实践为王 四大技术引领高清摄像机发展

2011-06-09 20:16:39来源: 安防监控网

  在视频监控领域,由网络监控剥离出来的高清网络监控正以超乎想像的速度发展着。刚刚过去的3年,网络摄像机与模拟摄像机的产销量与市占率构成比例已经发生了显著的变化,网络摄像机从之前的5%比重增长到如今的25%。造成这一变化的原因多种多样,比如网络摄像机技术的发展实现了高清实时图像,产品类型越来越丰富,网络环境的改善带来了更大的带宽和更高的网速等等。

  高清网络摄像机主要针对图像清晰度要求比较高的高端监控市场的应用需求,包括:高速公路、银行、远程医疗、安检关口等领域。但是随着安防监控由高端专用领域日趋民用化,高清摄像机的应用范围也越来越广泛,很多监控条件差、光线昏暗的地方也要求安装功能多样的摄像机,网络高清监控正以成熟的技术和合理的价格逐渐进入增长期和普及阶段,已经被越来越多的用户所接受。

  像素与分辨率赛跑

  网络摄像机顾名思义,便是整合了传统摄像机与网络的功能,它将视频信号数字化并且压缩,然后通过自身具备的网络接口通过IP网络进行传输,并且记录在装有视频管理软件的电脑主机或专用的IP SAN里面。米卡(中国)有限公司副总经理侯武东认为:“现在很多主流大厂的IPC清晰度已经在向500万像素靠拢(需要清楚认知的是本文所谈的是真实像素,而非很多所谓的插值像素),但是我们要看到其实摄影业界所采用的成像清晰度已经在千万像素以上了,我们安防监控行业在新技术的采用上还是稍稍落后了半拍;因此,未来的网络摄像机应该会和DV机等摄影行业的标准更为贴近。”

  目前,安防行业的高清监控摄像机经历了分辨率为720P与1080P两种格式后,如果将高清分为3个等级,被业界定义为准高清的720P即1280×720分辨率严格算来只能达到约等于百万像素的92万像素;被定义为全高清的1080P则是1920×1080,像素值超过200万达到了207万,其中后缀“P”代表的是逐行扫描。对于移动目标的图像采集,相对隔行扫描,逐行扫描可以获得更好的动态图像,视觉方面几乎不会产生拖尾,因此对安防监控应用来说逐行扫描更加适合;而目前最高端、最主流的高达2560×1920分辨率约等于500万(实际有效像素为492万)则被行业公认为超高清摄像机。当然,像素值的发展也不是永无止境的,APS-C幅面影像传感器最高只能达到1800万像素值的瓶颈,因此,未来用于视频监控的高清摄像机在像素值方面还会有所提升,但是受限于CMOS和CCD的发展,只能等待全新半导体材料影像传感器的诞生来解决这个问题。另外,根据国外最新研究成果,如果将搭载了全画幅大尺寸CMOS的两台高清高像素摄像机并列同时打开快门摄像,可以得到超过1亿像素的静态画面,但转为动态的话,则会损失大量像素。

  深圳波粒智能科技有限公司总经理毛忠彪指出,目前百万高清IPC应用以720P作为普及,重要通道采用1080P,而特殊监控则采用500万像素,从使用量上看还是720P占多。摄像机单纯提升像素并不难,但是考虑硬盘占用、网络带宽、视频压缩处理压力、低照度、大数据处理稳定性、后端主机与配套,以目前的状况,还不能过分贪图太高的像素。由此可见,偏于低端的100万像素仍占多数,在这个层面上,CCD与CMOS两型影像传感器各领风骚,台系映佳、智源、赛灵思以及国产的海思等方案占主体;200万像素基本是厂商宣称的“真高清”阵地,这里可以算是韩系主阵地,荟萃了三星、LG等我们所熟知的品牌,韩系Nextchip、美国德仪TI、Ambarella等方案在此

  领域均有建树;300万像素阵营因为SONY、Panasonic的加入而显得底气十足,Exmor和MOS两大CMOS影像传感器分立潮头,与之相匹配的是仍旧是原汁原味的原厂方案和表现出色的德仪TI方案;400万像素与500万像素区别不是很大,方案也是以TI为主,主要是CMOS的选材和方案算法的升级才造就了像素值的不同,这里汇集了美赞美、爱锐康特、海康威视、MOBOTIX、Basler等专业、高端品牌。

