高清网络摄像机的技术小议

2012-12-08 13:51:16来源: 中安网 关键字:网络摄像机
高清摄像机,顾名思义,需要更高的清晰度的摄像机。在开始技术讨论前,我们对高清摄像机这颗监控新星进行理所当然的定义。这就引出了我们今天讨论的主题,高清摄像机的核心关键是什么,什么样的方案满足这个核心关键需求,满足市场需求。


  摄像机作为一个采集终端,是我们视频监控的基石,是我们眼睛的延伸。在标清时代,经历了20年多发展,CCTV已经发展到了一个极致,无论是模拟摄像机的成本,效果都已经达到了最佳的性价比。但是到了高清时代,由于sensor产业的技术变革,由于高清视频数据量的增大等,引发了摄像机采集及传输的新挑战。这个也是我们高清摄像机研发和生产的核心关键:如何对接各种高清sensor,并调试符合监控需求的图像质量,以及如何解决高清网络摄像机的视频传输问题。


  第一个问题是如何对接各种高清sensor,并调试符合监控需求的图像质量。


  这是所有高清摄像机方案要解决的共同关键,一方面高清sensor从CCD技术转向CMOS(这个是工艺、成本等多方面决定的),另外各种CMOS sensor原厂没有提供专门的ISP(CCTV时代又叫DSP),必须外面单独购买ISP模块,这样导致要研发生产一个高清摄像机,对接好sensor+ISP的技术要求比较高。


  目前有不少sensor公司(SONY、panasonic、aptina、omnivision、sharp、Altasens等)都推出了高清CMOS解决方案,但是除了SONY有自己的ISP(ISP:Image Signal Processor)外,其他公司都是独立的Sensor,需要外面配置ISP,但是由于监控高清才起来,独立的ISP方案少,还在对接各种sensor上缺乏灵活性,更不说成本、sensor板大小等负面影响因素了。所以一个好的ISP方案是解决高清摄像机效果问题的关键。


  宽动态、色彩还原性,降噪、低照度等因素是影响图像品质的关键,在智能交通、金融、平安城市等不同的应用环境,人们对高清摄像机的要求也不同,CMOS sensor处理效果和CCD相比还有些差异,所以ISP的处理是各种应用场景适应的保证。


  海思在设计Hi3516这颗高清网络摄像机专用芯片的时候,考虑到最后的系统成本、功耗、效果调试等综合因素,决定在芯片中内嵌了ISP系统,该模块设计之初就与各家sensor原厂紧密配合,匹配技术路标,针对各家sensor的特点进行了针对性的技术设计。如坏点校正、2D/3D降噪、3A处理、WDR、低照度、边缘增强、数字防抖、动态对比度增强等等各种图像处理技术。这些技术的应用,修正了sensor的一些缺点,可有效提升高清效果。海思ISP已经提前与上述sensor厂家的高清sensor对接成功,大大解决了客户在此方面的投入,尤其各sensor公司的接口都不相同,提前匹配,减少外围的FPGA的转接,提升客户TTM的同时也是降低客户BOM成本。


  3A算法是检验ISP的基本指标,海思ISP在为客户提供一个适当的3A算法的同时,还为各家自有3A处理算法的公司提供可替换的平台,在降低整个行业门槛的同时,还为各家公司提供差异化保护,毕竟每个细分市场的需求都不尽相同,没有一个算法能满足所有市场,各家根据不同厂家调整自己的3A也是现实需求。


  先说宽动态效果是各种应用场景最关心的热点,也是各家sensor重要的宣传重点,海思的Hi3516想客户所想,引入了两种宽动态的模式,一种是针对所有sensor通用算法,另外是针对了类似aptina这样的sensor中带了HDR专用技术的算法,两种宽动态的算法应用一方面加强了sensor可选择性,另外也为客户最求更多差异化提供了便利。


  通用宽动态算法关闭对比(左-开,右-关)


  噪声是视频大忌,尤其是CMOS的技术本身与CCD有些差异在导致在光线不足时噪声的增加,大大影响了高清的体验。海思ISP的带了2D和3D两个模块,对降噪处理有非常大的提升。


  3D降噪开关对比(左-开,右-关)


