CMOS圖像傳感器推動(dòng)商業(yè)IP攝像機網(wǎng)絡(luò )

前言

商業(yè)安全行業(yè)為這個(gè)領(lǐng)域的設備和技術(shù)公司提供了一個(gè)日益增長(cháng)的市場(chǎng)機會(huì )。最近發(fā)生的事件(如9.11恐怖襲擊事件)以及技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使安全成為更重要的事情，使安全置于企業(yè)IT部門(mén)的領(lǐng)導之下，并且讓安全技術(shù)進(jìn)一步脫離開(kāi)始時(shí)的模擬格式向全部數字格式轉變。隨著(zhù)安全水平的提高和使用包含更多攝像頭的更昂貴的安全系統，人們需要這種系統是基于網(wǎng)絡(luò )的(實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)監視)、智能的、更容易安裝和維護。要滿(mǎn)足這些需求，基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)的系統將成為更誘人的和可行的安全攝像機解決方案。

影像技術(shù)最近幾年的進(jìn)步已經(jīng)吸引一些競爭的技術(shù)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。從歷史上看，商業(yè)安全攝像機過(guò)去完全依靠閉路電視及其CCD影像技術(shù)。因此，用戶(hù)經(jīng)常遇到(并且不得不應付)CCD技術(shù)固有的分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和溫度等方面的限制問(wèn)題。在這里，圖像傳輸是通過(guò)同軸電纜傳送到模擬錄像機的模擬信號。當數字視頻錄像機開(kāi)始商業(yè)應用的時(shí)候，存儲和提取視頻錄像的功能增強了。但是，數字視頻錄像機的物理接觸范圍仍受電纜的限制。要超越閉路電視的限制和保證下一代安全技術(shù)，安全影像系統正在發(fā)展成為基于IP的技術(shù)。有許多安全提供商目前正在認真考慮IP和無(wú)線(xiàn)安全攝像機系統。

這種日益向IP攝像機系統發(fā)展的趨勢是以CMOS(互補金氧半導體)圖像傳感器為基礎的。CMOS圖像傳感器是目前取代CCD技術(shù)的一種可行的替代技術(shù)。本文主要介紹為什么基于CMOS圖像傳感器的IP攝像機系統將很快成為商業(yè)安全應用的技術(shù)選擇。我們還將提供一些總的看法，在商業(yè)安全監視方面從基于CCD的閉路電視系統轉向基于CMOS的IP系統的理由，如整個(gè)系統成本較低、耗電量低和顯著(zhù)提高CMOS傳感器性能等。我們還將重點(diǎn)介紹CMOS傳感器技術(shù)對住宅安全市場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

IP攝像機系統概覽

IP攝像機(或者說(shuō)網(wǎng)絡(luò )攝像機)是一種能夠獨立運行的設備，能夠讓人們通過(guò)標準的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器在計算機網(wǎng)絡(luò )的任何地方都能看到實(shí)時(shí)的、全動(dòng)態(tài)視頻。IP攝像機在電路板上配置了處理器和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器軟件，視頻輸出能夠記錄在網(wǎng)絡(luò )中的任何硬盤(pán)上。IP攝像機不需要使用價(jià)格昂貴的同軸電纜線(xiàn)。

IP攝像機的安裝并不是沒(méi)有挑戰的，因為它需要處理一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址。由于長(cháng)期依賴(lài)現有的基礎設施、工程、布線(xiàn)和設備的閉路電視技術(shù)，在有充分的理由采用IP攝像機之前，企業(yè)和IT部門(mén)對于淘汰這些老式系統總是有些猶豫不決。包括配置發(fā)送端口在內的一些安裝步驟有些復雜，需要進(jìn)行技術(shù)培訓。發(fā)送端口通過(guò)把攝像機使用的網(wǎng)絡(luò )端口發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現對攝像機的遠程訪(fǎng)問(wèn)。要完成這個(gè)任務(wù)，需要內置IP攝像機的路由器IP地址?？紤]到IP地址的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，這對于安裝者是一個(gè)難題。

在向完全基于IP的系統過(guò)渡的過(guò)程中，一個(gè)臨時(shí)的替代方法是把視頻服務(wù)器連接到IP網(wǎng)絡(luò )，然后把模擬攝像機信號轉換為數字格式，從而保護老式的系統。在這種情況下，視頻服務(wù)器包含處理器和軟件。這樣，這個(gè)攝像機就有了IP地址，并把閉路電視攝像機變成了IP攝像機，這僅需要計算服務(wù)器的額外開(kāi)銷(xiāo)。閉路電視系統通常包含一個(gè)連接到電視系統或者錄像機的模擬攝像機。這個(gè)信號不是公開(kāi)發(fā)布的，而是限制在一個(gè)很小的地方，如一個(gè)商店、辦公樓、倉庫或者學(xué)校。圖1是一個(gè)把有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)攝像機連接在一起用于現場(chǎng)監視或者遠程監視的無(wú)線(xiàn)IP攝像機網(wǎng)絡(luò )解決方案的例子。

