多業(yè)務(wù)融合驅動(dòng)高清視頻芯片整合化

　　目前國內安防視頻監控系統的主流產(chǎn)品已經(jīng)從十多年前的純模擬視頻監控系統，逐步轉變成了純數字的百萬(wàn)高清視頻監控系統，即從視頻采集、視頻傳輸、視頻錄像和回放全部采用數字信號。相比于模擬視頻監控設備，百萬(wàn)高清數字攝像機大大提升了畫(huà)質(zhì)，對比模擬監控設備傳輸技術(shù)而言，數字視頻監控設備僅需普通網(wǎng)線(xiàn)，易于實(shí)現遠距離傳輸，更重要的是降低了工程造價(jià)且易于維護。隨著(zhù)純數字高清監控系統配套設備越來(lái)越齊全，解決方案越來(lái)越完善，網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為安防視頻監控領(lǐng)域不可逆轉的潮流，并占據市場(chǎng)主導地位。

　　從數字攝像機的組成結構來(lái)看，它主要由鏡頭、圖像傳感器（CCD或者CMOS器件）、ARM/DSP等組成。鏡頭聚集被攝物體反射的光線(xiàn)至圖像傳感器上，再由圖像傳感器轉換成數字視頻信號輸出給芯片，芯片進(jìn)行一系列數字圖像信號處理（ISP）和數據壓縮之后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸給后端解碼顯示設備，進(jìn)而實(shí)現視頻預覽、錄像、回放等功能。

　　由此可以看出，攝像機芯片是整個(gè)攝像機里面核心部件，它接收來(lái)自圖像傳感器獲取的圖像，然后進(jìn)行一系列的運算和處理，實(shí)現了數字網(wǎng)絡(luò )攝像機的主要功能。

　　數字攝像機芯片組，習慣上又稱(chēng)之為片上系統（SoC，System-on-Chip），它將處理器資源、內存資源、編解碼算法、外圍設備接口等都集成在單個(gè)平臺上，其中大部分功能固化在芯片上，并且對一些特殊功能需求模塊化，采用提供源代碼方式給用戶(hù)，用戶(hù)再根據不同的應用需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。除此之外，SoC還可以增加視頻協(xié)處理器以及其他視頻子系統，實(shí)現如預覽、縮放、光學(xué)處理、圖文疊加等功能，從而進(jìn)一步增強視頻處理能力。SoC作為高清數字攝像機芯片解決方案，能夠有效滿(mǎn)足百萬(wàn)高清攝像機內部復雜視頻處理運算以及外圍設備接口擴展的需求。

　　攝像機處理芯片的組成架構

　　一般的監控攝像機分為傳感器、ISP、編碼壓縮或轉換三個(gè)常見(jiàn)部分，部分高清攝像機還會(huì )包含一個(gè)智能處理器。

　　傳感器：指的是我們常常提及的CCD或或CMOS，主要作用是光電轉換，將光信號轉換為芯片可以接收識別的電信號。

　　ISP：即圖像處理部分，我們常常提及的2A（AWB/AE）或者3A（AWB/AE/AF）都在這里完成的。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。

　　編碼壓縮或轉換：傳感器信號經(jīng)過(guò)ISP部分處理后，一般以SMPTE296M/BT.1120等數字接口格式傳輸到后續的編碼壓縮或轉換部分，處理成壓縮后的TCP/IP信號或者非壓縮的HD-SDI信號。

　　智能視頻分析：一般采用一顆單獨的DSP來(lái)實(shí)現，通過(guò)該DSP實(shí)現視頻分析功能，如行為分析、視頻診斷、特征識別等，由于受算法性能有限和跨平臺移植的難度等限制，目前這類(lèi)產(chǎn)品應用較少。

　　傳統意義上，這幾個(gè)部分是彼此分開(kāi)的，不同的部分由不同的芯片來(lái)完成。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商將后面的兩個(gè)部分融合到了一起，使得高清視頻終端的集成度越來(lái)越高，在這一個(gè)以融合為趨勢的大背景下，高清視頻SoC在多業(yè)務(wù)融合上的技術(shù)發(fā)展將是最關(guān)鍵的點(diǎn)。