  除了ISP和sensor配对的算法外,如何调试其实是关键,由于sensor板的布板不同,都会直接影响sensor最后的效果,所以我们要针对sensor、ISP进行调试,由于sensor的寄存器上千个,加上各种组合,要调试一个符合需要的效果非常难,海思考虑到行业效率问题,为大家提供了一个PC直接用的IPS TOOLS,这个tools通过各种算法把各种效果调整与寄存器组合想关联,避免了客户一上来就调寄存器的痛苦,同时在这个基础上,客户可以根据自己的经验再调试寄存器,保持通用场景的同时还兼顾特殊应用。所以ISP和ISP tools的地位同样重要。


  在这里为了避免做海思的广告,我们也不一一展开各种算法的效果了,值此介绍为同行们分享一下我们在选择好的高清摄像机解决方案的在图像质量的一些注意事项,同时也提供了大家选择关键ISP的算法效果,ISP的调试工具。
第二个问题是高清如何传输问题。


  市面有SDI和IP两种技术主张,SDI技术原本属于广播应用的技术,它的优点和缺点都很明显,而且这种应用和原来CCTV差不多,我们今天就不展开讲了,本文主要阐述IP方案。


  从百万像素到Full HD(1080P),网络摄像机一改多年前“叫好不叫座”的困境。现今,网络摄像机受惠于互联网的高速发展和编解码技术的成熟,已迎来了高速发展的最好机遇。前端IP化后,一改原来模拟摄像机只能被动接受前端数据,很难双向互动(姑且把通过串口控制云台算是一种简单互动吧),前端与后端的互动增加,就更能发挥我们远方的这对“眼睛”的作用。


  IP摄像机关键是前端视频数字化和编码,我们把编码前端化,不仅大大降低了传输成本,而且也解决高清传输瓶颈问题,同时为更多的互动、智能提供了基础。同时也大大降低了后端DVR的集成高清编码要求。


  编码和网络处理


  由于显示带宽的限制以及客户的使用成本考虑,高清的体验虽然好,但是客户不能在无限代价的去获得高清体验,所以对高清摄像机的编码效率提出了要求,海思从Hi3510开始,就致力于监控专用的视频压缩技术的研究,使用标准H.264并充分考虑到了视频的时延和网络打包的方便性等(例如H.264的有些tools是给广播级视频用的,广播视频就不用考虑时延问题,但是监控就不能直接这样用,需要在实现上优化),在Hi3512就已经推出了2M的720P实时高清解决方案。Hi3516在H.264算法上继承了海思前3代产品的视频优点,把H.264从baseline转接提升高了high profile level5.0,这样进一步提升压缩比。同时向下兼容了Main profile和baseline,同时也兼容了MPEG4和MJPEG等压缩算法,最大限度的为高清摄像机的兼容性考虑。


  由于网络摄像机是在IP网上跑的,在网络传输上实现方式的不同也会直接影响到用户的视觉体验。未经处理的视频的编码特点是由视频的运动量不同编码码流大小会发生变动,这样的码流在DVR录像应用中问题不大,但是在网络中,因过大数据包则意味着网络堵塞,所以对编码器的内部控制需要非常的严格,这个控制还不能影响图像质量。


  海思借助在网络领域的多年经验,在这个领域有比较优势的地方,并逐渐应用到产品中。随着高清网络摄像机的发展,对核心构建的芯片的编码要求越来越苛刻,要求在更高压缩比的前提下实现更贴近现实的场景,特别是随着3G、LTE无线宽带网络的兴起,对各种网络的适配性正是芯片厂商研发的重要的发展方向。


  同时网络对不少工程商还是一个挑战,端到端的解决好网络摄像机与后端NVR的即插即用功能,也是海思基于自身的网络技术为行业提供一个更好体验增添了自己的一份力量。


  实时预览输出


  传统的安防人拿到一个网络摄像机其实真的会很头疼,真的难用,每次拿起来都不记得网络IP是多少(贴在机身的默认IP?或施工过程早改了?)维修这个设备还需要带着便携机,这让工程商怎么会喜欢用网络产品?难道以后布线就要找具有“华为大学”网络认证的工程师才可以?


