百萬像素攝像機(jī)芯片技術(shù)解析

早在2008年高清視頻監(jiān)控已被業(yè)界提出，并一度成為關(guān)注的熱點(diǎn)，但由于當(dāng)時的技術(shù)、成本和實(shí)際的客戶需求等多種原因高清視頻監(jiān)控的市場實(shí)際上并未真正啟動。然而從現(xiàn)在來看，高清視頻監(jiān)控不再停留在口號上，各個廠商開始把它作為重點(diǎn)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向，也同樣作為市場推廣的重點(diǎn)。

面對越來越大的市場，需求量的提升會帶來更高性能和功能的需求，高清攝像機(jī)產(chǎn)品的核心芯片技術(shù)的革新和性能的提升對高清視頻監(jiān)控市場的狀況將起到?jīng)Q定性作用。首先，我們先簡單分析目前高清攝像機(jī)產(chǎn)品常見的部件架構(gòu)。常見的高清攝像機(jī)分為圖像傳感器、ISP(圖像信號處理器)、壓縮處理器或數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換三個常見部分，市場上一些新發(fā)布的高清攝像機(jī)還會在ISP與壓縮處理器之間包含一個智能分析處理器。

百萬像素攝像機(jī)芯片技術(shù)解析

圖像傳感器

圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CCD和CMOS兩大類。如SONY的ICX445、ICX274、IMX035/036，Aptina的MT9M033、MT9D131、MT9T031，Omnivison的OV2715等等。圖像傳感器的作用是將光學(xué)圖像采集并轉(zhuǎn)換成后端ISP可用的電信號。

過去，我們常說CCD是應(yīng)用在影像產(chǎn)品的高端技術(shù)元器件，而CMOS由于其低照性能、曝光模式等技術(shù)性能有限應(yīng)用于低影像品質(zhì)產(chǎn)品中。如今，CMOS技術(shù)快速發(fā)展，例如SONY推出了使用Exmor技術(shù)的IMX035/036圖像傳感器，其低照性能、圖像分辨率及幀率、芯片處理速度有了很大程度的性能提升。

ISP圖像信號處理器

ISP(Image Signal Processor)圖像信號處理器的主要作用是對前端圖像傳感器輸出的信號做后期的處理。不同的ISP用來匹配不同廠商的圖像傳感器。ISP的優(yōu)異在整個攝像機(jī)產(chǎn)品中很重要，應(yīng)當(dāng)說它直接影響呈現(xiàn)給用戶的影響畫質(zhì)的優(yōu)劣。圖像經(jīng)過圖像經(jīng)過CCD或者CMOS的采集后，需要經(jīng)過后期的處理才可以較好的適應(yīng)不同的環(huán)境，在不同的光學(xué)條件下都能較好的還原出現(xiàn)場細(xì)節(jié)。在ISP中它會完成我們常常提及的2A(AWB/AE，自動白平衡/自動曝光)或者3A(AWB/AE/AF，自動白平衡/自動曝光/自動聚焦)。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。有些攝像機(jī)產(chǎn)品支持的3D降噪功能、寬動態(tài)、慢快門、幀累積、強(qiáng)光抑制等功能也都是ISP來完成的。

目前應(yīng)用在高清攝像機(jī)產(chǎn)品中的ISP一般有以下幾個來源：

廠商自行研發(fā)：高清攝像機(jī)設(shè)備廠商為了更好的配合后端壓縮、功能開發(fā)，自行研發(fā)ISP處理算法，將算法集成至FPGA或DSP芯片中，接駁前端圖像傳感器。

第三方研發(fā)：2010年已經(jīng)逐漸誕生了一批由非高清攝像機(jī)制造廠商推出的一些ISP解決方案，他們直接出售不同的ISP芯片給攝像機(jī)廠商配合不同廠商的Sensor。

套片模式：由Sensor廠商將自主開發(fā)的ISP結(jié)合自家Sensor形成圖像采集處理解決方案推向客戶，其中的圖像處理算法及各種調(diào)試工作已經(jīng)完成，攝像機(jī)廠商只需要做接口對接并后端壓縮或轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻(HD-SDI)即可。這種模式我們稱為Stand-Alone Devices或者Camera System Onchip。

第一種來源方式具備較高的靈活性，使得開發(fā)者在選擇方案時擁有更多的組合(主要是選擇不同廠商的Sensor)。但是對于產(chǎn)品而言，一方面增加了整機(jī)的功耗、散熱等問題，另外也增加產(chǎn)品開發(fā)投入，也意味著研發(fā)高清攝像機(jī)產(chǎn)品的廠商需要更雄厚的技術(shù)實(shí)力。而后兩種來源方案無疑大大降低了產(chǎn)品開發(fā)的門檻，但相對自主研發(fā)ISP肯定要增加部分成本。設(shè)想如果有集成度更高的高清攝像機(jī)芯片解決方案，將ISP和視頻壓縮編碼功能融合在一起無疑是更好的選擇。

壓縮處理器或數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換

首先我們來了解壓縮處理和數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換的概念。ISP將前端圖像傳感器信號處理后，一般會以MPTE296M/BT.1120/YUV4:2:2等數(shù)字接口格式傳輸?shù)胶蠖颂幚硇酒?。壓縮處理器(SoC或DSP)可以將視頻信號以H.264/MPEG-4/MJPEG算法進(jìn)行編碼壓縮，然后通過內(nèi)建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行傳輸給用戶。數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換則是非壓縮方式，通過數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換芯片將ISP輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成SD-SDI/HD-SDI/3G-SDI信號，分別對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)清晰度(VGA)、高清標(biāo)準(zhǔn)(1080P@30fps)、1080P@60fps甚至更高的分辨率。HD-SDI高清視頻信號需要使用專用的傳輸周邊設(shè)備，如SDI光端機(jī)、SDI矩陣等等。