  相对于传统的4:3图像比例,高清图像的16:9格式更适合安防监控的应用。监控场景往往是需要对大范围横向区域进行监看,比如高速公路收费站、铁路沿线、体育场馆出入检票口等,这些场所的特点都是以横向排列的方式出现在画面中,而画面顶部的天空和底部的路面往往是我们不关心的内容。所以16:9的画面可以去除这些不

  重要的区域,而增大我们关心的监控目标的面积。以往要用好几支模拟摄像机横向排列才能监控的区域,现在只要一只高清网络摄像机就可以覆盖,不仅提高了清晰度,也节省了成本。

  两强相遇“清”者胜

  图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体,CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时,由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大,如果抑制的不好就十分容易出现噪点。

  众所周知,感光器件是摄像机最为核心的部件,在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,最为广泛使用的是CCD,而CCD长期以来都在市场上占有主导地位,出货量遥遥领先。进入高清监控时代以后,CMOS逐渐被人们所认识。CCD的特点是灵敏度高,但响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。对于相同尺寸的感光器件,像素越高,意味着每个像素的进光量越少,因此目前高清监控摄像机的突出问题是清晰度提高,灵敏度降低。幸运的是,目前已经研发出720P与1080P专用的CMOS器件,其灵敏度性能已经与CCD接近。索尼大名鼎鼎的Exmor背照式COMS图像传感器,这种背照式CMOS被SONY广泛应用于Cyber-shot系列DC和Handycam系列DV上面,Exmor改变了传统传感器二极管位于电路晶体管下方的布局,让光线首先到达感光二极管,由于不受金属线路和晶体管的阻碍,开口率可提高至近100%。与表面照射型CMOS传感器相比,背照式CMOS在灵敏度(S/N)上具有很大优势,显著提高低光照条件下的拍摄效果,因此在低照度环境下拍摄,能够大幅降低噪点。传统表面照射型CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器以及对应的放大电路,因此,这部分电路会占用更多的像素面积,直接导致光电二极管实际感光的面积变小,感光能力变弱。而ExmorCMOS将光电二极管放置在传感器芯片的最上层,把A/D转换器及放大电路放到传感器芯片的“背面”。这样一来,通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用,开口率得以大幅度提高,即便是小尺寸的影像传感器,也能获得优良的高感光度能力。根据计划,索尼2011年将在长崎投资1000亿日元,包括收购东芝的半导体工厂,意在将Exmor 传感器产量提高一倍,但不知该计划是否收到地震的影响。

  IPC使用CMOS多于CCD已成为不争的事实,是什么造成了这种现状?两者其中的差异化特征是什么?杭州海康威视数字技术股份有限公司产品总监应向群指出:“CCD、CMOS都是影像传感器,由于其工艺不同,特性相差很大:CCD特有的工艺(制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握),具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点,在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势,在很长时间内还会延续采用,但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间;CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点,最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速;特别是背照式CMOS技术,在低照度、信噪比方面有了一个崭新的发展,有些方面甚至超过了CCD。相信在高清摄像机未来的发展中,CMOS将占据着越来越越重要的地位。”

  深圳波粒智能科技有限公司总经理毛忠彪认为,CMOS芯片功耗低,成本低,可以做到更高像素视频,实现百万或千万级像素,而CCD做高帧率(全实时)视频摄像机,暂时最高只能做到200万。

  米卡侯武东介绍说,至于为什么IPC使用CMOS多于CCD呢?这是因为,CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD被集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上,工作原理虽然没有本质的区别,但由于CCD制造技术仅仅掌握在索尼、松下、夏普等少数几个厂商手中,并且制造工艺较复杂,所以采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。CCD虽然成像质量好,但是成本高,使用中也比较费电。以前在摄像机都是标清的时代,应用在摄像机里的CCD图像传感器通常以十万像素为单位,比如40万像素的CCD,基本就是标清720×576分辨率了。随着高清数码摄像机普及,CCD的像素开始增多,但是还没有多少机型的CCD达到百万像素的时候,新的CMOS图像传感器开始大举占领图像传感器领域。相较CCD来说,CMOS有成本低、省电的特点,随着成像质量不断提高,越来越广泛被使用在家用、专业甚至广播级的摄像机中。CMOS和CCD一样是在数码设备记录光线变化的半导体,外观上几乎无法分别。CMOS的制造技术和CCD 不同,比较接近一般电脑晶片。CMOS发展的很快,像素数量也增速很快,目前在摄像机领域使用的高端CMOS,很多都达到了1080×1920全高清分辨率。有些家用数码摄像机的CMOS像素数量也达到1000万。因此,在以高清为主打的IPC中采用CMOS就顺理成章了。

  宽动态一场持续6年的“军备”竞赛

  无独有偶的是,目前市售的高清网络摄像机几乎都添加了宽动态功能,难道这只是个巧合吗?怎么来看待这个现象呢?