　　高清攝像機芯片發(fā)揮功能需配套產(chǎn)品配合

　　百萬(wàn)高清攝像機芯片功能主要包含圖像傳感器、圖像處理、視頻編解碼、視頻輸出、智能分析等等。圖像傳感器主要有低照度，寬動(dòng)態(tài)等等。圖像處理（ISP）包括3A（自動(dòng)曝光，自動(dòng)白平衡，自動(dòng)聚焦），邊緣增強，3D降噪，圖像的縮放、翻轉、亮度、色度、飽和度、對比度調節，還有數字寬動(dòng)態(tài)、數字放大、電子防抖等等；圖像編解碼主要有MPEG4、H.264、MJPEG、多碼流處理等等；視頻輸出主要有Ethernet、WIFI、CVBS、HDMI、SDI等等；智能分析方面有運動(dòng)偵測、周界防范、人臉檢測、車(chē)牌識別、視頻診斷等等。

　　如果只是簡(jiǎn)單少量點(diǎn)的需求，或者已經(jīng)有了大平臺，要滿(mǎn)足用戶(hù)高清網(wǎng)絡(luò )視頻上電視墻的需求，采用具有單路解碼效果的芯片即可。對中小型項目和大項目的分級點(diǎn)而言，則要用到NVR或者目前最熱門(mén)的混合型DVR來(lái)解決?？紤]到把多臺百萬(wàn)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的大量數據流進(jìn)行管理和存儲會(huì )消耗非常大的網(wǎng)絡(luò )和PCI帶寬，這對網(wǎng)絡(luò )芯片和CPU來(lái)說(shuō)也是非常大的考驗，這也是目前一些芯片要集成雙核CPU和千兆網(wǎng)口的原因。

　　百萬(wàn)高清攝像機芯片應用前景

　　對目前網(wǎng)絡(luò )攝像機芯片解決方案而言，一方面SoC芯片解決方案的公司只有具備足夠的相關(guān)技術(shù)才能應對未來(lái)更多挑戰；另一方面網(wǎng)絡(luò )攝像機也不是功能越多越全越好，在目前工程水平上快速便捷地滿(mǎn)足客戶(hù)的需求才是根本。

　　隨著(zhù)百萬(wàn)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的發(fā)展，芯片實(shí)現更多功能的同時(shí)，集成度也越來(lái)越高，隨之外圍器件會(huì )越來(lái)越少，功耗也會(huì )越來(lái)越低。為了實(shí)現系統的搭配，數字高清攝像機既要有適合于安防應用的圖像傳感器，與之對接的后端還要有解碼芯片技術(shù)的支持，所以后端解碼顯示芯片的性能也有待更大突破。

　　百萬(wàn)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機的芯片發(fā)展不能簡(jiǎn)單看成網(wǎng)絡(luò )攝像機的發(fā)展，更值得關(guān)注的是系列配套產(chǎn)品的完善。如果能夠從芯片設計部分就開(kāi)始考慮好怎樣更加貼近實(shí)際安防工程項目，這將會(huì )使百萬(wàn)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機更廣泛的應用起來(lái)。

　　高清視頻芯片的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　從整個(gè)SoC視頻監控編解碼芯片發(fā)展過(guò)程來(lái)看，圖像壓縮技術(shù)快速發(fā)展推動(dòng)了圖像壓縮標準的制定，從而促使嵌入式架構及ARM及X86信號CPU處理器得以應用在編解碼芯片平臺上，DSP數字信號處理器的高性能和低功耗的可編程設計，讓SoC成為嵌入式圖像壓縮的理想平臺。在這樣的通用平臺上集成多個(gè)不同的圖像界面以及I/O接口，讓SoC得以發(fā)展成為目前備受關(guān)注的多媒體處理器，以應對監控產(chǎn)品的推陳出新。SoC除了具有高速的ARM或x86及DSP核心系統之外，視頻輔助與子系統的處理器如高清輸出端口及報警門(mén)禁I/O或是畫(huà)面多媒體處理器也被加入到其中，這也是目前編解碼芯片越來(lái)越明確的發(fā)展趨勢。

