圖像傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像頭創(chuàng)新應(yīng)用

視頻監(jiān)控行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)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(jìn)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(gè)關(guān)鍵根本趨勢(shì)是轉(zhuǎn)向720P和1080P兩種高清晰度（HD）視頻格式。新趨勢(shì)包括融合寬動(dòng)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(chǎng)上，CMOS圖像傳感器的出色技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)許多新特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)和安裝更容易，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)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(xì)分市場(chǎng)。家用甚至是小型的辦公室DIY監(jiān)控系統(tǒng)可能僅需花費(fèi)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(chǎng)。相比CCTV系統(tǒng)，IP攝像頭系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括擺脫數(shù)十年前所建立的國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)（NTSC）制式和逐行倒相制式（PAL）分辨率標(biāo)準(zhǔn)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(jī)會(huì)。

高清攝像頭

圖像傳感器技術(shù)的創(chuàng)新激勵(lì)著監(jiān)控市場(chǎng)轉(zhuǎn)向高清視頻標(biāo)準(zhǔn)并同時(shí)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(xì)節(jié)、更好的總體視覺體驗(yàn)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(duì)比度到極暗場(chǎng)景的各種光照條件的能力。實(shí)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(duì)較高的分辨率，在60幀/秒等高幀率下能夠達(dá)到720P或1080P.雖然標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景內(nèi)快速移動(dòng)的物體。另外，賭場(chǎng)之類的應(yīng)用場(chǎng)合也需要使用高視頻幀率的監(jiān)控，以擷取認(rèn)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(xiàng)省電功能，如門控時(shí)鐘設(shè)計(jì)、可變幀率和采用CMOS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低待機(jī)電流。此外，對(duì)于數(shù)字或IP攝像頭來說，接口選項(xiàng)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(dòng)態(tài)范圍攝像頭

現(xiàn)今許多IP攝像頭系統(tǒng)都采用寬動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)，這項(xiàng)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(diǎn)。沒有寬動(dòng)態(tài)范圍功能的攝像頭將具有曝光過度和曝光不足的風(fēng)險(xiǎn)，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(shì)是在圖像傳感器上集成寬動(dòng)態(tài)范圍功能和寬動(dòng)態(tài)范圍影像處理，以提供細(xì)節(jié)清晰的流暢視頻。盡管當(dāng)今攝影頭系統(tǒng)的圖像分辨率在不斷提高，但像素動(dòng)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(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的像素方案，包括對(duì)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(dòng)態(tài)范圍技術(shù)的目的是要獲得較大的場(chǎng)景內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍，這意味著一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)的黑暗區(qū)域和明亮區(qū)域都可以被適當(dāng)曝光。其實(shí)現(xiàn)方法通常是利用多幀方案對(duì)一個(gè)影像進(jìn)行多次曝光或多次幀擷取，或是利用一種非線性信號(hào)處理方式來降低更高曝光強(qiáng)度下像素的回應(yīng)度。這些技術(shù)一般都能夠在一個(gè)影像中獲得高于100dB的超高動(dòng)態(tài)范圍，這對(duì)許多應(yīng)用都非常有益。比如，即使場(chǎng)景其余部分被陽光或刺眼的光線照射到，監(jiān)控?cái)z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(cè)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(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的計(jì)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(yán)苛的真實(shí)環(huán)境（如擁擠的房間、不斷改變的光線和物體遮擋對(duì)2D攝影技術(shù)的影響）帶來了許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但是，不斷改變的光線和外觀顏色卻不會(huì)對(duì)3D成像技術(shù)造成影響，故可在動(dòng)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(cè)到某個(gè)場(chǎng)景（甚至非常擁擠的環(huán)境）中的人和運(yùn)動(dòng)。3D影像只需一個(gè)能夠拍攝目標(biāo)物體局部的立體攝像頭，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)其精確跟蹤；使用多個(gè)攝像頭則可用來擴(kuò)展系統(tǒng)的監(jiān)控面和應(yīng)對(duì)嚴(yán)重的遮蔽環(huán)境。3D攝像頭深度感測(cè)處理實(shí)例如圖1所示。

圖1:3D攝像頭深度感測(cè)處理實(shí)例。

圖像傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍兩種模式下實(shí)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(dòng)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?cái)z像頭設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)在最嚴(yán)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(qiáng)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(dòng)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(jì)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(jì)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(gè)傳感器用作主傳感器，其它則作為從傳感器，從而簡(jiǎn)化了高效3D攝像頭的設(shè)計(jì)并節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。