圖像傳感器實現(xiàn)監(jiān)控攝像頭創(chuàng)新應(yīng)用

視頻監(jiān)控行業(yè)正在經(jīng)歷一場重要的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的主要基于模擬技術(shù)的CCD閉路電視（CCTV）系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更先進的數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）監(jiān)控解決方案。監(jiān)控攝像頭的一個關(guān)鍵根本趨勢是轉(zhuǎn)向720P和1080P兩種高清晰度（HD）視頻格式。新趨勢包括融合寬動態(tài)范圍（WDR）和立體成像能力。此外，相較于目前使用的CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有同樣或更好的圖像性能、更低的成本、更高的集成度、更低的功耗和更快的速度，因而在網(wǎng)絡(luò)攝像頭中的應(yīng)用不斷增加。

在該市場上，CMOS圖像傳感器的出色技術(shù)可以實現(xiàn)許多新特點和新功能，并可為監(jiān)控系統(tǒng)OEM廠商提供關(guān)鍵的差異化特性。此外，采用CMOS圖像傳感器可以使IP監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)更經(jīng)濟和安裝更容易，從而在市場競爭當中脫穎而出，而吸引到更多客戶。例如，某些具有前瞻性思維的監(jiān)控系統(tǒng)OEM廠商正在開發(fā)全新的、潛在大批量的、自己制作（DIY）的監(jiān)控細分市場。家用甚至是小型的辦公室DIY監(jiān)控系統(tǒng)可能僅需花費100美元，因此可以引發(fā)比基于CCD的CCTV系統(tǒng)大得多的市場。相比CCTV系統(tǒng)，IP攝像頭系統(tǒng)具有多項優(yōu)勢，包括擺脫數(shù)十年前所建立的國家電視系統(tǒng)委員會（NTSC）制式和逐行倒相制式（PAL）分辨率標準的種種限制，為采用百萬像素圖像傳感器以提高性能提供了機會。

高清攝像頭

圖像傳感器技術(shù)的創(chuàng)新激勵著監(jiān)控市場轉(zhuǎn)向高清視頻標準并同時轉(zhuǎn)向IP解決方案，從而能夠逐漸脫離模擬（CCTV）安保攝像方案。全高清視頻圖像能夠提供清晰的細節(jié)、更好的總體視覺體驗和信息，但是攝取高品質(zhì)視頻卻需要高幀率和適應(yīng)從極高對比度到極暗場景的各種光照條件的能力。實現(xiàn)高品質(zhì)、高清晰度視頻需要高水平的創(chuàng)新和非凡的像素技術(shù)。

IP攝像頭系統(tǒng)中使用的圖像傳感器必須具有相對較高的分辨率，在60幀/秒等高幀率下能夠達到720P或1080P.雖然標準的視頻幀率為30fps，但60fps的幀率為攝像頭廠商提供了更大的靈活性，可以調(diào)整快門寬度以擷取場景內(nèi)快速移動的物體。另外，賭場之類的應(yīng)用場合也需要使用高視頻幀率的監(jiān)控，以擷取認定違規(guī)的必要證據(jù)。

高速HD視頻攝像頭轉(zhuǎn)向CMOS傳感器的原因之一是CMOS具有更低功耗的固有特性。功耗更低的CMOS圖像傳感器還綜合了多項省電功能，如門控時鐘設(shè)計、可變幀率和采用CMOS工藝技術(shù)實現(xiàn)的低待機電流。此外，對于數(shù)字或IP攝像頭來說，接口選項的數(shù)量增多，千兆位以太網(wǎng)、HDCCTV和同軸線纜IP等都可作為高清視頻的接口選擇。

寬動態(tài)范圍攝像頭

現(xiàn)今許多IP攝像頭系統(tǒng)都采用寬動態(tài)范圍技術(shù)，這項技術(shù)解決了在極暗和極亮環(huán)境下擷取影像的相關(guān)技術(shù)難題，使得攝像頭幾乎可以放置在任何地點。沒有寬動態(tài)范圍功能的攝像頭將具有曝光過度和曝光不足的風險，而使得影像無法使用，這是監(jiān)控產(chǎn)品所無法接受的。

