高清監控前端及核心組件發(fā)展趨勢分析

　　談到高清攝像機前端問(wèn)題，從推出到現在普遍的應用，a&s分別就IP與HD-SDI在諸多文章中舉出若干存在的障礙和問(wèn)題，綜合整理大致有以下十點(diǎn)。前端高清攝像機的十大問(wèn)題給工程商在攝像機應用選型及使用上帶來(lái)很多困惑，因為這十大問(wèn)題幾乎都與高清攝像機所采用的元器組件有很大的關(guān)聯(lián)，而對于更加專(zhuān)業(yè)的元器件的知識，工程商實(shí)在不知該如何從高清攝像機的規格特性條件上看出端倪，從而解決相應的問(wèn)題。

　　IP與HD-SDI前端常見(jiàn)的十大問(wèn)題：

　　Sensor傳感器幀數條件差異造成高清效果差異;

　　DSP/ISP效能差異及輸出部份非采高清BT.1120/LVDS純高清信號，而是以BT.656ParallelScaleup方式呈現的假高清;

　　IP影像信號流量封包過(guò)大，帶寬不足時(shí)延時(shí)過(guò)大高清畫(huà)面不順暢;

　　IPCODECCPU效能不足無(wú)法滿(mǎn)足高清幀數呈現;

　　前端智能嵌入過(guò)度耗能易過(guò)熱當機;

　　IP影像串流數不足應付后端需求造成畫(huà)面掉幀;

　　鏡頭必須搭配適合的百萬(wàn)畫(huà)素等級非球面鏡頭才有高清效果;

　　SDI影像720P/1080i/1080P高清無(wú)格式標準一致性;

　　私有協(xié)議SDK部分標準化不統一，不易集成，整合困難;

　　大部分無(wú)ABF(自動(dòng)對焦)工程安裝調整麻煩。

　　攝像機在此次2012Secutech臺北國際安全博覽會(huì )高清IPMegapixel與HD-SDI的評測中，我們就將高清的評選項目鎖定在如何解決這十大問(wèn)題上，去進(jìn)行初測與復評。很幸運的，從本次參加評測的20組IPMegapixel及11組HD-SDI攝像機，總共31款高清攝像機中，我們看到不同品牌的高清攝像機采用不同的元器組件對以上十大問(wèn)題的解決所所帶來(lái)的進(jìn)步與差異化。

　　CMOS發(fā)展主流趨勢已明朗

　　作為高清監控攝像機的核心組件之一，CCD與CMOS的區別大家應該已經(jīng)很明確了。但以現有性能來(lái)區分，從評測中兩者之間的差異具體體現在靈敏度、噪點(diǎn)處理以及功耗等方面。過(guò)去在像素相同的條件下，CMOS明顯要比CCD的靈敏度差很多;而在Sensor尺寸一樣下，在進(jìn)光量上CCD會(huì )遠勝于CMOS，這通常也是CCD與CMOS在成像和亮度上最大的差異。但在此次評測中1-2Lux低光測試環(huán)境中我們卻看到CMOS的表現完全不亞于CCD的表現(參考圖1結果比較)，因此，對于常見(jiàn)的低照高清CCD技術(shù)而言，在清晰度上來(lái)看CMOS已經(jīng)站穩高清攝像機使用首選。

　　對于IP高清監控來(lái)說(shuō)，由于視頻在傳輸前需要經(jīng)過(guò)編碼器進(jìn)行壓縮，而壓縮后的視頻像素大約只在四十萬(wàn)左右。因此在CCD難以得到良好高清效果的情況下，對選擇實(shí)用又廉價(jià)的CMOS設備無(wú)疑是更好的選擇。這一點(diǎn)在20款I(lǐng)PMegapixel攝像機上都得到做實(shí)際的印證。此外拋開(kāi)理論;單單從清晰度的效果來(lái)看，相同尺寸的CCD設備在分辨率上會(huì )優(yōu)于CMOS傳感器，但是如果不理會(huì )尺寸問(wèn)題的話(huà)，CMOS傳感器則會(huì )有更好的發(fā)揮優(yōu)勢，這一點(diǎn)也從此次參與測試的攝像機選用CMOS以1/2.7”、1/2.8”尺寸約占了一半以上數量可看出。這也讓芯片廠(chǎng)商在大尺寸感光組件的批量生產(chǎn)可以增加產(chǎn)能。進(jìn)而從量產(chǎn)上看CMOS芯片在高清分辨率的情況下，建立起對CCD傳感器絕對的后繼優(yōu)勢。