在此，我們著重介紹壓縮處理器。我們看到一款高清攝像機(jī)產(chǎn)品的參數(shù)性能時，時?？吹絊oC這個字樣，SoC(SystemOnChip)的定義多種多樣，由于它的應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣，內(nèi)涵豐富很難給出具體定義。一般來說我們稱為系統(tǒng)級芯片，也稱片上系統(tǒng)，意指它是一個系統(tǒng)，是一個專用的集成電路，其中包含完整的高清攝像機(jī)系統(tǒng)并嵌入軟件服務(wù)。

高清攝像機(jī)中的SoC市場上常見的廠商有Ti(德州儀器)、Ambarella(安霸)、Hislicon(海思半導(dǎo)體)、NXP(恩智浦半導(dǎo)體)等。不同廠家的硬件壓縮處理器擁有各自的特性，比如低功耗、高性能、高視頻壓縮質(zhì)量、高壓縮比等。我們前文中提到將ISP圖像信號處理與后端視頻壓縮融合的概念，傳統(tǒng)意義上來講，前文介紹的高清攝像機(jī)的幾個重要器件是彼此分開的，不同的處理工作由不同的芯片完成，那么隨著SoC芯片技術(shù)的發(fā)展和市場的大趨勢，越來越多的廠商將ISP與視頻壓縮處理甚至是智能分析技術(shù)融合在一起，將功能固化在一顆芯片中。

高清攝像機(jī)中應(yīng)用的NXPASC8850，Hislicon Hi3516，都集成了ISP中實(shí)現(xiàn)的3A、3D降噪、寬動態(tài)(WDR)、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、數(shù)字防抖等圖像處理功能，Hi3516芯片還集成了智能分析加速引擎，支持智能運(yùn)動偵測、周界防范、人臉檢測、鏡頭保護(hù)等多種分析應(yīng)用。并且，這些SoC芯片對我們廠商還開放了ISP相關(guān)的API(程序接口)，可供我們對ISP效果二次調(diào)節(jié)開發(fā)優(yōu)化。這些芯片技術(shù)使得高清攝像機(jī)的集成度越來越高，芯片的融合將是一個趨勢。

筆者認(rèn)為高清攝像機(jī)SoC芯片的發(fā)展將會在功耗、編碼性能、ISP、智能分析這幾個方面做技術(shù)突破來尋求發(fā)展，那么將會帶動高清攝像機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展。

更低的芯片功耗可以使得高清攝像機(jī)體積更小、可應(yīng)用于更惡劣的環(huán)境、以及衍生出多種多樣的高清攝像機(jī)產(chǎn)品形態(tài)。

更高的編碼性能可以使得高清攝像機(jī)擁有更高像素的實(shí)時壓縮能力，大部分的高清芯片如TI的DM368、海思的Hi3515/3516、NXP的ASC8850等都可以做到1080P@30fps，3兆及5兆像素級還無法做到實(shí)時壓縮，更高像素的高清攝像機(jī)可以替代我們傳統(tǒng)模式的一點(diǎn)多機(jī)的多區(qū)域監(jiān)控模式，可有效的降低設(shè)備投入成本以及周邊布線成本。

現(xiàn)在大部分內(nèi)置ISP功能的視頻芯片對CMOS芯片的支持都比較完善，可以直接對接各主要Sensor廠商的主要產(chǎn)品，但是對CCD芯片的支持則相對有限，還需要開發(fā)者做二次轉(zhuǎn)換。

目前的帶智能分析功能的高清攝像機(jī)是在設(shè)備中預(yù)留一顆較高主頻的DSP或者ARM核心，開發(fā)者可以自己選擇將智能分析算法中的某一部分功能或者全部移植到該DSP或者ARM上，形成帶智能分析的智能高清攝像機(jī)。

目前業(yè)界主要的SoC廠商都已經(jīng)意識到主控芯片的整合化趨勢，并大量投入研發(fā)力量進(jìn)行新一代高清SoC芯片的研發(fā)，不管是率先推出ASC8850的NXP和推出DM368的TI，還是新發(fā)布Hi3516的海思半導(dǎo)體，都已經(jīng)開始在高度融合的高清攝像機(jī)主控芯片上有所建樹，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)合下游設(shè)備廠商的市場推廣和用戶需求的拉動，高度集成的新一代高清攝像機(jī)SoC芯片將會取得越來越大的發(fā)展，并將逐步成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)。

結(jié)束語

高清攝像機(jī)的相關(guān)芯片技術(shù)正在高速發(fā)展，市場對高清監(jiān)控產(chǎn)品的性能要求也在不斷提高，一般的720P分辨率已經(jīng)有點(diǎn)捉襟見肘，200萬像素、300萬像素甚至500萬像素高清攝像機(jī)的需求在不斷涌現(xiàn)，這些需求對高清攝像機(jī)的相關(guān)芯片性能提出了更大的挑戰(zhàn)。而真正要全方位的實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控，勢必是從前端產(chǎn)品的高清化，再到網(wǎng)絡(luò)傳輸、集中存儲、顯示控制、平臺管理等方面均支持高清視頻監(jiān)控。