百萬(wàn)像素攝像機芯片技術(shù)解析

早在2008年高清視頻監控已被業(yè)界提出，并一度成為關(guān)注的熱點(diǎn)，但由于當時(shí)的技術(shù)、成本和實(shí)際的客戶(hù)需求等多種原因高清視頻監控的市場(chǎng)實(shí)際上并未真正啟動(dòng)。然而從現在來(lái)看，高清視頻監控不再停留在口號上，各個(gè)廠(chǎng)商開(kāi)始把它作為重點(diǎn)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向，也同樣作為市場(chǎng)推廣的重點(diǎn)。

面對越來(lái)越大的市場(chǎng)，需求量的提升會(huì )帶來(lái)更高性能和功能的需求，高清攝像機產(chǎn)品的核心芯片技術(shù)的革新和性能的提升對高清視頻監控市場(chǎng)的狀況將起到?jīng)Q定性作用。首先，我們先簡(jiǎn)單分析目前高清攝像機產(chǎn)品常見(jiàn)的部件架構。常見(jiàn)的高清攝像機分為圖像傳感器、ISP(圖像信號處理器)、壓縮處理器或數字視頻轉換三個(gè)常見(jiàn)部分，市場(chǎng)上一些新發(fā)布的高清攝像機還會(huì )在ISP與壓縮處理器之間包含一個(gè)智能分析處理器。

百萬(wàn)像素攝像機芯片技術(shù)解析

圖像傳感器

圖像傳感器是組成數字攝像機的重要組成部分。根據元件的不同，可分為CCD和CMOS兩大類(lèi)。如SONY的ICX445、ICX274、IMX035/036，Aptina的MT9M033、MT9D131、MT9T031，Omnivison的OV2715等等。圖像傳感器的作用是將光學(xué)圖像采集并轉換成后端ISP可用的電信號。

過(guò)去，我們常說(shuō)CCD是應用在影像產(chǎn)品的高端技術(shù)元器件，而CMOS由于其低照性能、曝光模式等技術(shù)性能有限應用于低影像品質(zhì)產(chǎn)品中。如今，CMOS技術(shù)快速發(fā)展，例如SONY推出了使用Exmor技術(shù)的IMX035/036圖像傳感器，其低照性能、圖像分辨率及幀率、芯片處理速度有了很大程度的性能提升。

ISP圖像信號處理器

ISP(Image Signal Processor)圖像信號處理器的主要作用是對前端圖像傳感器輸出的信號做后期的處理。不同的ISP用來(lái)匹配不同廠(chǎng)商的圖像傳感器。ISP的優(yōu)異在整個(gè)攝像機產(chǎn)品中很重要，應當說(shuō)它直接影響呈現給用戶(hù)的影響畫(huà)質(zhì)的優(yōu)劣。圖像經(jīng)過(guò)圖像經(jīng)過(guò)CCD或者CMOS的采集后，需要經(jīng)過(guò)后期的處理才可以較好的適應不同的環(huán)境，在不同的光學(xué)條件下都能較好的還原出現場(chǎng)細節。在ISP中它會(huì )完成我們常常提及的2A(AWB/AE，自動(dòng)白平衡/自動(dòng)曝光)或者3A(AWB/AE/AF，自動(dòng)白平衡/自動(dòng)曝光/自動(dòng)聚焦)。傳統模式下一般采用一顆DSP或者一顆FPGA來(lái)完成對圖像的后期處理。有些攝像機產(chǎn)品支持的3D降噪功能、寬動(dòng)態(tài)、慢快門(mén)、幀累積、強光抑制等功能也都是ISP來(lái)完成的。

目前應用在高清攝像機產(chǎn)品中的ISP一般有以下幾個(gè)來(lái)源：

廠(chǎng)商自行研發(fā)：高清攝像機設備廠(chǎng)商為了更好的配合后端壓縮、功能開(kāi)發(fā)，自行研發(fā)ISP處理算法，將算法集成至FPGA或DSP芯片中，接駁前端圖像傳感器。

第三方研發(fā)：2010年已經(jīng)逐漸誕生了一批由非高清攝像機制造廠(chǎng)商推出的一些ISP解決方案，他們直接出售不同的ISP芯片給攝像機廠(chǎng)商配合不同廠(chǎng)商的Sensor。

套片模式：由Sensor廠(chǎng)商將自主開(kāi)發(fā)的ISP結合自家Sensor形成圖像采集處理解決方案推向客戶(hù)，其中的圖像處理算法及各種調試工作已經(jīng)完成，攝像機廠(chǎng)商只需要做接口對接并后端壓縮或轉換成數字視頻(HD-SDI)即可。這種模式我們稱(chēng)為Stand-Alone Devices或者Camera System Onchip。