　　還有一點(diǎn)重要的發(fā)現是絕對不能不提的，相對于CCD影像響應速度，從本次有CCD有CMOS芯片共同參與之下，從影像的傳輸響應及擷取動(dòng)作中，都可以看到CMOS傳感器的響應處理速度要更快速很多。對于SensorCapture30fps或是60fps在這次評測中也印證了更順暢的條件是60fps，但這跟分辨率與畫(huà)質(zhì)都無(wú)關(guān)，應該要導正過(guò)去錯誤的觀(guān)念，在高清IP及SDI攝像機上也都看到720P@60fps、1080P@30fps或1080P@60fps就是這樣的Sensor需求來(lái)的。這對視頻的實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的參數點(diǎn)，特別是用在遠距傳輸或報警畫(huà)面的應用上。而Sensor傳感器相對穩定的影像及實(shí)時(shí)性更是從本次評測中看到成熟及可靠的表現。

　　DSP/ISP圖像處理組件多任務(wù)化

　　隨著(zhù)CMOS廠(chǎng)商在技術(shù)上的不斷改進(jìn)。在效果上，如今的一些CMOSSensor已經(jīng)越發(fā)的接近CCD的效果。但好的影像擷取也必須要搭配好的圖像處理DSP/ISP的處理組件才能發(fā)揮適當的功效，尤其在DSP/ISP芯片在克服前端功耗問(wèn)題之后，不論是在影像的控制或是訊號噪聲比及背光寬動(dòng)態(tài)部分的功能都接受到廠(chǎng)商明顯的關(guān)注。ISP無(wú)論是單獨采用還是包入Sensor或IPCodec，不少的廠(chǎng)商已經(jīng)努力在IP及SDI攝像機上研發(fā)出更高的寬動(dòng)態(tài)，更好的強光抑制及更穩定的色彩控制等多任務(wù)化的DSP/ISP芯片，這情況在本次Secutech評測項目中的寬動(dòng)態(tài)項目上(參考圖2WDR寬動(dòng)態(tài)比較)，更可以看到在組件采用及API/SDK開(kāi)發(fā)上各廠(chǎng)家的研發(fā)功力及圖像處理組件帶給攝像機的附加價(jià)值所在，這也無(wú)疑帶給ISP在未來(lái)有著(zhù)更加廣闊的應用前景。

　　透過(guò)ISP組件在影像銳化及色彩色調與白平衡的電路控制，從評測中我們也看到在ISP控件上，特別是白平衡這個(gè)主要的控件上，在不同廠(chǎng)牌的DSP/ISP所呈現的色彩還原力與各項默認值下的白平衡控制力的表現(參考圖3AWB色差白平衡比較)，從基本的顏色互補呈現及灰階的色階呈現及白色的完全穩定度來(lái)看，DSP/ISP圖像處理芯片是占了很重要的決定角色，也就是說(shuō)從Sensor過(guò)來(lái)的模擬或數字信號在DSP/ISP的再制能力是決定IP與SDI高清攝像機最后色彩穩定與色調偏差與否的關(guān)鍵。這也是工程商在產(chǎn)品選型上很重要的一個(gè)參考因素。

　　IP/SDI的Backend組件帶來(lái)了什么?

