高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的技術(shù)小議

　　攝像機作為一個(gè)采集終端，是我們視頻監控的基石，是我們眼睛的延伸。在標清時(shí)代，經(jīng)歷了20年多發(fā)展，CCTV已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)極致，無(wú)論是模擬攝像機的成本，效果都已經(jīng)達到了最佳的性?xún)r(jià)比。但是到了高清時(shí)代，由于sensor產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革，由于高清視頻數據量的增大等，引發(fā)了攝像機采集及傳輸的新挑戰。這個(gè)也是我們高清攝像機研發(fā)和生產(chǎn)的核心關(guān)鍵：如何對接各種高清sensor，并調試符合監控需求的圖像質(zhì)量，以及如何解決高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的視頻傳輸問(wèn)題。

　　第一個(gè)問(wèn)題是如何對接各種高清sensor，并調試符合監控需求的圖像質(zhì)量。

　　這是所有高清攝像機方案要解決的共同關(guān)鍵，一方面高清sensor從CCD技術(shù)轉向CMOS（這個(gè)是工藝、成本等多方面決定的），另外各種CMOS sensor原廠(chǎng)沒(méi)有提供專(zhuān)門(mén)的ISP（CCTV時(shí)代又叫DSP），必須外面單獨購買(mǎi)ISP模塊，這樣導致要研發(fā)生產(chǎn)一個(gè)高清攝像機，對接好sensor+ISP的技術(shù)要求比較高。

　　目前有不少sensor公司（SONY、panasonic、aptina、omnivision、sharp、Altasens等）都推出了高清CMOS解決方案，但是除了SONY有自己的ISP（ISP：Image Signal Processor）外，其他公司都是獨立的Sensor，需要外面配置ISP,但是由于監控高清才起來(lái)，獨立的ISP方案少，還在對接各種sensor上缺乏靈活性，更不說(shuō)成本、sensor板大小等負面影響因素了。所以一個(gè)好的ISP方案是解決高清攝像機效果問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　寬動(dòng)態(tài)、色彩還原性，降噪、低照度等因素是影響圖像品質(zhì)的關(guān)鍵，在智能交通、金融、平安城市等不同的應用環(huán)境，人們對高清攝像機的要求也不同,CMOS sensor處理效果和CCD相比還有些差異，所以ISP的處理是各種應用場(chǎng)景適應的保證。

　　海思在設計Hi3516這顆高清網(wǎng)絡(luò )攝像機專(zhuān)用芯片的時(shí)候，考慮到最后的系統成本、功耗、效果調試等綜合因素，決定在芯片中內嵌了ISP系統，該模塊設計之初就與各家sensor原廠(chǎng)緊密配合，匹配技術(shù)路標，針對各家sensor的特點(diǎn)進(jìn)行了針對性的技術(shù)設計。如壞點(diǎn)校正、2D/3D降噪、3A處理、WDR、低照度、邊緣增強、數字防抖、動(dòng)態(tài)對比度增強等等各種圖像處理技術(shù)。這些技術(shù)的應用，修正了sensor的一些缺點(diǎn)，可有效提升高清效果。海思ISP已經(jīng)提前與上述sensor廠(chǎng)家的高清sensor對接成功，大大解決了客戶(hù)在此方面的投入，尤其各sensor公司的接口都不相同，提前匹配，減少外圍的FPGA的轉接，提升客戶(hù)TTM的同時(shí)也是降低客戶(hù)BOM成本。

　　3A算法是檢驗ISP的基本指標，海思ISP在為客戶(hù)提供一個(gè)適當的3A算法的同時(shí)，還為各家自有3A處理算法的公司提供可替換的平臺，在降低整個(gè)行業(yè)門(mén)檻的同時(shí)，還為各家公司提供差異化保護，畢竟每個(gè)細分市場(chǎng)的需求都不盡相同，沒(méi)有一個(gè)算法能滿(mǎn)足所有市場(chǎng)，各家根據不同廠(chǎng)家調整自己的3A也是現實(shí)需求。

　　先說(shuō)寬動(dòng)態(tài)效果是各種應用場(chǎng)景最關(guān)心的熱點(diǎn)，也是各家sensor重要的宣傳重點(diǎn)，海思的Hi3516想客戶(hù)所想，引入了兩種寬動(dòng)態(tài)的模式，一種是針對所有sensor通用算法，另外是針對了類(lèi)似aptina這樣的sensor中帶了HDR專(zhuān)用技術(shù)的算法，兩種寬動(dòng)態(tài)的算法應用一方面加強了sensor可選擇性，另外也為客戶(hù)最求更多差異化提供了便利。

