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攝像機圖像處理芯片是攝像機的核心部件，攝像機傳感器在將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后都須在SoC芯片組處理后才從后端發(fā)射出去，其承載了圖像處理與分析、編解碼壓縮等大量工作，如果是智能設(shè)備，還會嵌入大量的智能分析算法，進入高清監(jiān)控時代，其作用更為凸顯。

目前國內(nèi)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流產(chǎn)品已經(jīng)從十多年前的純模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，逐步轉(zhuǎn)變成了純數(shù)字的百萬高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即從視頻采集、視頻傳輸、視頻錄像和回放全部采用數(shù)字信號。相比于模擬視頻監(jiān)控設(shè)備，百萬高清數(shù)字攝像機大大提升了畫質(zhì)，對比模擬監(jiān)控設(shè)備傳輸技術(shù)而言，數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備僅需普通網(wǎng)線，易于實現(xiàn)遠距離傳輸，更重要的是降低了工程造價且易于維護。隨著純數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)配套設(shè)備越來越齊全，解決方案越來越完善，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域不可逆轉(zhuǎn)的潮流，并占據(jù)市場主導地位。

從數(shù)字攝像機的組成結(jié)構(gòu)來看，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至圖像傳感器上，再由圖像傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號輸出給芯片，芯片進行一系列數(shù)字圖像信號處理(ISP)和數(shù)據(jù)壓縮之后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后端解碼顯示設(shè)備，進而實現(xiàn)視頻預(yù)覽、錄像、回放等功能。

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

數(shù)字攝像機芯片組，習慣上又稱之為片上系統(tǒng)(SoC，System-on-Chip)，它將處理器資源、內(nèi)存資源、編解碼算法、外圍設(shè)備接口等都集成在單個平臺上，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，用戶再根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行二次開發(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(tǒng)，實現(xiàn)如預(yù)覽、縮放、光學處理、圖文疊加等功能，從而進一步增強視頻處理能力。SoC作為高清數(shù)字攝像機芯片解決方案，能夠有效滿足百萬高清攝像機內(nèi)部復(fù)雜視頻處理運算以及外圍設(shè)備接口擴展的需求。

攝像機處理芯片的組成架構(gòu)

一般的監(jiān)控攝像機分為傳感器、ISP、編碼壓縮或轉(zhuǎn)換三個常見部分，部分高清攝像機還會包含一個智能處理器。

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(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)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(tǒng)模式下一般采用一顆DSP或者一顆FPGA來完成對圖像的后期處理。

編碼壓縮或轉(zhuǎn)換：傳感器信號經(jīng)過ISP部分處理后，一般以SMPTE296M/BT.1120等數(shù)字接口格式傳輸?shù)胶罄m(xù)的編碼壓縮或轉(zhuǎn)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來實現(xiàn)，通過該DSP實現(xiàn)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，目前這類產(chǎn)品應(yīng)用較少。

傳統(tǒng)意義上，這幾個部分是彼此分開的，不同的部分由不同的芯片來完成。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的芯片廠商將后面的兩個部分融合到了一起，使得高清視頻終端的集成度越來越高，在這一個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。

高清攝像機芯片發(fā)揮功能需配套產(chǎn)品配合

百萬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，寬動態(tài)等等。圖像處理(ISP)包括3A(自動曝光，自動白平衡，自動聚焦)，邊緣增強，3D降噪，圖像的縮放、翻轉(zhuǎn)、亮度、色度、飽和度、對比度調(diào)節(jié)，還有數(shù)字寬動態(tài)、數(shù)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偵測、周界防范、人臉檢測、車牌識別、視頻診斷等等。

如果只是簡單少量點的需求，或者已經(jīng)有了大平臺，要滿足用戶高清網(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而言，則要用到NVR或者目前最熱門的混合型DVR來解決。考慮到把多臺百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的大量數(shù)據(jù)流進行管理和存儲會消耗非常大的網(wǎng)絡(luò)和PCI帶寬，這對網(wǎng)絡(luò)芯片和CPU來說也是非常大的考驗，這也是目前一些芯片要集成雙核CPU和千兆網(wǎng)口的原因。