最新的趨勢是在圖像傳感器上集成寬動態(tài)范圍功能和寬動態(tài)范圍影像處理，以提供細節(jié)清晰的流暢視頻。盡管當今攝影頭系統(tǒng)的圖像分辨率在不斷提高，但像素動態(tài)范圍卻隨像素尺度的縮小而不斷縮小，從而限制了攝像頭產(chǎn)生保留有光影分布的逼真影像。為此，人們提出了各種實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的像素方案，包括對數(shù)像素、橫向溢出法、幀多重曝光（ME）和幀內(nèi)多重曝光（IFME）。

這些寬動態(tài)范圍技術(shù)的目的是要獲得較大的場景內(nèi)動態(tài)范圍，這意味著一個場景內(nèi)的黑暗區(qū)域和明亮區(qū)域都可以被適當曝光。其實現(xiàn)方法通常是利用多幀方案對一個影像進行多次曝光或多次幀擷取，或是利用一種非線性信號處理方式來降低更高曝光強度下像素的回應(yīng)度。這些技術(shù)一般都能夠在一個影像中獲得高于100dB的超高動態(tài)范圍，這對許多應(yīng)用都非常有益。比如，即使場景其余部分被陽光或刺眼的光線照射到，監(jiān)控攝像頭也可以清晰記錄下人的臉孔。

3D/立體攝像頭

越來越多以視頻分析形式出現(xiàn)的技術(shù)正在用于安保攝像頭中，這些技術(shù)主要用于人體偵測和人員追蹤?；炯夹g(shù)包括背景建模、前景萃取、BLOB分析和光流分析能力所需的算法。雖然數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的計算能力不斷提高，但在視頻分析中卻仍然存在許多挑戰(zhàn)。嚴苛的真實環(huán)境（如擁擠的房間、不斷改變的光線和物體遮擋對2D攝影技術(shù)的影響）帶來了許多嚴峻的挑戰(zhàn)。但是，不斷改變的光線和外觀顏色卻不會對3D成像技術(shù)造成影響，故可在動態(tài)光照環(huán)境下保持追蹤精度。此外，3D立體攝像頭能夠建立景深效果，這樣就可精確偵測到某個場景（甚至非常擁擠的環(huán)境）中的人和運動。3D影像只需一個能夠拍攝目標物體局部的立體攝像頭，就可實現(xiàn)對其精確跟蹤；使用多個攝像頭則可用來擴展系統(tǒng)的監(jiān)控面和應(yīng)對嚴重的遮蔽環(huán)境。3D攝像頭深度感測處理實例如圖1所示。

圖1:3D攝像頭深度感測處理實例。

圖像傳感器實現(xiàn)監(jiān)控攝像頭的創(chuàng)新

Aptina的AR0331高清監(jiān)控圖像傳感器具有卓越的性能、寬動態(tài)范圍、支持3D攝像頭和弱光下的靈敏度，以期創(chuàng)建下一代全高清和3D視頻應(yīng)用的攝像頭。AR0331是世界上首款可在線性和多重曝光寬動態(tài)范圍兩種模式下實現(xiàn)1080p分辨率和60fps幀率的監(jiān)控圖像傳感器，它采用了1/3英寸光學(xué)格式，具有低于1lux的弱光性能和寬動態(tài)范圍，帶有內(nèi)置的自適應(yīng)區(qū)域色調(diào)映射功能。配合高效H.264編碼和IP帶寬管理功能，AR0331可讓監(jiān)控攝像頭設(shè)計人員實現(xiàn)在最嚴苛的環(huán)境中擷取到全高清視頻影像。此外，AR0331還采用了Aptina的A-Pix技術(shù)，能夠最大限度地增強光線的收集能力，以提高弱光下的靈敏度（圖2）。

圖2:Aptina AR0331圖像傳感器在線性和多重曝光寬動態(tài)范圍兩種模式下所獲得的影像。

AR0331的技術(shù)創(chuàng)新并不僅是可在各種光照條件下擷取高清視頻，除此之外，它還支持3D/立體攝像技術(shù)。在典型的雙攝像頭視差立體設(shè)計中，高復(fù)雜性、慢響應(yīng)速度、高功耗及高系統(tǒng)成本，使得攝像頭的設(shè)計步履艱難。而通過在AR0331中增加3D/立體攝像頭支持功能，即可提供立體攝像能力，使立體攝像頭在同步模式工作。一個傳感器用作主傳感器，其它則作為從傳感器，從而簡化了高效3D攝像頭的設(shè)計并節(jié)省了設(shè)計成本。