高清监控前端及核心组件发展趋势分析

谈到高清摄像机前端问题，从推出到现在普遍的应用，a&s分别就IP与HD-SDI在诸多文章中举出若干存在的障碍和问题，综合整理大致有以下十点。前端高清摄像机的十大问题给工程商在摄像机应用选型及使用上带来很多困惑，因为这十大问题几乎都与高清摄像机所采用的元器组件有很大的关联，而对于更加专业的元器件的知识，工程商实在不知该如何从高清摄像机的规格特性条件上看出端倪，从而解决相应的问题。

IP与HD-SDI前端常见的十大问题：

Sensor传感器帧数条件差异造成高清效果差异;

DSP/ISP效能差异及输出部份非采高清BT.1120/LVDS纯高清信号，而是以BT.656ParallelScaleup方式呈现的假高清;

IP影像信号流量封包过大，带宽不足时延时过大高清画面不顺畅;

IPCODECCPU效能不足无法满足高清帧数呈现;

前端智能嵌入过度耗能易过热当机;

IP影像串流数不足应付后端需求造成画面掉帧;

镜头必须搭配适合的百万画素等级非球面镜头才有高清效果;

SDI影像720P/1080i/1080P高清无格式标准一致性;

私有协议SDK部分标准化不统一，不易集成，整合困难;

大部分无ABF(自动对焦)工程安装调整麻烦。

摄像机在此次2012Secutech台北国际安全博览会高清IPMegapixel与HD-SDI的评测中，我们就将高清的评选项目锁定在如何解决这十大问题上，去进行初测与复评。很幸运的，从本次参加评测的20组IPMegapixel及11组HD-SDI摄像机，总共31款高清摄像机中，我们看到不同品牌的高清摄像机采用不同的元器组件对以上十大问题的解决所所带来的进步与差异化。

CMOS发展主流趋势已明朗

作为高清监控摄像机的核心组件之一，CCD与CMOS的区别大家应该已经很明确了。但以现有性能来区分，从评测中两者之间的差异具体体现在灵敏度、噪点处理以及功耗等方面。过去在像素相同的条件下，CMOS明显要比CCD的灵敏度差很多;而在Sensor尺寸一样下，在进光量上CCD会远胜于CMOS，这通常也是CCD与CMOS在成像和亮度上最大的差异。但在此次评测中1-2Lux低光测试环境中我们却看到CMOS的表现完全不亚于CCD的表现(参考图1结果比较)，因此，对于常见的低照高清CCD技术而言，在清晰度上来看CMOS已经站稳高清摄像机使用首选。

对于IP高清监控来说，由于视频在传输前需要经过编码器进行压缩，而压缩后的视频像素大约只在四十万左右。因此在CCD难以得到良好高清效果的情况下，对选择实用又廉价的CMOS设备无疑是更好的选择。这一点在20款IPMegapixel摄像机上都得到做实际的印证。此外抛开理论;单单从清晰度的效果来看，相同尺寸的CCD设备在分辨率上会优于CMOS传感器，但是如果不理会尺寸问题的话，CMOS传感器则会有更好的发挥优势，这一点也从此次参与测试的摄像机选用CMOS以1/2.7”、1/2.8”尺寸约占了一半以上数量可看出。这也让芯片厂商在大尺寸感光组件的批量生产可以增加产能。进而从量产上看CMOS芯片在高清分辨率的情况下，建立起对CCD传感器绝对的后继优势。

还有一点重要的发现是绝对不能不提的，相对于CCD影像响应速度，从本次有CCD有CMOS芯片共同参与之下，从影像的传输响应及撷取动作中，都可以看到CMOS传感器的响应处理速度要更快速很多。对于SensorCapture30fps或是60fps在这次评测中也印证了更顺畅的条件是60fps，但这跟分辨率与画质都无关，应该要导正过去错误的观念，在高清IP及SDI摄像机上也都看到720P@60fps、1080P@30fps或1080P@60fps就是这样的Sensor需求来的。这对视频的实时性是一个重要的参数点，特别是用在远距传输或报警画面的应用上。而Sensor传感器相对稳定的影像及实时性更是从本次评测中看到成熟及可靠的表现。

DSP/ISP图像处理组件多任务化

随着CMOS厂商在技术上的不断改进。在效果上，如今的一些CMOSSensor已经越发的接近CCD的效果。但好的影像撷取也必须要搭配好的图像处理DSP/ISP的处理组件才能发挥适当的功效，尤其在DSP/ISP芯片在克服前端功耗问题之后，不论是在影像的控制或是讯号噪声比及背光宽动态部分的功能都接受到厂商明显的关注。ISP无论是单独采用还是包入Sensor或IPCodec，不少的厂商已经努力在IP及SDI摄像机上研发出更高的宽动态，更好的强光抑制及更稳定的色彩控制等多任务化的DSP/ISP芯片，这情况在本次Secutech评测项目中的宽动态项目上(参考图2WDR宽动态比较)，更可以看到在组件采用及API/SDK开发上各厂家的研发功力及图像处理组件带给摄像机的附加价值所在，这也无疑带给ISP在未来有着更加广阔的应用前景。