　　在智能分析和高清成為主流需求的情況下，除了DSP應對一般的圖像處理之外，FPGA運算優(yōu)勢也逐漸被重視并被納入協(xié)處理器中。隨著(zhù)智能監控項目的增加，以FPGA的高速運算搭配DSP的良好信號處理能力得到重視。FPGA可以在復雜的圖像處理方面代替DSP，例如視頻分析及各種寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像壓縮處理等。對于高清圖像處理來(lái)說(shuō)，FPGA更能提供自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、寬動(dòng)態(tài)范圍等功能，以往DSP費力應對，只要在芯片架構中加入FPGA就可以完成復雜的矩陣運算，這樣使得編解碼部分更具有靈活的擴展性。目前，大部分的高端監控設備已經(jīng)在朝這個(gè)方向發(fā)展。

　　SoC編解碼芯片的技術(shù)發(fā)展必須包括傳感器(CCD或CMOS)、圖像處理器(ISP)、圖像壓縮編解碼及網(wǎng)絡(luò )傳輸，當然，也不可以忽略高清信號格式HDcctv的發(fā)展或SLOC的局部整合。那么，是否有那種能滿(mǎn)足大部分數字視頻監控需求的單芯片產(chǎn)品呢？據記者了解，國際大品牌產(chǎn)品中，安訊士的ARTPEC系列芯片具備此種功能，目前其已發(fā)展到第四代即ARTPEC-4。

　　據安訊士中國區解決方案經(jīng)理鄒毓帆介紹，ARTPEC-4于2011年底推出，是安訊士專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )監控設計自主研發(fā)的一款單芯片解決方案，該芯片可以將圖像處理、編碼、壓縮以及智能分析等功能集成于一體。這種單芯片解決方案可以實(shí)現更多的資源應用，并在穩定性、編解碼處理、網(wǎng)絡(luò )適應能力等方面性能優(yōu)越，具有延時(shí)更短、壓縮效率更高，所占帶寬更少等特點(diǎn)。同時(shí)，該芯片在超低寬動(dòng)態(tài)，超低照度等方面也具備優(yōu)勢。 ARTPEC-4提供的視頻具備較低的噪音和較高的感光性，因此可以為移動(dòng)物體提供更為清晰的視頻圖像。不過(guò)記者也了解到，ARTPEC芯片目前僅用于安訊士的產(chǎn)品，并不對外供應。

　　隨著(zhù)近年高清視頻監控產(chǎn)品的應用取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，預計在接下來(lái)的1-2年，市場(chǎng)對高清產(chǎn)品的需求將呈現井噴的趨勢，需求量的提升一方面會(huì )帶來(lái)更高性能和更多功能的需求，另一方面也會(huì )帶來(lái)差異化競爭的進(jìn)一步加劇。而高清視頻SoC作為最能影響到這兩者的核心部分，其技術(shù)的演進(jìn)和性能的提升對高清視頻終端的市場(chǎng)狀況起到?jīng)Q定性作用。

　　業(yè)內人士認為，今后高清視頻SoC在功耗、編碼性能、ISP、智能分析、解碼和顯示幾個(gè)方面的技術(shù)突破和發(fā)展狀況將會(huì )深入影響到終端產(chǎn)品的發(fā)展。更低的功耗、更高的編碼壓縮能力、圖像處理技術(shù)的融合、整合智能視頻技術(shù)、完善系統配套芯片等將是發(fā)展方向。

　　結束語(yǔ)

　　目前業(yè)界主要的芯片制造商都已經(jīng)意識到高清視頻芯片的整合化趨勢，并投入大量力量進(jìn)行新一代高清芯片的研發(fā)，已經(jīng)開(kāi)始在高度融合的高清視頻芯片上有所建樹(shù)，同時(shí)也還有一些有影響力的IC廠(chǎng)商正躍躍欲試，相信隨著(zhù)芯片廠(chǎng)商的努力和推動(dòng)，結合下游終端廠(chǎng)商的市場(chǎng)推廣和用戶(hù)需求的拉動(dòng)，高度集成和高度融合的新一代高清視頻芯片會(huì )取得越來(lái)越大的發(fā)展，并逐步成為一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)。