　　通用寬動(dòng)態(tài)算法關(guān)閉對比（左-開(kāi)，右-關(guān)）

　　噪聲是視頻大忌，尤其是CMOS的技術(shù)本身與CCD有些差異在導致在光線(xiàn)不足時(shí)噪聲的增加，大大影響了高清的體驗。海思ISP的帶了2D和3D兩個(gè)模塊，對降噪處理有非常大的提升。

　　3D降噪開(kāi)關(guān)對比（左-開(kāi)，右-關(guān)）

　　除了ISP和sensor配對的算法外，如何調試其實(shí)是關(guān)鍵，由于sensor板的布板不同，都會(huì )直接影響sensor最后的效果，所以我們要針對sensor、ISP進(jìn)行調試，由于sensor的寄存器上千個(gè)，加上各種組合，要調試一個(gè)符合需要的效果非常難，海思考慮到行業(yè)效率問(wèn)題，為大家提供了一個(gè)PC直接用的IPS TOOLS，這個(gè)tools通過(guò)各種算法把各種效果調整與寄存器組合想關(guān)聯(lián)，避免了客戶(hù)一上來(lái)就調寄存器的痛苦，同時(shí)在這個(gè)基礎上，客戶(hù)可以根據自己的經(jīng)驗再調試寄存器，保持通用場(chǎng)景的同時(shí)還兼顧特殊應用。所以ISP和ISP tools的地位同樣重要。

　　在這里為了避免做海思的廣告，我們也不一一展開(kāi)各種算法的效果了，值此介紹為同行們分享一下我們在選擇好的高清攝像機解決方案的在圖像質(zhì)量的一些注意事項，同時(shí)也提供了大家選擇關(guān)鍵ISP的算法效果，ISP的調試工具。
第二個(gè)問(wèn)題是高清如何傳輸問(wèn)題。

　　市面有SDI和IP兩種技術(shù)主張，SDI技術(shù)原本屬于廣播應用的技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯，而且這種應用和原來(lái)CCTV差不多，我們今天就不展開(kāi)講了，本文主要闡述IP方案。

　　從百萬(wàn)像素到Full HD（1080P），網(wǎng)絡(luò )攝像機一改多年前“叫好不叫座”的困境?，F今，網(wǎng)絡(luò )攝像機受惠于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和編解碼技術(shù)的成熟，已迎來(lái)了高速發(fā)展的最好機遇。前端IP化后，一改原來(lái)模擬攝像機只能被動(dòng)接受前端數據，很難雙向互動(dòng)（姑且把通過(guò)串口控制云臺算是一種簡(jiǎn)單互動(dòng)吧），前端與后端的互動(dòng)增加，就更能發(fā)揮我們遠方的這對“眼睛”的作用。

　　IP攝像機關(guān)鍵是前端視頻數字化和編碼，我們把編碼前端化，不僅大大降低了傳輸成本，而且也解決高清傳輸瓶頸問(wèn)題，同時(shí)為更多的互動(dòng)、智能提供了基礎。同時(shí)也大大降低了后端DVR的集成高清編碼要求。

　　編碼和網(wǎng)絡(luò )處理

　　由于顯示帶寬的限制以及客戶(hù)的使用成本考慮，高清的體驗雖然好，但是客戶(hù)不能在無(wú)限代價(jià)的去獲得高清體驗，所以對高清攝像機的編碼效率提出了要求，海思從Hi3510開(kāi)始，就致力于監控專(zhuān)用的視頻壓縮技術(shù)的研究，使用標準H.264并充分考慮到了視頻的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò )打包的方便性等（例如H.264的有些tools是給廣播級視頻用的，廣播視頻就不用考慮時(shí)延問(wèn)題，但是監控就不能直接這樣用，需要在實(shí)現上優(yōu)化），在Hi3512就已經(jīng)推出了2M的720P實(shí)時(shí)高清解決方案。Hi3516在H.264算法上繼承了海思前3代產(chǎn)品的視頻優(yōu)點(diǎn)，把H.264從baseline轉接提升高了high profile level5.0，這樣進(jìn)一步提升壓縮比。同時(shí)向下兼容了Main profile和baseline，同時(shí)也兼容了MPEG4和MJPEG等壓縮算法，最大限度的為高清攝像機的兼容性考慮。