圖1  無(wú)線(xiàn)IP攝像機網(wǎng)絡(luò )解決方案

住宅安全市場(chǎng)

在住宅安全市場(chǎng)，系統價(jià)格、尺寸和功能的方便性是重要的差異化因素。CMOS傳感器技術(shù)在這個(gè)市場(chǎng)已經(jīng)占有了重要的一席之地。OmniVision客戶(hù)包括大樓門(mén)衛監視和人身/房間監視在內的許多安全解決方案。這些解決方案主要是中國企業(yè)生產(chǎn)的，并且已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)性銷(xiāo)售。此外，還有不需要IP路由器的、為家庭應用設計的多攝像機系統的參考設計。OmniVision于2007年3月在拉斯維加斯舉行的ISC West展會(huì )上發(fā)布的Home SecuCam產(chǎn)品(如圖2所示)就是住宅安全市場(chǎng)可能上一個(gè)典型的應用例子。

圖2  Home SecuCam產(chǎn)品

Home SecuCam為使用OmniVision公司的OV7720 CameraChip傳感器的MPEG 4視頻系統提供了一個(gè)安全攝像機解決方案，并且是第一個(gè)使用805.15.4/Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的視頻的產(chǎn)品。Home SecuCam(家庭安全攝像機)可以作為一個(gè)集成的安全監視方案，通過(guò)各種協(xié)議(包括無(wú)線(xiàn)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )以及其它即將出現的無(wú)線(xiàn)技術(shù))實(shí)現節省成本的音/視頻家庭安全。用戶(hù)將很容易采用這個(gè)解決方案來(lái)滿(mǎn)足個(gè)人的需求。這個(gè)解決方案的安裝不需要專(zhuān)家的知識，運行的耗電量很低，使用電池就可以保持幾個(gè)月的待機狀態(tài)。這個(gè)解決方案最多可擁有16個(gè)頻道，支持覆蓋多個(gè)區域的多臺攝像機，并且很容易串聯(lián)在一起，在更大的區域覆蓋更遠的距離。

CCD與CMOS在商業(yè)安全應用中的對比

雖然系統價(jià)格、尺寸和使用/功能的方便性是住宅安全市場(chǎng)重要的差異化因素，但是，相比之下，商業(yè)市場(chǎng)總是由性能占統治地位的。因此，商業(yè)影像解決方案必須耐用，能夠承受高溫并且能在照明條件差的情況下正常工作。這個(gè)市場(chǎng)要繼續發(fā)展，技術(shù)必須要改善。隨著(zhù)像素尺寸繼續縮小，攝像機的像素和敏感度必須提高。

在過(guò)去的幾年里，CMOS技術(shù)已經(jīng)得到了發(fā)展。隨著(zhù)耗電量和成本的下降以及像素的增大而出現的性能和敏感度的顯著(zhù)改善，CMOS技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始了入門(mén)級的商業(yè)安全應用。CMOS圖像傳感器把電路集成在一個(gè)采用緊湊型設計的單個(gè)芯片上，因此，攝像機體積比CCD系統中的攝像機要小一些。此外，CMOS圖像傳感器的耗電量?jì)H是CCD圖像傳感器的十分之一。當在目前的大型安全網(wǎng)絡(luò )上使用多個(gè)圖像傳感器的時(shí)候，這個(gè)優(yōu)勢可以節省許多錢(qián)。還有，CMOS圖像傳感器生產(chǎn)成本較低，一般來(lái)說(shuō)銷(xiāo)售價(jià)格也比較低，從而降低了整個(gè)系統的成本，這就意味著(zhù)進(jìn)一步為廠(chǎng)商節省成本。

從傳感器性能方面看，CCD和CMOS圖像傳感器之間的差距已經(jīng)極大地縮小了。因此，新的一批基于CMOS的攝像機已經(jīng)開(kāi)始投產(chǎn)并且進(jìn)入中、高級水平的應用。商業(yè)監視設備的復雜性是這種新一代基于CMOS的系統日益流行的原因。這種設備重點(diǎn)是尺寸、低耗電量、支持智能化、安全和能夠隨時(shí)隨地輸出視頻。

CMOS的發(fā)展

要理解CMOS為什么將進(jìn)入商業(yè)安全監視應用這個(gè)廣闊的領(lǐng)域，完全理解CMOS為什么可行是很重要的。技術(shù)進(jìn)步是以多個(gè)行業(yè)的應用和對CMOS芯片的積極需求為基礎的。從奔騰處理器到基帶芯片，CMOS已經(jīng)成為制造工藝技術(shù)的選擇。在僅僅7年的時(shí)間里，CMOS工藝已經(jīng)從0.8微米發(fā)展到0.18微米、0.13微米、以至90納米和65納米。從800納米到65納米的發(fā)展幾乎等于把尺寸縮小了15倍，從而顯著(zhù)提高了性能。