　　IP壓縮芯片與SDI發(fā)射芯片是攝像機組件核心部分，對于IP與SDI最后一里的傳送結果，IP壓縮芯片與SDI發(fā)射芯片起到關(guān)鍵作用。對于IPMegapixel百萬(wàn)高清而言，CODEC這個(gè)壓縮芯片主導了影像輸出后傳的一些條件，包含影像流量、串流數提供、處理CPU速度、畫(huà)面延時(shí)差、影像張數速度及熱耗等，這些部分我們在從各個(gè)廠(chǎng)家所采用的SoC本身上看來(lái)與過(guò)去一年來(lái)采用的內容并無(wú)太大改變，但從整個(gè)壓縮SoC上看影像封包流量設置與串流數提供及應用、CODECCPU處理速度及影像張數調整上來(lái)看卻與過(guò)去有很大的不同。舉一個(gè)影像封包流量的設置來(lái)說(shuō)，由于一般網(wǎng)絡(luò )帶寬都有限，高清視頻帶來(lái)的封包高流量成為高清其最大的推廣瓶頸。如何盡可能降低的碼流量給傳輸及維持高畫(huà)質(zhì)的影像是高清監控需要解決的首要問(wèn)題。

　　同時(shí)也由于網(wǎng)絡(luò )的異構性，不同的網(wǎng)絡(luò )具有不同的信道特性，不同的用戶(hù)享受到的網(wǎng)絡(luò )帶寬也不相同，甚至同一用戶(hù)的帶寬也可能是隨時(shí)變化的。隨著(zhù)這種發(fā)展，我們從評測中看到各廠(chǎng)商在變動(dòng)碼流與固定碼流量的壓縮率改良，過(guò)去須要4Mbps的720P及8Mbps的1080P在芯片廠(chǎng)商與攝像機制造廠(chǎng)努力下，現階段的IP百萬(wàn)高清在720P@30fps已經(jīng)可以壓在2-3Mbps間，而1080P@30fps也可以壓在6Mbps以下的帶寬流量控制，這對于IP百萬(wàn)高清的傳輸負擔可以說(shuō)是大大改良，而且在不改變壓縮比下對于這樣的壓縮結果，更不會(huì )造成熱效應的產(chǎn)生，使得壓縮芯片得以穩定且可靠的運行。

　　由于CODECSoC的效能大幅改善，再加上廠(chǎng)商在研發(fā)上對于串流類(lèi)型的應用規范慢慢產(chǎn)生共識，諸如主碼流以H.264，720P或1080P@30fps供應給錄像服務(wù)器，監看則以MPEG4或H.264D1或CIF@30/60fps發(fā)送監看影像，而移動(dòng)遠程則可以MJPEG或H.264提供3-5fps畫(huà)面給于移動(dòng)端監看，這樣一種合理又不影響流量及張數的控制方式正在形成一種IP高清的監控標準，而這樣的應用做法所帶來(lái)的結果就是大大的降低畫(huà)面延時(shí)的過(guò)大產(chǎn)生，從此次Secutech評測結果顯示，超過(guò)人眼所能分辨延時(shí)的500ms畫(huà)面延時(shí)在IP百萬(wàn)高清的參賽機型中都已絕跡(參考圖4畫(huà)面lag比較)，這情況在去年同期時(shí)，一樣的檢測條件下延時(shí)超過(guò)500ms還為數不少。這種從Sensor到ISP再到CODECSoC這一連串的產(chǎn)品組件應用改良下，最終結果就是一個(gè)順暢且有質(zhì)量的監控畫(huà)面的呈現。另外在這樣的低壓縮率下，對于儲存來(lái)說(shuō)更是一個(gè)相對有利的局面，因為圖像分辨率的提升，必然會(huì )消耗更大的存儲空間。以1920×1080@30幀視頻為例，利用H264的編碼算法，為保證清晰度，碼流至少在6Mbps以上，約為D1標清視頻的4-8倍。因此在降低碼流下，原本儲存所須要的錄像空間將不再被縮短，即會(huì )帶來(lái)存儲成本的降低。

　　以上是在SecutechAward評測中針對組件部分在IPMegapixel與HD-SDI主樣元器件在評測中的不同面向觀(guān)察結果，當然一個(gè)攝像機的問(wèn)題不可能只有在這幾個(gè)面向上，例如還有包含高清顯示這樣的問(wèn)題，相對于標清視頻，高清視頻的信息量大為豐富，相應的對譯碼顯示性能要求也大大提高，但攝像機畢竟只是高清監控的前端，不管是IP或是SDI我們都從評測中看到它在呈現一個(gè)穩定且繼續前行的態(tài)勢。