百萬高清攝像機芯片應(yīng)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(yīng)對未來更多挑戰(zhàn)；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足客戶的需求才是根本。

隨著百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的發(fā)展，芯片實現(xiàn)更多功能的同時，集成度也越來越高，隨之外圍器件會越來越少，功耗也會越來越低。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的搭配，數(shù)字高清攝像機既要有適合于安防應(yīng)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。

百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的芯片發(fā)展不能簡單看成網(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(shè)計部分就開始考慮好怎樣更加貼近實際安防工程項目，這將會使百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機更廣泛的應(yīng)用起來。

高清視頻芯片的技術(shù)發(fā)展趨勢

從整個SoC視頻監(jiān)控編解碼芯片發(fā)展過程來看，圖像壓縮技術(shù)快速發(fā)展推動了圖像壓縮標準的制定，從而促使嵌入式架構(gòu)及ARM及X86信號CPU處理器得以應(yīng)用在編解碼芯片平臺上，DSP數(shù)字信號處理器的高性能和低功耗的可編程設(shè)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(yīng)對監(jiān)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(tǒng)之外，視頻輔助與子系統(tǒng)的處理器如高清輸出端口及報警門禁I/O或是畫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(yīng)對一般的圖像處理之外，F(xiàn)PGA運算優(yōu)勢也逐漸被重視并被納入?yún)f(xié)處理器中。隨著智能監(jiān)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(fù)雜的圖像處理方面代替DSP，例如視頻分析及各種寬動態(tài)范圍的圖像壓縮處理等。對于高清圖像處理來說，F(xiàn)PGA更能提供自動曝光、自動白平衡、寬動態(tài)范圍等功能，以往DSP費力應(yīng)對，只要在芯片架構(gòu)中加入FPGA就可以完成復(fù)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(jiān)控設(shè)備已經(jīng)在朝這個方向發(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，是否有那種能滿足大部分數(shù)字視頻監(jiān)控需求的單芯片產(chǎn)品呢?據(jù)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(jù)安訊士中國區(qū)解決方案經(jīng)理鄒毓帆介紹，ARTPEC-4于2011年底推出，是安訊士專為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)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現(xiàn)更多的資源應(yīng)用，并在穩(wěn)定性、編解碼處理、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力等方面性能優(yōu)越，具有延時更短、壓縮效率更高，所占帶寬更少等特點。同時，該芯片在超低寬動態(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，因此可以為移動物體提供更為清晰的視頻圖像。不過記者也了解到，ARTPEC芯片目前僅用于安訊士的產(chǎn)品，并不對外供應(yīng)。

隨著近年高清視頻監(jiān)控產(chǎn)品的應(yīng)用取得突飛猛進的發(fā)展，預(yù)計在接下來的1-2年，市場對高清產(chǎn)品的需求將呈現(xiàn)井噴的趨勢，需求量的提升一方面會帶來更高性能和更多功能的需求，另一方面也會帶來差異化競爭的進一步加劇。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)的演進和性能的提升對高清視頻終端的市場狀況起到?jīng)Q定性作用。

業(yè)內(nèi)人士認為，今后高清視頻SoC在功耗、編碼性能、ISP、智能分析、解碼和顯示幾個方面的技術(shù)突破和發(fā)展狀況將會深入影響到終端產(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(tǒng)配套芯片等將是發(fā)展方向。

結(jié)束語

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，并投入大量力量進行新一代高清芯片的研發(fā)，已經(jīng)開始在高度融合的高清視頻芯片上有所建樹，同時也還有一些有影響力的IC廠商正躍躍欲試，相信隨著芯片廠商的努力和推動，結(jié)合下游終端廠商的市場推廣和用戶需求的拉動，高度集成和高度融合的新一代高清視頻芯片會取得越來越大的發(fā)展，并逐步成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)。