  如果高清摄像机的CCD只能对明亮柔和的环境高清,而对高对比度的环境“看不清楚”,就只能算是伪高清了。宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术,很好的解决了影像传感器的动态范围相对人眼要窄的问题。当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时,摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色,严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的,这种局限就是通常所讲的“动态范围”。宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍,能让你在黎明、黄昏或者阴天都看得清清楚楚,已经作为高清摄像机的性能指标之一了。

  深圳市中瀛鑫科技股份有限公司市场推广部副总经理夏其春介绍说,如果高清摄像机只能对明亮柔和的环境高清,而对高对比度的环境“看不清楚”,就只能算是伪

  高清了。宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术,很好的解决了影像传感器的动态范围相对人眼要窄的问题。当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时,摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色,严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的,这种局限就是通常所讲的“动态范围”。宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍,能让你在黎明、黄昏或者阴天都看得清清楚楚,已经作为高清摄像机的性能指标之一了。

  值得注意的是,大家记忆犹新的宽动态大幅出现阶段虽然处于模拟摄像机时代,但是却见证了摄像机由模拟时代变迁到数字时代的整个过程,尤其是当年来自美国风靡一时的Pixim D2025P方案将宽动态范围一举推到了至今都尚未落伍的256dB水平。去年名声大噪的Exmor背照式CMOS集成了多次曝光宽动态技术和可视性增强(VE)技术,一般来说宽动态打开后灵敏度是会降低的,但通过开启这个功能,不仅宽动态范围超过120dB,达到超宽动态的惊人效果,而且相比传统宽动态灵敏度提升了2倍,同时对比度也增加4倍,使图像效果在低光和明暗对比强烈的环境中得到极大增强和改善。

  对此,深圳波粒智能科技有限公司总经理毛忠彪认为,IPC要广泛应用,必须做到品种丰富,有低照度、红外、高速球、背光补偿、宽动态等等,系列齐全才能更好地应用到实际工程中。如果高清摄像机厂家品种少,会极大的阻碍高清监控的应用,因此宽动态高清IPC的必须性很大。

  杭州海康威视数字技术股份有限公司产品总监应向群高清解决了图像细节的问题,在图像感官上大大提升了客户的体验,也解决了客户原来“看得见、看不清”的实际问题。但对于实际的、自然光线下的环境,肯定会有亮、暗同时存在的情况,这个时候就必然需要宽动态的功能。因此海康威视加大了宽动态功能的研发投入,例如推出了120万、200万的高清宽动态摄像机,以解决客户的实际使用需要。

  米卡(中国)有限公司副总经理侯武东也持相同观点,他在采访中表示,在IPC中植入宽动态功能是一个必然的趋势,简单地说宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚。宽动态范围是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。由于真实的监控环境中往往光照不理想或非常复杂,采用传统CCD取得的图像效果往往不理想,由于CCD的感光特性所限制,在技术上很难在有重大突破,而CMOS技术已经达到160dB, 采用CMOS技术的摄像机,宽动态范围要比CCD宽动态范围有极大的提高。对于DPS技术,每个像素对应的光线都可以优化曝光,每一帧数据读取时间只需0.8毫秒(传统CCD技术则需数十毫秒),这样系统可以对每个像素进行多次单独采样;而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间,在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后,系统再对其进行处理,最终形成高质量的图像。即使在最苛刻的光照条件下,也可捕捉到清晰、逼真的图像,再也不会因为阴影、眩光、反射和太阳光而使图像发暗或被破坏。因此,可以说未来的监控摄像机属于宽动态摄像机,宽动态技术属于CMOS。

