“让我们看得更清晰”——从高品质图像质量谈高清监控摄像机

■本刊记者 刘毅

“让我们看得更清晰”
——从高品质图像质量谈高清监控摄像机

■本刊记者 刘毅

“看的更清晰”是高清监控摄像机发展的原动力。想要看的更清晰，必须依赖于前端摄像机所能提供的图像质量。高品质的图像是看的更清晰的前提，也是视频监控智能化应用的先决条件。

冠以“高清”之名的摄像机就是好摄像机吗？高清监控摄像机如何才能看得更清楚？高品质的图像质量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》栏目围绕高清监控摄像机研发生产的有关问题及如何考量高清监控图像质量等问题与索尼中国专业系统集团应用业务市场部高级产品经理文军，海康威视数字技术股份有限公司产品总监应向群，天津天地伟业网络视频部产品经理马可威进行了初步探讨。

“看的更清晰”是高清监控摄像机发展的原动力。想要看的更清晰，必须依赖于前端摄像机所能提供的图像质量。高品质的图像是看的更清晰的前提，也是视频监控智能化应用的先决条件。

冠以“高清”之名的摄像机就是好摄像机吗？高清监控摄像机如何才能看得更清楚？高品质的图像质量需要哪些的要素去保障？本期，《高清智能》栏目围绕高清监控摄像机研发生产的有关问题及如何考量高清监控图像质量等问题与索尼中国专业系统集团应用业务市场部高级产品经理文军，海康威视数字技术股份有限公司产品总监应向群，天津天地伟业网络视频部产品经理马可威进行了初步探讨。

高清监控摄像机研发生产的核心关键

高清摄像机在研发中的两大核心关键技术一是摄像机Sensor的3A控制部分，即自动白平衡、自动电子快门AES、自动增益控制AGC。3A的核心算法直接影响到高清摄像机的图像画质水平，决定产品在各类场景下的图像画质表现，是体现高清摄像机应用价值最直接的表现。第二个关键技术是高清网络摄像机的后端压缩处理部分，即将图像采集模块输出的数字视频信号进行编码压缩。使用的压缩芯片方案不同，和厂家后期对压缩算法优化程度不同，也会对摄像机的压缩质量产生差异，好的压缩芯片方案和算法，会使得高清摄像机的图像具有色彩还原真实、边缘锐度良好、低码流等良好的高清网络摄像机特性表现。

DSP芯片对高清摄像机起着重要作用，DSP对Sensor芯片输出的信号进行放大和校正，作为摄像机产品核心的处理芯片，它的功耗等性能优劣直接决定高清摄像机的散热量、低照度能力及图像的质量。高品质的DSP芯片主要的性能体现在二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背光补偿、颜色轮廓校正、细节补偿、自动聚焦等方面。

目前市场上百万高清数字摄像机所用到的DSP包括了TI、NXP、海思、美信等诸多企业的方案。TI的达芬奇DSP方案在低功耗、性能等方面表现出色，但是开发难度较大。因此很多厂家更多的选择了海思，NXP。如海思的3516方案在原有压缩方案的基础上又集成了3A控制，并且用户厂家可调节。支持宽动态WDR、强光抑制、背光补偿、Gamma校正、色彩增强等技术，使高清网络摄像机的画质表现更上一个台阶，同时也给用户厂家的高清产品快速发布提供了一个较高的开发平台基础，因而受到很多国内企业的青睐。

对高清监控摄像机的研发生产来说，机芯的选择也是非常重要的一方面。如现在高清网络摄像机的云台类产品在市场上的应用越来越多，与之配套的数字摄像机机芯产品也越来越丰富：130万像素CCD的产品比如日立等厂家都相继推出了自己的产品，200万像素CMOS产品目前也有产品趋于成熟，比如日立和索尼的全高清全实时的1080P分辨率的数字机芯产品。市场上众多的高清数字机芯各自都有不同的特点表现，有的价格便宜，容易控制产品成本，有的性能效果优异，适合用于高端的高清云台类产品，有的使用CCD成像，低照效果表现好，有的使用CMOS成像，白天画质色彩鲜艳，等等。选择机芯的方法其实应该是首先在市场上定位产品，然后根据产品的市场定位，不同的应用场所、价格定位，再根据市场上不同的机芯的效果表现，来选择不同的机芯。

考量高清监控摄像机图像品质的要素

目前高清监控摄像机市场上已经有了很多机型，如高清宽动态，高清红外等等，但并非冠以高清的就是好的摄像机。高品质的图像质量是高清监控最基本也是最重要的要求，离开了图像品质这一点再谈其他的功能特性都是舍本逐末。监控场景千差万别，这就要求监控摄像机能适应各种场景的复杂光线，获得出色的图像。考量高品质的高清图像主要有以下几点：