透过ISP组件在影像锐化及色彩色调与白平衡的电路控制，从评测中我们也看到在ISP控件上，特别是白平衡这个主要的控件上，在不同厂牌的DSP/ISP所呈现的色彩还原力与各项默认值下的白平衡控制力的表现(参考图3AWB色差白平衡比较)，从基本的颜色互补呈现及灰阶的色阶呈现及白色的完全稳定度来看，DSP/ISP图像处理芯片是占了很重要的决定角色，也就是说从Sensor过来的模拟或数字信号在DSP/ISP的再制能力是决定IP与SDI高清摄像机最后色彩稳定与色调偏差与否的关键。这也是工程商在产品选型上很重要的一个参考因素。

IP/SDI的Backend组件带来了什么?

IP压缩芯片与SDI发射芯片是摄像机组件核心部分，对于IP与SDI最后一里的传送结果，IP压缩芯片与SDI发射芯片起到关键作用。对于IPMegapixel百万高清而言，CODEC这个压缩芯片主导了影像输出后传的一些条件，包含影像流量、串流数提供、处理CPU速度、画面延时差、影像张数速度及热耗等，这些部分我们在从各个厂家所采用的SoC本身上看来与过去一年来采用的内容并无太大改变，但从整个压缩SoC上看影像封包流量设置与串流数提供及应用、CODECCPU处理速度及影像张数调整上来看却与过去有很大的不同。举一个影像封包流量的设置来说，由于一般网络带宽都有限，高清视频带来的封包高流量成为高清其最大的推广瓶颈。如何尽可能降低的码流量给传输及维持高画质的影像是高清监控需要解决的首要问题。

同时也由于网络的异构性，不同的网络具有不同的信道特性，不同的用户享受到的网络带宽也不相同，甚至同一用户的带宽也可能是随时变化的。随着这种发展，我们从评测中看到各厂商在变动码流与固定码流量的压缩率改良，过去须要4Mbps的720P及8Mbps的1080P在芯片厂商与摄像机制造厂努力下，现阶段的IP百万高清在720P@30fps已经可以压在2-3Mbps间，而1080P@30fps也可以压在6Mbps以下的带宽流量控制，这对于IP百万高清的传输负担可以说是大大改良，而且在不改变压缩比下对于这样的压缩结果，更不会造成热效应的产生，使得压缩芯片得以稳定且可靠的运行。

由于CODECSoC的效能大幅改善，再加上厂商在研发上对于串流类型的应用规范慢慢产生共识，诸如主码流以H.264，720P或1080P@30fps供应给录像服务器，监看则以MPEG4或H.264D1或CIF@30/60fps发送监看影像，而移动远程则可以MJPEG或H.264提供3-5fps画面给于移动端监看，这样一种合理又不影响流量及张数的控制方式正在形成一种IP高清的监控标准，而这样的应用做法所带来的结果就是大大的降低画面延时的过大产生，从此次Secutech评测结果显示，超过人眼所能分辨延时的500ms画面延时在IP百万高清的参赛机型中都已绝迹(参考图4画面lag比较)，这情况在去年同期时，一样的检测条件下延时超过500ms还为数不少。这种从Sensor到ISP再到CODECSoC这一连串的产品组件应用改良下，最终结果就是一个顺畅且有质量的监控画面的呈现。另外在这样的低压缩率下，对于储存来说更是一个相对有利的局面，因为图像分辨率的提升，必然会消耗更大的存储空间。以1920×1080@30帧视频为例，利用H264的编码算法，为保证清晰度，码流至少在6Mbps以上，约为D1标清视频的4-8倍。因此在降低码流下，原本储存所须要的录像空间将不再被缩短，即会带来存储成本的降低。

以上是在SecutechAward评测中针对组件部分在IPMegapixel与HD-SDI主样元器件在评测中的不同面向观察结果，当然一个摄像机的问题不可能只有在这几个面向上，例如还有包含高清显示这样的问题，相对于标清视频，高清视频的信息量大为丰富，相应的对译码显示性能要求也大大提高，但摄像机毕竟只是高清监控的前端，不管是IP或是SDI我们都从评测中看到它在呈现一个稳定且继续前行的态势。