第一種來(lái)源方式具備較高的靈活性，使得開(kāi)發(fā)者在選擇方案時(shí)擁有更多的組合(主要是選擇不同廠(chǎng)商的Sensor)。但是對于產(chǎn)品而言，一方面增加了整機的功耗、散熱等問(wèn)題，另外也增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入，也意味著(zhù)研發(fā)高清攝像機產(chǎn)品的廠(chǎng)商需要更雄厚的技術(shù)實(shí)力。而后兩種來(lái)源方案無(wú)疑大大降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，但相對自主研發(fā)ISP肯定要增加部分成本。設想如果有集成度更高的高清攝像機芯片解決方案，將ISP和視頻壓縮編碼功能融合在一起無(wú)疑是更好的選擇。

壓縮處理器或數字視頻轉換

首先我們來(lái)了解壓縮處理和數字視頻轉換的概念。ISP將前端圖像傳感器信號處理后，一般會(huì )以MPTE296M/BT.1120/YUV4:2:2等數字接口格式傳輸到后端處理芯片中。壓縮處理器(SoC或DSP)可以將視頻信號以H.264/MPEG-4/MJPEG算法進(jìn)行編碼壓縮，然后通過(guò)內建的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)以TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )信號進(jìn)行傳輸給用戶(hù)。數字視頻轉換則是非壓縮方式，通過(guò)數字視頻轉換芯片將ISP輸出的數字信號轉換成SD-SDI/HD-SDI/3G-SDI信號，分別對應標準清晰度(VGA)、高清標準(1080P@30fps)、1080P@60fps甚至更高的分辨率。HD-SDI高清視頻信號需要使用專(zhuān)用的傳輸周邊設備，如SDI光端機、SDI矩陣等等。

在此，我們著(zhù)重介紹壓縮處理器。我們看到一款高清攝像機產(chǎn)品的參數性能時(shí)，時(shí)?？吹絊oC這個(gè)字樣，SoC(SystemOnChip)的定義多種多樣，由于它的應用領(lǐng)域范圍廣，內涵豐富很難給出具體定義。一般來(lái)說(shuō)我們稱(chēng)為系統級芯片，也稱(chēng)片上系統，意指它是一個(gè)系統，是一個(gè)專(zhuān)用的集成電路，其中包含完整的高清攝像機系統并嵌入軟件服務(wù)。

高清攝像機中的SoC市場(chǎng)上常見(jiàn)的廠(chǎng)商有Ti(德州儀器)、Ambarella(安霸)、Hislicon(海思半導體)、NXP(恩智浦半導體)等。不同廠(chǎng)家的硬件壓縮處理器擁有各自的特性，比如低功耗、高性能、高視頻壓縮質(zhì)量、高壓縮比等。我們前文中提到將ISP圖像信號處理與后端視頻壓縮融合的概念，傳統意義上來(lái)講，前文介紹的高清攝像機的幾個(gè)重要器件是彼此分開(kāi)的，不同的處理工作由不同的芯片完成，那么隨著(zhù)SoC芯片技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的大趨勢，越來(lái)越多的廠(chǎng)商將ISP與視頻壓縮處理甚至是智能分析技術(shù)融合在一起，將功能固化在一顆芯片中。

高清攝像機中應用的NXPASC8850，Hislicon Hi3516，都集成了ISP中實(shí)現的3A、3D降噪、寬動(dòng)態(tài)(WDR)、強光抑制、背光補償、數字防抖等圖像處理功能，Hi3516芯片還集成了智能分析加速引擎，支持智能運動(dòng)偵測、周界防范、人臉檢測、鏡頭保護等多種分析應用。并且，這些SoC芯片對我們廠(chǎng)商還開(kāi)放了ISP相關(guān)的API(程序接口)，可供我們對ISP效果二次調節開(kāi)發(fā)優(yōu)化。這些芯片技術(shù)使得高清攝像機的集成度越來(lái)越高，芯片的融合將是一個(gè)趨勢。

筆者認為高清攝像機SoC芯片的發(fā)展將會(huì )在功耗、編碼性能、ISP、智能分析這幾個(gè)方面做技術(shù)突破來(lái)尋求發(fā)展，那么將會(huì )帶動(dòng)高清攝像機產(chǎn)品的發(fā)展。

更低的芯片功耗可以使得高清攝像機體積更小、可應用于更惡劣的環(huán)境、以及衍生出多種多樣的高清攝像機產(chǎn)品形態(tài)。

更高的編碼性能可以使得高清攝像機擁有更高像素的實(shí)時(shí)壓縮能力，大部分的高清芯片如TI的DM368、海思的Hi3515/3516、NXP的ASC8850等都可以做到1080P@30fps，3兆及5兆像素級還無(wú)法做到實(shí)時(shí)壓縮，更高像素的高清攝像機可以替代我們傳統模式的一點(diǎn)多機的多區域監控模式，可有效的降低設備投入成本以及周邊布線(xiàn)成本。