　　由于網(wǎng)絡(luò )攝像機是在IP網(wǎng)上跑的，在網(wǎng)絡(luò )傳輸上實(shí)現方式的不同也會(huì )直接影響到用戶(hù)的視覺(jué)體驗。未經(jīng)處理的視頻的編碼特點(diǎn)是由視頻的運動(dòng)量不同編碼碼流大小會(huì )發(fā)生變動(dòng)，這樣的碼流在DVR錄像應用中問(wèn)題不大，但是在網(wǎng)絡(luò )中，因過(guò)大數據包則意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )堵塞，所以對編碼器的內部控制需要非常的嚴格，這個(gè)控制還不能影響圖像質(zhì)量。

　　海思借助在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的多年經(jīng)驗，在這個(gè)領(lǐng)域有比較優(yōu)勢的地方，并逐漸應用到產(chǎn)品中。隨著(zhù)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的發(fā)展，對核心構建的芯片的編碼要求越來(lái)越苛刻，要求在更高壓縮比的前提下實(shí)現更貼近現實(shí)的場(chǎng)景，特別是隨著(zhù)3G、LTE無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )的興起，對各種網(wǎng)絡(luò )的適配性正是芯片廠(chǎng)商研發(fā)的重要的發(fā)展方向。

　　同時(shí)網(wǎng)絡(luò )對不少工程商還是一個(gè)挑戰，端到端的解決好網(wǎng)絡(luò )攝像機與后端NVR的即插即用功能，也是海思基于自身的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為行業(yè)提供一個(gè)更好體驗增添了自己的一份力量。

　　實(shí)時(shí)預覽輸出

　　傳統的安防人拿到一個(gè)網(wǎng)絡(luò )攝像機其實(shí)真的會(huì )很頭疼，真的難用，每次拿起來(lái)都不記得網(wǎng)絡(luò )IP是多少（貼在機身的默認IP？或施工過(guò)程早改了？）維修這個(gè)設備還需要帶著(zhù)便攜機，這讓工程商怎么會(huì )喜歡用網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品？難道以后布線(xiàn)就要找具有“華為大學(xué)”網(wǎng)絡(luò )認證的工程師才可以？

　　Hi3516內置CVBS輸出，可以讓客戶(hù)就像用模擬攝像機一樣，直接用傳統模擬顯示器就可看到網(wǎng)絡(luò )攝像機的內部各種參數，以及網(wǎng)絡(luò )攝像機的鏡頭效果燈，以方便工程施工。我們可以簡(jiǎn)單而直觀(guān)地暢想，還是以前的施工人員，還是挖溝布線(xiàn)，不同的只是埋的線(xiàn)少了，甚至WIFI無(wú)線(xiàn)了，工人還是跟以前一樣布置和調試攝像頭，根本不用管是否IP的，只是接線(xiàn)的時(shí)候模擬視頻線(xiàn)變成了一根5類(lèi)的網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)而已。

　　同時(shí)為了滿(mǎn)足公安等一些需要無(wú)損實(shí)時(shí)圖像的特殊要求，如指揮中心等，Hi3516還提供了一個(gè)BT1120的高清視頻數字口，該接口可以完成HDMI、VGA、SDI等各種轉換，可以容許camera直接把未編碼高清視頻直接傳回公安指揮現場(chǎng)，這樣存儲和預覽可以同步進(jìn)行。

　　所以對網(wǎng)絡(luò )攝像機芯片而言，要在目前工程水平上快速滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，才是根本所在，我們不能把網(wǎng)絡(luò )傳輸成本的節省轉移到了施工人員的人力成本上。下圖二，是Hi3515組成架構及對外連接示意圖，讀者不妨瀏覽一下，加深對其的了解。
前端后端互動(dòng)、智能化

　　前端數字化的最大好處是改善了原來(lái)模擬攝像機只管傳輸，而不管后端的需求，例如想改參數？爬桿子吧。如鏡頭虛焦了，模擬設備只會(huì )照管傳回來(lái)虛焦的東西，而不會(huì )告訴后端設備視頻不正常了，而前端IP化后就可以大大解決這些問(wèn)題。

　　如Hi3516集成了智能加速模塊，為大家提供了一個(gè)智能平臺，同時(shí)結合國內外著(zhù)名智能廠(chǎng)家，為廣大客戶(hù)提供簡(jiǎn)單實(shí)用的智能。