保证高品质图像，高清摄像机首先应该满足720*1080P的高清标准，其次，高清摄像机的清晰度，灵敏度、色彩还原度、宽动态范围、红外效果、低照度等，都是决定摄像机图像品质重要的因素。同样是高清快球，不同的摄像机其色彩还原性有很大的不同。在室外和室内不同的情况下，高清摄像机图像的色彩还原度也不同。随着照度的降低，图像的色彩会衰减的很厉害。照度和色彩还原度，这两点，是考量高清摄像机图像品质的重要指标。

在实际应用中，在街道治安监控、夜间监控、道路交通监控等不同的应用需求中；在灯光明亮，视线通透的环境和冬季傍晚5、6点钟街头的光线环境下，高清摄像机的图像效果是完全不同的。光线暗淡乃至完全没有光照条件下，高清摄像机拍摄的图像质量如何，就更为考验高清摄像机的品质，如果高清摄像机没有低照度特性，应用就极为受限制。因而高清摄像机在低照度情况下，尤其是在夜间在夜间的效果，是否真的能够达到用户的应用需求，也是判定高清摄像机图像品质很重要的一点。在低照度情况下，图像品质与摄像机感光器件的灵敏度有很大关系。

高清监控，高灵敏度CMOS唱主角

目前使用CMOS芯片的高清摄像机非常普遍。作为业内唯一能同时提供监控摄像机各个主要部件的厂商，索尼的产品线包括了感光器件CCD/CMOS、图像处理芯片DSP、摄像机模块、及成品摄像机。索尼的全系列高清监控摄像机均采用了CMOS感光器件。感光器件是摄像机最为核心的部件，在模拟摄像机以及标清网络摄像机中，最为广泛使用的是CCD。进入高清监控时代以后，CMOS逐渐被人们所认识。CCD的特点是灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。对于相同尺寸的感光器件，像素越高，意味着每个像素的进光量越少，因此目前高清监控摄像机的突出问题是清晰度提高，灵敏度降低。但目前市场已经研发出720P与1080P专用的CMOS器件，其灵敏度性能已经与CCD接近。

索尼利用在CCD方面所积累的经验与技术，解决了传统的CMOS芯片具有的缺陷，如噪点、低照度、拖尾等问题。索尼针对安防开发的CMOS芯片，发挥了它自身特有的优势：速度快，帧率高，分辨率高，功耗低。针对安防业务，索尼对CMOS感光芯片做了优化：一是每列像素的A/D转换器可以迅速将每列产生的模拟信号转换成数字信号；二是.双向降噪，它有对模拟的电信号的降噪，还有对转换成数字信号后的降噪；第三是本身结构的变化，从原来的前照射结构改为背照射结构，这可以有效提高感光效应，使噪点更少，灵敏度更好，图像更明亮。

超宽动态解决图像拖尾

拖尾现象是百万高清摄像机最常见的弊端，有的安防厂家为了提高低照度，采用电子慢门或帧累积，这样处理可大大提升低照度效果，但是弊端也是非常明显的，那就是当画面上有运动物体时，会出现图像拖尾，看不清楚运动物体模糊，看不清楚行动中的人特征。

在索尼推出的高清产品中，为了提升图像效果，包括灵敏度和宽动态，索尼特别开发了一项新的功能——View-DR。这是索尼的最新宽动态技术，宽动态范围达到15dB，相比传统技术灵敏度提升2倍。而其可视性增强（Visibility Enhancer）、超级动态降噪（XDNR）等技术也能对图像的亮度提升和降噪起到革命的提升，能够达到15DB动态范围。即能够达到在1/30秒的时间内，实现标准快门1次，高速快门3次的速度。在同样的时间范围内，得到的影像内容更多，影像动作的连续性更丰富。而普通的摄像机的只能够达到普通快门1次，电子快门1次的速度。View-DR功能实际上包含了三项先进技术：索尼针对安防监控研发的专业高灵敏度Exmor CMOS、多次曝光宽动态技术、可视性增强（VE）技术。一般来说宽动态打开后灵敏度是会降低的，但通过开启这个功能，不仅宽动态范围超过120dB，达到超宽动态的惊人效果，而且相比传统宽动态灵敏度提升了2倍，同时对比度也增加4倍，使图像效果在低光和明暗对比强烈的环境中得到极大增强和改善。

在高清监控摄像机噪点控制方面，索尼采用了超级动态降噪技术（XDNR）。传统的降噪技术往往在噪点控制和移动物体拖尾两方面难以兼顾，噪点降低了但移动物体就会有拖尾，而移动物体边缘清晰了那噪点就会增加。索尼高清摄像机的超级动态降噪技术正是平衡了这两者的关系，在降低噪点的同时也能保证移动物体的边缘清晰不拖尾。这对于安防监控来说是非常关键的，因为安防主要就是关注移动物体如人、车等。

红外效果影响高清图像质量

高清红外摄像机这款机型，一直存在红外灯的寿命问题。摄像机的红外灯因为在电路设计，发热控制等方面一直存在未解决的技术问题，因而红外灯坏的非常快。这在实际应用中会带来很多更换，维修等方面的不便。