  智能技术的植入是多此一举还是锦上添花

  为了便于管理,监控网络中常常需要有图像矩阵显示功能,方便监控人员对反馈信号及时分析处理,也要让运动监测能够与时间监控和警报管理功能结合,这种智能化避免了因人为疏忽而带来失误。报警缓冲功能可将报警期间录制的视频图像在传输线保存在存储器上,防止图像数据的丢失,即使在因宽带限制或网路流量问题而导致图像传输延迟时也是如此。从现在来看,用户对动态视频的要求会越来越高,厂商只有不断地开创新的技术才能在市场竞争之中立于不败之地。比如在解决高清和数据流这对矛盾时,德国Basler公司率先推出了两项创新技术:支持编码器多种码流的同时传输,可使用几个MJPEG码流,同时MPEG-4或者H.264也可以打开,以便同时获得高分辨率的图片和高帧率的视频。其次是感兴趣区域的功能(AOI)。Basler BIP系列为了表现更多图像细节及精准度,图像的格式和纵横比是可以调节和设置的。AOI能够在用户在原始视频里设置多个自己感兴趣的区域,这些被选定的区域能够单独编码和传输。以此功能传输更多的图像细节,节省硬盘空间,提高利用率,并降低宽带占用率。时下200万像素以上机型包括索尼、三星、松下都无一例外地在高端IPC中植入智能化功能,难道这又是高清网络摄像机风云际会的一次巧合吗?对此,记者就此问题采访了几家具有代表性的负责人。

  索尼(中国)专业系统集团B2B销售及市场开发部产品经理文军在采访中表示,智能分析一直是网络摄像机追求的功能,这个功能最初的开发构想就是让人从繁重的监控工作中解放出来,让机器智能地进行监控、判断、分析、报警。但由于目前智能分析的研发能力有限,市面上大多数智能功能都难以满足实际应用,这些问题极大地限制了智能应用的推广。索尼早在2006年就推出了具备智能分析功能的DEPA系列网络摄像机,后来又推出了增强型的DEPA二代产品。DEPA二代技术将智能分析处理完全前移到前端网络摄像机中,摄像机自身即可对采集的图像进行分析判断,并将报警信号传输到后端系统中,这不同于以往智能技术将图像传输到后端系统后再由软件进行分析报警的方式,有点类似于网络存储中比较类似的“集中存储”向“分布存储”过度的类型。DEPA二代智能分析技术还具备最新研发的“智能防破坏探测”和“智能语音探测”功能。智能防破坏探测功能可以识别人为地对摄像机进行的遮挡、调焦、喷涂、移位等动作,并及时发出报警;智能语音探测则可以对尖叫、异响等作出报警。

  深圳市中瀛鑫科技股份有限公司市场推广部副总经理夏其春指出,智能化一直都是数字监控行业发展的方向,因此,智能视频监控产品真正地应用,智能化才能取得实质性的进展。当智能化与IP化紧密集合在一起的时候,IP监控行业将会翻开新的一页。同时高清技术的发展将推动图像识别和智能分析技术的发展和应用,图像识别和智能分析技术一直没能得到业界普遍期待的大规模应用。主要原因是识别的精确度离用户的期待还有不小的差距,而图像的分辨率则是影响识别精确度的主要因素,高清监控技术的发挥和大规模市场应用将会为图像识别和智能分析技术的推广应用带来前所未有的机遇。如人脸识别技术的应用,目前主要应用于经特别设计的出入口通道等场合,每次也只能识别一张人脸,高清监控技术的应用将大大提高识别效率,拓展应用场合,如城市治安监控、银行营业厅监控、车站广场监控中的应用。

  米卡(中国)有限公司副总经理侯武东认为,高清和智能化是网络摄像机未来发展的2个相辅相成的重要方向:高清的画面使人们可以清晰的监控目标事物,智能化可以减轻人们监控管理的难度,辅助我们实现更多的更实用、实时的监控需求。因此,越来越多的厂商会把高清、智能化或者2者都加入到网络摄像机的功能和性能中去,以期给客户提供更高的性价比。深圳波粒智能科技有限公司总经理毛忠彪也认为,高清与智能是视频监控发展必然趋势,目前发展智能最好有高清的画质做基础,先实现数字高清化,接着智能化。目前数字高清还没有广泛普及应用,因此智能化的发展会受到一定限制。

  结束语

  有梦就有未来,对于上世纪90年代第一批拿彩色CCD说事儿的安防人而言,高清与网络恐怕是当时想都不敢想的梦,但是时隔十多年,这个难以企及的梦想竟然成真,这就是梦想与创新的结果,高清网络摄像机代表着监控摄像机的未来,高清网络摄像机这个曾经被众多业内人士誉为“窗上的苍蝇”(寓意前景一片光明但却找不到出路)的新生事物,对于用户和生产商来说,梦想都实现了,好日子还远吗?

关键字:高清视频  高清摄像机  视频监控  网络摄像机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0609/article_3764.html
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