　　1、運動(dòng)物體跨界？徘徊？逆行？區域入侵？區域離開(kāi)？等是不是覺(jué)得這些場(chǎng)景在現實(shí)中很實(shí)在，監控不就是監控可疑運動(dòng)物體（人）嘛，海思平臺讓這些應用變成就是劃一根線(xiàn)，畫(huà)一個(gè)框，剩下的就是確定了。是不是很移動(dòng)偵測一樣的使用習慣？對的，海思的智能平臺就是要解決以前的各種智能還需要工程師到現場(chǎng)匹配鏡頭的角度、安裝方位等要求，把工程師解放出來(lái)，讓客戶(hù)自己根據自己的需求隨時(shí)應用。讓1、智能變成簡(jiǎn)單易用的智能。

　　2、人臉檢測功能：這么高清的圖像，把監控到人臉都檢測到，然后特寫(xiě)抓拍下來(lái)，根據照片再和錄像關(guān)聯(lián)，以后就可以簡(jiǎn)單按某個(gè)人來(lái)關(guān)聯(lián)所有的視頻了，這樣一方面為平臺的人臉識別提供高清晰照片，另外為監控管理提供了便利。

　　同時(shí)人臉檢測結合一些的統計功能，如針對每個(gè)區域有多少人臉，達到數人頭的概念，雖然準確度跟其他專(zhuān)業(yè)算法相比還有些差別，但是在一些廣場(chǎng)，圈定區域有多少人，數量級清楚就可以了，這樣的場(chǎng)景其實(shí)也不需要關(guān)心到底是78個(gè)人還是82個(gè)人，我們知道80個(gè)人左右的數量級就可以，這樣的應用在實(shí)際開(kāi)發(fā)中還有很多的組合，可以供各廠(chǎng)家自己研發(fā)。海思只是提供了基礎的平臺。

　　3、視頻診斷：一個(gè)小派出所就要管理幾百個(gè)攝像頭，要看都看不過(guò)來(lái)，更不要說(shuō)時(shí)刻檢查他們的工作狀態(tài)了，Hi3516智能加速里面提供了視頻診斷功能算子，鏡頭臟了，虛焦了，被遮擋了，起霧了，視頻色彩不正常了，丟失視頻了等12種診斷功能，再不用擔心管理的幾百路攝像機了是否正常了，隨時(shí)能發(fā)現攝像機是否在正常工作。隨時(shí)可以讓工作人員維護，降低了案件發(fā)生時(shí)視頻丟失的情況。

　　通過(guò)這樣的智能組合，前后端完全互動(dòng)起來(lái)，后端可以很隨意的控制調制前端，前端可以把各種有用信息傳遞給后端，達到真正的人員作用。


最后一個(gè)問(wèn)題是后端管理，存儲、管理及顯示

　　這是個(gè)高清攝像機都涉及到的問(wèn)題，我們這里只介紹網(wǎng)絡(luò )攝像機的后端解決方案。

　　上面提到網(wǎng)絡(luò )攝像機可以像模擬攝像機一樣的布置調試，應該扭轉了大家之前對網(wǎng)絡(luò )攝像機使用難的形象了吧？為了實(shí)現對這個(gè)系統的搭配，只有前端是不夠得，所以海思還有配套NVR管理平臺的芯片。無(wú)論是現在的Hi3520還是馬上要推出的Hi3531，都是解決這個(gè)問(wèn)題。

　　如果沒(méi)有大平臺，只是要求像Camera+DVR的那種即插即用的應用，那么就要用到NVR或者現在最熱門(mén)的混合型DVR來(lái)解決了。

　　網(wǎng)絡(luò )高清的解決方案不能簡(jiǎn)單地看作是網(wǎng)絡(luò )攝像機的方案而是端到端的整體解決方案，關(guān)鍵是應用體驗與現實(shí)的結合，要看到配套產(chǎn)品的完善。

　　由于篇幅有限，我們不能展開(kāi)對高清攝像機其他方面的發(fā)展趨勢的進(jìn)一步描述，高清攝像機最大優(yōu)勢是高清晰，而高清網(wǎng)絡(luò )攝像機在這基礎上還要加上前后端互動(dòng)，智能，傳輸成本低等優(yōu)勢。

　　這里提到NVR問(wèn)題只是為了提醒讀者在選擇前端的同時(shí)，要系統的看到后端的解決方案，但是今天限于筆墨，我們暫時(shí)不展開(kāi)NVR的現實(shí)討論，后續另起文章吧。（本文作者為深圳市海思半導體有限公司）