除了红外灯的寿命之外，高清红外摄像机在使用过程中，还存在有效照射距离的问题。在实际应用中，在黑夜缺少照明的情况下，在10－15米的范围内，高清红外摄像机看不见物体的情况非常普遍。另外，在高清红外摄像机的使用过程中，还会出现红外灯照在人脸上发生“过曝”现象，造成图像中人脸发白，看不清面目,影响图像质量。索尼在2010年推出红外摄像机之前，一直在研究解决红外的使用寿命问题，通过红外灯电路的设计，发热量的控制，以及红外灯材质的选择等途径的改造，索尼的高清红外摄像机在红外设计的过程中，增加了一个防止过曝，保持合理曝光的设计，保留了人体的细节特征，保证了图像的品质，通过一些列技术改造，使得索尼的红外摄像机在红外灯每天使用7小时的情况下，可以使用7年。

除了上述因素之外，高清摄像机的压缩格式和码流也是影响高清视频图像效果的重要原因。因为高清摄像机比普通标清摄像机发送的图像分辨率更大、信息更多，客观上对网络提出了更高的要求。很多方面的问题诸如最大分辨率对带宽的影响、有几种编码方式、有几种码流可选、是否实时、是否支持无线网络等等都需要考虑。

目前主流的压缩格式有三种，分别是JPEG、MPEG-4、H.264。JPEG是单帧图片的压缩，单张图片的效果最佳，但占用的网络带宽资源较大；MPEG-4和H.264是帧与帧之间的连续压缩，这是指如果监控的目标图像没有变化或变化不大时，摄像机传输的数据非常小，这样就能避免重复传输占用带宽。其中目前最流行的压缩格式H.264的压缩效率最高。这三种压缩方式各有优缺点，不能简单地说哪种更好，只能根据用户实际使用的需求来选择。H.264虽然压缩效率最高，但其对后端服务器和管理软件的解码能力和资源耗费也最大；JPEG虽然占用带宽最高，但作为存储格式的图像品质是最好的，对于后期调查取证来说能得到最清晰的图像；MPEG-4格式通用性最强，各个品牌和型号对其支持最好，同时对后端软件系统解码资源的占用也相对较低。

高清监控带来了海量数据，这就要求系统在网络压缩处理方面要非常高效。如果要单张图像清晰，JPEG 压缩格式的效果是最好的，而MPEAG4 的兼容性很好，它对服务器资源的要求比较少。因此，需要高清摄像机具备可以提供多种编码格式，同时支持任意格式，任意格式都可以达到实时图像的能力。另外，输出码流是否稳定也成为影响网络传输的重要因素。如果码流不稳，造成占用带宽突然增大会造成图像出现丢帧，遗漏重要图像信息；网络阻塞引起瘫痪；网络架构和存储资源在设计时不得不考虑更多冗余造成浪费。使码流控制在持续稳定的水平,是摄像机在产品设计的过程中必须考虑的问题。

高清图像品质内涵丰富，层次多

对单独的高清摄像机来说，在实际应用中，高清也还包含很多丰富的含义和多层次的图像质量要求。高清这个概念，在实际应用中，不仅仅是清晰度，还包括效果。如夜间情况下，目前，高清摄像机追求的还是在晚上能不能达到一个比较好的效果。而在不同的行业，不同的应用场景对于视频本身的要求也不一样，有的希望看得更广，但对清晰度的要求不是很严格，比如广场上；有的希望看得更清晰，需要高分辨率，但可以低帧率；有的希望看得更平滑，图像没有跳顿……所以对于产品形态需要不同的定制化。而对于功能应用的定制化就更多了，比如对于零时存储、网络数据加密、用户安全等等，不同的客户也会提出不同的需求。

比如交通行业，对车辆抓拍、车道监控、车牌识别，甚至司乘人员辨识等都有非常严格的需求，因此，这里需要的不仅是一个能支持上述功能的高清网络摄像摄像机，而是以这种摄像机为关键设备的一套完整的高清卡口或车牌识别系统，从而实现人与车的全方位监控。在金融行业，由于摄像机主要是安装于柜台和大厅等部位，因此更需要宽动态的功能；而对于柜台等部位，对高清摄像机还有高帧率的要求，以看清点钞的细节。因此在技术层面上，必须结合应用做相应的创新和发展：结合Sensor在图像处理上做更多的改善；针对宽动态，可以使用多次曝光技术、区域曝光技术，以及图像的Gamma提升等各种复杂的算法，以得到一个很好的动态响应范围；对于低照度情况，可以选用高端的CCD 作为Sensor，或高灵敏度的Sensor，并结合去噪技术等实现优异的低照度效果。

现阶段，市场上高清图像的水平确实层次不齐的现状，大家看重还仅仅是一个概念：我的系统到底是不是高清的？具体用怎样的怎样的产品？但厂商和用户对高清、智能的期望，绝不仅仅是带来一个概念，最重要的还是能否带来产品的价值。高清的价值就在于在图像方面带来了核心的变化，如原来客户应用中的一些核心问题，如看不见，看不清的问题，通过高清监控能够解决。