射、自动聚焦、自动白平衡以及自动曝光等)。在传感器的配合下，ASC8850在低光线条件下也可以实现高视频质量，因为这款芯片支持高分辨率色调映射，能够自动调整曝光并实现像素组合。

百万高清摄像机芯片发挥功能需配套产品配合

　　百万高清摄像机芯片功能主要包含图像传感器、图像处理、视频编解码、视频输出、智能分析等等。图像传感器主要有低照度，宽动态等等；图像处理（ISP）包括3A（自动曝光，自动白平衡，自动聚焦），边缘增强，3D降噪，图像的缩放、翻转、亮度、色度、饱和度、对比度调节，还有数字宽动态、数字放大、电子防抖等等；图像编解码主要有MPEG4、H.264、MJPEG、多码流处理等等；视频输出主要有Ethernet、WIFI、CVBS、HDMI、SDI等等；智能分析方面有运动侦测、周界防范、人脸检测、车牌识别、视频诊断等等。
　　视频安防监控摄像机的图像传感器主要是CCD和CMOS两种。模拟摄像机以CCD图像传感器为主，百万像素以上的高清摄像机目前主要以CMOS图像传感器居多。近年来，在手机等消费类电子领域占据了大部分市场的图像传感器公司开始将一些高性价比的CMOS芯片引入安防领域，CMOS图像传感器的感光效率更高，图像噪声更少，动态范围也增强很多。
　　一般来讲，同样的感光面积，像素点越多，每一个像素的感光面积就越小，每一个像素所承受的光子数目就少了，感光器的光照灵敏度就越差。很多人经常错误地拿几十万像素的1/3英寸CCD模拟摄像机与1/3英寸CMOS百万高清摄像机比较低照度效果，从而得出错误的论断，认为CCD低照度更好。事实上，以APTINA公司1/3英寸130万像素CMOS芯片制成的低照度摄像机与某采用日产1/3英寸CCD芯片制成的130万像素数字高清摄像机进行低照度效果比照，在齐整条件下，CMOS不只不亚于CCD，反而在视觉上大大超出了CCD百万高清数字摄像机。所以对于图像传感器的选择，要摆脱模拟摄像机的阴影，不能盲目的认为CCD的低照度效果是最好的，CMOS感光器效果一定不如它。技术是不断进步的，有时候情况也会随着发生变化。
　　如果只是简单少量点的需求，或者已经有了大平台，要满足用户高清网络视频上电视墙的需求，采用具有单路解码效果的芯片即可。对中小型项目和大项目的分级点而言，则要用到NVR或者目前最热门的混合型DVR来解决。考虑到把多台百万高清网络摄像机的大量数据流进行管理和存储会消耗非常大的网络和PCI带宽，这对网络芯片和CPU来说也是非常大的考验，这也是目前一些芯片要集成双核CPU和千兆网口的原因。

　　百万高清摄像机芯片应用前景

　　对目前网络摄像机芯片解决方案而言，一方面SoC芯片解决方案的公司只有具备足够的相关技术才能应对未来更多挑战；另一方面网络摄像机也不是功能越多越全越好，在目前工程水平上快速便捷地满足客户的需求才是根本。
　　随着百万高清网络摄像机的发展，芯片实现更多功能的同时，集成度也越来越高，随之外围器件会越来越少，功耗也会越来越低。为了实现系统的搭配，数字高清摄像机既要有适合于安防应用的图像传感器，与之对接的后端还要有解码芯片技术的支持，所以后端解码显示芯片的性能也有待更大突破。

　　结束语

　　百万高清网络摄像机的芯片发展不能简单看成网络摄像机的发展，更值得关注的是系列配套产品的完善。如果能够从芯片设计部分就开始考虑好怎样更加贴近实际安防工程项目，这将会使百万高清网络摄像机更广泛的应用起来。

原文来自：http://cctv.cps.com.cn/technology_application/2012/0222/3MMDAwMDM2ODI3Mw_2.html

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