  Hi3516内置CVBS输出,可以让客户就像用模拟摄像机一样,直接用传统模拟显示器就可看到网络摄像机的内部各种参数,以及网络摄像机的镜头效果灯,以方便工程施工。我们可以简单而直观地畅想,还是以前的施工人员,还是挖沟布线,不同的只是埋的线少了,甚至WIFI无线了,工人还是跟以前一样布置和调试摄像头,根本不用管是否IP的,只是接线的时候模拟视频线变成了一根5类的网络线而已。


  同时为了满足公安等一些需要无损实时图像的特殊要求,如指挥中心等,Hi3516还提供了一个BT1120的高清视频数字口,该接口可以完成HDMI、VGA、SDI等各种转换,可以容许camera直接把未编码高清视频直接传回公安指挥现场,这样存储和预览可以同步进行。


  所以对网络摄像机芯片而言,要在目前工程水平上快速满足客户的需求,才是根本所在,我们不能把网络传输成本的节省转移到了施工人员的人力成本上。下图二,是Hi3515组成架构及对外连接示意图,读者不妨浏览一下,加深对其的了解。
前端后端互动、智能化


  前端数字化的最大好处是改善了原来模拟摄像机只管传输,而不管后端的需求,例如想改参数?爬杆子吧。如镜头虚焦了,模拟设备只会照管传回来虚焦的东西,而不会告诉后端设备视频不正常了,而前端IP化后就可以大大解决这些问题。


  如Hi3516集成了智能加速模块,为大家提供了一个智能平台,同时结合国内外著名智能厂家,为广大客户提供简单实用的智能。


  1、运动物体跨界?徘徊?逆行?区域入侵?区域离开?等是不是觉得这些场景在现实中很实在,监控不就是监控可疑运动物体(人)嘛,海思平台让这些应用变成就是划一根线,画一个框,剩下的就是确定了。是不是很移动侦测一样的使用习惯?对的,海思的智能平台就是要解决以前的各种智能还需要工程师到现场匹配镜头的角度、安装方位等要求,把工程师解放出来,让客户自己根据自己的需求随时应用。让1、智能变成简单易用的智能。


  2、人脸检测功能:这么高清的图像,把监控到人脸都检测到,然后特写抓拍下来,根据照片再和录像关联,以后就可以简单按某个人来关联所有的视频了,这样一方面为平台的人脸识别提供高清晰照片,另外为监控管理提供了便利。


  同时人脸检测结合一些的统计功能,如针对每个区域有多少人脸,达到数人头的概念,虽然准确度跟其他专业算法相比还有些差别,但是在一些广场,圈定区域有多少人,数量级清楚就可以了,这样的场景其实也不需要关心到底是78个人还是82个人,我们知道80个人左右的数量级就可以,这样的应用在实际开发中还有很多的组合,可以供各厂家自己研发。海思只是提供了基础的平台。


  3、视频诊断:一个小派出所就要管理几百个摄像头,要看都看不过来,更不要说时刻检查他们的工作状态了,Hi3516智能加速里面提供了视频诊断功能算子,镜头脏了,虚焦了,被遮挡了,起雾了,视频色彩不正常了,丢失视频了等12种诊断功能,再不用担心管理的几百路摄像机了是否正常了,随时能发现摄像机是否在正常工作。随时可以让工作人员维护,降低了案件发生时视频丢失的情况。


  通过这样的智能组合,前后端完全互动起来,后端可以很随意的控制调制前端,前端可以把各种有用信息传递给后端,达到真正的人员作用。


最后一个问题是后端管理,存储、管理及显示


  这是个高清摄像机都涉及到的问题,我们这里只介绍网络摄像机的后端解决方案。


  上面提到网络摄像机可以像模拟摄像机一样的布置调试,应该扭转了大家之前对网络摄像机使用难的形象了吧?为了实现对这个系统的搭配,只有前端是不够得,所以海思还有配套NVR管理平台的芯片。无论是现在的Hi3520还是马上要推出的Hi3531,都是解决这个问题。


  如果没有大平台,只是要求像Camera+DVR的那种即插即用的应用,那么就要用到NVR或者现在最热门的混合型DVR来解决了。


  网络高清的解决方案不能简单地看作是网络摄像机的方案而是端到端的整体解决方案,关键是应用体验与现实的结合,要看到配套产品的完善。


  由于篇幅有限,我们不能展开对高清摄像机其他方面的发展趋势的进一步描述,高清摄像机最大优势是高清晰,而高清网络摄像机在这基础上还要加上前后端互动,智能,传输成本低等优势。


  这里提到NVR问题只是为了提醒读者在选择前端的同时,要系统的看到后端的解决方案,但是今天限于笔墨,我们暂时不展开NVR的现实讨论,后续另起文章吧。(本文作者为深圳市海思半导体有限公司)

关键字:网络摄像机

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2012/1208/article_5154.html
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