百萬高清晰度成像的技術(shù)原理

　　百萬高清度，是指網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)清晰度的一個(gè)級(jí)別，一般是指百萬及百萬以上像素和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，百萬成為高清的分水嶺，市面上主流攝像機(jī)有百萬像素、130萬像素、200萬像素、甚至到500萬像素， 1280×720分辨率實(shí)際像素?cái)?shù)為92萬，從嚴(yán)格意義上講未達(dá)到百萬級(jí)別，所以也有人稱之為準(zhǔn)高清，而1920×1080分辨率200萬畫質(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(Image Signal Processing)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)過專業(yè)的測試才能夠準(zhǔn)確的判斷。比如：使用一百萬的傳感器，后面通過芯片放大至1080P進(jìn)行編碼，那么實(shí)際輸出的圖像是無法達(dá)到200W的效果，反之將一個(gè)使用二百萬傳感器的攝像機(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)，不同的ISP用來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)品競爭。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，但在特定的應(yīng)用場合，SDI還是具備一定的優(yōu)勢。

　　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)圖像造成不同程度的失真。市場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、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6mm，寬4.8mm，高3.6mm。

　　另外大家知道，外界光線是通過鏡頭映射在靶面(圖像傳感器)上，再經(jīng)過轉(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，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)，見證了高清監(jiān)控的成長歷程。在整個(gè)高清監(jiān)控發(fā)展過程中，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)展趨勢上，網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控是必然趨勢，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)市場并沒有達(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)有市場的快速膨脹，并向多樣化方向延伸，重新占領(lǐng)新市場的發(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)!