CMOS的優(yōu)勢包括高集成密度、高性能、低耗電量和低成本。與CCD圖像傳感器不同，CMOS圖像傳感器在一個(gè)芯片上同時(shí)具有模擬和數字兩種屬性，能夠適應廣泛的溫度范圍，可提供隨機像素存取和與復雜的電路共存。CMOS能夠向商業(yè)安全桌面提供高性能、紅外線(xiàn)功能和嵌入在流程中的高動(dòng)態(tài)范圍。目前，CMOS傳感器已經(jīng)能夠完成70%的CCD傳感器能夠完成的高端的安全監視應用。這個(gè)數字在未來(lái)的12至18個(gè)月將提高到100%。

CMOS還具有改善的像素設計的特點(diǎn)。由于工藝的改善，目前的像素具有噪聲低(也就是干擾較少)，需要的電流少和具有更好的敏感度等特點(diǎn)。CMOS工藝是以晶體管技術(shù)和像素中的晶體管為基礎的。晶體管數量越多，像素上獲得的亮度就越好。目前，最多配置7個(gè)晶體管，每一個(gè)晶體管都有從模擬向數字轉換的功能。實(shí)際上，每一個(gè)像素現在就是一臺攝相機。像素尺寸在幾年前還是9 x 9微米。這個(gè)尺寸在短短的幾年里已經(jīng)縮小到了我們在OmniPixel2技術(shù)中看到的2.2微米?，F在，這個(gè)行業(yè)正準備邁向1.4微米，在保持質(zhì)量水平的同時(shí)進(jìn)一步縮小尺寸。由于圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，數字噪聲也在降低。無(wú)噪聲的像素極為重要，小像素的CMOS傳感器的性能已經(jīng)大幅提高。

CCD的局限性

CCD圖像傳感器過(guò)去曾經(jīng)提供高性能的成像和靈活性，不過(guò)，為了容納昂貴的多芯片解決方案，系統需要足夠大的尺寸。過(guò)去，CCD圖像傳感器的光敏感度比上一代CMOS傳感器要好得多。光敏感度越高，在照明條件差的情況下的圖像質(zhì)量就越好。然而，明亮的物體對于CCD技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，導致在顯示屏上造成人們稱(chēng)作“污點(diǎn)(Smear)”效應的垂直線(xiàn)條。

CCD還很復雜，是以非常專(zhuān)業(yè)的處理為基礎的。商業(yè)安全攝像機應用需要高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)，也就是能夠在各種照明條件下記錄范圍更廣的色調細節。在此之前，由于技術(shù)原因監控系統幾乎完全依靠CCD傳感器。因此，用戶(hù)必須要應付CCD傳感器固有的分辨率、適應范圍和溫度等局限性。這些問(wèn)題在安全應用中是極為重要的。當尺寸和耗電量變得很重要時(shí)，多芯片解決方案與高度集成的單芯片解決方案相比總是處于劣勢?？紤]到平衡，CMOS傳感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS傳感器)，提供了更好的高動(dòng)態(tài)范圍性能，而且在安全應用中使用CMOS的實(shí)例也在繼續增加。圖3顯示了使用高動(dòng)態(tài)范圍芯片和非高動(dòng)態(tài)范圍芯片有多大的區別。這對于安全市場(chǎng)的積極意義是顯而易見(jiàn)的。圖3a和3b顯示高動(dòng)態(tài)范圍傳感器提供的差別。

圖3  使用高動(dòng)態(tài)范圍傳感器和未使用這一技術(shù)的成像區別

CCD還需要一個(gè)定時(shí)發(fā)生器，驅動(dòng)配置多個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片計算路由延遲和潛在的性能下降。不過(guò)，CCD處理過(guò)程本身就是獲取數據然后用模擬信號格式把這個(gè)數據作為原始數據發(fā)送出去。

結語(yǔ)

在商業(yè)安全市場(chǎng)，能夠最好地把解決方案集成到耐用、智能和高性能系統中的技術(shù)和公司將保持領(lǐng)先的地位。

雖然商業(yè)CMOS傳感器的現場(chǎng)應用還比較新，但是，商業(yè)CMOS傳感器正在耗電量、系統成本、溫度范圍和尺寸等屬性的基礎上取得實(shí)際的進(jìn)展。技術(shù)的成熟現在提供了CMOS傳感器不久前還沒(méi)有的許多功能。借鑒CMOS技術(shù)對家庭安全市場(chǎng)已經(jīng)產(chǎn)生的影響，我們堅定地認為是CMOS技術(shù)，而不是CCD技術(shù)，可以實(shí)現，基于單片機的可編程數字攝像機，并且最終在商業(yè)安全市場(chǎng)獲得重要的大量應用。